As aplicações das fibras de seda aumentaram nos últimos anos. Tradicionalmente atraente em têxteis por sua força compacta e brilho macio e luxuoso, a seda tem aplicações potenciais, incluindo membranas de filtração e revestimentos para preservar alimentos, substratos para eletrônicos implantáveis, e biossensores de alta sensibilidade. Essas tecnologias exploram não apenas as propriedades mecânicas, mas também a biocompatibilidade do material, biodegradabilidade e propriedades fotônicas intrínsecas, bem como a capacidade de revestir a superfície com substâncias opticamente ativas, como pontos quânticos. Sem surpresa, então, que cientistas de todo o mundo têm se esforçado para produzir materiais personalizados que exploram as múltiplas propriedades funcionais da seda. No entanto, permanece um obstáculo com os biomateriais à base de seda - obter o material certo em quantidades escaláveis. Agora, pesquisadores do MIT demonstraram uma maneira de modelar o crescimento da seda que combina o controle molecular com a produção escalonável.

"Basicamente, definimos uma nova regra para 'cultivar' os materiais de seda em ordem, estruturas hierárquicas, "explica Benedetto Marelli, professor do Instituto de Tecnologia de Massachusetts nos EUA, quem, ao lado de Ph.D. estudante Hui Sun, desenvolveu a abordagem.

A organização "hierárquica" das moléculas e estruturas em várias escalas de comprimento é a chave para muitas das propriedades encontradas em materiais como seda ou osso. A forma como as moléculas se reúnem, a forma como toda a proteína se dobra, bem como as estruturas subsequentemente formadas, todos afetam as propriedades do material.

Até aqui, a abordagem adotada para produzir materiais de seda ainda se assemelha aos métodos tradicionais. Alguns envolvem a produção de uma suspensão das proteínas da seda, que é girado, elenco, impresso ou sujeito a transições de fase sólido-gel-sólido para formar fibras, filmes ou blocos. Alternativamente, as fibras de seda são separadas em nanofibrilas, por exemplo, usando solventes agressivos ou dispersão ultrassônica. Este tipo de fabricação é bastante comum e de baixo custo, mas oferece pouco controle sobre as microestruturas.

"A pesquisa tem se limitado principalmente à aplicação de fatores ambientais, como acidificação, solventes orgânicos e força de cisalhamento durante o processo de montagem com o objetivo de influenciar as microestruturas que se formam durante a fabricação de fibras e filmes, "diz Sun. No entanto, ela acrescenta que isso ainda permite muito pouco controle sobre como as proteínas se dobram e a montagem molecular que determina criticamente as propriedades do material final. Os pesquisadores demonstraram controle neste nível apenas com certas proteínas "recombinantes" clonadas ou híbridos de proteína-DNA. Contudo, usar este tipo de bloco de construção é complicado e não adequado para fabricação em grande escala.

Semeando uma nova abordagem

Com o objetivo de encontrar novas maneiras de fabricar fibroína de seda, a proteína estrutural dentro das fibras de seda responsável por suas propriedades mecânicas e integridade, Marelli estava olhando para o trabalho anterior sobre biomineralização e fibroína de seda quando lhe ocorreu combinar as duas abordagens. "Nossa hipótese era que, ao fornecer um peptídeo já em uma estrutura ordenada, podemos ser capazes de direcionar a dobra e montagem da seda em torno deste peptídeo, "ele disse ao Phys.org." O uso de 'sementes' para controlar a formação de polímeros sintéticos está bem estabelecido, o que me ajudou a refinar a ideia. "

Para encontrar sementes de peptídeos úteis, Marelli e Sun identificaram uma série de requisitos, que direcionou sua atenção para GAGSGAGAGSGA, um dodecapeptídeo que se origina dos domínios hidrofóbicos altamente repetitivos encontrados em uma grande subunidade da fibroína da seda. GAGSGAGAGSGA forma estruturas semelhantes a nanowhisker de conformações moleculares de folha β altamente ordenadas. Além de exibir uma morfologia bem definida, os peptídeos são curtos o suficiente para que o uso de processos químicos industriais forneça rendimentos aceitáveis ​​sem recorrer a métodos de biologia sintética.

Marelli e Sun descobriram que em condições baseadas na água, à temperatura ambiente e pressão atmosférica, Os nanowhiskers GAGSGAGAGSGA modelaram a fibroína de seda não ordenada para se dobrar em fitas β e crescer em nanofibrilas com folhas β. Além disso, ajustando a concentração das sementes de peptídeo e fibroína de seda, e o peso molecular da fibroína de seda e pH, eles poderiam reunir pistas sobre o mecanismo por trás do crescimento modelado e ajustar ainda mais o processo.

Próximo, os pesquisadores demonstraram o crescimento modelado com um peptídeo alternativo encontrado na proteína da seda da abelha europeia, que forma nanoconjuntos menos regularmente definidos de uma combinação de conformações de folha β e hélice α. Eles observaram o impacto no arranjo intermolecular, e, portanto, as propriedades mecânicas e ópticas dos materiais resultantes por meio da semeadura com os diferentes peptídeos. Eles também foram capazes de demonstrar a aplicabilidade das técnicas de nanofabricação para depositar camadas de materiais de seda modelados e para imprimir suspensões das fibroínas semeadas em estruturas personalizadas.

Um modelo para trabalho futuro

Entre as aplicações potenciais, a Marelli lista:sensores de patógenos imprimíveis com propriedades que podem ser usadas para detectar quando os alimentos estragam com sensibilidade aprimorada como resultado da superfície aumentada para relações de volume, dispositivos compartimentados que encapsulam enzimas para respostas catalíticas aprimoradas, membranas de filtração para transporte seletivo de massa, funcionalização de superfície complexa com química de superfície de contraste, filmes de seda cristalizados especificamente no local com capacidade de degradação programada, e armazenamento e criptografia de informações.

Marelli e Sun agora estão usando arquiteturas encontradas em tecidos biológicos, como asas de borboleta, ossos e tendões como fonte de inspiração para estudos futuros. "No caso do tendão, este é um tecido feito de moléculas de colágeno tipo I hierarquicamente estruturadas que são organizadas em várias escalas de molecular a centímetro, "Marelli explica, destacando como isso pode transmitir uma gama particularmente ampla de funções em um único formato de material, incluindo propriedades mecânicas aprimoradas.

A replicação das estruturas hierárquicas encontradas nas asas de borboletas também pode levar a materiais úteis para anti-incrustação e dissipação de calor aprimorada. "É difícil reproduzir essas arquiteturas com as técnicas atuais de nanofabricação baseadas em ascensão (ou seja, montagem) abordagens, "ele acrescenta." Nossos interesses futuros serão então no uso de cristalização modelada para permitir a fabricação de materiais mesoestruturados com tais propriedades. "

Todos os detalhes são relatados em Nature Communications

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