Forskare ledda av ingenjörer vid Tufts University har utvecklat en roman, betydligt effektivare tillverkningsmetod för silke som gör att de kan värma och forma materialet till fasta former för ett brett spektrum av applikationer, inklusive medicinsk utrustning. Slutprodukterna har överlägsen styrka jämfört med andra material, har fysiska egenskaper som kan "justeras" för specifika behov, och kan modifieras funktionellt med bioaktiva molekyler, såsom antibiotika och enzymer. Den termiska modelleringen av siden, beskrivs i Naturmaterial , övervinner flera hinder för att möjliggöra tillverkningsflexibilitet som är gemensam för många plaster.

"Vi och andra har utforskat utvecklingen av många silkesbaserade enheter genom åren med hjälp av lösningsbaserad tillverkning, "sa David Kaplan, Stern Family Professor of Engineering vid Tufts University School of Engineering och motsvarande författare till studien. "Men denna nya solid-state tillverkningsmetod kan avsevärt minska tiden och kostnaderna för att producera många av dem och erbjuda ännu större flexibilitet i form och egenskaper. Dessutom, detta nya tillvägagångssätt undviker komplikationerna med lösningsbaserade leveranskedjor för silkesproteinet, vilket borde underlätta uppskalning i tillverkningen."

Silke är en naturlig proteinbaserad biopolymer som länge har känts igen för sina överlägsna mekaniska egenskaper i fiber- och textilform, producerar hållbara tyger och används i kliniska suturer i tusentals år. Under de senaste 65 åren, forskare har utarbetat sätt att bryta ner fibrerna och rekonstituera silkesproteinet, kallas fibroin, till geler, filmer, svampar och andra material för applikationer som sträcker sig från elektronik till ortopediska skruvar, och anordningar för läkemedelstillförsel, vävnadsteknik, och regenerativ medicin. Dock, att bryta ner och rekonstituera fibroin kräver ett antal komplexa steg. Dessutom, proteinets instabilitet i vattenlöslig form sätter gränser för lagrings- och leveranskedjans krav, vilket i sin tur påverkar utbudet och egenskaperna hos material som kan skapas.

Forskarna rapporterade att de har övervunnit dessa begränsningar genom att utveckla en metod för solid-state termisk bearbetning av silke, vilket resulterar i formning av proteinpolymeren direkt till bulkdelar och anordningar med avstämbara egenskaper. Den nya metoden - i likhet med en vanlig praxis inom plasttillverkning - innebär tillverkning av nanostrukturerade "pellets" med diametrar från 30 nanometer till 1 mikrometer som produceras genom frystorkning av en vattenhaltig silkesfiberlösning. Nanopelletterna värms sedan upp från 97 till 145 grader Celsius under tryck, när de börjar smälta. Den veckade mönsterstrukturen hos sidenproteinkedjorna blir mer amorf, och de smälta pelletsen bildar bulkmaterial som inte bara är starkare än de lösningsbaserade sidenmaterialen utan också överlägsna många naturliga material som trä och andra syntetiska plaster, enligt forskarna. Pelletsen är ett utmärkt utgångsmaterial eftersom de är stabila under långa perioder och därmed kan transporteras till tillverkningsställen utan krav på bulkvatten, vilket resulterar i betydande besparingar i tid och kostnad.

Egenskaperna hos det värmeformade sidenet, som flexibilitet, drag- och tryckhållfasthet, kan anpassas till specifika intervall genom att ändra förhållandena i formningsprocessen, som temperatur och tryck, medan bulkmaterialet kan bearbetas ytterligare till enheter, såsom benskruvar och öronrör, eller präglade med mönster under eller efter den initiala formningen. Lägga till molekyler som enzymer, antibiotika eller andra kemiska dopmedel möjliggör modifiering av bulkmaterialen till funktionella kompositer.

För att demonstrera tillämpningar, forskarna testade benskruvarna som utvecklats med solid state-formning in vivo och fann att de visade biokompatibilitet som implanterade enheter, där de stödde bildandet av ny benstruktur på skruvytorna utan inflammation. Silkesskruvarna kunde också resorberas när de ersattes av benvävnad. Resorptionshastigheten kan ställas in genom att förbereda skruvar vid olika temperaturer, allt från 97 grader till 145 grader Celsius, som ändrar kristalliniteten hos bulkmaterialet, och därmed dess förmåga att absorbera vatten.

Forskarna tillverkade också hörselslangar - enheter som används för att tömma infekterade hörselgångar - dopade med en proteas, som bryter ner sidenpolymeren för att påskynda nedbrytningen efter behov efter att röret har tjänat sin funktion.

"Den termiska formningsprocessen är möjlig eftersom det amorfa silket har en väldefinierad smältpunkt vid 97 grader Celsius, som tidigare lösningsbaserade preparat inte uppvisade, sa Chengchen Guo, postdoktor i Kaplanlabbet och medförfattare till studien. "Det ger oss mycket kontroll över de strukturella och mekaniska egenskaperna hos det vi gör." Chunmei Li, Tufts forskningsassistent professor som samarbetade med Guo som första författare, tillade att "utgångsmaterialet - nanopellets - är också mycket stabila och kan lagras under långa perioder. Dessa är betydande framsteg som kan förbättra tillämpningen och skalbarheten av silkesprodukttillverkning."