Las aplicaciones de las fibras de seda se han disparado en los últimos años. Tradicionalmente atractivo en textiles por su resistencia compacta y su brillo suave y lujoso, la seda tiene aplicaciones potenciales que incluyen membranas de filtración y revestimientos para conservar alimentos, sustratos para electrónica implantable, y biosensores de alta sensibilidad. Estas tecnologías explotan no solo las propiedades mecánicas, sino también la biocompatibilidad del material, biodegradabilidad y propiedades fotónicas intrínsecas, así como la capacidad de revestir la superficie con sustancias ópticamente activas como puntos cuánticos. No sorpresa, luego, que los científicos de todo el mundo han tenido dificultades para producir materiales personalizados que exploten las múltiples propiedades funcionales de la seda. Sin embargo, sigue habiendo un problema con los biomateriales a base de seda:obtener el material adecuado en cantidades escalables. Ahora, Los investigadores del MIT han demostrado una forma de modelar el crecimiento de la seda que combina el control molecular con la producción escalable.

"Básicamente, definimos una nueva regla para 'cultivar' materiales de seda en orden, estructuras jerárquicas, "explica Benedetto Marelli, profesor del Instituto Tecnológico de Massachusetts en EE. UU., OMS, junto con Ph.D. estudiante Hui Sun desarrolló el enfoque.

La organización "jerárquica" de las moléculas y estructuras en varias escalas de longitud es clave para muchas de las propiedades que se encuentran en materiales como la seda o el hueso. La forma en que se ensamblan las moléculas, la forma en que se pliega toda la proteína, así como las estructuras formadas posteriormente, todos afectan las propiedades del material.

Hasta aquí, el enfoque adoptado para producir materiales de seda todavía se parece mucho a los métodos tradicionales. Algunos implican producir una suspensión de las proteínas de la seda, que se hila, emitir, impreso o sometido a transiciones de fase sólido-gel-sólido para formar fibras, películas o bloques. Alternativamente, las fibras de seda se pelan en nanofibrillas, por ejemplo, mediante el uso de disolventes fuertes o dispersión ultrasónica. Este tipo de fabricación es bastante común y de bajo costo, pero ofrece poco control sobre las microestructuras.

"La investigación se ha limitado principalmente a la aplicación de factores ambientales como la acidificación, disolventes orgánicos y fuerza de corte durante el proceso de ensamblaje con el objetivo de influir en las microestructuras que se forman durante la fabricación de fibras y películas, "dice Sun. Sin embargo, Ella agrega que esto todavía permite muy poco control sobre cómo se pliegan las proteínas y el ensamblaje molecular que determinan críticamente las propiedades del material final. Los investigadores han demostrado el control a este nivel solo con ciertas proteínas "recombinantes" clonadas o híbridos de proteína-ADN. Sin embargo, El uso de este tipo de bloque de construcción es complicado y no es adecuado para la fabricación a gran escala.

Sembrando un nuevo enfoque

Con el fin de encontrar nuevas formas de fabricar fibroína de seda, la proteína estructural dentro de las fibras de seda responsable de sus propiedades mecánicas e integridad, Marelli estaba revisando trabajos anteriores sobre biomineralización y fibroína de seda cuando se le ocurrió combinar los dos enfoques. "Nuestra hipótesis era que al proporcionar un péptido que ya estaba en una estructura ordenada, podríamos dirigir el plegado y ensamblaje de la seda alrededor de este péptido, "le dice a Phys.org." El uso de 'semillas' para controlar la formación de polímeros sintéticos está bien establecido, lo que me ayudó a perfeccionar la idea ".

Para encontrar semillas de péptidos útiles, Marelli y Sun identificaron una serie de requisitos, que dirigió su atención hacia GAGSGAGAGSGA, un dodecapéptido que proviene de los dominios hidrófobos altamente repetitivos que se encuentran en una gran subunidad de la fibroína de seda. GAGSGAGAGSGA forma estructuras en forma de nanowhisker de conformaciones moleculares de hoja β altamente ordenadas. Además de exhibir una morfología bien definida, los péptidos son lo suficientemente cortos como para que el uso de procesos químicos industriales proporcione rendimientos aceptables sin recurrir a métodos de biología sintética.

Marelli y Sun encontraron que en condiciones a base de agua, a temperatura ambiente y presión atmosférica, Los nanowhiskers GAGSGAGAGSGA modelaron la fibroína de seda desordenada para que se pliegue en hebras β y crezca en nanofibrillas con láminas β. Además, ajustando la concentración de las semillas de péptidos y fibroína de seda, y el peso molecular de la fibroína de seda y el pH, podrían obtener pistas sobre el mecanismo detrás del crecimiento de la plantilla y afinar aún más el proceso.

Próximo, los investigadores demostraron un crecimiento en plantilla con un péptido alternativo que se encuentra en la proteína de seda de la abeja europea, que forma nanoconjuntos definidos con menos regularidad de una combinación de conformaciones de hoja β y hélice α. Observaron el impacto en la disposición intermolecular, y por lo tanto, las propiedades mecánicas y ópticas de los materiales resultantes mediante la siembra con los diferentes péptidos. También pudieron demostrar la aplicabilidad de las técnicas de nanofabricación para depositar capas de materiales de seda con plantilla e imprimir suspensiones de las fibroínas sembradas en estructuras personalizadas.

Una plantilla para el trabajo futuro

Entre las aplicaciones potenciales que enumera Marelli:sensores de patógenos imprimibles con propiedades que se pueden usar para detectar cuándo los alimentos se echan a perder con una sensibilidad mejorada como resultado de la mayor proporción de superficie a volumen, dispositivos compartimentados que encapsulan enzimas para mejorar las respuestas catalíticas, membranas de filtración para transporte selectivo de masas, funcionalización de superficies complejas con química de superficies de contraste, Películas de seda cristalizadas específicamente para el sitio con capacidad de degradación programada, y almacenamiento y cifrado de información.

Marelli y Sun ahora están usando arquitecturas que se encuentran en tejidos biológicos como alas de mariposa, huesos y tendones como fuente de inspiración para futuros estudios. "En el caso del tendón, este es un tejido hecho de moléculas de colágeno tipo I estructuradas jerárquicamente que están organizadas en varias escalas desde la molecular hasta el centímetro, "Marelli explica, destacando cómo esto puede impartir una gama particularmente amplia de funciones en un solo formato de material, incluyendo propiedades mecánicas mejoradas.

Replicar las estructuras jerárquicas que se encuentran en las alas de las mariposas también puede conducir a materiales útiles para antiincrustantes y una mejor disipación del calor. "Es difícil reproducir estas arquitecturas con las técnicas actuales de nanofabricación basadas en bottom-up (es decir, montaje) enfoques, ", añade." Nuestros futuros intereses estarán entonces en utilizar la cristalización con plantilla para permitir la fabricación de materiales mesoestructurados con tales propiedades ".

Los detalles completos se informan en Comunicaciones de la naturaleza

© 2020 Science X Network