 После многих лет исследований декодирования сложной структуры и производства паучьего шелка, исследователям удалось получить лабораторные образцы этого исключительно прочного и упругого материала. Новая разработка может привести к целому ряду биомедицинских материалов, сделанных из шелка, синтезированного со свойствами, специально настроенными для использования по назначению.
Исследование, являющее сочетанием моделирования и экспериментов, открывает путь для создания новых волокон с улучшенными характеристиками. Новая работа позволит спроектировать волокна с заданными характеристиками прочности, эластичности и твердости.
Белки новых синтетических волокон - основных строительные блоков материала - были созданы генетически модифицированными бактериями для получения белков, обычно производимых пауками. Эти белки затем экструдируют через микрожидкостные каналы, предназначенные для имитации прядильного органа, который используется пауками для получения волокон натурального шелка.
В то время как шелк паука уже давно признан в качестве одного из самых сильных известных материалов, пауки практически не могут быть выведены для производства заготавливаемых волокон. Новый подход позволит начать производство синтетического шелка с прочными и гибкими волокнами для биомедицинских приложений. По своей природе, паучий шелк является полностью биосовместимым и может быть использован в организме без риска побочных реакций; он, в конечном счете, просто усваиваются организмом.
Процесс «пряжи», в котором составные белки, растворенные в воде, экструдируются через маленькое отверстие с контролируемой скоростью, заставляет молекулы выстраиваться таким образом, чтобы возникали прочные волокна. Сами молекулы представляют собой смесь гидрофобных и гидрофильных соединений, смешанных таким образом, что сформированные волокна были намного прочнее, чем их составные части.
Ученые обнаружили, что получение правильной смеси белков имело решающее значение. Они выяснили, что при высоком проценте гидрофобных белков вместо волокон получились бы просто уродливые массы. Для производства прочных волокон требовалось найти наиболее подходящую смесь составных материалов.
Этот проект представляет собой первое использование моделирования для понимания производства шелка на молекулярном уровне. На практике синтез белка может занять несколько месяцев; при этом если не получится белок с правильными свойствами, процесс придется начинать заново,
Использование моделирования позволяет сканировать широкий диапазон белков для обнаружения требуемой жесткости волокон. Управление свойствами в конечном счете может сделать возможным создание волокон, которые будут даже более прочными, чем натуральные волокна, так как инженеры могут выбрать характеристики для конкретного применения. Например, в то время как паукам, возможно, потребуется эластичность полотна для захвата насекомых, новые спроектированные волокна, которые будут использоваться в качестве хирургических швов потребуют больше прочности и меньше упругости.
Обработка материала может быть сделана при комнатной температуре с использованием водных растворов, так что расширения производства должно стать относительно легким процессом. Пока что волокна, сделанные в лаборатории не так прочный, как натуральный паучий шелк, но теперь, когда основной процесс уже создан, станет возможной точная настройка материалов для улучшения их прочности.
Цель исследовательской группы заключается в повышении прочности, эластичности и ударной вязкости искусственно формованных волокон путем заимствования ярких идей из природы. Это исследование может стимулировать развитие новых синтетических волокон - или каких-либо материалов, требующих улучшенные свойства, такие как перенос электричества или тепла в определенном направлении. Это может привести к прорыву, который может позволить непосредственно исследовать инженерные приложения шелкоподобных материалов. Практическим последствием может стать совершенствование конструкции волоконно-армированных композитов, существенно увеличивая их силу и надежность без увеличения веса. Влияние инноваций в материалах может быть особенно важно для аэрокосмических и промышленных приложений, где легкий вес имеет важное значение.
|
