Toepassingen van zijdevezels zijn de afgelopen jaren explosief gestegen. Traditioneel aantrekkelijk in textiel vanwege zijn compacte sterkte en luxueuze zachte glans, zijde heeft potentiële toepassingen, waaronder filtratiemembranen en coatings om voedsel te bewaren, substraten voor implanteerbare elektronica, en hooggevoelige biosensoren. Deze technologieën benutten niet alleen de mechanische eigenschappen, maar ook de biocompatibiliteit van het materiaal, biologische afbreekbaarheid en intrinsieke fotonische eigenschappen, evenals het vermogen om het oppervlak te bekleden met optisch actieve stoffen zoals kwantumstippen. Geen verrassing, dan, dat wetenschappers over de hele wereld er hard aan hebben gewerkt om op maat gemaakte materialen te produceren die gebruikmaken van de meerdere functionele eigenschappen van zijde. Toch blijft er een probleem met op zijde gebaseerde biomaterialen - het verkrijgen van het juiste materiaal in schaalbare hoeveelheden. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT hebben een manier aangetoond om de groei van zijde te modelleren die moleculaire controle combineert met schaalbare productie.

"We definiëren in feite een nieuwe regel om zijden materialen te 'kweken' in geordende, hiërarchische structuren, ", legt Benedetto Marelli, professor aan het Massachusetts Institute of Technology in de VS, uit, WHO, naast Ph.D. student Hui Sun, de aanpak ontwikkeld.

De "hiërarchische" organisatie van de moleculen en structuren op verschillende lengteschalen is de sleutel tot veel van de eigenschappen die worden aangetroffen in materialen zoals zijde of bot. De manier waarop de moleculen assembleren, de manier waarop het hele eiwit vouwt, evenals de structuren die vervolgens werden gevormd, hebben allemaal invloed op de eigenschappen van het materiaal.

Tot dusver, de benadering die is gevolgd om zijdematerialen te produceren, lijkt nog steeds sterk op traditionele methoden. Sommige omvatten het produceren van een suspensie van de zijde-eiwitten, die wordt gesponnen, gips, bedrukt of onderworpen aan vaste-gel-vaste fase-overgangen om vezels te vormen, films of blokken. Alternatief, de zijdevezels worden gestript tot nanofibrillen, bijvoorbeeld, door agressieve oplosmiddelen of ultrasone dispersie te gebruiken. Dit soort fabricage is vrij alledaags en goedkoop, maar biedt weinig controle over de microstructuren.

"Onderzoek is meestal beperkt gebleven tot het toepassen van omgevingsfactoren zoals verzuring, organische oplosmiddelen en schuifkracht tijdens het assemblageproces met als doel de microstructuren te beïnvloeden die zich vormen tijdens de fabricage van vezels en films, " zegt Sun. Echter, ze voegt eraan toe dat dit nog steeds heel weinig controle geeft over hoe de eiwitten vouwen en de moleculaire assemblage die beide de eigenschappen van het eindmateriaal kritisch bepalen. Onderzoekers hebben alleen controle op dit niveau aangetoond met bepaalde gekloonde "recombinante" eiwitten of eiwit-DNA-hybriden. Echter, het gebruik van dit soort bouwstenen is onhandig en niet geschikt voor grootschalige productie.

Een nieuwe aanpak zaaien

Met het oog op het vinden van nieuwe manieren om zijdefibroïne te vervaardigen, het structurele eiwit in zijdevezels dat verantwoordelijk is voor hun mechanische eigenschappen en integriteit, Marelli keek terug op eerder werk over biomineralisatie en zijdefibroïne toen het bij hem opkwam om de twee benaderingen te combineren. "Onze hypothese was dat door een peptide al in een geordende structuur aan te bieden, kunnen we misschien het vouwen en assembleren van zijde rond dit peptide sturen, " vertelt hij aan Phys.org. "Het gebruik van 'zaden' om de vorming van synthetische polymeren te beheersen, is goed ingeburgerd, die me hielp bij het verfijnen van het idee."

