La Seda Reconstituida Puede Ser Varias Veces Más Fuerte Que La Fibra Natural

Los ingenieros del MIT construyen una mejor seda

Una fotografía muestra fibras de seda helicoidales regeneradas coloreadas con tintes de rodamina, bajo luz ultravioleta.

Nueva investigación de ingenieros de MIT muestra que la seda reconstituida puede ser varias veces más fuerte que la fibra natural y fabricada de diferentes formas.

Cuando se trata de confeccionar la compleja mezcla de moléculas que forman las fibras de seda natural, la naturaleza supera a la ingeniería humana sin dudarlo. A pesar de los esfuerzos por sintetizar el material, las variedades artificiales aún no pueden igualar la fuerza de la fibra natural.

Pero al comenzar con la seda producida por los gusanos de seda, descomponerla químicamente y luego volver a ensamblarla, los ingenieros han descubierto que pueden fabricar un material que es más del doble de rígido que su contraparte natural y se puede moldear en estructuras complejas como mallas y celosías. .

El nuevo material se denomina fibra de seda regenerada (RSF) y podría encontrar una gran cantidad de aplicaciones en entornos comerciales y biomédicos, dicen los investigadores. Los hallazgos aparecen en la revista Nature Communications , en un artículo del profesor de ingeniería de McAfee Markus Buehler, el postdoctorado Shengjie Ling, el científico investigador Zhao Qin y otros tres en la Universidad de Tufts.

MIT construye mejor seda

Algunos tipos de seda producidos por las arañas se encuentran entre los materiales más resistentes que se conocen, libra por libra. Pero a diferencia de los gusanos de seda, las arañas no se pueden criar para producir fibras en cantidades útiles. Varios investigadores, incluidos Buehler y sus colaboradores, han intentado hacer seda puramente sintética en su lugar, pero esos esfuerzos aún no han producido fibras que puedan igualar la fuerza de las versiones naturales.

En cambio, el equipo ha desarrollado una forma de aprovechar las mejores cualidades de la seda natural producida por los gusanos de seda, mientras la procesa de una manera que la hace más fuerte y abre una amplia variedad de nuevas formas y estructuras que nunca podrían formarse a partir de la seda natural. .

La clave es romper la seda natural, pero no demasiado, dice el equipo. Es decir, disuelven los capullos construidos por los gusanos de seda, no hasta el punto de que la estructura molecular del material se descompone, sino en una forma intermedia compuesta por microfibrillas. Estos pequeños conjuntos en forma de hilo conservan algunas de las estructuras jerárquicas importantes que le dan a la seda su fuerza.

Buehler, quien es el jefe del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, compara este reciclaje de materiales con derribar una vieja casa de ladrillos. Sin embargo, en lugar de simplemente derribar la casa en un montón de escombros, los ladrillos individuales se separan cuidadosamente y luego se utilizan para construir una nueva estructura. “La naturaleza es aún mejor en la creación de microestructuras” que, como se demostró en algunas de sus investigaciones anteriores, son responsables de las propiedades rígidas y elásticas únicas de la seda, dice. “En este caso, aprovechamos lo que nos brinda la naturaleza”.

Los ingenieros del MIT construyen una seda mejor y más fuerte

Aunque el hilo y la tela de seda son caros, el costo del material proviene principalmente del proceso intensivo en mano de obra de desenredar el hilo del capullo y tejerlo, no de la producción real de los gusanos de seda y sus capullos, que son bastante económicos, explica Ling. A granel, los capullos de gusanos de seda sin procesar cuestan solo alrededor de $5 por kilogramo (2,2 libras), dice.

Al romper la seda y luego extruirla a través de una pequeña abertura, los investigadores descubrieron que podían producir una fibra dos veces más rígida que la seda convencional y acercándose a la rigidez de la seda de arrastre de araña. Este proceso podría abrir una variedad de posibilidades para nuevos usos. Por ejemplo, la seda es una sustancia naturalmente biocompatible que no produce reacciones adversas en el cuerpo, por lo que el nuevo material podría ser ideal para aplicaciones como suturas médicas o andamios para el crecimiento de piel nueva u otros biomateriales.

El método también permite a los investigadores dar forma al material de formas que nunca podrían ser duplicadas por la seda natural. Podría formarse, por ejemplo, en mallas, tubos, fibras mucho más gruesas que la seda natural, bobinas, láminas y otras formas. “No estamos satisfechos con lo que producen [los gusanos de seda]”, dice Buehler. “Queremos hacer nuestros propios materiales nuevos”.

Tales formas se pueden crear utilizando el material reconstituido en una especie de sistema de impresión 3-D personalizado para la solución de seda, dice Qin. Y una ventaja del nuevo proceso es que puede llevarse a cabo utilizando tecnologías de fabricación convencionales, por lo que escalarlo a cantidades comerciales no debería ser difícil. Las propiedades específicas de la fibra, incluida su rigidez y tenacidad, se pueden controlar según sea necesario simplemente variando la velocidad del proceso de extrusión.

Estas fibras reconstituidas también son muy sensibles a diferentes niveles de humedad y se pueden hacer eléctricamente conductoras agregando una fina capa de otro material, como una capa de nanotubos de carbono. Esto podría permitir su uso en una variedad de dispositivos de detección, donde una superficie cubierta con una capa o malla de tales fibras podría responder a la presión de la yema de un dedo o a cambios en las condiciones ambientales.

Una posible aplicación, por ejemplo, podría ser una sábana hecha de tales fibras, dice Buehler. Una sábana de este tipo podría usarse en instalaciones de cuidados de enfermería para ayudar a evitar las escaras controlando la presión y advirtiendo automáticamente a los cuidadores cuando un paciente ha estado acostado en la misma posición durante demasiado tiempo con presión en un área particular del cuerpo. Dichas aplicaciones podrían hacerse prácticas muy rápidamente, dice, ya que no quedan obstáculos reales para producir material adecuado para tales usos.

“Esta es una investigación ordenada que se basa en una poderosa combinación de las fortalezas interdisciplinarias de los laboratorios del MIT y Tufts”, dice Anthony Weiss, profesor de bioquímica y biotecnología molecular en la Universidad de Sydney en Australia, que no participó en este trabajo. “La tecnología tiene el potencial de sentar las bases para nuevos tipos de materiales tejidos y compuestos funcionales; estos podrían ser para una amplia gama de usos, como una nueva generación de textiles y biosensores”, dice.

El equipo también incluyó a los postdoctorados Chunmei Li y Wenwen Huang, y al profesor y presidente de ingeniería biomédica David Kaplan en la Universidad de Tufts. El trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud y el Departamento de Defensa.

Publicación: Shengjie Ling, et al., “Fibras de seda regeneradas polimórficas ensambladas mediante hilado bioinspirado”, Nature Communications 8, Número de artículo: 1387 (2017) doi: 10.1038 / s41467-017-00613-5

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