02.11.2018 - University of Pittsburgh

Ein transparentes, flexibles Material aus Seide und Nanoröhrchen

Nanoröhrchen-Wechselwirkungen mit Seidenfibroinen - Schlüssel zu flexibler, abbaubarer Elektronik

Die Seidenfasern von Bombyx mori, der heimischen Seidenraupe, werden seit Jahrtausenden als starkes, aber leichtes und luxuriöses Material geschätzt. Obwohl synthetische Polymere wie Nylon und Polyester kostengünstiger sind, sind sie nicht mit den natürlichen Eigenschaften und mechanischen Eigenschaften der Seide vergleichbar. Und nach Forschungsergebnissen der Swanson School of Engineering der University of Pittsburgh kann Seide in Kombination mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu einer neuen Generation von biomedizinischen Geräten und so genannter transienter, biologisch abbaubarer Elektronik führen.

"Seide ist ein sehr interessantes Material. Sie besteht aus Naturfasern, die der Mensch seit Jahrtausenden zur Herstellung hochwertiger Textilien verwendet, aber wir als Ingenieure haben in jüngster Zeit begonnen, das Potenzial der Seide für viele neue Anwendungen wie die flexible Bioelektronik aufgrund ihrer einzigartigen Biokompatibilität, biologischen Abbaubarkeit und mechanischen Flexibilität zu schätzen", bemerkte Mostafa Bedewy, Assistenzprofessor für Wirtschaftsingenieurwesen an der Swanson School und Hauptautor der Arbeit. "Das Problem ist, dass, wenn wir Seide für solche Anwendungen verwenden wollen, wir nicht wollen, dass sie in Form von Fasern vorliegt. Vielmehr wollen wir Seidenproteine, sogenannte Fibroine, in Form von Folien regenerieren, die die gewünschten optischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften aufweisen."

Wie die Autoren im folgenden Video erläutern, sind diese regenerierten Seidenfibrome (RSFs) jedoch in der Regel chemisch instabil im Wasser und leiden unter schlechteren mechanischen Eigenschaften, da es schwierig ist, die Molekularstruktur der Fibroinproteine in RSF-Filmen präzise zu steuern. Bedewy und seine NanoProduct Lab-Gruppe, die sich auch intensiv mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) beschäftigt, dachten, dass die molekularen Wechselwirkungen zwischen Nanoröhrchen und Fibroinen vielleicht eine "Abstimmung" der Struktur von RSF-Proteinen ermöglichen könnten.

"Einer der interessanten Aspekte von CNTs ist, dass sie sich, wenn sie in einer Polymermatrix dispergiert und Mikrowellenstrahlung ausgesetzt werden, lokal erwärmen", erklärte Dr. Bedewy. "Also fragten wir uns, ob wir dieses einzigartige Phänomen nutzen könnten, um gewünschte Transformationen in der Fibroinstruktur um die CNTs in einem "RSF-CNT"-Verbund zu erzeugen."

Laut Dr. Bedewy bot die Mikrowellenbestrahlung in Verbindung mit einer Lösungsmitteldampfbehandlung einen einzigartigen Kontrollmechanismus für die Proteinstruktur und führte zu einem flexiblen und transparenten Film, der mit synthetischen Polymeren vergleichbar ist, aber sowohl nachhaltig als auch abbaubar sein könnte. Diese RSF-CNT-Folien haben das Potenzial für den Einsatz in flexibler Elektronik, biomedizinischen Geräten und transienter Elektronik wie Sensoren, die für einen gewünschten Zeitraum im Körper von Stunden bis Wochen verwendet werden und sich dann auf natürliche Weise auflösen.

"Wir freuen uns darauf, diese Arbeit in Zukunft weiter voranzutreiben, da wir uns darauf freuen, die wissenschaftlichen und technologischen Aspekte dieser einzigartigen funktionellen Materialien zu entwickeln", sagte Dr. Bedewy. "Aus wissenschaftlicher Sicht gibt es noch viel mehr zu verstehen über die molekularen Wechselwirkungen zwischen der Funktionalisierung auf Nanoröhrenoberflächen und Proteinmolekülen. Aus technischer Sicht wollen wir skalierbare Herstellungsverfahren entwickeln, um Kokons aus Naturseide zu gewinnen und sie in funktionale dünne Schichten für tragbare und implantierbare elektronische Geräte der nächsten Generation zu verwandeln."

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