Des chercheurs dirigés par des ingénieurs de l'Université Tufts ont développé un roman, méthode de fabrication beaucoup plus efficace pour la soie qui leur permet de chauffer et de mouler le matériau en formes solides pour un large éventail d'applications, y compris les dispositifs médicaux. Les produits finis ont une résistance supérieure par rapport aux autres matériaux, ont des propriétés physiques qui peuvent être "réglées" pour des besoins spécifiques, et peut être fonctionnellement modifié avec des molécules bioactives, comme les antibiotiques et les enzymes. Le modelage thermique de la soie, décrit dans Matériaux naturels , surmonte plusieurs obstacles pour permettre une flexibilité de fabrication commune à de nombreux plastiques.

"Nous et d'autres avons exploré le développement de nombreux dispositifs à base de soie au fil des ans en utilisant la fabrication basée sur des solutions, " a déclaré David Kaplan, Stern Family Professeur d'ingénierie à la Tufts University School of Engineering et auteur correspondant de l'étude. "Mais cette nouvelle approche de fabrication à l'état solide peut réduire considérablement le temps et le coût de production de bon nombre d'entre eux et offrir une flexibilité encore plus grande dans leur forme et leurs propriétés. De plus, cette nouvelle approche évite les complications avec les chaînes d'approvisionnement basées sur des solutions pour la protéine de soie, ce qui devrait faciliter la mise à l'échelle dans la fabrication. »

La soie est un biopolymère naturel à base de protéines reconnu depuis longtemps pour ses propriétés mécaniques supérieures sous forme de fibres et de textiles, produisant des tissus durables et utilisés dans les sutures cliniques depuis des milliers d'années. Au cours des 65 dernières années, les scientifiques ont mis au point des moyens de décomposer les fibres et de reconstituer la protéine de soie, appelé fibroïne, en gels, cinéma, éponges et autres matériaux pour des applications allant de l'électronique aux vis orthopédiques, et dispositifs d'administration de médicaments, Création de tissus, et médecine régénérative. Cependant, la décomposition et la reconstitution de la fibroïne nécessitent un certain nombre d'étapes complexes. En outre, l'instabilité de la protéine sous forme soluble dans l'eau impose des limites aux exigences de stockage et de la chaîne d'approvisionnement, ce qui à son tour a un impact sur la gamme et les propriétés des matériaux qui peuvent être créés.

Les chercheurs ont indiqué qu'ils avaient surmonté ces limitations en développant une méthode de traitement thermique à l'état solide de la soie, résultant en le moulage du polymère protéique directement dans des pièces en vrac et des dispositifs avec des propriétés accordables. La nouvelle méthode, similaire à une pratique courante dans la fabrication des plastiques, implique la fabrication de « pastilles » nanostructurées d'un diamètre de 30 nanomètres à 1 micromètre qui sont produites par lyophilisation d'une solution aqueuse de fibroïne de soie. Les nanopastilles sont ensuite chauffées de 97 à 145 degrés Celsius sous pression, quand ils commencent à fusionner. La structure du motif plissé des chaînes protéiques de la soie devient plus amorphe, et les granulés fondus forment des matériaux en vrac qui sont non seulement plus résistants que les matériaux en soie dérivés de la solution, mais également supérieurs à de nombreux matériaux naturels tels que le bois et d'autres plastiques synthétiques, selon les chercheurs. Les granulés sont une excellente matière première car ils sont stables sur de longues périodes et peuvent donc être expédiés vers les sites de fabrication sans avoir besoin d'eau en vrac, résultant en d'importantes économies de temps et d'argent.

Les propriétés de la soie thermoformée, comme la flexibilité, résistance à la traction et à la compression, peut être réglé sur des plages spécifiques en modifiant les conditions du processus de moulage, comme la température et la pression, tandis que les matériaux en vrac peuvent être encore usinés dans des appareils, tels que les vis à os et les tubes auriculaires, ou imprimés avec des motifs pendant ou après le moulage initial. L'ajout de molécules telles que des enzymes, les antibiotiques ou autres dopants chimiques permettent la modification des matériaux en vrac en composites fonctionnels.

Pour démontrer des applications, les chercheurs ont testé les vis à os développées avec le moulage à l'état solide in vivo et ont découvert qu'elles présentaient une biocompatibilité en tant que dispositifs implantés, où ils ont soutenu la formation d'une nouvelle structure osseuse sur les surfaces des vis sans inflammation. Les vis en soie ont également pu se résorber au fur et à mesure qu'elles étaient remplacées par du tissu osseux. Le taux de résorption peut être réglé en préparant des vis à différentes températures, allant de 97 degrés à 145 degrés Celsius, qui altère la cristallinité du matériau en vrac, et donc sa capacité à absorber l'eau.

Les chercheurs ont également fabriqué des tubes auriculaires - des dispositifs utilisés pour aider à drainer les conduits auditifs infectés - dopés avec une protéase, qui décompose le polymère de soie pour accélérer la dégradation au besoin une fois que le tube a rempli sa fonction.

"Le processus de moulage thermique est rendu possible parce que la soie amorphe a un point de fusion bien défini à 97 degrés Celsius, que les préparations antérieures à base de solution ne présentaient pas, " a déclaré Chengchen Guo, chercheur post-doctoral dans le laboratoire Kaplan et co-premier auteur de l'étude. "Cela nous donne beaucoup de contrôle sur les propriétés structurelles et mécaniques de ce que nous fabriquons." Chunmei Li, professeur adjoint de recherche Tufts qui a fait équipe avec Guo en tant que premier auteur, a ajouté que "le matériau de départ - les nanopastilles - est également très stable et peut être stocké sur de longues périodes. Ce sont des avancées significatives qui peuvent améliorer l'application et l'évolutivité de la fabrication de produits en soie."