Смешивание шелка с полимерами может привести к созданию лучших биомедицинских имплантатов

Исследователи представят свои результаты на виртуальном собрании и выставке Американского химического общества (ACS) осенью 2020 года.

«Шелк имеет большой потенциал для использования в биомедицине», — говорит Хуан Гуан, доктор философии, главный исследователь проекта. «Шелк универсален, и человеческий организм переносит его довольно хорошо и даже может его разрушить и поглотить».

Шелк имеет долгую историю в медицине. Записи древних врачей, сшивающих пациентов волокнами, пряденными шелкопрядами, датируются почти 2000 лет. И сегодня хирурги завершают некоторые операции, например операции на глазу, шелковыми швами.

Комбинируя шелк и синтетические полимеры, Гуань и ее коллеги из Университета Бейхан стремятся разработать новые универсальные материалы для использования в медицине и, возможно, в других областях. В то время как другие исследователи уже разработали композитные материалы с шелком, они обычно работали с короткими волокнами или основным белком шелка. Гуань, однако, делает акцент на шелковой ткани, сотканной из одной длинной нити.

По ее словам, коконы тутового шелкопряда могут содержать волокна длиной почти 5 000 футов, и при использовании целиком в ткани такое волокно может более эффективно распределять механическое напряжение, чем серия более коротких дискретных волокон. В своих исследованиях команда Гуаня использует шелк обыкновенного домашнего шелкопряда Bombyx mori , а также более жесткие и эластичные волокна диких видов.Antheraea pernyi .

Исследователи комбинируют эту ткань с полимерной матрицей, часто эпоксидной, которая используется в клеях. Вместе ткань и полимер образуют ламинат — похожий на прочное поверхностное покрытие, которое есть на некоторых предметах мебели, — который затем можно разрезать на нужные исследователям формы.

Гуан и ее коллеги говорят, что свойства этих новых материалов могут сделать их более подходящими для тканей человеческого тела, чем те, которые используются сегодня. Например, они сотрудничают с врачами-ортопедами, чтобы разработать структуры, напоминающие клетки, которые временно удерживают позвонки на месте, когда они срастаются после операции. Эта задача в настоящее время решается в основном с использованием металла. По ее словам, твердость и жесткость шелковых композитов более совместима с костью, что делает их потенциально более упругими, но более удобными, чем металлические конструкции.

Однако есть проблемы. Внутренняя часть человеческого тела влажная, что является потенциальной проблемой, поскольку вода может смягчать и ослаблять шелк. В новых экспериментах Гуань и ее коллеги проверили, как композитные материалы из шелка и эпоксидной смолы выдерживают воздействие влаги или погружения в воду. Для использования рядом с костью они должны сохранять определенную жесткость. По ее словам, эксперименты показали, что, хотя этот атрибут уменьшался в более влажных условиях, композиты оставались достаточно жесткими, чтобы функционировать как имплантаты.

Хотя эпоксидная смола прочно прикрепляется к шелковому волокну, у нее есть серьезный недостаток: тело не может разрушить эпоксидную смолу и поглотить ее, а это означает, что она не подходит для имплантатов, предназначенных для растворения. Гуань недавно начал работать с биополимерами, которые, как и шелк, могут разрушаться и поглощаться телом. Однако эти композиты имеют меньшую внутреннюю когезию, чем те, которые содержат эпоксидную смолу. «Ключевой вопрос заключается в том, как сделать более прочным соединение между биополимером и шелковой тканью», — говорит она.

Ученые также хотят дополнить шелк другими типами волокон. В недавнем исследовании они добавили в смесь углеродные волокна. «Идея гибридизации шелка с другими волокнами позволяет получить довольно хороший спектр свойств, которые можно оптимизировать для конкретного применения», — говорит Роберт О. Ричи, доктор философии, автор исследования углеродного волокна. По его словам, эти новые конструкционные материалы могут использоваться где угодно: в человеческом теле , даже в теннисных ракетках или в двигателях самолетов.