Wissenschaftler zerlegen Seide, um ein extrem effizientes Antihaftmaterial zu erfinden

Forscher der Tufts University haben eine Methode zur Entwicklung von Materialien auf Seidenbasis entwickelt, die sich weigern, an Wasser zu haften, und Antihafteigenschaften aufweisen, die die derzeitiger Antihaft-Oberflächen übertreffen, heißt es in einer am Freitag veröffentlichten Pressemitteilung der Einrichtung.

Aufspaltung von Seidenfibroin

Das alles hat mit der Zerlegung der Fasern in ihr grundlegendes Proteinelement zu tun: Seidenfibroin.

„Was Seide zu einem so einzigartigen Material macht, ist die Tatsache, dass sie nicht nur eine Vielzahl von Formen annehmen kann, sondern dass man ihre Eigenschaften auch leicht verändern kann, indem man das Seidenfibroin chemisch modifiziert“, sagt Krishna Kumar, Robinson Professor für Chemie an der Tufts University.

„Wenn wir mit Seidenfibroin orthopädische Schrauben herstellen wollen, die vom Körper unterschiedlich schnell absorbiert werden, müssen wir die Chemie verändern“, sagt er. „Wenn wir einen Blutsensor entwickeln wollen, der Sauerstoff, Glukose oder andere Blutbestandteile erkennt, müssen wir die Chemie des Blutsensors verändern. In dieser Studie haben wir das Seidenfibroin so modifiziert, dass es Wasser abstößt, und zwar so, dass wir das Material so einstellen können, dass es mehr oder weniger wasserabweisend ist.“

Verwendung von Perfluorcarbonen

Den Forschern gelang es, dieses hohe Maß an Antihaftwirkung zu erreichen, indem sie die Oberfläche des Seidenfibroins mit kurzen chemischen Ketten aus Kohlenstoff und Fluor, den so genannten Perfluorkohlenstoffen, überzogen. Diese Ketten reagieren weder mit anderen Chemikalien, noch mit Proteinen und anderen biologischen Chemikalien im Körper.

Die Wissenschaftler maßen dann die Antihafteigenschaft, indem sie beobachteten, wie Wasser an der Oberfläche des neuen Materials abperlt. Sie fanden heraus, dass bei nicht klebender Seide, die mit dem höchsten Gehalt an Perfluorkohlenwasserstoffen zu Stäben geformt wurde, das Wasser abgewiesen wurde und sich einfach zu Tropfen aufrollte.

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Noch besser: Nicht nur Wasser perlt von der Antihaft-Seide ab, sondern jede Substanz, die Wasser als Hauptbestandteil enthält.

Antihaftbeschichtungen auf Seidenbasis könnten nun eine sicherere Alternative zu handelsüblichen Antihaftbeschichtungen darstellen, bei denen die Gefahr besteht, dass Chemikalien vom Körper aufgenommen werden. Die Forscher erklären weiter, dass ihre Erfindung unzählige Anwendungsmöglichkeiten haben könnte.

„Der Erfolg, den wir mit der Modifizierung von Seide zur Wasserabweisung hatten, erweitert unsere Erfolge bei der chemischen Modifizierung von Seide für andere Funktionen. wie die Fähigkeit, die Farbe zu ändern, elektrische Ladungen zu leiten oder in einer biologischen Umgebung zu überleben oder abzubauen“, sagte David Kaplan, Stern Family Professor of Engineering an der Tufts University.

„Als Protein eignet sich Seide gut für die modulare Chemie. die Fähigkeit, verschiedene funktionelle Komponenten in ein natürliches Gerüst einzubauen.“

Das neue Material könnte nicht nur in medizinischen Geräten eingesetzt werden, sondern auch für Autoscheiben, an denen Regenwasser einfach abperlt, ohne dass man einen Wischer benutzen muss, für Beschichtungen von Metallen, die Rost verhindern, oder für Textilien, die leichter zu reinigen sind.

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„Medizinische Geräte so zu modifizieren, dass schädliche Wechselwirkungen mit Wasser und anderen biologischen Stoffen verhindert werden, hat das Potenzial, ihre Festigkeit und Integrität so lange zu erhalten, wie sie gebraucht werden“, erklärt Julia Fountain, Doktorandin in Kumars Labor und Mitautorin der Studie.

Seide ist bereits relativ unempfindlich gegenüber dem Immunsystem, so dass die Abstimmung seiner Fähigkeit, Zellen oder andere Substanzen abzustoßen, es noch nützlicher machen könnte.“

Die Studie wurde in der Zeitschrift ChemBioChem veröffentlicht.

Zusammenfassung der Studie:

Seidenfibroinprotein ist ein Biomaterial mit ausgezeichneter Biokompatibilität und geringer Immunogenität. Diese Eigenschaften haben das Material zu einem der führenden Materialien für die umfassende Verwendung in Stents, Kathetern und Wundverbänden gemacht. Die Modulation der Hydrophobie des Seidenfibroinproteins, um den Anwendungsbereich und die Nützlichkeit weiter auszubauen, ist jedoch schwer zu erreichen. Wir berichten, dass das Anbringen von Perfluorkohlenstoffketten auf der Oberfläche von Seidenfibroin dieses wasserlösliche Protein in ein bemerkenswert hydrophobes Polymer verwandelt, das mit Lösungsmitteln gegossen werden kann. Es zeigte sich ein klarer Zusammenhang zwischen dem Fluorgehalt der modifizierten Seide und der Hydrophobie des Films. Der Wasserkontaktwinkel des am meisten dekorierten Seidenfibroinproteins übertrifft den von Teflon Wir zeigen außerdem, dass die Wasseraufnahme in vorgefertigten Seidenstäben drastisch reduziert wird, was ihre Lebensdauer verlängert und ihre mechanische Integrität erhält. Diese Ergebnisse unterstreichen die Fähigkeit der Chemie, unter moderaten Bedingungen unnatürliche Gruppen auf der Oberfläche von Seidenfibroin zu installieren, und ermöglichen die weitere Erforschung von Anwendungen für dieses vielseitige Biomaterial.

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Image:interestingengineering.com

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