Le applicazioni delle fibre di seta sono aumentate negli ultimi anni. Tradizionalmente attraente nei tessuti per la sua resistenza compatta e lussuosa lucentezza morbida, la seta ha potenziali applicazioni tra cui membrane di filtrazione e rivestimenti per conservare gli alimenti, substrati per elettronica impiantabile, e biosensori ad alta sensibilità. Queste tecnologie sfruttano non solo le proprietà meccaniche, ma anche la biocompatibilità del materiale, biodegradabilità e proprietà fotoniche intrinseche, così come la capacità di rivestire la superficie con sostanze otticamente attive come i punti quantici. Nessuna sorpresa, poi, che gli scienziati di tutto il mondo hanno faticato a produrre materiali personalizzati che sfruttassero le molteplici proprietà funzionali della seta. Tuttavia, rimane un intoppo con i biomateriali a base di seta:ottenere il materiale giusto in quantità scalabili. Ora, i ricercatori del MIT hanno dimostrato un modo di modellare la crescita della seta che combina il controllo molecolare con la produzione scalabile.

"Fondamentalmente definiamo una nuova regola per 'coltivare' i materiali di seta in ordine, strutture gerarchiche, " spiega Benedetto Marelli professore al Massachusetts Institute of Technology negli Stati Uniti, chi, insieme al dottorato studente Hui Sun, sviluppato l'approccio.

L'organizzazione "gerarchica" delle molecole e delle strutture su diverse scale di lunghezza è la chiave per molte delle proprietà che si trovano in materiali come la seta o l'osso. Il modo in cui le molecole si assemblano, il modo in cui l'intera proteina si ripiega, così come le strutture successivamente formate, tutti influiscono sulle proprietà del materiale.

Finora, l'approccio adottato per produrre materiali di seta è ancora molto simile ai metodi tradizionali. Alcuni comportano la produzione di una sospensione delle proteine ​​della seta, che è filato, lancio, stampato o sottoposto a transizioni di fase solido-gel-solido per formare fibre, film o blocchi. In alternativa, le fibre di seta vengono spogliate in nanofibrille, ad esempio, utilizzando solventi aggressivi o dispersione ultrasonica. Questo tipo di fabbricazione è abbastanza comune e a basso costo, ma offre poco controllo sulle microstrutture.

"La ricerca si è per lo più limitata all'applicazione di fattori ambientali come l'acidificazione, solventi organici e forza di taglio durante il processo di assemblaggio con l'obiettivo di influenzare le microstrutture che si formano durante la fabbricazione di fibre e film, " dice Sun. Tuttavia, aggiunge che ciò consente ancora pochissimo controllo su come le proteine ​​si ripiegano e sull'assemblaggio molecolare che determinano in modo critico le proprietà del materiale finale. I ricercatori hanno dimostrato il controllo a questo livello solo con alcune proteine ​​"ricombinanti" clonate o ibridi proteina-DNA. Però, l'utilizzo di questo tipo di elementi costitutivi è complicato e non adatto alla produzione su larga scala.

Semina un nuovo approccio

Al fine di trovare nuovi modi per produrre fibroina di seta, la proteina strutturale all'interno delle fibre di seta responsabile delle loro proprietà meccaniche e integrità, Marelli stava ripensando ai precedenti lavori sulla biomineralizzazione e sulla fibroina della seta quando gli venne in mente di combinare i due approcci. "La nostra ipotesi era che fornendo un peptide già in una struttura ordinata, potremmo essere in grado di dirigere la piegatura e l'assemblaggio della seta attorno a questo peptide, " dice a Phys.org. "L'uso di 'semi' per controllare la formazione di polimeri sintetici è ben consolidato, che mi ha aiutato a perfezionare l'idea."

Per trovare utili semi di peptidi, Marelli e Sun hanno individuato una serie di requisiti, che hanno indirizzato la loro attenzione verso GAGSGAGAGSGA, un dodecapeptide che deriva dai domini idrofobici altamente ripetitivi trovati in una grande subunità della fibroina della seta. GAGSGAGAGSGA forma strutture simili a nanowhisker di conformazioni molecolari a foglio altamente ordinate. Oltre a presentare una morfologia ben definita, i peptidi sono sufficientemente corti che l'utilizzo di processi chimici industriali dia rese accettabili senza ricorrere a metodi di biologia sintetica.

Marelli e Sun hanno scoperto che in condizioni a base d'acqua, a temperatura ambiente e pressione atmosferica, I nanowhisker GAGSGAGAGSGA hanno modellato la fibroina di seta non ordinata per piegarsi in fili e crescere in nanofibrille a fogli. Inoltre, regolando la concentrazione dei semi peptidici e della fibroina della seta, e il peso molecolare della fibroina della seta e il pH, potrebbero raccogliere indizi sul meccanismo alla base della crescita modellata e perfezionare ulteriormente il processo.

Prossimo, i ricercatori hanno dimostrato una crescita modellata con un peptide alternativo trovato nella proteina della seta dell'ape europea, che forma nanoassemblaggi meno regolarmente definiti di una combinazione di conformazioni a foglio e ad α-elica. Hanno osservato l'impatto sulla disposizione intermolecolare, e quindi, le proprietà meccaniche e ottiche dei materiali risultanti mediante semina con i diversi peptidi. Sono stati anche in grado di dimostrare l'applicabilità delle tecniche di nanofabbricazione per depositare strati di materiali di seta modellati e per stampare sospensioni delle fibroine seminate in strutture personalizzate.

Un modello per il lavoro futuro

Tra le potenziali applicazioni Marelli elenca:sensori di patogeni stampabili con proprietà che possono essere utilizzati per rilevare quando il cibo si deteriora con una maggiore sensibilità a causa dell'aumento del rapporto superficie/volume, dispositivi compartimentati che incapsulano enzimi per risposte catalitiche potenziate, membrane di filtrazione per il trasporto di massa selettivo, funzionalizzazione complessa della superficie con chimica della superficie di contrasto, film di seta cristallizzati sito-specificamente con capacità di degradazione programmata, e memorizzazione e crittografia delle informazioni.

Marelli e Sun stanno ora utilizzando architetture trovate in tessuti biologici come ali di farfalla, ossa e tendini come fonte di ispirazione per studi futuri. "Nel caso del tendine, questo è un tessuto costituito da molecole di collagene di tipo I strutturate gerarchicamente che sono organizzate su diverse scale dal molecolare al centimetro, " spiega Marelli, evidenziando come questo possa conferire una gamma particolarmente ampia di funzioni in un unico formato materiale, comprese le proprietà meccaniche migliorate.

La replica delle strutture gerarchiche presenti nelle ali delle farfalle può anche portare a materiali utili per l'antivegetativa e una migliore dissipazione del calore. "È difficile riprodurre queste architetture con le attuali tecniche di nanofabbricazione basate sul bottom-up (cioè, montaggio) si avvicina, " aggiunge. "I nostri interessi futuri saranno quindi nell'uso della cristallizzazione modellata per consentire la fabbricazione di materiali mesostrutturati con tali proprietà".

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