Sebagai orang dengan dimensi non-standar (a la mop dengan telinga), saya tahu betul betapa sulitnya kadang-kadang memilih item dari lemari pakaian dengan ukuran yang tepat. Ternyata, beberapa ilmuwan di Harvard University juga menghadapi masalah sehari-hari yang serupa, karena dalam penelitian terbaru mereka mendeskripsikan jenis material baru dengan memori bentuk. Dasar dari inovasi ini adalah protein yang mudah ditemukan di rambut, kuku, dan kulit - keratin. Bagaimana tepatnya pemasar favorit dari produsen kosmetik yang digunakan, metamorfosis seperti apa yang mampu dilakukan bahan baru tersebut, dan apa saja pilihan untuk menggunakan bahan metamorf? Untuk mendapatkan jawaban atas jajak pendapat ini, mari selami laporan para ilmuwan. Pergilah.
Dasar penelitian
Selama beberapa tahun terakhir, minat pada material yang mampu mengingat bentuk tertentu yang diberikan selama produksi telah meningkat secara signifikan. Bahan semacam itu dapat digunakan dalam industri kedokteran, konstruksi dan kedirgantaraan, dll. Namun, seperti yang dinyatakan oleh para ilmuwan sendiri, tingkat ketertarikan pada perkembangan semacam itu tidak dapat disamakan dengan tingkat informasi yang tersedia tentang perkembangan tersebut. Dengan kata lain, materi semacam itu masih memiliki banyak rahasia yang belum terpecahkan.
Bahan metamorf paling sering dikaitkan dengan zat sintetis; Namun, struktur alam juga memiliki sifat yang serupa, yang disebabkan oleh metastabilitas struktural dari struktur sekunder protein. Sebagai contoh, keratin α-heliks, yang tersusun dalam sebuah kumparan heliks, diketahui mengalami transisi struktural kontinyu menjadi lembaran-β metastabil ketika suatu beban diterapkan di sepanjang sumbu longitudinalnya. Bergantung pada jenis α-keratin, proses ini dapat bersifat ireversibel atau reversibel, dan dalam kasus kedua menyerupai mekanisme memori bentuk martensitik * dari paduan logam.
Transformasi martensitik * adalah transformasi polimorfik di mana perubahan susunan timbal balik atom (atau molekul) kristal terjadi melalui pergerakan teraturnya.Dalam bahan biologis (kulit hewan, misalnya), mekanisme transformasi seperti itu disebabkan oleh kebutuhan akan perlindungan dan fungsi fisiologis sebagai respons terhadap rangsangan eksternal.
Dalam pekerjaan ini, para ilmuwan mencoba menerapkan transisi keratin yang dapat dibalik dari α-helix ke β-sheet. Menurut mereka, proses inilah yang merupakan mekanisme utama untuk menciptakan material berstruktur nano berteknologi tinggi dengan memori bentuk, yang menggunakan hidrasi sebagai pemicu dan pada dasarnya bersifat biokompatibel dan dapat terurai secara hayati.
Hasil penelitian
Gambar No. 1
Pada bulu hewan, transisi yang diinduksi deformasi dari α-helix ke β-sheet dimungkinkan karena konfigurasi pasangan α-heliks dalam arsitektur kumparan spiral * ( 1a ).
Kumparan spiral * ( Kumparan melingkar ) - protein motif struktural, ketika 2 hingga 7 heliks alfa terjalin kedua untai tali.Kumparan spiral mengatur dirinya sendiri secara hierarkis menjadi struktur fibrillar anisotropik yang berkisar dari protofibril * hingga makrofibril * , yang memastikan kontinuitas transformasi mekanis di semua skala spasial.
Protofibril * adalah filamen protein tertipis yang menyusun sebagian besar miofibril.Dalam penelitian ini, fibrillar keratin diekstraksi dari wol angora menggunakan lithium bromide (LiBr), garam yang dapat menginduksi transisi fase padat ke cair dari kristal keratin dalam air.
Myofibrils * - filamen kontraktil di protoplasma serat otot lurik dari otot rangka, otot jantung dan otot dengan lurik miring ganda.
