Jedwab – Od starożytnych Chińskich pracowni do laboratoriów XXI wieku

Przędzenie jedwabiu to jedna z najstarszych technik otrzymywania materiałów tekstylnych znana człowiekowi. Ślady jej wykorzystania były obecne już w starożytnych Chinach na trzy i pół tysiąca lat przed narodzeniem Chrystusa, o czym świadczą liczne znaleziska archeologiczne. Włókno jedwabne jest pozyskiwane z kokonów produkowanych m. in. przez jedwabniki morwowe – gatunek nocnego motyla. Włókna jedwabne mogą zostać przetworzone w tkaninę o niebywałej wydajności oraz wysokich walorach estetycznych. Tkanina jedwabna charakteryzuje się gładkością, jest wiotka i lekka. Jej wysoka wytrzymałość pozwoliła również na wykorzystanie jedwabiu do np. produkcji szwów chirurgicznych.

Szlak Jedwabny

Transport jedwabiu z Chin do Europy i rejonów Bliskiego Wschodu uwarunkował powstanie słynnej drogi handlowej, liczącej ponad 12 tys. kilometrów, nazwanej Szlakiem Jedwabnym. Szlak ten funkcjonował od III w. p. n. e. do około XVII w. n. e., kiedy to stracił na znaczeniu po odkryciu drogi morskiej do Chin.

Rys. 1 Tradycyjne malowidło chińskie wykonane na płótnie jedwabnym
źródło: http://www.paintingschinese.com/painting-preview.asp?s=BR-0362

Tkaniny pozyskiwane z włókien jedwabiu zostały zaadaptowane w wielu różnych kulturach wzdłuż Szlaku Jedwabnego. W Chinach materiał ten wykorzystywano do produkcji szat rytualnych oraz jako bazę malarską, w Japonii z jedwabiu szyto pasy do kimona – obi.

Jedwab był, a nawet nadal jest, szeroko stosowany w praktykach religijnych dookoła świata – paliusz to zakładana przez papieża wełniana wstęga, na której czarnym jedwabiem wyszyte są krzyże; w judaizmie natomiast Żydzi nakładają specjalny jedwabny szal modlitewny – tałes. Islam złotą nicią wyszywa treść Koranu na kawałkach czarnego jedwabiu.

Zabawa w Matkę Naturę

Produkcja jedwabiu znana od wielu wieków do tej pory budzi podziw. Wiele owadów jest w stanie wytwarzać włókna jedwabne, reprezentujące obszerną klasę białek zbliżonych do siebie budową.

Najpowszechniej wykorzystywanymi w przemyśle tekstylnym są kokony jedwabne wytwarzane przez jedwabniki morwowe (Bombyx mori) ze względu na otrzymywany elegancki, połyskujący wygląd oraz niebywałą trwałość.

Niezwykła wytrzymałość oraz wysoka odporność mechaniczna włókna jedwabnego od lat zastanawia naukowców, którzy szukają sposobu na biodruk 3D włókien jedwabiu.

Przędzenie jedwabiu jest rozwiązaniem pozyskiwania wysokiej klasy materiału oferowanym przez ewolucję. Zainspirowało to naukowców do zaadaptowania tej strategii do przemysłowej produkcji polimerów [1] – przynajmniej w teorii. W praktyce bowiem pozostaje ona niedostępna, ze względu na fundamentalnie różne mechanizmy wytwarzania materiałów, szczególnie na poziomie molekularnym, pomiędzy procesem biologicznym a syntetycznym.

[1] Polimery to substancje chemiczne o bardzo dużej masie cząsteczkowej, które składają się z wielokrotnie powtórzonych jednostek zwanych merami.

Rys. 2 Schemat gruczołu przędnego jedwabnika oraz pająka (fragment)

Cechami  wyróżniającymi przędzenie jedwabiu jest wydajne pozyskiwanie materiału białkowego, wodna obróbka włókien oraz unikatowe właściwości materiału niezależnie od jego formy.

