Seda de Aranha: Um super material em desenvolvimento

 

A Seda de Aranha é uma fibra proteica, formada por biopolímeros  segregados por glândulas especializadas das aranhas. Embora muitas espécies de aranhas não construam teias, todas as espécies conhecidas produzem um ou mais tipos de seda, tendo sido demonstrado que algumas espécies produzem pelo menos sete tipos diferentes. A seda das aranhas inclui uma larga diversidade de fibras, predominantemente compostas por espidroína, um grupo complexo de proteínas repetitivas codificadas por uma família multigénica, com características excecionais de resistências mecânica, leveza e elasticidade, sendo um dos materiais mais resistentes que se conhece. A seda das aranhas é utilizada na medicina tradicional como auxiliar na cicatrização de feridas cutâneas. Apesar de terem sido descritos métodos de recolha mecânica da seda, a incapacidade de domesticar aranhas para produzir quantidades suficientes de proteínas, conduziu ao desenvolvimento de estratégias alternativas de produção, utilizando tecnologias de recombinação de DNA, por manipulação genética de genes isolados nas glândulas sericígenas, visando produzir biomateriais com grande potencial para uso na medicina e engenharia

 

A seda de aranha apresenta cerca de 400 milhões de anos de evolução conhecida, e existe um grande interesse em determinar a relação que existe entre a composição e a estrutura química da seda de aranha com o objetivo de desenvolver materiais que possuam propriedades mecânicas similares e desenvolver um método escalável industrialmente para produzir seda com fins como a engenharia têxtil e a biomedicina.

 

As fibras de seda de aranha são constituídas por duas partes principais:

  •          10 a 25 % de uma componente cristalina (as camadas β) de cristais com 2 a 5 nm de espessura (espidroínas de 6 a 10 ácidos aminados  em blocos hidrofóbicos) responsáveis pela resistência mecânica da fibra, que é comparável à do aço
  •          75 a 90 % de uma componente amorfa (maioritariamente em hélices alfa), mole (espidroínas em blocos hidrofílicos) responsável pela elasticidade da seda (o comprimento pode ser elasticamente expandido em 35 % nos fios estruturais das teias de algumas espécies

As fibras de seda são formadas por fibroínas, ou seja proteínas filamentosas também designadas por espidroínas, acima referidas.

A seda de aranha é um polímero em que a configuração molecular pode variar e adaptar-se rapidamente à temperatura e humidade, propriedades de grande importância nos campo da biomédica e robótica.

A seda das aranhas é capaz de sofrer supercontração, gerando de 10 a 140 MPa de tensão, quando é humedecida e mais rapidamente ainda quando é subitamente molhada. Com base nessas propriedades as teias podem resistir à chuva e ao peso do orvalho, o que leva à acumulação de várias gramas de água suspensa nos fios.

Sobre esta temática deixo aqui um artigo da revista American Chemical Society, com as prospeções relativamente ao desenvolvimento comercial da seda de aranha:

 

“Spider silk of fantastical, superhero strength is finally speeding toward commercial reality — at least a synthetic version of it is. The material, which is five times stronger than steel, could be used in products from bulletproof vests to medical implants, according to an article in Chemical & Engineering News (C&EN). C&EN is the weekly news magazine of the American Chemical Society.

Alex Scott, a senior editor at C&EN, notes that spider silk’s impressive strength has been studied for years, and scientists have been trying to make a synthetic version of the super-strong protein in the lab. For other simpler proteins, scientists have been able to insert relevant genes into bacterial DNA, essentially turning the microorganisms into protein factories. But spider silk has not been so easy to churn out. In fact, the challenge has caused big name companies including DuPont and BASF to bow out after several years of investment.

