Wissenschaftler des RIKEN Center for Sustainable Resource Science in Japan haben ein Gerät entwickelt, um künstliche Spinnenseide herzustellen, die die natürliche von Spinnen produzierte Seide perfekt nachahmt. Die groß angelegte Extraktion von Spinnenseide erwies sich aus verschiedenen Gründen als unpraktisch, aber jetzt arbeiten Wissenschaftler an der Entwicklung eines Mechanismus, um sie im Labor herzustellen.
Spinnenseide ist eine Biopolymerfaser aus Proteinen, die als Spidroine bezeichnet werden und hochwiederholte Sequenzen aufweisen. Seidenfasern enthalten Beta-Faltblätter, die richtig angeordnet sein müssen, um einzigartige mechanische Eigenschaften zu haben. Die Wissenschaftler von RIKEN beschlossen, diesen Prozess mit Hilfe von Biomimikry nachzuahmen. Sie verwendeten Mikrofluidik, bei der kleine Flüssigkeitsmengen in engen Kanälen fließen und manipuliert werden, um Spinnenseide herzustellen. Bei dieser Methode wurde eine Lösung von Spidroin-Vorläufern an einem Ende eines rechteckigen Behälters mit Kanälen platziert und dann mithilfe eines Vakuums zum anderen Ende gezogen. Während des Flusses wurden Spidroine präzisen Veränderungen in der chemischen und physikalischen Umgebung ausgesetzt. Unter den richtigen Bedingungen begannen die Proteine zu falten und bildeten Seidenfasern mit einer spezifischen und komplexen Struktur.
Die Forscher stellten fest, dass der Einsatz von Kraft, um die Proteine zu drücken, nicht funktionierte; nur der Einsatz eines Vakuums, um die Spidroin-Lösung zu ziehen, ermöglichte die Bildung kontinuierlicher Seidenfasern mit der richtigen Anordnung von Beta-Faltblättern.
„Das Mikrofluidik-System erwies sich nach Stabilisierung und Optimierung verschiedener Bedingungen überraschend robust“, sagte Ali Malay, ein Wissenschaftler von RIKEN. „Die Faserbildung war spontan, extrem schnell und sehr wiederholbar. Wichtig ist, dass die Fasern die charakteristische hierarchische Struktur aufweisen, die in natürlicher Spinnenseide vorkommt“.
Laut den Autoren der Studie muss es in einer bestimmten Spannungsscherung von etwa 72 Pa sein, um Fasern zu erhalten, und die Bildung von Beta-Faltblättern hängt von dem Vorhandensein von Polyalanin-Blöcken in der Sequenz ab. Die resultierende MaSp2-Faser hatte einen Beta-Faltblattgehalt von 29,2%, vergleichbar mit natürlicher Spinnenseide.
Die Fähigkeit, Seide künstlich mit dieser Methode herzustellen, kann nicht nur dazu beitragen, die negativen Auswirkungen der derzeitigen Textilindustrie auf die Umwelt zu verringern, sondern auch die biologische Abbaubarkeit und Biokompatibilität von Spinnenseide machen sie ideal für biomedizinische Anwendungen wie Nahtmaterial und künstliche Bänder.
„Um echte Auswirkungen zu erzielen, müssen wir unsere Faserproduktionsmethode hochskalieren und sie zu einem kontinuierlichen Prozess machen. Wir werden auch die Qualität unserer künstlichen Seide anhand verschiedener Messgrößen bewerten und auf dieser Grundlage weitere Verbesserungen vornehmen“, sagte Keiji Numata, Professor für Biomaterialchemie an der Universität Kyoto.
Die Ergebnisse der RIKEN-Wissenschaftler sind vielversprechend und können der natürlichen Umwelt und der Medizin viele Vorteile bringen. Künstliche Spinnenseide könnte sich als alternative Quelle für langlebige und umweltfreundliche Materialien erweisen.
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