Un team interdisciplinare di scienziati dell'Università del Massachusetts Amherst ha prodotto una nuova classe di materiali elettronici che potrebbe portare a un "verde, " un futuro più sostenibile nel rilevamento biomedico e ambientale, affermano i leader della ricerca il microbiologo Derek Lovley e lo scienziato dei polimeri Todd Emrick.

Dicono che il loro nuovo lavoro mostra che è possibile combinare nanofili proteici con un polimero per produrre un materiale composito elettronico flessibile che mantiene la conduttività elettrica e le capacità di rilevamento uniche dei nanofili proteici. I risultati appaiono sul giornale Piccolo .

I nanofili proteici presentano molti vantaggi rispetto ai nanofili di silicio e ai nanotubi di carbonio in termini di biocompatibilità, stabilità, e potenziale per essere modificato per rilevare un'ampia gamma di biomolecole e sostanze chimiche di interesse medico o ambientale, dice Lovely. Però, queste applicazioni di sensori richiedono che i nanofili proteici siano incorporati in una matrice flessibile adatta per la produzione di dispositivi di rilevamento indossabili o altri tipi di dispositivi elettronici.

Come spiega Loveley, "Da oltre un decennio studiamo la funzione biologica dei nanofili proteici, ma è solo ora che possiamo vedere un percorso in avanti per il loro uso nella fabbricazione pratica di dispositivi elettronici." Ricerca post-dottorato Yun-Lu Sun, ora all'Università del Texas ad Austin, scoperto le condizioni adeguate per mescolare nanofili proteici con un polimero non conduttivo per produrre il materiale composito elettricamente conduttivo. Ha dimostrato che sebbene i fili siano fatti di proteine, sono molto resistenti e facili da trasformare in nuovi materiali.

"Un ulteriore vantaggio è che i nanofili proteici sono un vero e proprio 'verde, 'materiale sostenibile, " Lovley aggiunge. "Possiamo produrre in serie nanofili proteici con microbi coltivati ​​con materie prime rinnovabili. La produzione di materiali nanowire più tradizionali richiede input energetici elevati e alcune sostanze chimiche davvero sgradevoli." Al contrario, lui dice, "I nanofili di proteine ​​sono più sottili dei fili di silicio, e a differenza del silicio sono stabili in acqua, che è molto importante per le applicazioni biomediche, come rilevare i metaboliti nel sudore."

Emrick aggiunge, "Questi nanofili di proteine ​​elettroniche hanno una sorprendente somiglianza con le fibre polimeriche e stiamo cercando di capire come combinare i due in modo più efficace".

Nel loro studio di prova del concetto, i nanofili proteici formavano una rete elettricamente conduttiva quando introdotti nel polimero alcol polivinilico. Il materiale può essere trattato con condizioni gravose, come il calore, o pH estremo come elevata acidità, ci si potrebbe aspettare che rovini un composito a base di proteine, ma ha continuato a funzionare bene.

La conduttività dei nanofili proteici incorporati nel polimero è cambiata drasticamente in risposta al pH. "Questo è un importante parametro biomedico diagnostico di alcune gravi condizioni mediche, " Spiega Lovley. "Possiamo anche modificare geneticamente la struttura dei nanofili proteici in modi che prevediamo consentiranno il rilevamento di un'ampia gamma di altre molecole di importanza biomedica".

I nanofili proteici elettricamente conduttivi sono un prodotto naturale del microrganismo Geobacter scoperto nel fango del fiume Potomac da Lovley più di 30 anni fa. Geobacter utilizza i nanofili proteici per creare connessioni elettriche con altri microbi o minerali. Egli nota, "Esperti di scienza dei materiali come Todd Emrick e Thomas Russell nel nostro team meritano il merito di aver portato i nanofili proteici nel campo dei materiali. Non si tratta più solo di fango".

In questo lavoro sostenuto dai fondi del campus UMass Amherst per la ricerca esplorativa, i prossimi passi per il team collaborativo di microbiologia dei materiali includono l'aumento della produzione di matrici polimeriche di nanofili, Lovley dice.

Egli fa notare, "Gli scienziati dei materiali hanno bisogno di molti più nanofili di quelli che siamo abituati a fare. Stavamo facendo ditali per i nostri studi biologici. Hanno bisogno di secchi pieni, quindi ora ci stiamo concentrando sulla produzione di quantità maggiori e sulla personalizzazione dei nanofili in modo che rispondano ad altre molecole." I ricercatori hanno anche richiesto un brevetto sull'idea di un polimero conduttivo realizzato con nanofili proteici.