Now, small firms just might have found the right genetic tricks, the article states. They are coaxing not just genetically engineered bacteria but also goats, transgenic silkworms and even alfalfa to produce multiple different versions of synthetic spider and spider-silkworm silks. One company has even taken their iteration to the market — though theirs is a non-fiber kind of spider silk for use in cosmetics. So far, commercialization has been on a modest scale. But the research pipeline for synthetic spider silk is very active, and scientists expect that production is right on the verge of scaling up.”

 Também de acordo com o Institut de Physique de Rennes in France, têm sido desenvolvidos estudos que revelam que a seda de aranha poderá dar-nos chips de computador biodegradáveis, pois experiências revelaram que a luz se propaga nos fios de seda de aranha tão facilmente como nos cabos de fibra ótica. Fica aqui mais um artigo, desta vez nesta vertente dos estudos sobre a seda de aranha:

“Many people have heard that spider silk is a sort of supermaterial: stronger than steel, tougher than Kevlar, and yet incredibly malleable and flexible. But the silk has other properties that make it ideal for use in electronic devices. Light can travel through a silk strand as easily as it does through a fiber optic cable.

“When we first tested spider silk, we didn’t know what to expect,” said physicist Nolwenn Huby of the Institut de Physique de Rennes in France. “We thought, ‘Why not try this as an optical fiber to propagate light?’”

Huby and her team were able to transmit laser light down a short strand of the silk on an integrated circuit chip. The silk worked much like glass fiber optic cables, meaning it could carry information for electronic devices, though it had about four orders of magnitude more loss than the glass. Huby said that with a coating and further development, the silk could one day have better transmission capabilities.

The achievement could open the door to medical applications, such as silk fibers carrying light to places in the body for internal imaging. Because spider silk is incredibly thin — roughly five microns in diameter or 10 times thinner than a human hair – surgeons could perform diagnostic exams using very small openings in the body.

“These materials are harmless, so you can implant them,” said biomedical engineer Fiorenzo Omenetto of Tufts University in Somerville, Massachusetts, who has been working in this field for years and will also be giving a talk on opportunities for silk in high-tech products at Frontiers in Optics. “The body has no reaction to them.”

Omenetto envisions future applications where, after a medical procedure, doctors and surgeons place a silk bandage in a patient embedded with electronic functions to monitor for possible infections. The patient can be closed up and then never have to worry about having the monitoring device taken out again because the body will simply absorb the material. Already his team has developed a small implantable radio frequency heater that could sterilize an area against bacteria.

For his applications Omenetto uses silkworm silk – the kind you find in fancy clothing, ties, and underwear. It shares many of the same properties as spider silk but can be manufactured on an industrial scale. Silkworms can be grown close together and produce copious silk fibers while spiders need lots of space, are often cannibalistic of their neighbors, and produce fewer quantities of silk.

Omenetto simply takes the silk from textiles and boils it in water to extract the silky proteins. His team is able to use this mixture to produce a sort of plastic that is 100 percent natural. Because it is fully biodegradable, electronic silk technology could potentially become widespread. By doping materials with silk, Omenetto’s team has created a device that can shoot a blue laser beam. The gadget’s components are fully compostable and also use less power than equivalent acrylic laser shooters.

With a great deal of further development, e-waste could be a thing of the past. Whenever a new snazzy cellphone comes out, you could simply compost your old model instead of leaving it to languish in a dump, slowly leaching toxic chemicals. But such electronics are still decades away, said Omenetto. Compostable circuits are one thing but engineers would still need to figure out how to make biodegradable batteries, interfaces, and everything else in modern-day electronics, he added.”

Fiquemos à espera para ver mais desenvolvimentos relativamente a este material.

Carolina Duarte 12ºCT-B

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Sobre 13moleculasapular

Química (do egípcio kēme (chem), significando "terra") é a ciência que trata das substâncias da natureza, dos elementos que a constituem, das suas características, propriedades combinatórias, processos de obtenção, das suas aplicações e da sua identificação. Estuda a maneira pela qual os elementos se ligam e reagem entre si, bem como a energia desprendida ou absorvida durante estas transformações.
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