Gesponnen door spinnen en zijderupsen, zijde heeft menselijke ingenieurs verbijsterd die nog moeten uitvinden hoe ze deze stoere, fijne vezels. Maar door zijde te combineren, die veilig is voor gebruik in het menselijk lichaam, met synthetische verbindingen, een onderzoeksteam komt dichter bij de ontwikkeling van nieuwe implanteerbare composietmaterialen met de beste eigenschappen van beide. Potentiële toepassingen, die nog jaren weg zijn, kunnen structuren zijn die het bot op zijn plaats houden na een operatie of vervangingen voor de kraakbeenkussens in de knie.

De onderzoekers presenteren hun resultaten vandaag op de American Chemical Society (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting &Expo.

"Zijde heeft een groot potentieel voor gebruik in biomedische toepassingen, " zegt Juan Guan, doctoraat, hoofdonderzoeker van het project. "Zijde is veelzijdig, en het menselijk lichaam verdraagt ​​het vrij goed, en kan het zelfs degraderen en absorberen."

Zijde heeft een lange geschiedenis in de geneeskunde. Records van oude artsen die patiënten hechtten met vezels gesponnen door zijderupsen dateren van bijna 2, 000 jaar. En vandaag, chirurgen beëindigen bepaalde operaties, zoals die op het oog, met zijden hechtingen.

Door zijde en synthetische polymeren te combineren, Guan en haar collega's van Beihang University proberen veelzijdige nieuwe materialen te ontwikkelen voor gebruik in de geneeskunde en, mogelijk, ook andere velden. Terwijl andere onderzoekers al composietmaterialen met zijde hebben ontwikkeld, ze hebben meestal gewerkt met korte vezels of het primaire eiwit in zijde. Guan, echter, richt zich op zijden stof geweven uit een lange, enkele draad. De cocons van zijderupsen kunnen bijna 5 vezels bevatten, 000 voet lang, en wanneer het geheel in stof wordt gebruikt, een dergelijke vezel kan mechanische spanning effectiever verdelen dan een reeks kortere, discrete, ze zegt. In hun studie hebben Guans team gebruikt zijde van de gewone, gedomesticeerde zijderups Bombyx mori , maar ook harder meer rekbare vezels van de wilde soort Antheraea pernyi .

De onderzoekers combineren deze stof met een polymeermatrix, vaak een epoxy, die wordt gebruikt in lijmen. Samen, de stof en het polymeer vormen een laminaat - vergelijkbaar met de duurzame oppervlaktebekleding die op sommige meubels wordt aangetroffen - dat vervolgens in de vormen kan worden gesneden die de onderzoekers nodig hebben.

Guan en haar collega's zeggen dat de eigenschappen van deze nieuwe materialen ervoor kunnen zorgen dat ze beter passen bij de weefsels in het menselijk lichaam dan wat tegenwoordig wordt gebruikt. Bijvoorbeeld, ze werken samen met orthopedische artsen om structuren te bedenken die lijken op kooien die tijdelijk wervels op hun plaats houden als ze na de operatie samensmelten, een taak die momenteel meestal wordt uitgevoerd met metaal. De hardheid en stijfheid van de zijdecomposieten is beter compatibel met bot, waardoor ze potentieel veerkrachtiger en toch comfortabeler zijn dan metalen constructies, ze zegt.

Er zijn uitdagingen, echter. De binnenkant van het menselijk lichaam is vochtig, een potentieel probleem omdat water zijde kan verzachten en verzwakken. Bij nieuwe experimenten Guan en haar collega's hebben getest hoe composietmaterialen van zijde-epoxy het houden bij blootstelling aan vocht of onderdompeling in water. Voor gebruik naast bot, ze moeten een zekere stijfheid behouden. De experimenten toonden aan dat hoewel dit kenmerk afnam onder nattere omstandigheden, de composieten bleven stijf genoeg om als implantaten te functioneren, ze zegt.

Terwijl de epoxy stevig aan de zijdevezel hecht, het heeft een groot nadeel:het lichaam kan de epoxy niet afbreken en absorberen, wat betekent dat het niet geschikt zou zijn voor implantaten die bedoeld zijn om op te lossen. Dus, Guan begon onlangs te werken met biopolymeren die, zoals zijde, het lichaam kan afbreken en absorberen. Echter, deze composieten hebben minder interne cohesie dan die welke een epoxy bevatten. "The key question is how to make the interface between the biopolymer and the silk fabric more robust, " ze zegt.

The scientists are also looking to supplement silk with other types of fibers. In een recente studie, they added carbon fibers into the mix. "The notion of hybridizing silk with other fibers makes it possible to produce a rather nice spectrum of properties that you can optimize for a given application, " says Robert O. Ritchie, Ph.D, an author of the carbon fiber study. Potential uses for these new structural materials, hij zegt, could be anywhere:in the human body, or even in tennis rackets or on airplane engines.