I materiali di derivazione biologica possiedono proprietà chiave che sono al di là della portata dei materiali sintetici, consentendo la fabbricazione di strutture complesse con proprietà migliorate. I biomateriali sono materiali creati o prodotti da organismi viventi o un tempo viventi. Questi materiali, come la seta, in genere subiscono varie fasi di lavorazione per raggiungere uno stato utilizzabile e controllabile. Il biomateriale trasformato può quindi essere utilizzato per formare strutture specifiche come stuoie fibrose, idrogel e film. Questo video introdurrà la lavorazione della seta dai bozzoli del baco da seta, seguita dall'elettrofilatura del materiale lavorato per formare stuoie fibrose.

Le sete sono polimeri proteici che vengono filati in fibre da vari insetti, come i ragni. Tuttavia, la seta utilizzata nella bioingegneria è più comunemente derivata dalle larve della specie di falena della seta Bombyx mori, comunemente chiamata baco da seta, ed è stata utilizzata commercialmente per suture mediche per decenni. Il materiale di seta B. mori viene estratto dal bozzolo, che consiste nella proteina fibroina racchiusa in un rivestimento di sericina. La sericina è una proteina simile alla colla che tiene insieme il bozzolo. La proteina fibroina è caratterizzata da una sequenza di aminoacidi altamente ripetitiva, con una predominanza di residui di alanina, glicina e serina, che a sua volta porta all'omogeneità nella struttura secondaria della proteina. La fibroina di seta presenta strutture ripetitive di fogli beta, che sono fili collegati lateralmente formando un foglio pieghettato. Queste strutture fanno sì che la proteina polimerica sia altamente cristallina, che in combinazione con la sua idrofobicità, fornisce incredibilmente forza e tenacità. Ad esempio, la resistenza alla trazione della seta, la sua capacità di sopportare carichi attraverso l'allungamento, può essere fino a quattro volte quella dell'osso. La seta viene tipicamente trasformata in una soluzione polimerica prima delle sue applicazioni nella bioingegneria. In primo luogo, la sericina viene rimossa dalle fibre, seguita dalla solubilizzazione della fibroina. La soluzione di seta non ha una struttura secondaria e quindi ha proprietà meccaniche ridotte. Tuttavia, il trattamento con metanolo può indurre il recupero parziale delle strutture del foglio beta. La soluzione di seta può essere lavorata utilizzando una tecnica chiamata elettrofilatura, in cui viene applicata un'alta tensione tra una superficie di raccolta e un ago per siringa. L'ago della siringa eroga lentamente la soluzione di biomateriale. Le forze elettrostatiche fanno sì che le goccioline del biomateriale si allungino in fibre. Queste fibre si raccolgono casualmente sul collettore, creando un tappetino in nanofibra. Ora che le basi della lavorazione della fibroina di seta sono state delineate, diamo un'occhiata alla procedura di lavorazione della seta e vediamo come viene utilizzata per creare tappetini in microfibra tramite elettrofilatura.

Per preparare la soluzione di fibroina di seta da Bombyx mori, i bozzoli vengono prima tagliati in piccoli pezzi e il verme e altri detriti di insetti scartati. Successivamente, i pezzi di bozzolo vengono bolliti in una soluzione di carbonato di sodio per rimuovere la sericina. Dopo l'ebollizione, la fibroina di seta viene rimossa dalla soluzione e lavata più volte con acqua pulita. Successivamente, le fibre di seta vengono asciugate durante la notte. Le fibre di seta essiccate vengono quindi sciolte in una soluzione di bromuro di litio a 60 gradi per quattro ore. Una volta solubilizzata la seta, la soluzione viene trasferita in una cassetta di dialisi e dializzata contro l'acqua. L'acqua deve essere cambiata frequentemente per garantire la rimozione del bromuro di litio. Dopo la dialisi, la soluzione acquosa di seta viene trasferita in tubi e centrifugata per rimuovere eventuali particelle di fibroina di seta rimanenti. La soluzione di seta viene conservata a quattro gradi fino a quando non è necessario.

Per iniziare l'elettrofilatura, la soluzione di biomateriale viene caricata in una siringa e su una pompa a siringa. La sorgente ad alta tensione è collegata alla punta dell'ago della siringa, chiamata spinneret. La fonte di raccolta, spesso una striscia di lamina, è posta di fronte alla spinneret e messa a terra. La distanza tra la spinneret e la sorgente viene regolata su una distanza predeterminata. Se la distanza è troppo piccola, le fibre potrebbero non avere il tempo di solidificarsi prima della deposizione, formando nastri incoerenti. Tuttavia, se la distanza è troppo alta, le fibre possono diventare raggruppate o non uniformi. La portata della pompa della siringa viene impostata e la sorgente ad alta tensione accesa. All'aumentare della tensione, le forze elettrostatiche contrastano la tensione superficiale della soluzione. Il menisco viene aspirato in un cono, chiamato cono sartoriale, e poi alla fine in un getto fluido con tensione più elevata. Le fibre vengono quindi raccolte sulla superficie della lamina in un tappetino disposto casualmente. Una superficie di raccolta rotante può anche essere utilizzata per ottenere tappetini in fibra allineati.

Esistono molti tipi diversi di biomateriali che vengono utilizzati nelle applicazioni di bioingegneria, che vanno dagli impianti tissutali alla bioelettronica e al biosensing. Le stuoie elettroplorate di seta e altri biomateriali sono spesso utilizzate per creare impalcature di tessuto, che forniscono struttura a un tessuto artificiale. Le cellule vengono seminate direttamente su queste strutture, consentendo la formazione di tessuto tridimensionale. Gli scaffold tissutali sono progettati per promuovere interazioni cellulari favorevoli, imitando così la struttura e la funzione del tessuto reale. Sono anche progettati per possedere le proprietà desiderate di un tessuto specifico. Ad esempio, le impalcature progettate per comportarsi come muscoli devono possedere fibre più allineate rispetto a quelle progettate per comportarsi come la pelle. Sebbene la seta sia comunemente derivata dal baco da seta, la seta di ragno viene spesso utilizzata, in quanto fornisce una maggiore resistenza meccanica. Poiché i ragni non possono essere facilmente coltivati, il materiale viene prodotto sinteticamente utilizzando la biotecnologia. In questo esempio, la proteina della seta ricombinante è stata elettrofilizzata su dispositivi filtranti. L'aggiunta di questa rete di seta al filtro ha notevolmente migliorato l'efficienza, poiché le dimensioni dei pori erano significativamente più piccole del filtro fabbricato, consentendo così la loro ritenzione di particelle più piccole. Infine, i biomateriali sono spesso preparati da polimeri prodotti dall'uomo come il policaprolattone e l'acido polilattico. I materiali sono sintetizzati in laboratorio e utilizzati per imitare materiali bio-derivati in quanto sono biodegradabili e bio-compatibili. Le proprietà dei materiali possono essere facilmente adattate utilizzando tecniche di fabbricazione per creare superfici biocompatibili per l'assemblaggio di biomolemole o per creare superfici idrofobiche come mostrato in questo esempio.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE ai biomateriali della seta. Ora dovresti capire come la seta viene preparata ed elettrocisso in stuoie e come altri biomateriali vengono utilizzati nel campo della bioingegneria. Grazie per l'attenzione.