İpeğin Polimerlerle Karıştırılması Daha İyi Biyomedikal İmplantlara Yol Açabilir

Fotoğraf : İpeğin epoksi ile birleştirilmesi, tıbbi kullanımlar için yukarıdaki yapı gibi şekillere dönüştürülebilen laminatlar oluşturur. Kredi: Jiao Wen ve Juan Guan

Örümcekler ve ipekböcekleri tarafından eğirilen ipek, bu sert ve ince ipliği yapay olarak nasıl yeniden yaratacaklarını henüz çözememiş mühendisleri şaşırtıyordu. Ancak, insan vücudunda kullanım için güvenli olan ipeği sentetik bileşiklerle birleştiren araştırma ekibi, her ikisinin de en iyi özelliklerine sahip implante edilebilir kompozit malzemeler geliştirmeye yaklaşıyor. Hala yıllar uzaklıkta olan potansiyel uygulamalar, ameliyattan sonra kemiği yerinde tutan yapıları veya dizdeki kıkırdak yastıklarının değiştirilmesini içerebilir.

Araştırmacılar, sonuçlarını 17 Ağustos tarihinde Amerikan Kimya Derneği (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting & Expo’da sundular.

Projenin baş araştırmacısı Juan Guan, “ipek, biyomedikal uygulamalarda kullanım için büyük bir potansiyele sahip” diyor. “İpek çok yönlüdür; insan vücudu onu oldukça iyi tolere eder ve hatta onu parçalayıp emebilir.”

İpeğin tıpta uzun bir geçmişi vardır. İpekböcekleri tarafından eğirilen liflerle hastaları diken eski doktorların kayıtları yaklaşık 2.000 yıl öncesine dayanıyor ve günümüzde cerrahlar, göz ameliyatları gibi bazı ameliyatları ipek dikişlerle bitiriyorlar.

İpek ve sentetik polimerleri birleştiren Guan ve Beihang Üniversitesi’ndeki meslektaşları, tıpta ve potansiyel olarak diğer alanlarda da kullanılmak üzere çok yönlü yeni malzemeler geliştirmeye çalışıyorlar. Diğer araştırmacılar halihazırda ipek ile kompozit malzemeler geliştirmiş olsalar da, tipik olarak kısa lifler veya ipekte birincil protein ile çalışmışlardır. Ancak Guan, uzun, tek bir iplikten dokunan ipek kumaşa odaklanmakta. İpekböceği kozaları yaklaşık 5000 fit uzunluğunda lifler içerebilir ve kumaşta bütün olarak kullanıldığında böyle bir lifin, mekanik gerilimi kısa ve ayrık olanlardan daha etkili bir şekilde dağıtabileceğini söylüyor. Çalışmalarında Guan’ın ekibi, yaygın olan evcilleştirilmiş İpekböceği Bombyx mori ipeklerini ve vahşi tür olan Anteraea pernyi’nin daha sert ve daha esnek liflerini kullanıyor.

Araştırmacılar bu kumaşı, genellikle yapıştırıcılarda kullanılan epoksi olan bir polimer matris ile birleştiriyorlar. Kumaş ve polimer birlikte, bazı mobilyalarda bulunan dayanıklı yüzey kaplamasına benzer şekilde araştırmacıların ihtiyaç duyduğu şekillerde kesilebilen bir laminat oluşturur.

Guan ve meslektaşları, bu yeni malzemelerin özelliklerinin insan vücudundaki dokular için bugün kullanılandan daha iyi bir eşleşme sağlayabileceğini söylüyor. Örneğin, ameliyattan sonra omurları geçici olarak yerinde tutan kafeslere benzeyen yapılar tasarlamak için ortopedi doktorları ile işbirliği yapıyorlar ve bu görev şu anda çoğunlukla metal kullanılarak gerçekleştiriliyor. İpek kompozitlerin sertliği ve sağlamlığı kemikle daha uyumludur, bu da onları potansiyel olarak metal yapılardan daha esnek ve kullanımı rahat hale getirir.

Ancak bazı zorluklar var. İnsan vücudunun iç kısmı nemlidir. Bu potansiyel bir sorundur, çünkü su ipeği yumuşatıp zayıflatabilir. Yeni deneylerde Guan ve meslektaşları, ipek-epoksi kompozit malzemelerin neme maruz kaldığında veya suya batırıldığında nasıl dayandığını test ettiler. Kemiğin yanında kullanım için belirli bir sertliği korumaları gerekir. Deneyler, bu özelliğin ıslak koşullar altında azalmasına rağmen, kompozitlerin implant olarak işlev görecek kadar sert kaldığını gösterdi.

Epoksinin ipek lifine sıkıca yapışırken büyük bir dezavantajı vardır: vücut epoksiyi parçalayamaz ve ememez, bu da çözünmesi amaçlanan implantlar için uygun olmayacağı anlamına gelir. Böylece Guan, ipek gibi vücudun parçalayıp emebileceği biyopolimerlerle çalışmaya başladı. Bununla birlikte, bu kompozitler bir epoksi içerenlerden daha az iç kohezyona sahiptir. “Esas soru, biyopolimer ve ipek arasındaki arayüzün nasıl daha sağlam hale getirileceğidir” diyor.

Bilim adamları ayrıca ipeği diğer lif türleriyle desteklemek için çalışıyorlar. Yakın zamanda yapılan bir çalışmada, karışıma karbon lifleri eklediler. Karbon fiber çalışmasının yazarı Robert O. Ritchie, “ipeği diğer liflerle melezleme fikri, belirli bir uygulama için optimize edebileceğiniz oldukça güzel bir özellik yelpazesi üretmeyi mümkün kılıyor” diyor. Bu yeni yapısal malzemelerin potansiyel kullanımlarının herhangi bir alanda olabileceğini söylüyor: insan vücudunda, hatta tenis raketlerinde veya uçak motorlarında.

Kaynak: phys.org