دانشمندان ابریشم طبیعی را از یک تار عنکبوت مصنوعی می چرخانند

محققان موفق به ساخت دستگاهی شده اند که ابریشم مصنوعی عنکبوت را می چرخاند که به چیزی که عنکبوت ها به طور طبیعی تولید می کنند نزدیک می شود. غده ابریشم مصنوعی توانست با تقلید از تغییرات شیمیایی و فیزیکی مختلف که به طور طبیعی در غده ابریشم عنکبوت رخ می دهد، ساختار مولکولی پیچیده ابریشم را بازسازی کند.

این نوآوری زیست محیطی گام بزرگی به سوی پایداری است و می تواند چندین صنعت را تحت تاثیر قرار دهد. این مطالعه که توسط Keiji Numata از مرکز RIKEN برای علوم منابع پایدار در ژاپن، همراه با همکارانش از RIKEN Pioneering Research Cluster انجام شد، انجام شد. منتشر شده در دفتر خاطرات ارتباطات طبیعت.

شناخته شده برای استحکام، انعطاف پذیری و وزن سبک، ابریشم عنکبوت وجود دارد استحکام کششی که قابل مقایسه با فولاد با همان قطر و نسبت استحکام به وزن است که بی نظیر است. علاوه بر این، زیست سازگار است، به این معنی که می تواند در کاربردهای پزشکی و همچنین زیست تخریب پذیر استفاده شود. پس چرا همه چیز از تار عنکبوت ساخته نشده است؟ جمع آوری ابریشم عنکبوت در مقیاس بزرگ به دلایل متعدد غیرعملی است و دانشمندان را مجبور به ایجاد راهی برای تولید آن در آزمایشگاه کرده است.

تار عنکبوت یک فیبر پلیمری زیستی است که از پروتئین های بزرگ با توالی های تکرار شونده زیادی به نام اسپیدروین ها ساخته شده است. در الیاف ابریشم زیرساخت‌های مولکولی به نام صفحات بتا وجود دارد که باید به درستی چیده شوند تا الیاف ابریشم خواص مکانیکی منحصر به فرد خود را داشته باشند. بازسازی این معماری مولکولی پیچیده سال ها دانشمندان را متحیر کرده است. دانشمندان RIKEN به جای تلاش برای اختراع این فرآیند از ابتدا، رویکرد بیومیمیک را در پیش گرفتند.

همانطور که Numata توضیح می دهد، “در این مطالعه، ما تلاش کردیم تا تولید طبیعی ابریشم عنکبوت را با استفاده از میکروسیال ها تقلید کنیم، که شامل جریان و دستکاری مقادیر کمی از مایعات است. کانال های باریک. در واقع می توان گفت که غده ابریشم عنکبوت به عنوان نوعی دستگاه میکروسیال طبیعی عمل می کند.

دستگاه توسعه یافته توسط محققان شبیه یک جعبه مستطیلی کوچک با کانال های کوچک بریده شده در آن است. محلول پیش ساز spidroin در یک سر قرار می گیرد و سپس با استفاده از آن به انتهای دیگر کشیده می شود فشار منفی.

همانطور که اسپیدروین ها از طریق کانال های میکروسیال جریان می یابند، آنها در معرض تغییرات دقیق شیمیایی و شیمیایی قرار می گیرند. محیط فیزیکیکه به لطف طراحی سیستم میکروسیال امکان پذیر است. تحت شرایط مناسب، پروتئین ها خود به خود به الیاف ابریشم با ساختار پیچیده مشخصه خود جمع می شوند.

محققان برای یافتن این شرایط مناسب آزمایش کردند و در نهایت موفق شدند تعاملات بین مناطق مختلف سیستم میکروسیال را بهینه کنند. در میان چیزهای دیگر، آنها دریافتند که استفاده از نیرو برای فشار دادن پروتئین ها به اطراف کارساز نبود. تنها زمانی که آنها از فشار منفی برای خارج کردن محلول اسپیدروین استفاده کردند، می‌توانستند الیاف ابریشم پیوسته با تراز صحیح و گویای صفحات بتا مونتاژ شوند.

علی ملایی، دانشمند ارشد، یکی از نویسندگان این مقاله، گفت: «بعد از ایجاد و بهینه سازی شرایط مختلف، سیستم میکروسیال چقدر قوی بود، شگفت آور بود. مونتاژ فیبر خود به خود، بسیار سریع و بسیار قابل تکرار بود. نکته مهم این است که الیاف ساختار سلسله مراتبی واضحی را نشان می دهند که در الیاف ابریشم طبیعی یافت می شود.

امکان تولید مصنوعی الیاف ابریشم استفاده از این روش می تواند مزایای متعددی را به همراه داشته باشد. نه تنها می تواند به کاهش تاثیر منفی تولید نساجی فعلی بر محیط زیست کمک کند، بلکه طبیعت زیست تخریب پذیر و زیست سازگار ابریشم عنکبوت آن را برای کاربردهای زیست پزشکی مانند بخیه ها و رباط های مصنوعی ایده آل می کند.

نوماتا می‌گوید: «در حالت ایده‌آل، ما می‌خواهیم تأثیری در دنیای واقعی داشته باشیم. برای اینکه این اتفاق بیفتد، ما باید روش‌شناسی تولید الیاف خود را گسترش دهیم و آن را به یک فرآیند مستمر تبدیل کنیم. ما همچنین کیفیت وب مصنوعی خود را با استفاده از چندین معیار ارزیابی خواهیم کرد و از آنجا بهبودهای بیشتری خواهیم داشت.”