用蚕丝制造生物医学设备的新方法可以生产出质量更好的产品

时间:2019-12-21 16:37 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

用蚕丝制造生物医学设备的新方法可以生产出质量更好的产品

以丝粉形式制成的原料可以很容易地储存、运输和制成各种形状,其性能优于医用植入物中使用的许多其他材料。资料来源:李春梅大卫·卡普兰,塔夫茨大学

塔夫茨大学的工程师们领导的研究人员开发了一种新型的、效率显著提高的丝绸制造方法,这种方法允许他们将材料加热并模压成固态,用于包括医疗设备在内的广泛应用。与其他材料相比,最终产品具有更高的强度,具有可根据特定需要“调整”的物理特性,并可使用抗生素和酶等生物活性分子进行功能修饰。丝绸的热模拟,在

自然材料

,克服了几个障碍,使制造的灵活性,许多塑料。

塔夫茨大学工程学院(Tufts University School of Engineering)斯特恩家族(Stern Family)工程学教授、该研究报告的通讯作者戴维?卡普兰(David Kaplan)表示:“多年来,我们和其他人利用基于解决方案的制造,探索了许多基于丝绸的设备的发展。”“但这种新的固态制造方法可以大大缩短生产时间和成本,并在其形状和性能上提供更大的灵活性。”此外,这种新方法避免了基于解决方案的供应链的复杂性

丝蛋白

,这将有助于制造业的规模化。”

蚕丝是一种天然的以蛋白质为基础的生物聚合物,因其在纤维和纺织形态中的优异机械性能而长期被认可,生产耐用织物并用于临床缝合线已有数千年的历史。在过去的65年里,科学家们设计出了一些方法来分解纤维并将丝蛋白(称为丝素蛋白)重组成凝胶、薄膜、海绵和其他材料,这些材料的应用范围从电子产品到骨科螺丝,以及用于药物输送、组织工程和再生医学的设备。然而,分解和重组丝素需要一系列复杂的步骤。此外,蛋白质在水溶状态下的不稳定性限制了蛋白质的储存

供应链

要求,这反过来影响范围和材料的性能,可以创建。

研究人员报告说,他们已经克服了这些限制,开发了一种固态热处理蚕丝的方法,从而使蛋白质聚合物直接成型成具有可调性能的大块部件和设备。这种新方法——类似于塑料制造业的一种常见做法——涉及到纳米结构的“微球”的制造,其直径从30纳米到1微米不等,由冷冻干燥的丝素溶液制成。然后将纳米颗粒在压力下从97摄氏度加热到145摄氏度,当它们开始融合时。研究人员称,丝蛋白链的褶皱结构变得更加无定形,熔融小球形成的块状材料不仅比溶解提取的丝材料更坚固,而且比许多天然材料(如木材和其他合成塑料)更优越。微丸是一种很好的起始材料,因为它们在很长一段时间内都是稳定的,因此不需要大量的水就可以运到生产现场,从而大大节省了时间和成本。

热模制丝的特性,如弹性,抗拉和抗压强度,可以调整到特定的范围在成型过程中,通过改变条件如温度和压力,而散装材料可以进一步加工为设备,例如骨螺丝和耳朵管,或印模式期间或之后初步成型。添加诸如酶、抗生素或其他化学掺杂剂等分子可以将大块材料修饰成功能复合材料。

为了证明其应用价值,研究人员在体内测试了固态成型的骨螺钉,发现它们作为植入设备具有生物相容性,在没有炎症的情况下支持螺钉表面新骨结构的形成。当丝钉被骨组织替代时,丝钉也能再吸收。再吸收速率可以通过在不同的温度下(从97度到145度)准备螺钉来调节,这将改变大块材料的结晶度,从而改变其吸水能力。

研究人员还制造了一种掺有蛋白酶的耳管——一种用来帮助排出受感染耳管的设备。蛋白酶可以分解丝聚合物,在耳管发挥作用后加速降解。

卡普兰实验室的博士后学者、该研究的第一作者之一郭成晨(音译)说:“热成型过程之所以成为可能,是因为无定形丝在97摄氏度有一个明确的熔点,这是以前以溶液为基础的制剂所没有的。”“这让我们对自己生产的产品的结构和机械性能有了很大的控制权。”塔夫茨大学研究助理教授李春梅(音)与郭是第一作者,她补充说:“原始材料——纳米颗粒——也非常稳定,可以长期储存。这些都是可以改进应用程序和可伸缩性的重要进步

丝绸

产品制造”。

更多信息:

自然材料

DOI: 10.1038 / s41563 - 019 - 0560 - 8

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