Filé par les araignées et les vers à soie, la soie a mystifié les ingénieurs humains qui n'ont pas encore trouvé comment recréer artificiellement ce dur, fibre fine. Mais en combinant la soie, qui est sans danger pour le corps humain, avec des composés synthétiques, une équipe de recherche se rapproche du développement de nouveaux matériaux composites implantables avec les meilleures propriétés des deux. Applications potentielles, qui sont encore dans des années, pourrait inclure des structures qui maintiennent l'os en place après la chirurgie ou des remplacements pour les coussinets cartilagineux du genou.

Les chercheurs présenteront leurs résultats aujourd'hui lors de la réunion et de l'exposition virtuelles de l'automne 2020 de l'American Chemical Society (ACS).

"La soie a un grand potentiel pour une utilisation dans des applications biomédicales, " dit Juan Guan, Doctorat., le chercheur principal du projet. "La soie est polyvalente, et le corps humain le tolère assez bien, et peut même le dégrader et l'absorber."

La soie a une longue histoire en médecine. Les dossiers d'anciens médecins cousant des patients avec des fibres filées par des vers à soie remontent à près de 2 ans, 000 ans. Et aujourd'hui, les chirurgiens terminent certaines chirurgies, comme ceux sur les yeux, avec des fils de soie.

En associant soie et polymères synthétiques, Guan et ses collègues de l'Université Beihang cherchent à développer de nouveaux matériaux polyvalents à utiliser en médecine et, potentiellement, d'autres domaines aussi. Alors que d'autres chercheurs ont déjà développé des matériaux composites avec de la soie, ils ont généralement travaillé avec des fibres courtes ou la principale protéine de la soie. Guan, cependant, se concentre sur le tissu de soie tissé à partir d'un long, fil unique. Les cocons de vers à soie peuvent contenir près de 5 fibres, 000 pieds de long, et lorsqu'il est utilisé entier dans le tissu, une telle fibre peut mieux répartir les contraintes mécaniques qu'une série de fibres plus courtes, discrets, elle dit. Dans leurs études, L'équipe de Guan utilise de la soie du commun, ver à soie domestiqué Bombyx mori , ainsi que plus dur, fibres plus extensibles des espèces sauvages Antheraea pernyi .

Les chercheurs associent ce tissu à une matrice polymère, souvent un époxy, qui est utilisé dans les adhésifs. Ensemble, le tissu et le polymère forment un stratifié, semblable au revêtement de surface durable que l'on trouve sur certains meubles, qui peut ensuite être découpé dans les formes dont les chercheurs ont besoin.

Guan et ses collègues disent que les propriétés de ces nouveaux matériaux pourraient en faire une meilleure adéquation avec les tissus du corps humain que ce qui est utilisé aujourd'hui. Par exemple, ils collaborent avec des médecins orthopédistes pour concevoir des structures ressemblant à des cages qui maintiennent temporairement les vertèbres en place lorsqu'elles fusionnent après la chirurgie, une tâche actuellement accomplie principalement en utilisant du métal. La dureté et la rigidité des composites de soie sont plus compatibles avec l'os, les rendant potentiellement plus résistantes mais plus confortables que les structures métalliques, elle dit.

Il y a des défis, toutefois. L'intérieur du corps humain est humide, un problème potentiel car l'eau peut ramollir et affaiblir la soie. Dans de nouvelles expériences, Guan et ses collègues ont testé la résistance des matériaux composites soie-époxy lorsqu'ils sont exposés à l'humidité ou immergés dans l'eau. À utiliser avec l'os, ils doivent conserver une certaine rigidité. Les expériences ont montré que si cet attribut diminuait dans des conditions plus humides, les composites sont restés suffisamment rigides pour fonctionner comme des implants, elle dit.

Alors que l'époxy s'attache fermement à la fibre de soie, il a un inconvénient majeur :le corps ne peut pas décomposer l'époxy et l'absorber, ce qui signifie qu'il ne conviendrait pas aux implants destinés à se dissoudre. Donc, Guan a récemment commencé à travailler avec des biopolymères qui, comme la soie, le corps peut se décomposer et absorber. Cependant, ces composites ont moins de cohésion interne que ceux qui contiennent un époxy. "La question clé est de savoir comment rendre plus robuste l'interface entre le biopolymère et le tissu en soie, " elle dit.

The scientists are also looking to supplement silk with other types of fibers. Dans une étude récente, they added carbon fibers into the mix. "The notion of hybridizing silk with other fibers makes it possible to produce a rather nice spectrum of properties that you can optimize for a given application, " says Robert O. Ritchie, Ph.D, an author of the carbon fiber study. Potential uses for these new structural materials, il dit, could be anywhere:in the human body, or even in tennis rackets or on airplane engines.