用丝绸制造生物医学设备的新方法可生产出质量可调的更好产品

 
蚕丝粉形式的原始产品可以轻松地存储，运输和模制成各种形式，其性能优于医疗植入物中使用的许多其他材料。图片来源：塔夫茨大学的李春梅和大卫·卡普兰，塔夫茨大学工程师领导的研究人员已经开发出一种新颖，效率更高的丝绸制造方法，可以将其加热并成型为固体形式，从而广泛应用于医疗领域设备。与其他材料相比，最终产品的强度更高，具有可以针对特定需求进行“调整”的物理特性，并且可以通过生物活性分子(例如抗生素和酶)进行功能修饰。 《自然材料》中描述的丝绸的热建模克服了许多障碍，以实现许多塑料通用的制造灵活性。
塔夫茨大学工程学院斯特恩家族工程学教授，该研究的相应作者戴维•卡普兰(David Kaplan)表示：“多年来，我们和其他公司已经使用基于解决方案的制造方法探索了许多基于丝绸的设备的开发。 “但是这种新的固态制造方法可以大大减少生产其中许多产品的时间和成本，并在形式和特性上提供更大的灵活性。此外，这种新方法避免了基于溶液的丝绸蛋白供应链带来的复杂性，这应该有助于扩大制造规模。”
丝绸是一种天然的基于蛋白质的生物聚合物，长期以来以其在纤维和纺织品形式中的优异机械性能而闻名，可生产耐用的织物并用于临床缝合线已有数千年的历史。在过去的65年中，科学家们研究出了各种方法，可以分解纤维并将丝蛋白(称为丝蛋白)重组为凝胶，薄膜，海绵和其他材料，其应用范围从电子产品到矫形螺钉以及药物输送，组织用设备工程和再生医学。然而，分解和重构纤维蛋白需要许多复杂的步骤。另外，水溶性蛋白质形式的不稳定性限制了对存储和供应链的要求，进而影响了可制造材料的范围和特性。
研究人员报告说，他们已经开发出一种用于丝绸的固态热处理的方法，从而克服了这些局限，可以将蛋白质聚合物直接模制成具有可调特性的大块部件和设备。这种新方法类似于塑料制造中的常规做法，涉及直径30纳米至1微米的纳米结构“小丸”的制造，这些小丸通过冷冻干燥丝素蛋白水溶液制成。然后，当纳米颗粒开始融合时，它们会在压力下从97摄氏度加热到145摄氏度。丝绸蛋白链的打褶图案结构变得更加无定形，并且熔融的团粒形成的散装材料不仅比溶液衍生的丝材料更坚固，而且比许多天然材料(如木材和其他合成塑料)优越。研究人员。粒料是极好的起始原料，因为它们可以长期稳定，因此不需要大量的水就可以运输到生产现场，从而大大节省了时间和成本。
可以通过改变成型过程中的条件(例如温度和压力)，将热成型丝的性能(例如柔韧性，拉伸强度和抗压强度)调整到特定范围，同时可以将散装材料进一步加工成设备，例如如骨螺钉和耳管，或在初次成型期间或之后刻有图案。加入诸如酶，抗生素或其他化学掺杂剂之类的分子可将大块材料改性为功能性复合材料。
为了演示其应用，研究人员在体内测试了采用固态成型技术开发的骨螺钉，发现它们具有植入设备的生物相容性，在植入设备中，它们支持在螺钉表面形成新的骨结构而不会发炎。丝螺钉在被骨组织替代时也能够吸收。可以通过在97至145摄氏度的不同温度下制备螺钉来调整吸收速率，这将改变散装材料的结晶度，从而改变其吸水能力。
研究人员还制造了掺有蛋白酶的耳管(用于帮助引流感染的耳道的设备)，在耳管发挥作用后，它可以分解丝状聚合物以加速降解。