I ricercatori della School of Engineering della Tufts University hanno sviluppato una nuova tecnica bioispirata che trasforma le proteine ​​della seta in materiali complessi facilmente programmabili a livello nanometrico, micro e macro scale oltre che ultraleggeri e robusti. Tra le varie strutture generate c'era una trama di nano fibre di seta in grado di sopportare un carico 4, 000 volte il proprio peso. La ricerca è pubblicata online in Nanotecnologia della natura il 27 febbraio.

Le proteine ​​strutturali sono i mattoni della natura, formando materiali che forniscono rigidità, struttura e funzione nei sistemi biologici. Uno dei principali ostacoli alla fabbricazione di materiali sintetici comparabili è la struttura gerarchica dei materiali naturali che conferisce proprietà uniche dal livello molecolare a quello macro. Quando gli scienziati cercano di emulare questa struttura, spesso scoprono che il controllo su una scala ostacola il controllo su altre scale.

I ricercatori di Tufts hanno combinato le caratteristiche di autoassemblaggio dal basso verso l'alto dei materiali naturali con assemblaggio top-down per controllare simultaneamente la geometria a tutte le scale, vincoli micromeccanici e dinamiche di rimozione del solvente, tutti fattori che determinano le proprietà dei biomateriali.

"Abbiamo generato controllabili, materiali multiscala che potrebbero essere facilmente ingegnerizzati con agenti droganti. Mentre la seta è il nostro obiettivo principale, riteniamo che questo approccio sia applicabile ad altri biomateriali e compositi e idrogel sintetici, " ha detto l'autore corrispondente Fiorenzo Omenetto, dottorato di ricerca, Frank C. Doble Professore presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica. Omenetto ha inoltre un incarico presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica e presso il Dipartimento di Fisica della Scuola delle Arti e delle Scienze.

Con la nuova tecnica, Gli stampi in silicone in scala centimetrica sono stati modellati con caratteristiche in microscala non più spesse di un capello umano. Un gel acquoso proteico di fibroina derivato da bozzoli di bachi da seta è stato iniettato negli stampi e quindi sollecitato meccanicamente mediante contrazione del gel in presenza di acqua ed etanolo e/o deformazione fisica dell'intero stampo. Quando il sistema si è asciugato, la struttura della proteina della seta si è naturalmente trasformata in un cristallo a foglio beta più robusto. La forma finale del materiale e le proprietà meccaniche sono state progettate con precisione controllando il modello di stampo in microscala, contrazione del gel, deformazione della muffa e disidratazione della seta.

"Il risultato finale del nostro processo è un'architettura stabile di nano fibre allineate, simile alla seta naturale ma offrendoci l'opportunità di ingegnerizzare la funzionalità nel materiale, " ha detto il primo autore Peter Tseng, dottorato di ricerca, borsista postdottorato nel Silk Lab di Omenetto presso la Tufts' School of Engineering.

In alcuni degli esperimenti i ricercatori di Tufts hanno drogato il gel di seta con nanoparticelle d'oro che erano in grado di trasportare calore se esposte alla luce.

Tseng ha notato che le ragnatele tessute dai ragni sono strutturalmente dense piuttosto che porose. "In contrasto, la nostra struttura web è areata, poroso e ultraleggero ma anche robusto al tatto umano, che potrebbero consentire applicazioni quotidiane in futuro, " ha detto. Un nastro di diametro da 2 a 3 cm del peso di circa 2,5 mg era in grado di supportare un peso di 11 grammi.