Če ste že kdaj poskušali školjko odtrgati z morske stene ali stene z dna čolna, boste razumeli, da smo se od narave lahko veliko naučili, kako narediti močna lepila. Inženirji na univerzi Tufts so to upoštevali in v reviji Advanced Science poročajo o novi vrsti lepila, ki so ga navdihnili tiste trmasto pritrjene školjke.
Začenši z vlaknatimi svilenimi beljakovinami, pridobljenimi iz sviloprejk, so lahko ponovili ključne značilnosti lepila za školjke, vključno z beljakovinskimi filamenti, kemičnim zamreženjem in vezanjem železa. Rezultat je močno nestrupeno lepilo, ki se pod vodo tako dobro strdi kot v suhih pogojih in je močnejše od večine izdelkov iz sintetičnih lepil, ki so zdaj na trgu.
»Kompozit, ki smo ga ustvarili, deluje ne le bolje pod vodo kot večina lepil, ki so danes na voljo. To moč doseže z veliko manjšimi količinami materiala,« je povedal Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble, profesor inženirstva na Inženirski šoli Tufts, direktor podjetja Tufts Silklab. kjer je gradivo nastalo, in avtor študije. »In ker je material izdelan iz ekstrahiranih bioloških virov, kemikalije pa so benigne – črpajo se iz narave in se v veliki meri izogibajo sintetičnim korakom ali uporabi hlapnih topil, bi to lahko imelo prednosti tudi v proizvodnji.«
»Lepilna posadka« Silklaba se je osredotočila na več ključnih elementov za kopiranje v vodnih lepilih. Školjke izločajo dolge lepljive filamente, imenovane »byssus«. Ti izločki tvorijo polimere, ki se vgradijo v površine, in kemično zamrežijo za krepitev vezi. Beljakovinski polimeri so sestavljeni iz dolgih verig aminokislin, vključno z eno, dihidroksifenilalanin (DOPA), aminokislino, ki vsebuje katehol, in se lahko križa z drugimi verigami. Školjke dodajo še eno posebno sestavino – železove komplekse, ki krepijo kohezijsko trdnost byssusa.
Školjke izločajo močan cement iz beljakovin, ki se tvorijo v polimere, ki se zasidrajo na površine. Beljakovine v polimernih cementnih polimerih svoje aminokislinske verige zložijo v beta liste – v cik-cak razporeditev, ki predstavlja ravne površine in veliko priložnosti za tvorbo močnih vodikovih vezi z naslednjo beljakovino v polimeru ali površino, na katero se polimerna nitka pritrjuje.
Navdihnjeni z vsemi temi triki molekularnih vezi, ki jih uporablja narava, se je skupina Omenetto lotila njihovega podvajanja in se oprla na njihovo strokovno znanje s kemijo svilenih fibroinskih beljakovin, pridobljenih iz kokona sviloprejk. Svileni fibroin ima veliko oblik in vezivnih lastnosti beljakovinskih cementnih beljakovin, vključno s sposobnostjo sestavljanja velikih površin beta listov. Raziskovalci so dodali polidopamin – naključni polimer dopamina, ki predstavlja premrežujoče katehole po svoji dolžini, podobno kot školjke uporabljajo za premreževanje svojih vezivnih filamentov. Končno se adhezijska moč znatno poveča z utrjevanjem lepila z železovim kloridom, ki pritrjuje vezi čez katehole, tako kot to počnejo klapavice v naravnih lepilih.
»Kombinacija svilenega fibroina, polidopamina in železa združuje enako hierarhijo vezanja in zamreženja, zaradi česar so ta lepila za školjke tako močna,« je povedal Marco Lo Presti, podoktorski strokovnjak iz Omenettovega laboratorija in prvi avtor študije. »Končali smo z lepilom, ki je pod mikroskopom celo videti kot njegov naravni kolega.«
Pridobivanje prave mešanice svilenega fibroina, polidopamina in kislih pogojev strjevanja z železovimi ioni je bilo ključnega pomena za omogočanje, da se lepilo strdi in deluje pod vodo, ko doseže jakost 2,4 MPa (megapaskalov; približno 350 funtov na kvadratni palec), ko se upira strižnim silam. To je boljše od večine obstoječih eksperimentalnih in komercialnih lepil in le nekoliko nižje od najmočnejšega podvodnega lepila pri 2,8 MPa. Vendar ima to lepilo še dodatno prednost, da je nestrupeno, sestavljeno iz naravnih materialov in za dosego te vezi potrebuje le 1-2 mg na kvadratni palec – to je le nekaj kapljic.
»Kombinacija verjetne varnosti, konzervativne uporabe materiala in izjemne trdnosti nakazuje potencialno uporabnost za številne industrijske in pomorske namene in bi lahko bila celo primerna za potrošniško naravnanost, kot je gradnja modelov in uporaba v gospodinjstvu,« je dejal prof. Gianluca Farinola, sodelavec o študiji z Univerze Aldo Moro v Bariju in izredni profesor biomedicinskega inženirstva v Tuftsu. »Dejstvo, da smo že uporabili svileni fibroin kot biološko združljiv material za medicinsko uporabo, nas vodi k raziskovanju tudi teh aplikacij,« je dodal Omenetto.
Povzeto po:
https://phys.org/news/2021-06-scientists-powerful-underwater-barnacles-mussels.html
Celotna PDF revija brezplačno!
