Forskare vid Tufts University's School of Engineering har utvecklat en ny bioinspirerad teknik som omvandlar sidenprotein till komplexa material som är lätt programmerbara på nano-, mikro- och makroskalor samt ultralätt och robust. Bland de varierade strukturerna som genererades fanns en bana av silkesnanofibrer som tål en belastning 4, 000 gånger sin egen vikt. Forskningen publiceras online i Naturnanoteknik den 27 februari.

Strukturella proteiner är naturens byggstenar, bildar material som ger styvhet, struktur och funktion i biologiska system. Ett stort hinder för att tillverka jämförbara syntetiska material är naturmaterialens hierarkiska struktur som ger unika egenskaper från molekyl till makronivå. När forskare försöker efterlikna denna struktur, de tycker ofta att kontroll i en skala hindrar kontroll i andra skalor.

Tufts-forskarna kombinerade bottom-up-självmonteringsegenskaper hos naturmaterial med riktade, top-down-enhet för att samtidigt styra geometri i alla skalor, mikromekaniska begränsningar och dynamik för avlägsnande av lösningsmedel-som alla avgör biomaterialets egenskaper.

"Vi skapade kontrollerbara, flerskaliga material som lätt kan konstrueras med dopningsmedel. Medan silke är vårt huvudfokus, vi tror att detta tillvägagångssätt är tillämpligt på andra biomaterial och kompositer och syntetiska hydrogeler, "sade motsvarande författare Fiorenzo Omenetto, Ph.D., Frank C. Doble Professor vid Institutionen för biomedicinsk teknik. Omenetto har också ett möte på Institutionen för elektroteknik och datateknik och vid institutionen för fysik inom Institutionen för konst och vetenskap.

Med den nya tekniken, centimeterskala silikonformar mönstrade med mikroskalfunktioner som inte var tjockare än ett människohår. En vattenhaltig fibroinproteingel härledd från silkesmaskkokonger injicerades i formarna och stressades sedan mekaniskt genom sammandragning av gelén i närvaro av vatten och etanol och/eller fysisk deformation av hela formen. När systemet torkade, silkeproteinets struktur omvandlas naturligt till en mer robust kristall av betablad. Materialets slutliga form och mekaniska egenskaper konstruerades exakt genom att styra mikroskalens formmönster, gelkontraktion, mögel deformation och silke uttorkning.

"Det slutliga resultatet av vår process är en stabil arkitektur av inriktade nanofibrer, liknande naturligt siden men erbjuder oss möjligheten att konstruera funktionalitet i materialet, "sa författaren Peter Tseng, Ph.D., postdoktor i Omenettos Silk Lab vid Tufts 'School of Engineering.

I några av experimenten dopade Tufts -forskarna sidengelén med guldnanopartiklar som kunde transportera värme när de utsattes för ljus.

Tseng noterade att banor som spunnits av spindlar är strukturellt täta snarare än porösa. "I kontrast, vår webbstruktur är luftad, porös och ultralätt samtidigt som den är robust mot mänsklig beröring, som kan möjliggöra dagliga applikationer i framtiden, "sa han. En bana med en diameter på 2 till 3 cm som väger cirka 2,5 mg kunde bära en vikt på 11 gram.