Odnotowano znaczący postęp w przędzeniu jedwabiu na skalę przemysłową, lecz w sferze naukowej cały czas pozostają nierozwiązane zagadnienia. Obecnie świat nauki stara się opracować ramy techniczne do konstrukcji wysoko wydajnych struktur jedwabnych na poziomie molekularnym. Głównym wyzwaniem pozostaje sztucznie indukowane przędzenie włókien oraz druk 3D kompozytów jedwabnych.

Przędzenie jedwabiu jest biomimetycznym [2] modelem zaawansowanej i wydajnej produkcji sztucznego polimeru, który niesie ze sobą możliwość zastosowania w innowacyjnych technikach biomedycznych m. in. w skafoldach [3] tkankowych lub wszczepialnych urządzeniach.

[2] Naśladującym procesy biologiczne.

[3] Rusztowania w skali mikro podtrzymujące hodowle komórkowe w biotechnologii.

Z przędzalnicy do laboratorium

Pomijając historyczne implikacje na temat jedwabiu jako tkaniny luksusowej, świat rozpoznaje jego zalety również w kontekście wykorzystania naukowego. Klasyfikowany jako biomateriał o niezwykłej wydajności i odporności mechanicznej, plasując się w wyżej niż większość naturalnych i syntetycznych polimerów. Szczególnie włókna pochodzące od pająków jedwabnych charakteryzują się niezwykłą wytrzymałością na rozciąganie – ≈160 J·g−1 – dla porównania parametr ten dla poliestru oscyluje w granicach ≈50 J·g −1. Jedynie garści sztucznych polimerów udało się przewyższyć wytrzymałość jedwabiu – jednym z nich są nanorurki tlenku grafenu – 1000 J·g−1.

Dlatego też jedwabopodobne materiały podbijają różne dziedziny życia, poczynając od sprzętu sportowego, poprzez wzmocnione polimerami kompozyty, kończąc na biotechnologii. Ponadto, jedwab charakteryzuje się biokompatybilnością oraz biodegradowalnością, szczególnie w zestawieniu z większością ropopochodnych, syntetycznych materiałów. Jedwab składa się z bloków aminokwasów – taka budowa wspiera degradację proteolityczną[4] oraz kompatybilność in vivo[5] pod względem obniżonym występowaniem stanu zapalnego, słabej odpowiedzi immunologicznej i niskiego poziomu krzepnięcia krwi, wszystkich pożądanych cech dla biomateriałów.

Właściwości jedwabiu czynią go jednym z najniezwyklejszych materiałów dostępnych człowiekowi, jednakże sam proces przędzenia zdaje się być jeszcze bardziej cenny dla nauki. W połączeniu z unikatową formuła chemiczną oraz sekwencją białek, przędzenie jedwabiu jest również energooszczędne i nieszkodliwe dla środowiska, co znacząco odróżnia ten proces od innych mechanizmów produkcji przemysłowej. Minimalne zużycie energii wynika z ewolucyjnej woli przetrwania w przyrodzie – przędzenie jedwabiu jest o niemalże 90% bardziej wydajne energetycznie niż przetwarzanie polietylenu o dużej gęstości w 125°C.

Przędzenie jedwabiu zainspirowało różnorodne i znaczące wysiłki w kierunku produkcji przy użyciu regenerowanych białek jedwabiu, a nawet innych polimerów. Aby przełożyć przędzenie jedwabiu na produkcję syntetyczną, należy zrozumieć podstawowe mechanizmy na poziomie molekularnym. Grupa naukowców z Tufts University w USA przyjrzała się właściwościom włókien jedwabnych pochodzenia naturalnego, zarówno od jedwabników morowych, jak i pająków jedwabnych. Były to masa cząsteczkowa wykorzystanych białek, struktura aminokwasów, fazy ciekłokrystaliczne i zachowanie reologiczne, pH włókien oraz zawartość jonów soli,
jak i naturalnie występującym siłom mechanicznym towarzyszącym procesowi przędzenia. Następnie porównano te parametry z wynikami otrzymanymi podczas próby przędzenia jedwabiu syntetycznego. Wyniki te pozwoliły opracować najbardziej optymalne warunki syntetycznego przędzenia jedwabiu w technice druku 3D.

