Filato da ragni e bachi da seta, la seta ha sconcertato gli ingegneri umani che devono ancora capire come ricreare artificialmente questo duro, fibra fine. Ma combinando la seta, che è sicuro per l'uso nel corpo umano, con composti sintetici, un team di ricerca si sta avvicinando allo sviluppo di nuovi materiali compositi impiantabili con le migliori proprietà di entrambi. potenziali applicazioni, che sono ancora lontani anni, potrebbe includere strutture che trattengono l'osso in posizione dopo l'intervento chirurgico o sostituzioni per i cuscinetti di cartilagine nel ginocchio.

I ricercatori presenteranno oggi i loro risultati all'American Chemical Society (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting &Expo.

"La seta ha un grande potenziale per l'uso in applicazioni biomediche, "dice Juan Guan, dottorato di ricerca, ricercatore principale del progetto. "La seta è versatile, e il corpo umano lo tollera abbastanza bene, e può persino degradarlo e assorbirlo."

La seta ha una lunga storia in medicina. Le registrazioni di antichi medici che ricucivano pazienti con fibre filate dai bachi da seta risalgono a quasi 2, 000 anni. E oggi, i chirurghi terminano alcuni interventi chirurgici, come quelli sugli occhi, con suture di seta.

Combinando seta e polimeri sintetici, Guan e i suoi colleghi della Beihang University stanno cercando di sviluppare nuovi materiali versatili per l'uso in medicina e, potenzialmente, anche altri campi. Mentre altri ricercatori hanno già sviluppato materiali compositi con la seta, hanno tipicamente lavorato con fibre corte o la proteina primaria in seta. Guan, però, si concentra su un tessuto di seta intrecciato da un lungo, singolo filo. I bozzoli dei bachi da seta possono contenere circa 5 fibre, 000 piedi di lunghezza, e se usato intero in tessuto, una tale fibra può distribuire più efficacemente lo stress meccanico rispetto a una serie di fibre più corte, discreti, lei dice. Nei loro studi, La squadra di Guan usa la seta del comune, baco da seta addomesticato Bombyx mori , oltre che più duro, fibre più elastiche delle specie selvatiche Antheraea pernyi .

I ricercatori combinano questo tessuto con una matrice polimerica, spesso una resina epossidica, che viene utilizzato negli adesivi. Insieme, il tessuto e il polimero formano un laminato, simile al rivestimento superficiale durevole che si trova su alcuni mobili, che può quindi essere tagliato nelle forme necessarie ai ricercatori.

Guan e i suoi colleghi affermano che le proprietà di questi nuovi materiali potrebbero renderli una corrispondenza migliore per i tessuti all'interno del corpo umano rispetto a quello che viene utilizzato oggi. Ad esempio, stanno collaborando con i medici ortopedici per ideare strutture simili a gabbie che tengono temporaneamente in posizione le vertebre mentre si fondono dopo l'intervento chirurgico, un compito attualmente svolto principalmente utilizzando il metallo. La durezza e la rigidità dei compositi di seta sono più compatibili con l'osso, rendendoli potenzialmente più resistenti ma anche più confortevoli delle strutture metalliche, lei dice.

Ci sono sfide, però. L'interno del corpo umano è umido, un potenziale problema perché l'acqua può ammorbidire e indebolire la seta. In nuovi esperimenti, Guan e i suoi colleghi hanno testato come resistono i materiali compositi in resina epossidica se esposti all'umidità o immersi nell'acqua. Per l'uso insieme all'osso, devono mantenere una certa rigidità. Gli esperimenti hanno mostrato che mentre questo attributo diminuiva in condizioni più umide, i compositi sono rimasti abbastanza rigidi da funzionare come impianti, lei dice.

Mentre la resina epossidica si attacca saldamente alla fibra di seta, ha un grosso svantaggio:il corpo non può scomporre la resina epossidica e assorbirla, il che significa che non sarebbe adatto per impianti destinati a dissolversi. Così, Guan ha recentemente iniziato a lavorare con biopolimeri che, come la seta, il corpo può abbattere e assorbire. Però, questi compositi hanno una coesione interna inferiore rispetto a quelli che contengono una resina epossidica. "La domanda chiave è come rendere più robusta l'interfaccia tra il biopolimero e il tessuto di seta, " lei dice.

The scientists are also looking to supplement silk with other types of fibers. In un recente studio, they added carbon fibers into the mix. "The notion of hybridizing silk with other fibers makes it possible to produce a rather nice spectrum of properties that you can optimize for a given application, " says Robert O. Ritchie, Ph.D, an author of the carbon fiber study. Potential uses for these new structural materials, lui dice, could be anywhere:in the human body, or even in tennis rackets or on airplane engines.