Om bruikbare peptidezaden te vinden, Marelli en Sun identificeerden een aantal vereisten, die hun aandacht op GAGGSGAGAGSGA richtten, een dodecapeptide dat voortkomt uit de zeer repetitieve hydrofobe domeinen die worden aangetroffen in een grote subeenheid van de zijdefibroïne. GAGGSGAGAGSGA vormt nanohisker-achtige structuren van sterk geordende β-blad moleculaire conformaties. Naast het vertonen van een goed gedefinieerde morfologie, de peptiden zijn zo kort dat het gebruik van industriële chemische processen acceptabele opbrengsten geeft zonder toevlucht te nemen tot synthetische biologische methoden.

Marelli en Sun ontdekten dat in omstandigheden op waterbasis, bij kamertemperatuur en atmosferische druk, GAGSGAGAGSGA nanohiskers vormden een sjabloon van de ongeordende zijdefibroïne om in β-strengen te vouwen en uit te groeien tot β-sheeted nanofibrillen. In aanvulling, door de concentratie van de peptidezaden en zijdefibroïne aan te passen, en het molecuulgewicht van de zijdefibroïne en pH, ze zouden aanwijzingen kunnen verzamelen over het mechanisme achter de getemperde groei en het proces verder kunnen verfijnen.

Volgende, de onderzoekers toonden groei met een sjabloon aan met een alternatief peptide dat wordt gevonden in het zijde-eiwit van de Europese honingbij, die minder regelmatig gedefinieerde nanoassemblages vormt van een combinatie van β-sheet en α-helix conformaties. Ze observeerden de impact op de intermoleculaire rangschikking, en daarom, de mechanische en optische eigenschappen van de resulterende materialen door enten met de verschillende peptiden. Ze waren ook in staat om de toepasbaarheid aan te tonen van nanofabricagetechnieken om lagen van sjablonen van zijdematerialen te deponeren en om suspensies van de gezaaide fibroins in aangepaste structuren te printen.

Een sjabloon voor toekomstig werk

Onder de mogelijke toepassingen die Marelli opsomt:afdrukbare pathogenensensoren met eigenschappen die kunnen worden gebruikt om te detecteren wanneer voedsel bederft met een verhoogde gevoeligheid als gevolg van de verhoogde oppervlakte-tot-volumeverhoudingen, gecompartimenteerde apparaten die enzymen inkapselen voor verbeterde katalytische reacties, filtratiemembranen voor selectief massatransport, complexe oppervlaktefunctionalisering met contrastoppervlakchemie, locatiespecifieke gekristalliseerde zijdefilms met geprogrammeerd degradatievermogen, en informatieopslag en encryptie.

Marelli en Sun gebruiken nu architecturen die gevonden worden in biologische weefsels zoals vlindervleugels, botten en pezen als inspiratiebron voor toekomstig onderzoek. "In het geval van pezen, dit is een weefsel gemaakt van hiërarchisch gestructureerde type I collageenmoleculen die zijn georganiseerd over verschillende schalen van moleculair tot centimeter, " legt Marelli uit, benadrukken hoe dit een bijzonder breed scala aan functies in één materiaalformaat kan geven, inclusief verbeterde mechanische eigenschappen.

Het repliceren van de hiërarchische structuren in vlindervleugels kan ook leiden tot bruikbare materialen voor antifouling en verbeterde warmteafvoer. "Het is moeilijk om deze architecturen te reproduceren met de huidige nanofabricagetechnieken die gebaseerd zijn op bottom-up (d.w.z. montage) nadert, " voegt hij eraan toe. "Onze toekomstige interesses zullen dan liggen in het gebruik van kristallisatie met sjablonen om de fabricage van mesogestructureerde materialen met dergelijke eigenschappen mogelijk te maken."

Volledige details worden gerapporteerd in Natuurcommunicatie

© 2020 Wetenschap X Netwerk