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    La nueva forma de fabricar dispositivos biomédicos a partir de seda produce mejores productos con cualidades sintonizables

    El producto crudo en forma de polvo de seda se puede almacenar fácilmente, transportado, y moldeado en varias formas con propiedades superiores a muchos otros materiales utilizados en implantes médicos. Crédito:Chunmei Li y David Kaplan, Universidad de Tufts

    Los investigadores dirigidos por ingenieros de la Universidad de Tufts han desarrollado una novela, método de fabricación de seda significativamente más eficiente que les permite calentar y moldear el material en formas sólidas para una amplia gama de aplicaciones, incluidos los dispositivos médicos. Los productos finales tienen una resistencia superior en comparación con otros materiales, tienen propiedades físicas que se pueden "ajustar" a necesidades específicas, y se puede modificar funcionalmente con moléculas bioactivas, como antibióticos y enzimas. El modelado térmico de la seda, descrito en Materiales de la naturaleza , supera varios obstáculos para permitir la flexibilidad de fabricación común a muchos plásticos.

    "Nosotros y otros hemos explorado el desarrollo de muchos dispositivos basados ​​en seda a lo largo de los años utilizando la fabricación basada en soluciones, "dijo David Kaplan, Stern Family Professor of Engineering en la Tufts University School of Engineering y autor correspondiente del estudio. "Pero este nuevo enfoque de fabricación de estado sólido puede reducir significativamente el tiempo y el costo de producir muchos de ellos y ofrecer una flexibilidad aún mayor en su forma y propiedades. Además, este nuevo enfoque evita las complicaciones con cadenas de suministro basadas en soluciones para la proteína de seda, lo que debería facilitar la ampliación de la fabricación ".

    La seda es un biopolímero a base de proteínas naturales que ha sido reconocido durante mucho tiempo por sus propiedades mecánicas superiores en forma de fibra y textil. produciendo tejidos duraderos y utilizados en suturas clínicas durante miles de años. Durante los últimos 65 años, Los científicos han ideado formas de descomponer las fibras y reconstituir la proteína de la seda, llamado fibroína, en geles, Película (s, esponjas y otros materiales para aplicaciones que van desde electrónica hasta tornillos ortopédicos, y dispositivos para la administración de fármacos, Ingeniería de tejidos, y medicina regenerativa. Sin embargo, descomponer y reconstituir la fibroína requiere una serie de pasos complejos. Adicionalmente, la inestabilidad de la proteína en forma soluble en agua establece límites en los requisitos de almacenamiento y cadena de suministro, lo que a su vez afecta la gama y las propiedades de los materiales que se pueden crear.

    Los investigadores informaron que han superado estas limitaciones mediante el desarrollo de un método para el procesamiento térmico de la seda en estado sólido. dando como resultado el moldeado del polímero proteico directamente en piezas y dispositivos a granel con propiedades ajustables. El nuevo método, similar a una práctica común en la fabricación de plásticos, implica la fabricación de 'gránulos' nanoestructurados con diámetros de 30 nanómetros a 1 micrómetro que se producen liofilizando una solución acuosa de fibroína de seda. Luego, los nanopellets se calientan de 97 a 145 grados Celsius bajo presión, cuando comienzan a fusionarse. La estructura del patrón plisado de las cadenas de proteínas de seda se vuelve más amorfa, y los gránulos fundidos forman materiales a granel que no solo son más fuertes que los materiales de seda derivados de la solución, sino que también son superiores a muchos materiales naturales como la madera y otros plásticos sintéticos. según los investigadores. Los gránulos son un excelente material de partida ya que son estables durante largos períodos y, por lo tanto, pueden enviarse a los sitios de fabricación sin la necesidad de agua a granel. resultando en ahorros significativos en tiempo y costo.

    Las propiedades de la seda moldeada por calor, como la flexibilidad, resistencia a la tracción y a la compresión, se puede ajustar a rangos específicos alterando las condiciones en el proceso de moldeo, como temperatura y presión, mientras que los materiales a granel se pueden mecanizar aún más en dispositivos, como tornillos para huesos y tubos para los oídos, o impreso con patrones durante o después del moldeado inicial. Añadiendo moléculas como enzimas, Los antibióticos u otros dopantes químicos permiten la modificación de los materiales a granel en compuestos funcionales.

    Para demostrar aplicaciones, Los investigadores probaron los tornillos para huesos desarrollados con moldes de estado sólido in vivo y encontraron que mostraban biocompatibilidad como dispositivos implantados. donde apoyaron la formación de nueva estructura ósea en las superficies de los tornillos sin inflamación. Los tornillos de seda también pudieron reabsorberse cuando fueron reemplazados por tejido óseo. La tasa de reabsorción se puede ajustar preparando tornillos a diferentes temperaturas, que van desde 97 grados a 145 grados Celsius, que altera la cristalinidad del material a granel, y por tanto su capacidad para absorber agua.

    Los investigadores también fabricaron tubos para los oídos, dispositivos que se utilizan para ayudar a drenar los conductos auditivos infectados, dopados con una proteasa, que descompone el polímero de seda para acelerar la degradación según sea necesario después de que el tubo haya cumplido su función.

    "El proceso de moldeo térmico es posible porque la seda amorfa tiene un punto de fusión bien definido a 97 grados Celsius, que no presentaban preparaciones anteriores a base de solución, "dijo Chengchen Guo, becario postdoctoral en el laboratorio de Kaplan y co-primer autor del estudio. "Eso nos da mucho control sobre las propiedades estructurales y mecánicas de lo que hacemos". Chunmei Li, Profesor asistente de investigación de Tufts que se asoció con Guo como primer autor, agregó que "el material de partida, los nanogránulos, también son muy estables y pueden almacenarse durante períodos prolongados. Estos son avances significativos que pueden mejorar la aplicación y escalabilidad de la fabricación de productos de seda".


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