Spunnen av spindlar och silkesmaskar, silke har mystifierat mänskliga ingenjörer som ännu inte har listat ut hur man på konstgjord väg kan återskapa detta tuffa, fina fibrer. Men genom att kombinera siden, som är säker att använda i människokroppen, med syntetiska föreningar, ett forskarlag närmar sig utvecklingen av nya implanterbara kompositmaterial med de bästa egenskaperna av båda. Potentiella applikationer, som fortfarande är år borta, kan innefatta strukturer som håller benet på plats efter operation eller ersättningar för broskkuddarna i knät.

Forskarna kommer att presentera sina resultat idag på American Chemical Society (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting &Expo.

"Silke har stor potential för användning i biomedicinska tillämpningar, säger Juan Guan, Ph.D., projektets huvudutredare. "Silke är mångsidigt, och människokroppen tolererar det ganska bra, och kan till och med försämra och absorbera det."

Siden har en lång historia inom medicin. Uppgifter om forntida läkare som syr ihop patienter med fibrer spunnna av silkesmask går tillbaka nästan 2, 000 år. Och idag, kirurger avslutar vissa operationer, som de på ögat, med sidensuturer.

Genom att kombinera silke och syntetiska polymerer, Guan och hennes kollegor vid Beihang University försöker utveckla mångsidiga nya material för användning inom medicin och, potentiellt, även andra områden. Medan andra forskare redan har utvecklat kompositmaterial med silke, de har vanligtvis arbetat med korta fibrer eller det primära proteinet i siden. Guan, dock, fokuserar på sidentyg vävt från en lång, enda tråd. Silkesmaskars kokonger kan innehålla fibrer nästan 5, 000 fot lång, och när den används hel i tyg, en sådan fiber kan mer effektivt fördela mekanisk spänning än en serie kortare, diskreta sådana, hon säger. I sina studier, Guans team använder siden från det vanliga, tama silkesmask Bombyx mori , samt tuffare, mer stretchiga fibrer från vilda arter Antheraea pernyi .

Forskarna kombinerar detta tyg med en polymermatris, ofta en epoxi, som används i lim. Tillsammans, tyget och polymeren bildar ett laminat – liknande den slitstarka ytbeläggningen som finns på vissa möbler – som sedan kan skäras till de former som forskarna behöver.

Guan och hennes kollegor säger att egenskaperna hos dessa nya material skulle kunna göra dem till en bättre matchning för vävnaderna i människokroppen än vad som används idag. Till exempel, de samarbetar med ortopediska läkare för att utforma strukturer som liknar burar som tillfälligt håller kotorna på plats när de smälter ihop efter operationen, en uppgift som för närvarande mestadels utförs med metall. Silkeskompositernas hårdhet och styvhet är mer kompatibel med ben, vilket gör dem potentiellt mer motståndskraftiga men ändå bekvämare än metallkonstruktioner, hon säger.

Det finns utmaningar, dock. Människokroppens insida är fuktig, ett potentiellt problem eftersom vatten kan mjuka upp och försvaga siden. I nya experiment, Guan och hennes kollegor testade hur silke-epoxikompositmaterial håller sig när de utsätts för fukt eller nedsänks i vatten. För användning vid sidan av ben, de måste bibehålla en viss styvhet. Experimenten visade att även om denna egenskap minskade under blötare förhållanden, kompositerna förblev styva nog att fungera som implantat, hon säger.

Medan epoxin fäster stadigt på silkesfibern, det har en stor nackdel:kroppen kan inte bryta ner epoxin och absorbera den, vilket innebär att det inte skulle vara lämpligt för implantat avsedda att lösas upp. Så, Guan började nyligen arbeta med biopolymerer som, som siden, kroppen kan bryta ner och absorbera. Dock, dessa kompositer har mindre inre kohesion än de som innehåller en epoxi. "Nyckelfrågan är hur man gör gränssnittet mellan biopolymeren och sidentyget mer robust, " hon säger.

Forskarna vill också komplettera silke med andra typer av fibrer. I en nyligen genomförd studie, de lade till kolfibrer i mixen. "Föreställningen att hybridisera silke med andra fibrer gör det möjligt att producera ett ganska bra spektrum av egenskaper som du kan optimera för en given applikation, " säger Robert O. Ritchie, Ph.D, en författare till kolfiberstudien. Potentiella användningsområden för dessa nya strukturella material, han säger, kan vara var som helst:i människokroppen, eller till och med i tennisracketar eller på flygplansmotorer.