Ett tvärvetenskapligt team av forskare vid University of Massachusetts Amherst har tagit fram en ny klass av elektroniskt material som kan leda till en "grön, "mer hållbar framtid inom biomedicinsk och miljömässig avkänning, säger forskningsledare mikrobiolog Derek Lovley och polymerforskare Todd Emrick.
De säger att deras nya arbete visar att det är möjligt att kombinera proteinnanotrådar med en polymer för att producera ett flexibelt elektroniskt kompositmaterial som behåller den elektriska ledningsförmågan och unika avkänningsförmågan hos proteinnanotrådar. Resultat visas i journalen Små .
Proteinnanotrådar har många fördelar jämfört med kiselnannotrådarna och kolnanorören när det gäller deras biokompatibilitet, stabilitet, och potential att modifieras för att känna av ett brett utbud av biomolekyler och kemikalier av medicinskt eller miljömässigt intresse, säger Lovley. Dock, dessa sensorapplikationer kräver att proteinnanotrådarna införlivas i en flexibel matris som är lämplig för tillverkning av bärbara avkänningsenheter eller andra typer av elektroniska enheter.
Som Lovley förklarar, "Vi har studerat den biologiska funktionen av protein nanotrådar i över ett decennium, men det är först nu som vi kan se en väg framåt för deras användning i praktisk tillverkning av elektroniska enheter." Postdoktoral forskning Yun-Lu Sun, nu vid University of Texas i Austin, upptäckte de rätta förhållandena för att blanda proteinnanotrådar med en icke-ledande polymer för att ge det elektriskt ledande kompositmaterialet. Han visade att även om trådarna är gjorda av protein, de är mycket hållbara och lätta att bearbeta till nya material.
"En ytterligare fördel är att protein nanotrådar är en verkligt "grön, ' hållbart material, ", tillägger Lovley. "Vi kan massproducera proteinnanotrådar med mikrober som odlas med förnybara råvaror. Tillverkningen av mer traditionella nanotrådsmaterial kräver höga energiinsatser och några riktigt otäcka kemikalier." han säger, "Protein nanotrådar är tunnare än silikontrådar, och till skillnad från kisel är stabila i vatten, vilket är mycket viktigt för biomedicinska tillämpningar, som att upptäcka metaboliter i svett."
Emrick tillägger, "Dessa elektroniska proteinnanotrådar har överraskande likheter med polymerfibrer och vi försöker ta reda på hur man kombinerar de två mest effektivt."
I deras proof-of-concept-studie, proteinnanotrådarna bildade ett elektriskt ledande nätverk när de fördes in i polymeren polyvinylalkohol. Materialet kan behandlas under svåra förhållanden, som värme, eller extremt pH som hög surhet, som kan förväntas förstöra en proteinbaserad komposit, men det fortsatte att fungera bra.
Konduktiviteten hos proteinnanotrådarna inbäddade i polymeren förändrades dramatiskt som svar på pH. "Detta är en viktig biomedicinsk parameterdiagnostik av några allvarliga medicinska tillstånd, " Lovley förklarar. "Vi kan också genetiskt modifiera strukturen hos proteinnanotrådarna på sätt som vi förväntar oss kommer att möjliggöra upptäckt av ett brett spektrum av andra molekyler av biomedicinsk betydelse."
De elektriskt ledande proteinnanotrådarna är en naturlig produkt av mikroorganismen Geobacter som upptäcktes i Potomac Rivers lera av Lovley för mer än 30 år sedan. Geobacter använder proteinnanotrådarna för att skapa elektriska förbindelser med andra mikrober eller mineraler. Han noterar, "Materialvetenskapsexperter som Todd Emrick och Thomas Russell i vårt team förtjänar äran för att de tagit med protein nanotrådar till materialområdet. Det handlar inte bara om lera längre."
I detta arbete som stöds av UMass Amherst campus medel för utforskande forskning, nästa steg för det samarbetande material-mikrobiologiteamet inkluderar uppskalning av produktionen av nanotråd-polymermatriser, säger Lovely.
Han påpekar, "Materialforskare behöver mycket mer nanotrådar än vi är vana vid att göra. Vi gjorde fingerborgsfulla för våra biologiska studier. De behöver hinkar fulla, så vi koncentrerar oss nu på att producera större mängder och på att skräddarsy nanotrådarna så att de svarar på andra molekyler." Forskarna har också ansökt om patent på idén om en ledande polymer gjord med proteinnanotrådar.
