Секрет заключается в том, чтобы сначала высушить шелк методом заморозки и превратить его в порошок.
Шелк — это удивительный материал с богатой историей и множеством применений. Люди ткут шелковые ткани уже более 5000 лет. Врачи используют его для зашивания ран более 1800 лет. Теперь биомедицинские инженеры используют его для создания различных медицинских имплантатов. Новый подход сделает процесс создания таких устройств гораздо проще и дешевле.
Множество животных производят шелк. Некоторые мидии используют его, чтобы прикрепляться к скалам. Пауки плетут шелковые сети, чтобы ловить добычу. Самый полезный для людей тип шелка получают от насекомых, которых часто называют шелкопрядами. Однако шелкопряды — это не черви, а гусеницы домашней шелковичной моли. Каждая гусеница прядет кокон перед тем, как стать куколкой. Этот кокон соткан из шелковой нити длиной в сотни метров.
Докторам нравится шелк по разным причинам во-первых шелк является природным материалом, который со временем разлагается в организме. Поэтому любые имплантаты, сделанные из шелка, не нужно удалять хирургическим путем. Кроме того, немногие люди испытывают аллергическую реакцию на шелк, поэтому имплантаты из этого материала в целом безопасны.
Однако есть одна проблема: материалы, используемые для изготовления шелковых имплантатов, не имеют длительного срока хранения. Эти материалы состоят из белков, называемых шелковым фиброином. Это то, что остается после того, как химики удаляют из шелковых волокон клейкое вещество под названием серицин. Шелковые белки обычно хранятся растворенными в воде до момента использования. Но, как и все белки, со временем они могут разлагаться.
Есть и другая проблема. Вода добавляет много веса и объема к шелковым материалам во время их хранения, что делает их транспортировку из одного места в другое дорогостоящей.
Дэвид Каплан, биомедицинский инженер из Университета Тафтса в Бедфорде, штат Массачусетс и его коллеги решили устранить эти проблемы. Они начали процесс обычным образом, удалив серицин из шелковых волокон. Но дальше они пошли другим путем. Сначала они растворили шелковые белки в растворе с высоким содержанием соли, называемой бромидом лития. Затем они добавили воду, чтобы разбавить смесь. После этого они заморозили её с помощью жидкого азота. Затем поместили замороженную смесь в камеру с очень низким давлением воздуха. Это сочетание очень низкой температуры и давления вызвало испарение воды. (Этот процесс называется сублимационной сушкой и часто используется для приготовления растворимого кофе и других продуктов питания.)
Наконец, исследователи измельчили высушенный материал в порошок. Частицы порошка имели размеры от 30 нанометров (чуть более одной миллионной доли дюйма) до 1 микрометра (40 миллионных долей дюйма).
«Это совершенно другой способ обработки шелка», — говорит Крис Холланд, ученый, который занимается природными материалами в Университете Шеффилда в Англии. Он не принимал участия в новом исследовании.
Каплан и его команда обнаружили, что из шелкового порошка можно формовать очень прочные детали. Они формировали эти детали под высоким давлением, более 6400 килограммов на квадратный сантиметр. Они также тестировали различные температуры нагрева. Шелковые детали были наиболее прочными при формовке при температуре 145 °C. Эти детали из порошка шелка оказались прочнее, чем те, которые были изготовлены предыдущим способом, с использованием растворенных шелковых белков. Они были даже прочнее, чем древесина.
Каплан и его команда сообщили о своем достижении в январском выпуске журнала Nature Materials.
Из шелкового порошка можно изготавливать самые разные медицинские имплантаты. Среди них — винты, используемые для скрепления сломанной кости, а также небольшие трубки, которые служат для оттока жидкости из воспаленного уха. Инженеры даже могут добавить ферменты, чтобы обеспечить постепенное разложение формованных деталей. Это исключит необходимость в операции по их удалению после выполнения задачи.
Ученые описывают как «биосовместимые» любые материалы, которые могут использоваться в организме, не вызывая вреда. «То, что [шелковый порошок] является биосовместимым, — это вишенка на торте». Это наталкивает на еще одно возможное применение: внедрение в формованные имплантаты лекарственных препаратов (таких как антибиотики для борьбы с инфекциями или противораковые препараты). Такие имплантаты могли бы постепенно выделять лекарство со временем, избавляя пациентов от необходимости принимать таблетки или делать болезненные инъекции.
Шелковый порошок также легко использовать. Он химически стабилен и может храниться на полке до двух лет. Кроме того, он легкий, поскольку большая часть воды была удалена. Поэтому транспортировка материала из одного места в другое не обходится слишком дорого.
Этот материал является частью серии публикаций о новостях в области технологий и инноваций, возможных благодаря щедрой поддержке Фонда Лемельсона.
Материал взят и переведен: Journal: C. Guo et al. Thermoplastic moulding of regenerated silk. Nature Materials. Vol. 19, January 2020, p. 102. doi: 10.1038/s41563-019-0560-8.
Прочитать статью в оригинале: https://www.snexplores.org/article/silk-can-be-molded-into-strong-medical-implants