Šilkas - ateities supermedžiaga

Penkis tūkstančius metų kinai sistemingai augina šilkaverpius, plečia ir tobulinašilko gamybą. Amerikiečių mokslininkų grupė padarė perversmą šios nuo senų laikų žinomos natūralios medžiagos naudojimo srityje. Kiek pakeitus šilko apdorojimo procesą, jis tapo labai svarbus medicinos ir technologijų pažangai.

Šiek tiek pakeitus šilkaverpių kokonų apdorojimo metodą, šilkas tapo lankstesnis, todėl greitai radosi daug naujų jo naudojimo galimybių, pavyzdžiui, medicinoje ir technologijų srityje. Tokius novatoriškus tyrimus atliko Tuftso universiteto (JAV) mokslininko Davido Kaplano vadovaujama mokslininkų grupė. Taikant šį 2005 metais sukurtą metodą, imituojamas natūralus šilko susidarymas. Proceso metu drėgnoje aplinkoje šilkas pamažu paverčiamas skysčiu, panašiu į susidarantį šilkaverpio vikšro šilko liaukoje prieš jam išsiliejant ir sukietėjant. Iš šios masės mokslininkai gali pagaminti tvirtas šilko plėveles ir įvairias kitas šilko pagrindu gaminamas medžiagas. Šios medžiagos gali būti naudojamos įvairiais tikslais, pavyzdžiui, galūnių protezų, lankstomųjų kompiuterių ekranų ir skaidžių optinių elementų gamybai.

Suvienija technologijas ir biologiją

Naminis šilkaverpis Bombyx mori puikiai tinka šilko gamybai, nes šio gyvūno susukamus šilko kokonus žmonės gali nesunkiai išvynioti. Dėl savo svarbos drabužių pramonei šilkas plačiai gaminamas visame pasaulyje. Kinijoje šilkaverpiai kasmet pagamina 300 tūkst. tonų šilko.

Užuot taikę tradicinį išvyniojimo metodą, šilkaverpių kokonus mokslininkai virina.

Davidas Kaplanas ir jo vadovaujami mokslininkai neeikvoja laiko tradiciniam šilko kokonų išvyniojimo metodui, kuris buvo taikomas iki šiol. Jie virina kokonus vandens ir sodos tirpale tol, kol pagrindinė šilko sudedamoji dalis baltymas fibroinas atsiskiria vandenyje. Šio proceso metu fibroinas atsiskiria nuo sericino. Iš regeneruotojo, t. y. vandenyje ištirpinto, šilko mokslininkai gali gaminti pluoštines, akytas ir kitas medžiagas, tačiau daugiausia konkrečių produktų iki šiol gaminama būtent iš šilko plėvelės. Nors pati šilko plėvelė yra labai plona, iš kelių jos sluoksnių sukurtos sudėtinės medžiagos yra ir lanksčios, ir tvirtos. Mokslininkai netruko išsiaiškinti, kad dėl šių savybių ir skaidrumo šilko plėvelė puikiai tinkama naudoti optikos srityje. Šilkas yra natūrali medžiaga, todėl taip pat galėtų būti naudojama pažeistos ragenos gydymui. Vienintelė kliūtis buvo ta, kad į rageną turi patekti deguonies, o per šilko plėvelę tai iš esmės neįmanoma. Todėl mokslininkai šilko plėvelėje lazeriu padarė skylučių. Rezultatas buvo teigiamas ir parodė, kad šilką galima nesunkiai apdoroti lazeriu. Vadinasi, galima pagaminti ne tik individualias ragenas, bet ir įvairius kitus optinius elementus, gerai veikiančius įvairiomis biologinėmis sąlygomis.

„Šilko optikos pranašumas yra jos gebėjimas biologiškai funkcionuoti, ją galima įterpti į gyvus audinius arba išskaidyti nepadarant žalos aplinkai. Jos savybės leidžia kurti neįprastas sąsajas tarp biologinio pasaulio ir technologijų pasaulio. Be to, pagaminti tokius nanooptinius komponentus yra labai paprasta“, – sako Tuftso universiteto lazerių specialistas Fiorenzo Omenetto.

