Om du någonsin har försökt att flisa en mussla från en strandvall eller en havstulpan från botten av en båt, du kommer att förstå att vi kan lära oss mycket av naturen om hur man gör kraftfulla lim. Ingenjörer vid Tufts University har noterat, och rapportera idag en ny typ av lim inspirerad av de envist vidhäftande kräftdjuren i tidningen Avancerad vetenskap .

Börjar med det fibrösa sidenproteinet som skördats från silkesmaskar, de kunde replikera nyckelfunktionerna i bark och musselmassa, inklusive proteinfilament, kemisk tvärbindning och järnbindning. Resultatet är ett kraftfullt giftfritt lim som härdar och fungerar lika bra under vatten som det gör i torra förhållanden och är starkare än de flesta syntetiska limprodukter som finns på marknaden nu.

"Kompositen vi skapade fungerar inte bara bättre under vattnet än de flesta lim som finns tillgängliga idag, den uppnår den styrkan med mycket mindre mängder material, sa Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble Professor i teknik vid Tufts School of Engineering, chef för Tufts Silklab där materialet skapades, och motsvarande författare till studien. "Och eftersom materialet är tillverkat av extraherade biologiska källor, och kemierna är godartade - hämtade från naturen och i stor utsträckning undviker syntetiska steg eller användningen av flyktiga lösningsmedel - det kan ha fördelar även i tillverkningen. "

Silklab "limbesättning" fokuserade på flera viktiga element att replikera i vattenlim. Musslor utsöndrar långa klibbiga filament som kallas byssus. Dessa sekret bildar polymerer, som bäddas in i ytor, och kemiskt tvärbindning för att stärka bindningen. Proteinpolymererna är uppbyggda av långa kedjor av aminosyror inklusive en, dihydroxifenylalanin (DOPA), en katekolbärande aminosyra som kan tvärbinda med de andra kedjorna. Musslorna tillsätter en annan speciell ingrediens – järnkomplex – som förstärker byssusens sammanhållningsstyrka.

Havstulpaner utsöndrar en stark cement gjord av proteiner som formas till polymerer som förankras på ytor. Proteinerna i havstulpancementpolymerer viker sina aminosyrakedjor till beta-ark – ett sicksackarrangemang som ger plana ytor och många möjligheter att bilda starka vätebindningar till nästa protein i polymeren, eller till ytan till vilken polymerfilamentet fäster.

Inspirerad av alla dessa molekylära bindningstrick som används av naturen, Omenettos team började arbeta med att replikera dem, och att dra nytta av deras expertis med kemin hos silkesfibroinprotein extraherat från silkesmaskens kokong. Silkefibroin delar många av formen och bindningsegenskaperna hos barnacle -cementproteinerna, inklusive möjligheten att montera stora betaarksytor. Forskarna lade till polydopamin - en slumpmässig polymer av dopamin som presenterar tvärbindande katekoler längs sin längd, ungefär som musslorna använder för att tvärbinda sina bindande filament. Till sist, vidhäftningsstyrkan förbättras avsevärt genom att härda limmet med järnklorid, som säkrar bindningar över katekolerna, precis som de gör i naturliga mussellim.

"Kombinationen av sidenfibroin, polydopamin och järn sammanför samma hierarki av bindning och tvärbindning som gör dessa havstulpan- och mussellim så starka, sa Marco Lo Presti, postdoktor i Omenettos lab och första författare till studien. "Vi slutade med ett lim som till och med ser ut som sin naturliga motsvarighet under mikroskopet."

Få rätt blandning av sidenfibroin, polydopamin, och sura förhållanden för härdning med järnjoner var avgörande för att göra det möjligt för limmet att stelna och arbeta under vatten, nå styrkor på 2,4 MPa (megapascal; cirka 350 pund per kvadrattum) när den motstår skjuvkrafter. Det är bättre än de flesta existerande experimentella och kommersiella lim, och endast något lägre än det starkaste undervattenslimmet vid 2,8 MPa. Ändå har detta lim den extra fördelen att det är giftfritt, består av helt naturliga material, och kräver bara 1-2 mg per kvadrattum för att uppnå den bindningen - det är bara några droppar.

"Kombinationen av trolig säkerhet, konservativ användning av material, och överlägsen styrka tyder på potentiell användbarhet för många industriella och marina tillämpningar och kan till och med vara lämpliga för konsumentorienterade som modellbygge och hushållsbruk, " sa prof. Gianluca Farinola, en medarbetare vid studien från University of Bari Aldo Moro, och en adjungerad professor i biomedicinsk teknik vid Tufts. "Det faktum att vi redan har använt sidenfibroin som ett biokompatibelt material för medicinskt bruk leder oss också att utforska dessa applikationer, " lade Omenetto till.