由塔夫茨大學(xué)的工程師領(lǐng)導(dǎo)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新穎，效率更高的絲綢制造方法，該方法可以使絲綢加熱并將材料成型為固體形式，從而廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備。與其他材料相比，最終產(chǎn)品的強(qiáng)度更高，具有可以針對(duì)特定需求進(jìn)行“調(diào)整”的物理特性，并且可以通過生物活性分子(例如抗生素和酶)進(jìn)行功能修飾?！蹲匀徊牧稀分忻枋龅慕z綢的熱建?？朔嗽S多障礙，以實(shí)現(xiàn)許多塑料通用的制造靈活性。

塔夫茨大學(xué)工程學(xué)院斯特恩家族工程學(xué)教授，該研究的相應(yīng)作者戴維•卡普蘭(David Kaplan)表示：“多年來，我們和其他公司已經(jīng)使用基于解決方案的制造方法探索了許多基于絲綢的設(shè)備的開發(fā)。“但是這種新的固態(tài)制造方法可以大大減少生產(chǎn)其中許多產(chǎn)品的時(shí)間和成本，并在形式和特性上提供更大的靈活性。此外，這種新方法避免了基于溶液的絲綢蛋白供應(yīng)鏈帶來的復(fù)雜性，這應(yīng)該有助于擴(kuò)大制造規(guī)模。”

絲綢是一種天然的基于蛋白質(zhì)的生物聚合物，長(zhǎng)期以來以其在纖維和紡織品形式中的優(yōu)異機(jī)械性能而聞名，可生產(chǎn)耐用的織物并用于臨床縫合線已有數(shù)千年的歷史。在過去的65年中，科學(xué)家們研究出了各種方法，可以分解纖維并將絲蛋白(稱為絲蛋白)重組為凝膠，薄膜，海綿和其他材料，其應(yīng)用范圍從電子產(chǎn)品到矯形螺釘以及藥物輸送，組織用設(shè)備工程和再生醫(yī)學(xué)。然而，分解和重構(gòu)纖維蛋白需要許多復(fù)雜的步驟。此外，水溶性蛋白形式的不穩(wěn)定性限制了存儲(chǔ)和供應(yīng)鏈 要求，進(jìn)而影響可創(chuàng)建材料的范圍和特性。

研究人員報(bào)告說，他們已經(jīng)開發(fā)出一種用于絲綢的固態(tài)熱處理的方法，從而克服了這些局限，可以將蛋白質(zhì)聚合物直接模制成具有可調(diào)特性的大塊部件和設(shè)備。這種新方法類似于塑料制造中的常規(guī)做法，涉及直徑30納米至1微米的納米結(jié)構(gòu)“小丸”的制造，這些小丸通過冷凍干燥絲素蛋白水溶液制成。然后，當(dāng)納米顆粒開始融合時(shí)，它們會(huì)在壓力下從97攝氏度加熱到145攝氏度。蠶絲蛋白鏈的褶狀圖案結(jié)構(gòu)變得更加無定形，研究人員說，熔融顆粒形成的散裝材料不僅比溶液衍生的絲綢材料更堅(jiān)固，而且也優(yōu)于許多天然材料，例如木材和其他合成塑料。粒料是極好的起始原料，因?yàn)樗鼈兛梢蚤L(zhǎng)期穩(wěn)定，因此不需要大量的水就可以運(yùn)輸?shù)缴a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，從而大大節(jié)省了時(shí)間和成本。

可以通過改變成型過程中的條件(例如溫度和壓力)，將熱成型絲的性能(例如柔韌性，拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度)調(diào)整到特定范圍，同時(shí)可以將散裝材料進(jìn)一步加工成設(shè)備，例如如骨螺釘和耳管，或在初次成型期間或之后刻有圖案。加入諸如酶，抗生素或其他化學(xué)摻雜劑之類的分子可將大塊材料改性為功能性復(fù)合材料。

為了演示其應(yīng)用，研究人員在體內(nèi)測(cè)試了采用固態(tài)成型技術(shù)開發(fā)的骨螺釘，發(fā)現(xiàn)它們具有植入設(shè)備的生物相容性，在植入設(shè)備中，它們支持在螺釘表面形成新的骨結(jié)構(gòu)而不會(huì)發(fā)炎。絲螺釘在被骨組織替代時(shí)也能夠吸收。可以通過在97至145攝氏度的不同溫度下制備螺釘來調(diào)整吸收速率，這將改變散裝材料的結(jié)晶度，從而改變其吸水能力。

研究人員還制造了摻有蛋白酶的耳管(用于幫助引流感染的耳道的設(shè)備)，在耳管發(fā)揮作用后，它可以分解絲狀聚合物以加速降解。

卡普蘭實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員郭成臣說：“無定形絲的熔點(diǎn)為97攝氏度，這是因?yàn)闊o定形絲具有明確的熔點(diǎn)，而以前的溶液基制備方法并沒有表現(xiàn)出來，因此可以進(jìn)行熱成型工藝。”該研究的第一作者。“這使我們對(duì)所制造產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能有了很多控制。” 塔夫茨大學(xué)研究助理教授李春梅(與郭學(xué)成為第一作者)補(bǔ)充說：“原材料-納米顆粒-也非常穩(wěn)定，可以長(zhǎng)期保存。這些重大進(jìn)展可以改善應(yīng)用程序的可擴(kuò)展性和可擴(kuò)展性。絲綢產(chǎn)品制造。”