Persyaratan lain untuk melepaskan keratin berserat dari struktur rambut adalah terganggunya jaringan disulfida padat dari komponen matriks rambut. Hal ini dicapai dengan menggunakan 1.4-dithiothreitol (DTT, C 4 H 10 O 2 S 2 ), yang mampu memutus ikatan disulfida untuk membentuk dua gugus sulfhidril. Reaksi ini dapat dibalik di bawah kondisi oksidasi, yang memungkinkan jembatan disulfida alami dipulihkan selama fabrikasi.
Keratin kemudian berhasil diperoleh kembali dengan mengolah wol dengan larutan LiBr dan DTT berair pada suhu tinggi ( 1b ). Pada suhu kamar, keratin akhirnya diisolasi dengan pemisahan cairan, menghasilkan larutan keratin yang sangat pekat dengan umur simpan beberapa minggu tanpa adanya oksigen.
Spektroskopi Raman dan dichroism melingkar juga dilakukan, yang mengkonfirmasi keberadaan kumparan heliks α-heliks. Bukti untuk struktur hierarki keratin hingga ke tingkat protofibrillar dikonfirmasi dengan mikroskop elektron transmisi kriogenik (cryo-TEM). Selama mikroskop, ditemukan bahwa panjang node berada dalam beberapa mikrometer, dan lebarnya sekitar 10 nm ( 1c), yang sepenuhnya sesuai dengan fitur struktural dari serat antara. Ini juga memungkinkan untuk menetapkan bahwa struktur hierarki dari filamen menengah terdiri dari protofibril yang dikemas dengan lebar konstan ~ 3 nm.
Penerapan arsitektur keratin hierarkis yang dapat menyediakan pengurutan jarak jauh unit eksekutif α-helix memerlukan penerapan penyelarasan anisotropik protofibril selama proses pembuatan. Ditemukan bahwa protofibril keratin berkumpul sendiri menjadi fase kristal nematik di bawah pengaruh tegangan geser dan batasan spasial. Fakta ini dibuktikan dengan mengamati sifat anisotropik hamburan sinar-X sinkrotron, yang diperoleh dari sampel larutan keratin (401,7 mg / ml) yang dibuat dalam kapiler kuarsa ( 1d).).
Selama analisis, kapiler diposisikan tegak lurus terhadap berkas sinar-X, dan sumbu longitudinalnya sejajar dengan sumbu meridional detektor. Sifat hamburan ekuator menunjukkan bahwa domain keratin sebagian besar berorientasi sejajar dengan sumbu kapiler (sisipan pada 1d ). Jarak rata-rata domain keratin berhubungan dengan parameter ukuran kisi ( d ) yang diperoleh dari intensitas maksimum modulus vektor hamburan ( q ): d = 2 π / q .
Para ilmuwan menyarankan bahwa urutan nematik protofilamen keratin * adalah hasil dari tegangan geser yang terjadi pada dinding kapiler selama preparasi sampel dan juga merupakan hasil stabilisasi lebih lanjut karena keterbatasan ruang.
Protofilamen * adalah struktur protein berfilamen yang merupakan blok pembangun mikrotubulus (struktur intraseluler protein yang membentuk kerangka sel).Dalam hal ini, peningkatan kekakuan dan perakitan mandiri protofibril keratin diharapkan menghasilkan tingkat keteraturan yang lebih tinggi pada fase nematik (berfilamen). Kontrol atas pengorganisasian sendiri fase kristal cair keratin dicapai dengan merangsang interaksi protein-protein melalui efek penyaringan muatan. Karena adanya kation litium, yang diserap di permukaan protein, keratin akan memiliki muatan positif bersih. Dan anion fosfat digunakan karena memiliki efek skrining yang tinggi terhadap permukaan bermuatan positif ( 1e ).
Penambahan natrium dihidrogen fosfat (NaH 2 PO 4) menyebabkan pengepakan fase nematik keratin mengencang, yang ditandai dengan pergeseran puncak ke arah nilai q ( 1f ) yang lebih tinggi .
Penambahan garam kosmotropik * juga mengakibatkan penyempitan pola hamburan ekuator dan, sebagai konsekuensinya, eksaserbasi puncak hamburan, yang mengindikasikan peningkatan kesejajaran domain keratin di sepanjang sumbu kapiler ( 1g ).