[4] Proteoliza komórkowa czyli proces trawienia komórki; prowadzi do rozkładu szkodliwych białek w komórce na peptydy i aminokwasy.

[5] łac. w żywym.

Duet na który czekaliśmy? Romans włókien jedwabnych i druku 3D

Druk 3D posiada przewagę nad tradycyjnymi metodami produkcji w kwestii pozyskiwania wyrafinowanych geometrii materiału oraz precyzyjnej gospodarki przestrzenią. Został zastosowany do szerokiego grona polimerów i materiałów takich jak tworzywa termoplastyczne, żywice fotoutwardzalne, stop aluminium, polimery ciekłokrystaliczne, szkło przezroczyste optycznie, hydrożele takie, jak matryca pozakomórkowa (kolagen) oraz polimery syntetyczne. Nic więc dziwnego, że naturalnym biegiem wydarzeń technologia druku 3D zwróciła się ku włóknom jedwabnym.

Na początek należy zauważyć, co ciekawe, że proces przędzenia jedwabiu jest zasadniczo całkiem podobny do ekstruzyjnej [6] technologii druku 3D. Włókna jedwabiu jako elementy konstrukcyjne tworzą struktury trójwymiarowe, takie jak pajęczyny i kokony – sieci pajęcze składają się z różnych włókien jedwabiu z osobnych gruczołów przędnych, co stanowi naturalną wersję systemów druku 3D z wielu materiałów. Dlatego logiczne i dobrze rokujące jest przełożenie mechanizmów i technik przędzenia jedwabiu na procesy drukowania 3D i skorzystanie z szeregu zastosowań, od skafoldów w inżynierii tkankowej po inteligentne urządzenia.

Rodzime domieszki jedwabiu zainspirowały rozwój skoncentrowanych polielektrolitowych [7] tuszów do druku 3D. Jakkolwiek ciekawie to nie brzmi druk 3D jedwabiu, tak jak każdego innego materiału zawierającego kolagen/żelatynę, jest mocno ograniczony ze względu na niską integralność strukturalną oraz wydajność mechaniczną, w porównaniu z ich naturalnymi odpowiednikami. Stąd powstaje zapotrzebowanie na budowę wzmocnień konstrukcyjnych często korzystając ze sztucznych materiałów pomocniczych.

[6] Ekstruzja – rodzaj obróbki plastycznej tworzyw sztucznych – materiał pod naciskiem stempla wypływa przez otwór lub otwory w narzędziu.

[7] Polielektrolity to polimery, których powtarzające się mery mają grupę elektrolitów.

Rys. 3 Schemat biodruku 3D włókien jedwabnych (fragment)

Mimo to, opracowane zostały białkowe tusze jedwabne do zastosowań w druku 3D. Większość z nich jest przygotowana poprzez łączenie surowca jedwabnego z elementem strukturalnym, aby podnieść możliwości druku. Druk 3D z materiału w 100% składającego się z białek jedwabiu udało się do tej pory osiągnąć jedynie garstce technologii.

Trzeci do pary

Najpowszechniejszym sposobem druku 3D włókien jedwabnych w technologii ekstruzyjnej jest połączenie jedwabiu z innym roztworem/materiałem wzmacniającymi strukturę wydruku, w tym użycie agaru, żelatyny, PEG, glicerolu czy gumy Konjac. Domieszki zwykle zwiększają lepkość, a tym samym poprawiają właściwości reologiczne [8] jedwabnych tuszy kompozytowych, co pomaga zachować kształt drukowanych struktur. Takie podejście może okazać się fizjologicznie istotne ponieważ wiele żywych tkanek wykazuje strukturę kompozytową w tym są to kości, chrząstki, więzadła, ścięgna czy skóra.

