Pesquisadores liderados por engenheiros da Tufts University desenvolveram um romance, método de fabricação de seda significativamente mais eficiente que permite aquecer e moldar o material em formas sólidas para uma ampla gama de aplicações, incluindo dispositivos médicos. Os produtos finais têm resistência superior em comparação com outros materiais, têm propriedades físicas que podem ser "ajustadas" para necessidades específicas, e pode ser funcionalmente modificado com moléculas bioativas, como antibióticos e enzimas. A modelagem térmica da seda, descrito em Materiais da Natureza , supera vários obstáculos para permitir a flexibilidade de fabricação comum a muitos plásticos.

"Nós e outros exploramos o desenvolvimento de muitos dispositivos baseados em seda ao longo dos anos usando a fabricação baseada em soluções, "disse David Kaplan, Stern Family Professor de Engenharia na Escola de Engenharia da Tufts University e autor correspondente do estudo. "Mas essa nova abordagem de manufatura de estado sólido pode reduzir significativamente o tempo e o custo de produção de muitos deles e oferecer ainda mais flexibilidade em sua forma e propriedades. Além disso, esta nova abordagem evita as complicações com cadeias de suprimentos baseadas em soluções para a proteína da seda, o que deve facilitar o aumento de escala na fabricação. "

A seda é um biopolímero à base de proteína natural que há muito é reconhecido por suas propriedades mecânicas superiores na forma de fibra e têxtil, produzindo tecidos duráveis ​​e usados ​​em suturas clínicas há milhares de anos. Nos últimos 65 anos, cientistas desenvolveram maneiras de quebrar as fibras e reconstituir a proteína da seda, chamado fibroína, em géis, filmes, esponjas e outros materiais para aplicações que variam de eletrônicos a parafusos ortopédicos, e dispositivos para entrega de drogas, engenharia de tecidos, e medicina regenerativa. Contudo, quebrar e reconstituir a fibroína requer uma série de etapas complexas. Adicionalmente, a instabilidade da proteína na forma solúvel aquosa estabelece limites sobre os requisitos de armazenamento e cadeia de abastecimento, o que, por sua vez, afeta a variedade e as propriedades dos materiais que podem ser criados.

Os pesquisadores relataram que superaram essas limitações desenvolvendo um método para processamento térmico de estado sólido de seda, resultando na moldagem do polímero de proteína diretamente em partes a granel e dispositivos com propriedades ajustáveis. O novo método - semelhante a uma prática comum na fabricação de plásticos - envolve a fabricação de 'pellets' nanoestruturados com diâmetros de 30 nanômetros a 1 micrômetro que são produzidos por liofilização de uma solução aquosa de fibroína de seda. Os nanopellets são então aquecidos de 97 a 145 graus Celsius sob pressão, quando eles começam a se fundir. A estrutura do padrão plissado das cadeias de proteínas da seda torna-se mais amorfa, e os pellets fundidos formam materiais a granel que não são apenas mais fortes do que os materiais de seda derivados da solução, mas também superiores a muitos materiais naturais, como madeira e outros plásticos sintéticos, de acordo com os pesquisadores. Os pellets são um excelente material de partida, uma vez que são estáveis ​​por longos períodos e, portanto, podem ser enviados para locais de fabricação sem a necessidade de água a granel, resultando em economia significativa de tempo e custo.

As propriedades da seda moldada por calor, como flexibilidade, resistência à tração e compressão, pode ser ajustado para faixas específicas, alterando as condições no processo de moldagem, como temperatura e pressão, enquanto os materiais a granel podem ser posteriormente usinados em dispositivos, como parafusos de osso e tubos de ouvido, ou impresso com padrões durante ou após a moldagem inicial. Adicionando moléculas, como enzimas, antibióticos ou outros dopantes químicos permitem a modificação dos materiais a granel em compostos funcionais.

Para demonstrar os aplicativos, os pesquisadores testaram os parafusos ósseos desenvolvidos com moldagem de estado sólido in vivo e descobriram que eles mostraram biocompatibilidade como dispositivos implantados, onde apoiaram a formação de nova estrutura óssea nas superfícies do parafuso sem inflamação. Os parafusos de seda também foram reabsorvidos à medida que eram substituídos por tecido ósseo. A taxa de reabsorção pode ser ajustada preparando parafusos em diferentes temperaturas, variando de 97 graus a 145 graus Celsius, que altera a cristalinidade do material a granel, e, portanto, sua capacidade de absorver água.

Os pesquisadores também fabricaram tubos auditivos - dispositivos usados ​​para ajudar a drenar canais auditivos infectados - dopados com uma protease, que decompõe o polímero de seda para acelerar a degradação conforme necessário após o tubo ter cumprido sua função.

“O processo de moldagem térmica é possível porque a seda amorfa tem um ponto de fusão bem definido a 97 graus Celsius, quais preparações à base de solução anteriores não exibiam, "disse Chengchen Guo, bolsista de pós-doutorado no laboratório Kaplan e co-primeiro autor do estudo. "Isso nos dá muito controle sobre as propriedades estruturais e mecânicas do que fazemos." Chunmei Li, Professor assistente de pesquisa da Tufts que se juntou a Guo como primeiro autor, acrescentou que "o material inicial - os nanopeletes - também são muito estáveis ​​e podem ser armazenados por longos períodos. Esses são avanços significativos que podem melhorar a aplicação e escalabilidade da fabricação de produtos de seda."