Kosmotropik * adalah pelarut bersama jika berkontribusi pada stabilitas dan struktur interaksi air-air. Kosmotrop menyebabkan peningkatan interaksi molekul air, yang juga menstabilkan interaksi intramolekul dalam makromolekul seperti protein.Dengan peningkatan konsentrasi NaH 2 PO 4, agregasi protofibril menyebabkan peningkatan viskositas larutan protein pada kecepatan geser yang rendah (1 jam ). Namun, dengan meningkatnya laju geser, penyelarasan protofibril keratin menyebabkan penurunan viskositas secara tiba-tiba, yang memberikan larutan protein pseudoplastisitas yang jelas * .
Pseudoplastisitas * - terjadi ketika viskositas fluida berkurang dengan meningkatnya tegangan geser.Pada konsentrasi NaH 2 PO 4 40 mM dan konsentrasi protofilamen 401,7 mg / ml, dopan keratin menunjukkan sifat viskoelastik. Ini kabar baik bagi para peneliti, karena serat dapat dibentuk secara langsung hanya dengan menarik protein menggunakan pinset ( 1i ). Jika konsentrasi NaH 2 PO 4 berkurang , larutan keratin kehilangan sifat viskoelastiknya dan tidak dapat membentuk serat langsung dari larutan.
Sebagaimana dicatat oleh para ilmuwan, kesejajaran heliks-keratin sepanjang sumbu serat merupakan kriteria desain yang memastikan kekuatan tinggi dan tingkat fiksasi serat yang tinggi. Ketika sumbu α-heliks sejajar dengan vektor tegangan, pelepasan maksimum α-heliks dapat diperoleh, yang memungkinkan material untuk meningkatkan deformasi sebelum kegagalan karena deformasi plastis dan reorganisasi.
Gambar No. 2
Larutan berair NaH 2 PO 4 digunakan sebagai anti-pelarut, yang memungkinkan untuk mencapai difusi eksternal LiBr dari dopan keratin yang diekstrusi dan selanjutnya perakitan sendiri protein karena efek penyaringan muatan ( 2a). Reduksi jaringan kovalen disulfida menjadi mungkin karena aktivitas oksidatif hidrogen peroksida (H 2 O 2 ) terhadap gugus tiol sistein. Konsentrasi protein yang tinggi dalam obat bius memberikan kekuatan serat selama proses koagulasi, yang memungkinkan proses pemintalan yang fleksibel dan andal.
Hasilnya, serat yang panjang dan kuat ( 2b ) dapat diperoleh , dan kecepatan produksi yang tinggi memungkinkan diperoleh serat dengan diameter 10 μm.
Organisasi fase nematik protofibril keratin menghasilkan proses fibrilasi yang menghasilkan serat yang terstruktur secara hierarki dan anisotropik. Mikroskop elektron scanning menunjukkan bahwa satu serat terdiri dari fibril kontinyu, yang panjangnya setidaknya beberapa puluh mikrometer ( 2b ). Juga diamati bahwa fibril dengan diameter 50 nm merupakan inti dari serat yang dihasilkan ( 2d ).
Mikroskopi optik polarisasi mengkonfirmasi sifat anisotropik inti serat, yang ditetapkan dengan mengamati birefringence dengan intensitas cahaya yang ditransmisikan maksimum pada sudut 45 ° ( 2e ).
Struktur kumparan spiral memiliki arsitektur anisotropik, dibentuk dengan menggunakan hamburan sinar-X sudut lebar (WAXS ). Profil hamburan dua dimensi menunjukkan karakteristik refleksi ekuator pada 9,65 Å, yang sesuai dengan jarak antara sumbu α-heliks yang berdekatan ( 2g ). Analisis satu dimensi di sepanjang sumbu meridian menunjukkan adanya refleksi karakteristik meridional (pada 5,15 Å) dan ekstra-meridian (5,05 Å), yang sesuai dengan proyeksi pitch α-helix ( 2 jam ).
Ditemukan juga bahwa nilai maksimum bergeser ke nilai q yang lebih tinggi , yaitu. ada rantai peptida terbuka yang berorientasi sejajar dengan sumbu serat dan, mungkin, membentuk konformasi lapisan-β (2i ).
Gambar №3
Pada tahap penelitian berikutnya, kami mempelajari serat memori bentuk yang merespons hidrasi.
Efek memori bentuk serat keratin yang direkayasa didasarkan pada pelepasan α-heliks yang dapat dibalik dan pembentukan lembaran-β metastabil dalam deformasi uniaksial ( 3a ).
