Syntetyczny jedwab pajęczy, przędzony przy użyciu mikroprzepływów, imituje włókna naturalne

Jedwab pajęczy znany jest ze swojej wytrzymałości, elastyczności i lekkości, a jego wytrzymałość na rozciąganie jest porównywalna ze stalą o tej samej średnicy. Dodatkowo jest biokompatybilny (co oznacza, że ​​może być stosowany w zastosowaniach medycznych) i ulega biodegradacji. Jednak zbiory jedwabiu pająków na dużą skalę okazały się niepraktyczne z kilku powodów. Dlatego naukowcy pracują nad opracowaniem mechanizmu jego wytwarzania w laboratorium.

Teraz naukowcy z Centrum Nauki o Zrównoważonych Zasobach RIKEN w Japonii stworzyli urządzenie, które obraca syntetyczny jedwab pajęczy, który jest bardzo podobny do naturalnego jedwabiu pajęczego. Sztuczny gruczoł jedwabny był w stanie odtworzyć złożoną strukturę molekularną jedwabiu, naśladując różne zmiany chemiczne i fizyczne, które naturalnie zachodzą w gruczole jedwabiu pajęczego.

Praca ta została opublikowana w Komunikacja przyrodnicza W papierze „Powtarzające się samoorganizowanie się jedwabiu pajęczego za pośrednictwem ścinania za pomocą mikroprzepływów.„

Jedwab pajęczy to włókno biopolimerowe wykonane ze spidroin, które są dużymi białkami o wysoce powtarzalnych sekwencjach. We włóknach jedwabiu znajdują się arkusze beta, które muszą być odpowiednio ułożone, aby włókna jedwabiu miały swoje unikalne właściwości mechaniczne. Aby odtworzyć ten proces, naukowcy z projektu RIKEN zastosowali podejście biomimetyczne. „W tym badaniu próbowaliśmy naśladować produkcję naturalnego jedwabiu pajęczego za pomocą mikroprzepływów, która polega na przepływie i manipulowaniu niewielkimi ilościami płynu przez wąskie kanały” – wyjaśnił dr Keiji Numata, profesor Laboratorium Chemii Biomateriałów, kierownik katedry Chemii Materiałów Polimerowych. , Uniwersytet w Kioto. „W rzeczywistości można powiedzieć, że gruczoł jedwabny pająka działa jak rodzaj naturalnego urządzenia mikroprzepływowego”.

W tym celu pionierskie rozwiązanie Spidroin – oparte na rekombinowanym MaSp2 Spidroin – umieszczono na jednym końcu małego prostokątnego pudełka zawierającego kanały, a następnie przeciągnięto w kierunku drugiego końca za pomocą podciśnienia. Kiedy spidroiny przepływają przez kanały mikroprzepływowe, są narażone na subtelne zmiany w środowisku chemicznym i fizycznym. W odpowiednich warunkach białka samoorganizują się, tworząc włókna jedwabiu o charakterystycznej złożonej strukturze.

Mówiąc dokładniej, strategia „integruje indukowaną jonami separację fazy ciecz-ciecz, fibrylację indukowaną pH i mieszanie zależne od ścinania w celu utworzenia arkuszy beta”.

Naukowcy odkryli między innymi, że użycie siły do ​​przepchnięcia białek nie działa; Dopiero gdy do pobrania roztworu spidroiny użyto podciśnienia, możliwe było zmontowanie ciągłych włókien jedwabiu z prawidłowym ułożeniem arkuszy beta.

„Zaskakujące było, jak solidny był system mikroprzepływowy po ustaleniu i zoptymalizowaniu różnych warunków” – powiedział Ali Malay, naukowiec w RIKEN. „Składanie włókien było spontaniczne, bardzo szybkie i wysoce powtarzalne. Co najważniejsze, włókna wykazywały charakterystyczną hierarchiczną strukturę charakterystyczną dla włókien naturalnego jedwabiu”.

Autorzy piszą, że „do tworzenia włókien wymagany jest próg naprężenia ścinającego wynoszący około 72 Pa, a tworzenie arkuszy beta zależy od obecności bloków polialaniny w powtarzalnej sekwencji. Powstałe włókna MaSp2 mają zawartość arkusza beta (29,2%) ) porównywalny z oryginalną linią rysunkową z wymaganiami Naprężenie ścinające wynoszące 111 Pa.”

Zdolność do syntetycznego wytwarzania włókien jedwabiu przy użyciu tej metody może nie tylko pomóc w zmniejszeniu negatywnego wpływu obecnego przemysłu tekstylnego na środowisko, ale biodegradowalny i biokompatybilny charakter jedwabiu pajęczego sprawia, że ​​idealnie nadaje się on do zastosowań biomedycznych, takich jak syntetyczne szwy i więzadła .

„Idealnie byłoby, gdybyśmy chcieli mieć wpływ w prawdziwym świecie” – powiedział Numata. „Aby tak się stało, będziemy musieli zwiększyć skalę naszej metodologii produkcji włókien i sprawić, że będzie to proces ciągły. Ocenimy również jakość naszego syntetycznego jedwabiu pajęczego za pomocą kilku wskaźników i na tej podstawie wprowadzimy dalsze ulepszenia. „