Onderzoekers onder leiding van ingenieurs van Tufts University hebben een roman ontwikkeld, aanzienlijk efficiëntere fabricagemethode voor zijde waarmee ze het materiaal kunnen verwarmen en in vaste vormen kunnen vormen voor een breed scala aan toepassingen, inclusief medische hulpmiddelen. De eindproducten hebben een superieure sterkte in vergelijking met andere materialen, fysieke eigenschappen hebben die kunnen worden "afgestemd" op specifieke behoeften, en kan functioneel worden gemodificeerd met bioactieve moleculen, zoals antibiotica en enzymen. De thermische modellering van zijde, beschreven in Natuurmaterialen , overwint verschillende hindernissen om productieflexibiliteit mogelijk te maken die veel kunststoffen gemeen hebben.

"Wij en anderen hebben in de loop der jaren de ontwikkeling van veel op zijde gebaseerde apparaten onderzocht met behulp van op oplossingen gebaseerde productie, " zei David Kaplan, Stern Family Professor of Engineering aan de Tufts University School of Engineering en corresponderende auteur van de studie. "Maar deze nieuwe solid-state fabricagebenadering kan de tijd en kosten voor het produceren van veel van hen aanzienlijk verminderen en een nog grotere flexibiliteit bieden in hun vorm en eigenschappen. Verder, deze nieuwe aanpak vermijdt de complicaties met op oplossingen gebaseerde toeleveringsketens voor het zijde-eiwit, die opschaling in de productie zou moeten vergemakkelijken."

Zijde is een natuurlijk biopolymeer op basis van eiwitten dat al lang bekend staat om zijn superieure mechanische eigenschappen in vezel- en textielvorm, produceert duurzame stoffen en wordt al duizenden jaren gebruikt in klinische hechtingen. In de afgelopen 65 jaar is wetenschappers hebben manieren bedacht om de vezels af te breken en het zijde-eiwit te herstellen, genaamd fibroïne, in gels, films, sponzen en andere materialen voor toepassingen die variëren van elektronica tot orthopedische schroeven, en apparaten voor medicijnafgifte, weefsel engineering, en regeneratieve geneeskunde. Echter, het afbreken en opnieuw samenstellen van fibroïne vereist een aantal complexe stappen. Aanvullend, de instabiliteit van het eiwit in wateroplosbare vorm stelt grenzen aan de vereisten voor opslag en toeleveringsketen, wat op zijn beurt van invloed is op het bereik en de eigenschappen van materialen die kunnen worden gemaakt.

De onderzoekers meldden dat ze deze beperkingen hebben overwonnen door een methode te ontwikkelen voor thermische verwerking van zijde in vaste toestand, wat resulteert in de vorming van het eiwitpolymeer direct in bulkonderdelen en apparaten met afstembare eigenschappen. De nieuwe methode - vergelijkbaar met een gangbare praktijk in de kunststofproductie - omvat de fabricage van nanogestructureerde 'pellets' met een diameter van 30 nanometer tot 1 micrometer die worden geproduceerd door een waterige oplossing van zijdefibroïne te vriesdrogen. De nanopellets worden vervolgens onder druk verwarmd van 97 tot 145 graden Celsius, wanneer ze beginnen te fuseren. De geplooide patroonstructuur van de zijde-eiwitketens wordt amorfer, en de gesmolten pellets vormen bulkmaterialen die niet alleen sterker zijn dan de uit de oplossing verkregen zijdematerialen, maar ook superieur aan veel natuurlijke materialen zoals hout en andere synthetische kunststoffen, volgens de onderzoekers. De pellets zijn een uitstekend uitgangsmateriaal omdat ze gedurende lange perioden stabiel zijn en dus naar productielocaties kunnen worden verscheept zonder dat er bulkwater nodig is, resulterend in aanzienlijke besparingen in tijd en kosten.

De eigenschappen van de door warmte gevormde zijde, zoals flexibiliteit, trek- en druksterkte, kan worden afgestemd op specifieke bereiken door de omstandigheden in het vormproces te veranderen, zoals temperatuur en druk, terwijl de bulkmaterialen verder kunnen worden bewerkt tot apparaten, zoals botschroeven en oorbuizen, of bedrukt met patronen tijdens of na het eerste vormen. Het toevoegen van moleculen zoals enzymen, antibiotica of andere chemische doteermiddelen maken de modificatie van de bulkmaterialen tot functionele composieten mogelijk.

Om toepassingen te demonstreren, de onderzoekers testten de botschroeven ontwikkeld met solid state molding in vivo en ontdekten dat ze biocompatibiliteit vertoonden als geïmplanteerde apparaten, waar ze de vorming van nieuwe botstructuur op de schroefoppervlakken ondersteunden zonder ontsteking. De zijden schroeven waren ook in staat om te resorberen terwijl ze werden vervangen door botweefsel. De resorptiesnelheid kan worden aangepast door schroeven bij verschillende temperaturen voor te bereiden, variërend van 97 graden tot 145 graden Celsius, die de kristalliniteit van het stortgoed verandert, en daardoor het vermogen om water te absorberen.

De onderzoekers vervaardigden ook oorbuizen - apparaten die worden gebruikt om geïnfecteerde gehoorgangen af ​​te voeren - gedoteerd met een protease, die het zijdepolymeer afbreekt om de afbraak indien nodig te versnellen nadat de buis zijn functie heeft vervuld.

"Het thermische vormproces wordt mogelijk gemaakt omdat de amorfe zijde een goed gedefinieerd smeltpunt heeft bij 97 graden Celsius, die eerdere oplossingsgerichte preparaten niet vertoonden, " zei Chengchen Guo, postdoctoraal onderzoeker in het Kaplan-lab en co-eerste auteur van de studie. "Dat geeft ons veel controle over de structurele en mechanische eigenschappen van wat we maken." Chunmei Li, Tufts onderzoeksassistent-professor die samenwerkte met Guo als eerste auteur, voegde eraan toe dat "het uitgangsmateriaal - de nanopellets - ook erg stabiel is en gedurende lange perioden kan worden bewaard. Dit zijn belangrijke vorderingen die de toepassing en schaalbaarheid van de productie van zijdeproducten kunnen verbeteren."