Co jednak ważne, jedwabne tusze kompozytowe mogą zawierać materiał komórkowy do konstrukcji struktur 3D wypełnianych komórkami. W szczególności biotusze powstałe z połączenia jedwab/PEG,  użyto do druku różnych konstrukcji tkankowych o wysokiej rozdzielczości i jednorodności.

Ponadto, określone stężenie roztworu jedwabiu (10 m/m) ułatwiło wzrost komórek, co sugeruje, że ten konkretny biożel – jedwab/PEG – może zapewnić odpowiednią strukturę i wytrzymałość do produkcji skafoldów do drukowania komórek.

Jedwabne materiały w formie włókien lub cząsteczek są użyteczne jako wzmocnienia dla innych materiałów wykorzystywanych w druku 3D. Integracja cząsteczek jedwabiu w drukowanym technologią druku 3D hydrożelu chitazynowym – związek pochodny chityny, czyli materiału budującego szkielet zewnętrzny stawonogów –  dała pięciokrotnie wyższy wynik dla modułu sprężystości. Podobnie, integracja mikro- i nanowłókien jedwabnych w chitazynowych hydrożelach znacząco podniosła wydajność właściwości mechanicznych konstrukcji drukowanych bez konieczności wprowadzania cytotoksyczności [9] do ludzkich fibroblastów [10]. Mikro- i nanowłókna jedwabiu mogą posłużyć jako wzmocnienia dla hydrożeli jedwabnych, a potencjalne zastosowania mogą znaleźć również w druku 3D monolitycznych struktur jedwabnych.

[8] Reologia opisuje aspekt zachowania się ciał stałych, w którym upodobniają się one do lepkiej cieczy.

[9] Cytotoksyczność to szeroko pojęta toksyczność różnych substancji względem komórek w danym organizmie.

[10] Fibroblasty – komórki występujące u zwierząt i ludzi, będące najliczniejszymi komórkami tkanki łącznej właściwej.

Rys. 4 Biodrukowane z włókien jedwabnych modele tchawicy oraz wieży Eiffla (fragment)

Poza łączeniem materiałów wspomagających strukturę za pomocą jedwabiu, białka jedwabne mogą zostać zmodyfikowane pod kątem fotopolimeryzacji w technologii druku 3D opartej na światle. Cyfrowe przetwarzanie światła zostało opracowane w celu kształtowania jedwabiu w złożone struktury, w tym np. tchawice, ale również mini modele np. wieży Eiffla.

Veni, vidi, vici?

Pierwszy raz użyto jedwabiu w czystej formie do technologii druku 3D bazując na formie włókien (stężenie 28%-30%). Osiągnięto to dzięki połączeniu zaawansowanej do przędzenia infrastruktury ekstruzyjnego druku 3D oraz szeroko stosowanego rozpuszczalnika metanolowego (85%). Najistotniejszym elementem w całym procesie wydaje się być baza drukarki, na której bezpośrednie drukowanie umożliwia uzyskanie wysokiej rozdzielczości wydrukowanych jedwabnych filamentów o średnicy jedynie 5 µm. Wydrukowane technologią druku 3D skafoldy jedwabne naturalnie przejmują właściwości białek jedwabnych do np. regeneracji tkanki kostnej, a co za tym idzie wzmacniania adhezji [11] oraz naturalnego wzrostu np. szpiku kostnego pozyskanego z komórek macierzystych!