Naujos galimybės

Bandymai su biologiškai integruojamomis optinėmis medžiagomis taip pat suteikia daug naujų galimybių panaudoti jas medicinoje. Kadangi šilko paviršių galima lengvai pritaikyti, jis taip pat gali būti jungiamas ir tvirtinamas prie kitų medžiagų.

Būtent F. Omenetto išrado būdą įspausti raštą šilko plėvelėje, suteikti jai kitą pageidaujamą formą. Pakeistas paviršius gali būti pagrindas kitiems baltymams ir medžiagoms. Kadangi vaistai jungiasi su paviršiumi, šilkas gali būti naudojamas vaistų „gabenimui“ organizme. Vaistai gali būti dozuojami tolygiai, reikiamais kiekiais, nes jų išskyrimą galima tiksliai „užprogramuoti“.  

„Vaisto išskyrimo organizme greitį nustatome pakeisdami įvairias chemines jungtis, susidarančias šilko plėvelėje jos gamybos metu. Esant daugiau tvirtų jungčių, ji tirpsta lėčiau, todėl ir vaistas išskiriamas lėčiau“, – paaiškina F. Omenetto.

Kadangi šilko plėvelėje esantis baltymas fibroinas organizme išsiskaido, šilkas neturi jokio žalingo poveikio – priešingai, jis dar ir aprūpina maistingomis medžiagomis.

Alabamos universiteto mokslininkė dr. Eugenia Kharlampieva šiuo metu tęsia F. Omenetto pradėtus darbus. Iš lanksčios plėvelės ji bando pagaminti kapsules, jomis vaistai būtų išnešiojami po organizmą. Kadangi šios kapsulės gali būti labai mažos, vaistai iš jų galėtų išsiskirti kraujyje vienu metu daugelyje organizmo vietų. Plėvelė yra lanksti ir gali prisitaikyti prie nelygaus smegenų paviršiaus, todėl ją galima naudoti švelnesniam nei anksčiau epilepsijos gydymui.

Tuftso universiteto Biomedicininės inžinerijos katedros mokslininkas rankose laiko iš regeneruotojo šilko pagamintą hologramą.

Organizmas išskaido daviklius

Šilku taip pat galima padengti daviklius ir antenas renkant duomenis organizmo viduje arba kitose terpėse ir siunčiant juos imtuvui. Tai užtikrina geresnę, greitesnę ir mažiau intervencijos reikalaujančią diagnostiką  bei pažangų maisto produktų datavimą. Toks šilko naudojimas leidžia mokslininkams kalbėti apie metamedžiagas. Mat šilkas suformuojamas taip, kad galėtų sąveikauti su elektromagnetine spinduliuote tokiais dažnių diapazonais, kurių gamtoje paprastai nebūna. Šilko medžiaga tokia lanksti, kad puikiai tinka metamedžiagoms gaminti.

„Dėl savo cheminių savybių šilkas, be visa ko, gali būti naudojamas ne tik kaip antenos pagrindas, bet ir kaip aktyvioji jos dalis“, – teigia Fiorenzo Omenetto.

Naująsias šilko medžiagas sumaišius su nedideliu kiekiu metalo, jų panaudojimo galimybės ir savybės dar labiau išsiplečia. Iš jų pagamintais davikliais galima nustatyti organizmo būklę arba maisto kokybę. Vėliau ši informacija per anteną gali būti siunčiama į išorinį imtuvą arba kompiuterį ir šis toliau analizuotų gautus duomenis. 

Tokie nedideli davikliai gali būti net valgomi, todėl į maisto produktus būtų galima įterpti datos žymeklius, įspėjančius apie pavojingas bakterijas ir kitas grėsmes sveikatai. Jei maistas nekelia jokio pavojaus, jį galima suvalgyti kartu su davikliu, nes organizme jis natūraliai išskaidomas, kaip ir kitos maisto medžiagos. Dar vienas regeneruotojo šilko pranašumas yra tas, kad, nepriklausomai nuo taikymo būdo, jis nekelia grėsmės aplinkai, nes visuose gamybos proceso etapuose naudojamos tik natūralios gamtoje egzistuojančios medžiagos.