Onderzoekers van Tufts University's School of Engineering hebben een nieuwe bio-geïnspireerde techniek ontwikkeld die zijde-eiwit omzet in complexe materialen die gemakkelijk programmeerbaar zijn op de nano-, micro- en macroschalen, maar ook ultralicht en robuust. Onder de verschillende gegenereerde structuren bevond zich een web van zijden nanovezels die een belasting konden weerstaan ​​4, 000 keer zijn eigen gewicht. Het onderzoek wordt online gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie op 27 februari.

Structurele eiwitten zijn de bouwstenen van de natuur, het vormen van materialen die stijfheid bieden, structuur en functie in biologische systemen. Een belangrijk obstakel voor het vervaardigen van vergelijkbare synthetische materialen is de hiërarchische structuur van natuurlijke materialen die unieke eigenschappen verleent van moleculair tot macroniveau. Wanneer wetenschappers deze structuur proberen na te bootsen, ze vinden vaak dat controle op de ene schaal de controle op andere schalen belemmert.

De Tufts-onderzoekers combineerden bottom-up zelfassemblage die kenmerkend is voor natuurlijke materialen met gerichte, top-down montage om de geometrie op alle schalen tegelijkertijd te regelen, micromechanische beperkingen en dynamiek bij het verwijderen van oplosmiddelen - die allemaal de eigenschappen van biomateriaal bepalen.

"We genereerden beheersbare, multi-schaal materialen die gemakkelijk kunnen worden ontworpen met doteringsmiddelen. Hoewel zijde onze belangrijkste focus is, wij geloven dat deze benadering van toepassing is op andere biomaterialen en composieten en synthetische hydrogels, " zei corresponderende auteur Fiorenzo Omenetto, doctoraat, Frank C. Doble Hoogleraar bij de afdeling Biomedische Technologie. Omenetto heeft ook een aanstelling bij de afdeling Electrical and Computer Engineering en bij de afdeling Natuurkunde binnen de School of Arts and Sciences.

Met de nieuwe techniek, centimeter-schaal siliconen mallen werden gevormd met micro-schaal kenmerken niet dikker dan een mensenhaar. Een waterige fibroïne-eiwitgel afgeleid van cocons van zijderupsen werd in de mallen geïnjecteerd en vervolgens mechanisch belast door samentrekking van de gel in aanwezigheid van water en ethanol en/of fysieke vervorming van de gehele mal. Terwijl het systeem opdroogde, de structuur van het zijde-eiwit veranderde op natuurlijke wijze in een robuuster bèta-bladkristal. De uiteindelijke vorm en mechanische eigenschappen van het materiaal zijn nauwkeurig ontworpen door het microschaalpatroon van de mal te regelen, gel contractie, schimmel vervorming en zijde uitdroging.

"Het eindresultaat van ons proces is een stabiele architectuur van uitgelijnde nanovezels, vergelijkbaar met natuurlijke zijde, maar biedt ons de mogelijkheid om functionaliteit in het materiaal te verwerken, " zei eerste auteur Peter Tseng, doctoraat, postdoctoraal onderzoeker in Omenetto's Silk Lab aan de Tufts' School of Engineering.

In sommige experimenten doopten de Tufts-onderzoekers de zijdegel met gouden nanodeeltjes die warmte konden transporteren bij blootstelling aan licht.

Tseng merkte op dat webben die door spinnen worden gesponnen, structureel dicht zijn in plaats van poreus. "In tegenstelling tot, onze webstructuur is luchtig, poreus en ultralicht, maar ook robuust voor menselijke aanraking, die in de toekomst alledaagse toepassingen mogelijk kunnen maken, " zei hij. Een baan met een diameter van 2 tot 3 cm met een gewicht van ongeveer 2,5 mg was in staat om een ​​gewicht van 11 gram te dragen.