Applikationerna av silkesfibrer har ökat under de senaste åren. Traditionellt attraktiv i textilier för sin kompakta styrka och lyxiga mjuka glans, silke har potentiella tillämpningar inklusive filtreringsmembran och beläggningar för att konservera mat, substrat för implanterbar elektronik, och högkänsliga biosensorer. Dessa tekniker utnyttjar inte bara de mekaniska egenskaperna, men också materialets biokompatibilitet, biologisk nedbrytbarhet och inneboende fotoniska egenskaper, samt möjligheten att klä ytan med optiskt aktiva ämnen som kvantprickar. Ingen överraskning, sedan, att forskare runt om i världen har varit svåra att producera skräddarsydda material som utnyttjar sidens många funktionella egenskaper. Ändå kvarstår en hake med silkesbaserade biomaterial – att få rätt material i skalbara kvantiteter. Nu, forskare vid MIT har visat ett sätt att mala tillväxten av silke som kombinerar molekylär kontroll med skalbar produktion.

"Vi definierar i grunden en ny regel för att "odla" silkesmaterial i ordnade, hierarkiska strukturer, " förklarar Benedetto Marelli, professor vid Massachusetts Institute of Technology i USA, WHO, vid sidan av Ph.D. student Hui Sun, utvecklat tillvägagångssättet.

Den "hierarkiska" organisationen av molekylerna och strukturerna i flera längdskalor är nyckeln till många av egenskaperna som finns i material som silke eller ben. Sättet molekylerna sätts ihop, hur hela proteinet viker sig, såväl som de strukturer som sedan bildades, alla påverkar materialets egenskaper.

Än så länge, tillvägagångssättet för att tillverka silkesmaterial har fortfarande liknat traditionella metoder. Vissa innebär att man producerar en suspension av silkesproteinerna, som snurras, kasta, tryckt eller utsatt för fast-gel-fast fasövergångar för att bilda fibrer, filmer eller block. Alternativt silkesfibrerna skalas till nanofibriller, till exempel, genom att använda hårda lösningsmedel eller ultraljudsdispersion. Denna typ av tillverkning är ganska vanlig och billig, men ger liten kontroll över mikrostrukturerna.

"Forskning har mestadels begränsats till att tillämpa miljöutlösare som försurning, organiska lösningsmedel och skjuvkraft under monteringsprocessen i syfte att påverka de mikrostrukturer som bildas vid tillverkning av fibrer och filmer, säger Sun. Men hon tillägger att detta fortfarande tillåter väldigt lite kontroll över hur proteinerna viker sig och den molekylära sammansättningen som båda kritiskt bestämmer slutmaterialets egenskaper. Forskare har visat kontroll på denna nivå endast med vissa klonade "rekombinanta" proteiner eller protein-DNA-hybrider. Dock, att använda den här typen av byggstenar är krångligt och inte lämpligt för storskalig tillverkning.

Sådd ett nytt tillvägagångssätt

I syfte att hitta nya sätt att tillverka silkesfibroin, det strukturella proteinet i sidenfibrer som ansvarar för deras mekaniska egenskaper och integritet, Marelli tittade tillbaka på tidigare arbete med biomineralisering och silkesfibroin när det kom upp för honom att kombinera de två metoderna. "Vår hypotes var att genom att tillhandahålla en peptid redan i en ordnad struktur, vi kanske kan rikta vikning och montering av siden runt denna peptid, " säger han till Phys.org. "Att använda "frön" för att kontrollera syntetisk polymerbildning är väl etablerat, som hjälpte mig att förfina idén."

För att hitta användbara peptidfrön, Marelli och Sun identifierade ett antal krav, som riktade deras uppmärksamhet mot GAGSGAGAGSGA, en dodekapeptid som härrör från de mycket repetitiva hydrofoba domänerna som finns i en stor subenhet av silkesfibroin. GAGSGAGAGSGA bildar nanowhisker-liknande strukturer av högt ordnade β-arkmolekylära konformationer. Förutom att uppvisa en väldefinierad morfologi, peptiderna är tillräckligt korta för att använda industriella kemiska processer ger acceptabla utbyten utan att tillgripa syntetiska biologiska metoder.

Marelli och Sun fann att under vattenbaserade förhållanden, vid rumstemperatur och atmosfärstryck, GAGSGAGAGSGA nanowhiskers mallade det oordnade sidenfibroinet för att vika sig till β-strängar och växa till β-arkförsedda nanofibriller. Dessutom, genom att justera koncentrationen av peptidfrön och silkesfibroin, och silkesfibroinets molekylvikt och pH, de kunde få ledtrådar om mekanismen bakom den mallade tillväxten och finjustera processen ytterligare.

Nästa, forskarna visade malltillväxt med en alternativ peptid som finns i silkesproteinet från det europeiska honungsbiet, som bildar mindre regelbundet definierade nanosammansättningar av en kombination av β-ark och α-helixkonformationer. De observerade inverkan på intermolekylärt arrangemang, och följaktligen, de mekaniska och optiska egenskaperna hos de resulterande materialen genom ympning med de olika peptiderna. De kunde också demonstrera tillämpbarheten av nanotillverkningstekniker för att deponera lager av mallade silkematerial och för att skriva ut suspensioner av de fröade fibroinerna i anpassade strukturer.

En mall för framtida arbete

Bland de potentiella applikationerna listar Marelli:utskrivbara patogensensorer med egenskaper som kan användas för att upptäcka när mat förstörs med ökad känslighet som ett resultat av det ökade förhållandet mellan yta och volym, kompartmenterade enheter som kapslar in enzymer för förbättrade katalytiska svar, filtreringsmembran för selektiv masstransport, komplex ytfunktionalisering med kontrastytkemi, platsspecifikt kristalliserade sidenfilmer med programmerad nedbrytningsförmåga, och informationslagring och kryptering.

Marelli och Sun använder nu arkitekturer som finns i biologiska vävnader som fjärilsvingar, skelett och senor som inspirationskälla för framtida studier. "När det gäller senor, detta är en vävnad gjord av hierarkiskt strukturerade kollagenmolekyler av typ I som är organiserade över flera skalor från molekylär till centimeter, Marelli förklarar, belyser hur detta kan ge ett särskilt brett utbud av funktioner i ett enda materialformat, inklusive förbättrade mekaniska egenskaper.

Att replikera de hierarkiska strukturerna som finns i fjärilsvingar kan också leda till användbara material för antifouling och förbättrad värmeavledning. "Det är svårt att reproducera dessa arkitekturer med nuvarande nanotillverkningstekniker baserade på bottom-up (d.v.s. montering) närmar sig, " tillägger han. "Vårt framtida intresse kommer då att vara att använda mallkristallisation för att möjliggöra tillverkning av mesostrukturerade material med sådana egenskaper."

Fullständiga detaljer redovisas i Naturkommunikation

© 2020 Science X Network