Wróćmy do wcześniej wspomnianej grupy naukowców z Tufts University w USA zaangażowanej w badania nad sztucznym przędzeniem jedwabiu. Uczeni podjęli próbę opracowania nowatorskiej metody połączenia procesu przędzenia oraz druku 3D. Na początek, aby zastąpić kąpiel metanolową i wygenerować wydruki 3D z odpowiednią wytrzymałością mechaniczną i geometryczną, jako wzór grupa wykorzystała mechanizm przędzenia jedwabiu, w którym pH, jony soli i odwadnianie są wykorzystywane razem w systematyczny sposób, aby kontrolować przejście fazowe (zestalenie i żelowanie) protein jedwabiu. Chociaż dokładne właściwości rozpuszczalnika in vivo pozostają niejasne, opracowano kąpiel wodną o składzie chemicznym de novo [12] racjonalnie dostosowanym do drukowania 3D czystych białek jedwabiu. Kąpiel wodna zawierała 0,5 m fosforanu dipotasowego i 4 m chlorek sodu. Te jony soli występują naturalnie w gruczołach przędnych jedwabników i mają specyficzny wpływ soli na białka jedwabiu. Jony fosforanowe tworzą lekko kwaśne środowisko (pH ≈ 6), które naśladuje przednią część gruczołu przędnego. Wysokie stężenie soli zapewnia wysoką osmolarność [13] (> 8 m, gdy jedna cząsteczka chlorku sodu rozpada się na dwa jony) – podobny proces zachodzi w przypadku odwodnienia u

zwierząt. Kąpiel wodna jest zatem „biomimetyczna” i rekapituje [14] regulowane przez komórki, złożone i dynamiczne właściwości rozpuszczalnika w natywnych gruczołach przędzalniczych.

[11] Adhezja to zjawisko łączenia się powierzchniowych warstw dwóch różnych ciał zetkniętych ze sobą.

[12] łac. od nowa, na nowo, jeszcze raz; od początku.

[13] Osmolarność – liczba moli substancji osmotycznie czynnych w 1 litrze roztworu.

[14] Rekapituluje – podsumowuje.

Rys. 5 Schemat zastosowania biotuszy kompozytowych z fibroiny jedwabiu i żelatyny do naprawy uszkodzeń chrząstki in vivo i in vitro (fragment)

Tej kąpieli biomimetycznej użyto do skutecznego drukowania białek jedwabiu w 3D. W szczególności wydrukowano nawisające filamenty o długości 30 mm i średnicy 85 µm, wsparte mechanicznie tylko na końcach. W związku z tym dynamika zestalania tuszu musi być szybka, aby zapobiec jej naciekaniu, narzucając tym samym surowe wymagania procesowi druku.

Grupa z USA udowodniła zatem, że druk 3D fibroiny jedwabiu poprzez ukierunkowany montaż molekularny implikuje zatem nowy paradygmat dla biodruku 3D.

Co dalej? – plany na przyszłość

Biomimetyczne badanie przędzenia jedwabiu kładzie większy nacisk na przetwarzanie niż na samą strukturę. Zatem podstawowe naukowe zasady przędzenia jedwabiu można wyciągnąć z obserwowanych zależności między przetwarzaniem, strukturą i funkcją. Zalety przetwórcze przędzenia jedwabiu są szczególnie pożądane i warte naśladowania w przemysłowej produkcji polimerów. Ponadto przędzenie jedwabiu jest ucieleśnieniem zrównoważonej produkcji i można je uznać za „żywą” nanotechnologię. Hierarchiczne zgromadzenie cząsteczek zostało przybliżone w sztucznych systemach, ale w kwestii mechanicznej przewagi biodrukowanych włókien jedwabiu nad innymi materiałami pozostaje cały czas wiele do osiągnięcia. Dzięki dobrej kontroli procesu i łatwym podejściom, możliwe jest ich zastosowanie na większą skalę oraz nawet uprzemysłowienie.

Ponadto, pomimo pewnych prac nad naśladowaniem warunków wodnych podczas przędzenia jedwabiu, uproszczone systemy inżynieryjne naśladujące z natury skomplikowane systemy biologiczne wymagały kreatywnych rozwiązań. Ogólnie rzecz biorąc, przyszłe prace będą musiały połączyć badania mechanistyczne przy użyciu różnych narzędzi biotechnologicznych, modelowania obliczeniowego, mikroprzepływów [15] i druku 3D z integralnymi platformami inżynieryjnymi, które wykorzystują zalety białek jedwabiu i procesu przędzenia.

[15] Mikroprzepływowość czyli mikrofluidka odnosi się do zachowania, precyzyjnej kontroli i manipulacji płynami, które są geometrycznie ograniczone do małej skali.

Źródło: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adhm.201901552