• Home
  • Chimica
  • Astronomia
  • Energia
  • Natura
  • Biologia
  • Fisica
  • Elettronica
  •  science >> Scienza >  >> Chimica
    Il nuovo modo di realizzare dispositivi biomedici dalla seta produce prodotti migliori con qualità regolabili

    Il prodotto grezzo sotto forma di polvere di seta può essere facilmente conservato, trasportato, e modellato in varie forme con proprietà superiori a molti altri materiali utilizzati negli impianti medici. Credito:Chunmei Li &David Kaplan, Tufts University

    I ricercatori guidati da ingegneri della Tufts University hanno sviluppato un romanzo, metodo di fabbricazione significativamente più efficiente per la seta che consente loro di riscaldare e modellare il materiale in forme solide per un'ampia gamma di applicazioni, compresi i dispositivi medici. I prodotti finali hanno una resistenza superiore rispetto ad altri materiali, hanno proprietà fisiche che possono essere "sintonizzate" per esigenze specifiche, e può essere funzionalmente modificato con molecole bioattive, come antibiotici ed enzimi. La modellazione termica della seta, descritto in Materiali della natura , supera diversi ostacoli per consentire la flessibilità di produzione comune a molte materie plastiche.

    "Noi e altri abbiamo esplorato lo sviluppo di molti dispositivi a base di seta nel corso degli anni utilizzando la produzione basata su soluzioni, "ha detto David Kaplan, Stern Family Professor of Engineering presso la Tufts University School of Engineering e corrispondente autore dello studio. "Ma questo nuovo approccio alla produzione a stato solido può ridurre significativamente i tempi e i costi di produzione di molti di essi e offrire una flessibilità ancora maggiore nella loro forma e proprietà. Inoltre, questo nuovo approccio evita le complicazioni con catene di approvvigionamento basate su soluzioni per la proteina della seta, che dovrebbe facilitare l'aumento della produzione."

    La seta è un biopolimero naturale a base di proteine ​​che è stato a lungo riconosciuto per le sue proprietà meccaniche superiori in fibra e forma tessile, producendo tessuti durevoli e utilizzati nelle suture cliniche da migliaia di anni. Negli ultimi 65 anni, gli scienziati hanno escogitato modi per abbattere le fibre e ricostituire la proteina della seta, chiamato fibroina, in gel, film, spugne e altri materiali per applicazioni che vanno dall'elettronica alle viti ortopediche, e dispositivi per la somministrazione di farmaci, Ingegneria dei tessuti, e medicina rigenerativa. Però, la scomposizione e la ricostituzione della fibroina richiedono una serie di passaggi complessi. Inoltre, l'instabilità della proteina in forma acquosa solubile pone dei limiti ai requisiti di stoccaggio e di filiera, che a sua volta influisce sulla gamma e sulle proprietà dei materiali che possono essere creati.

    I ricercatori hanno riferito di aver superato queste limitazioni sviluppando un metodo per la lavorazione termica a stato solido della seta, con conseguente stampaggio del polimero proteico direttamente in parti sfuse e dispositivi con proprietà regolabili. Il nuovo metodo, simile a una pratica comune nella produzione di materie plastiche, prevede la fabbricazione di "pellet" nanostrutturati con diametri da 30 nanometri a 1 micrometro prodotti mediante liofilizzazione di una soluzione acquosa di fibroina di seta. I nanopellet vengono quindi riscaldati da 97 a 145 gradi Celsius sotto pressione, quando iniziano a fondersi. La struttura pieghettata delle catene proteiche della seta diventa più amorfa, e i pellet fusi formano materiali sfusi che non sono solo più resistenti dei materiali di seta derivati ​​dalla soluzione, ma anche superiori a molti materiali naturali come il legno e altre plastiche sintetiche, secondo i ricercatori. I pellet sono un ottimo materiale di partenza poiché sono stabili per lunghi periodi e quindi possono essere spediti ai siti di produzione senza la necessità di acqua sfusa, con conseguente notevole risparmio di tempo e di costi.

    Le proprietà della seta termoformata, come flessibilità, resistenza a trazione e compressione, può essere regolato su intervalli specifici modificando le condizioni nel processo di stampaggio, come temperatura e pressione, mentre i materiali sfusi possono essere ulteriormente lavorati in dispositivi, come viti ossee e tubi auricolari, o impresso con motivi durante o dopo lo stampaggio iniziale. Aggiunta di molecole come enzimi, antibiotici o altri droganti chimici consentono la modifica dei materiali sfusi in compositi funzionali.

    Per dimostrare le applicazioni, i ricercatori hanno testato le viti ossee sviluppate con lo stampaggio a stato solido in vivo e hanno scoperto che mostravano biocompatibilità come dispositivi impiantati, dove hanno sostenuto la formazione di nuova struttura ossea sulle superfici delle viti senza infiammazione. Le viti di seta sono state anche in grado di riassorbirsi mentre venivano sostituite da tessuto osseo. La velocità di riassorbimento può essere regolata preparando viti a diverse temperature, che vanno da 97 gradi a 145 gradi Celsius, che altera la cristallinità del materiale sfuso, e quindi la sua capacità di assorbire acqua.

    I ricercatori hanno anche prodotto tubi auricolari, dispositivi utilizzati per aiutare a drenare i canali uditivi infetti, drogati con una proteasi, che scompone il polimero della seta per accelerare la degradazione secondo necessità dopo che il tubo ha svolto la sua funzione.

    "Il processo di stampaggio termico è reso possibile perché la seta amorfa ha un punto di fusione ben definito a 97 gradi Celsius, che le precedenti preparazioni a base di soluzione non mostravano, " disse Chengchen Guo, borsista post-dottorato nel laboratorio Kaplan e co-primo autore dello studio. "Questo ci dà un grande controllo sulle proprietà strutturali e meccaniche di ciò che produciamo". Chunmei Li, Il professore assistente di ricerca di Tufts che ha collaborato con Guo come primo autore, ha aggiunto che "il materiale di partenza, i nanopellet, sono anche molto stabili e possono essere conservati per lunghi periodi. Questi sono progressi significativi che possono migliorare l'applicazione e la scalabilità della produzione di prodotti in seta".


    © Scienza https://it.scienceaq.com