La seda de araña sintética, hilada con microfluidos, imita las fibras naturales

La seda de araña es conocida por su resistencia, flexibilidad y peso ligero, y tiene una resistencia a la tracción comparable a la del acero del mismo diámetro. Además, es biocompatible (lo que significa que puede usarse en aplicaciones médicas) y biodegradable. Pero la recolección a gran escala de seda de arañas ha resultado poco práctica por varias razones. Por ello, los científicos están trabajando para desarrollar un mecanismo para producirlo en el laboratorio.

Ahora, investigadores del Centro RIKEN para la Ciencia de Recursos Sostenibles en Japón han creado un dispositivo que hila seda de araña sintética que se asemeja mucho a la seda de araña natural. La glándula de seda artificial pudo recrear la compleja estructura molecular de la seda imitando varios cambios químicos y físicos que ocurren naturalmente en la glándula de seda de araña.

Este trabajo fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza En papel, «Autoensamblaje repetido de seda de araña mediado por cizallamiento a través de microfluidos.«

Dispositivo de microfluidos. La solución precursora de espidroína se coloca en un extremo y luego se atrae hacia el otro extremo mediante presión negativa. Cuando las espidroínas fluyen a través de canales de microfluidos, se exponen a cambios sutiles en el entorno químico y físico y se autoensamblan para formar fibras de seda.
[RIKEN]

La seda de araña es una fibra de biopolímero hecha de espidroínas, que son proteínas grandes con secuencias altamente repetitivas. Dentro de las fibras de seda hay láminas beta, que deben estar correctamente alineadas para que las fibras de seda tengan sus propiedades mecánicas únicas. Para recrear este proceso, los científicos de RIKEN siguieron un enfoque biomimético. «En este estudio, intentamos imitar la producción de seda de araña natural utilizando microfluidos, que implica hacer fluir y manipular pequeñas cantidades de fluido a través de canales estrechos», explicó Keiji Numata, Ph.D., profesor del Laboratorio de Química de Biomateriales, Presidente de Química de Materiales Poliméricos. , Universidad de Kioto. «De hecho, se podría decir que la glándula de seda de la araña funciona como una especie de dispositivo de microfluidos natural».

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Para ello, se colocó la solución pionera Spidroin, basada en Spidroin MaSp2 recombinante, en un extremo de una pequeña caja rectangular que contenía canales y luego se arrastró hacia el otro extremo mediante presión negativa. Cuando las espidroínas fluyen a través de canales de microfluidos, quedan expuestas a cambios sutiles en el entorno químico y físico. En las condiciones adecuadas, las proteínas se autoensamblan para formar fibras de seda con su característica estructura compleja.

Más específicamente, la estrategia «integra separación de fases líquido-líquido inducida por iones, fibrilación inducida por pH y agitación dependiente de cizallamiento para formar láminas beta».

Entre otras cosas, los investigadores descubrieron que usar la fuerza para empujar las proteínas no funcionó; Sólo cuando utilizaron presión negativa para retirar la solución de espidroína se pudieron ensamblar fibras de seda continuas con la alineación correcta de las láminas beta.

«Fue sorprendente lo robusto que era el sistema de microfluidos, una vez que se establecieron y optimizaron las diferentes condiciones», dijo Ali Malay, científico investigador de RIKEN. «El ensamblaje de las fibras fue espontáneo, muy rápido y altamente reproducible. Lo más importante es que las fibras exhibieron la estructura jerárquica característica que se encuentra en las fibras de seda naturales».

Los autores escriben que «se requiere un umbral de tensión de corte de aproximadamente 72 Pa para la formación de fibras, y que la formación de láminas beta depende de la presencia de bloques de polialanina en la secuencia repetitiva. Las fibras MaSp2 formadas tienen un contenido de lámina beta (29,2% ) que sea comparable al de la línea del dibujo original con requisitos de tensión cortante de 111 Pa”.

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La capacidad de producir fibras de seda sintéticamente utilizando este método no sólo podría ayudar a reducir el impacto negativo que la industria textil actual tiene en el medio ambiente, sino que la naturaleza biodegradable y biocompatible de la seda de araña la hace ideal para aplicaciones biomédicas, como suturas y ligamentos sintéticos. .

«Lo ideal es que queramos tener un impacto en el mundo real», dijo Numata. «Para que esto suceda, necesitaremos ampliar nuestra metodología de producción de fibra y convertirla en un proceso continuo. También evaluaremos la calidad de nuestra seda de araña sintética utilizando varias métricas y realizaremos más mejoras a partir de ahí».

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