Uji tarik yang dilakukan pada serat keratin individu telah mengkonfirmasi mekanisme ini. Keadaan elastis awal dibentuk hingga ~ 5% deformasi (modulus Young = 4,18 ± 0,10 GPa). Ini diikuti oleh wilayah yang ditandai dengan titik hasil konstan (96,1 ± 3,1 MPa) ( 3b ). Reaksi ini sesuai dengan proses pembukaan α-heliks.
Ketika tegangan meningkat lebih jauh, rantai peptida keratin yang tidak terlipat dan diperpanjang distabilkan dalam geometri yang diperluas dengan merakit menjadi lapisan-β ( 3c ). Daerah formasi lembar-β ini dicirikan oleh pengerasan regangan pada deformasi ~ 50%, karena beban yang diterapkan tidak hanya menghilang karena penghancuran kumparan yang digulung, tetapi juga ditransfer dengan meregangkan lembaran-β. Ketika beban dihilangkan pada deformasi 100% (kekuatan tarik 137,18 ± 1,03 MPa), serat menunjukkan deformasi plastis (~ 85%), yang konsisten dengan transformasi rantai keratin yang tidak terlipat menjadi lembaran-β metastabil baru. Sifat mekanis dari serat keratin yang diperoleh sepenuhnya sesuai dengan wol alami.
Penting untuk dicatat bahwa serat tanpa tekanan juga mengandung proporsi β-sheets ( 3d ) yang tidak signifikan ; namun, pada deformasi 100%, peningkatan yang signifikan dalam komponen β-sheet diamati. Analisis WAXS mengkonfirmasi adanya transisi yang diinduksi deformasi dari α-helix ke β-layer ( 3e ).
Dalam serat yang diregangkan, lembaran-β stabil secara kinetik karena adanya jaringan ikatan hidrogen, yang mencegahnya untuk mengubah kembali menjadi heliks-α yang lebih stabil secara termodinamika. Properti inilah yang memungkinkan untuk membuat sistem dengan siklus memori bentuk, di mana jaringan ikatan hidrogen berperan sebagai mekanisme pemblokiran untuk memastikan fiksasi bentuk yang cacat.
Selama percobaan, air memainkan peran sebagai stimulus yang berkontribusi terhadap deformasi serat dan pemulihan bentuk aslinya ( 3f ). Teknik tersebut diujikan pada seikat serat keratin dengan diameter yang sama ( 3g dan video di bawah).
Demonstrasi memori bentuk menggunakan contoh serat individu.
Pertama, bundel serat dihidrasi dalam air deionisasi selama beberapa detik (status A), kemudian diregangkan secara manual di udara saat masih basah (status B), dan kemudian ditahan di bawah beban pada suhu kamar selama 10 menit agar serat mengering ( negara C).
Setelah melepaskan beban, yang memungkinkan serat masuk ke keadaan rileks, tidak ada perubahan panjang yang terlihat atau nyata antara bentuk regangan dan rileks (keadaan D).
Namun, jika air dioleskan kembali ke serat yang dihasilkan (dengan penyemprotan), maka serat dikurangi ke panjang aslinya dalam beberapa detik (status A ').
Penggunaan air dalam metamorfosis yang sedang berlangsung sangat memudahkan proses restrukturisasi struktur protein. Hal ini ditunjukkan oleh penurunan umum tegangan tarik ( 3 jam ) dan transisi yang lebih bertahap antara status serat.
Ketika serat mengering di bawah beban, pembentukan lembar-β ditunjukkan dengan peningkatan tajam dalam stres yang berhubungan dengan peningkatan kekakuan serat, yang dapat diukur seiring waktu saat serat menjadi dehidrasi dan ikatan hidrogen ( 3i ).
Bahan yang dihasilkan, karena susunan jarak jauh dari struktur fibrilarnya dalam keadaan kering, menunjukkan kekuatan tarik (137,18 ± 1,03 MPa) dan modulus Young (4,18 ± 0,10 GPa), yang jauh lebih baik daripada prototipe yang dikembangkan sebelumnya. Saat terhidrasi, kekuatan tarik adalah 14,94 ± 0,46 MPa, yang juga secara signifikan lebih unggul dari bahan yang dikembangkan lainnya.
Selain sifat dan karakteristik, bahan yang dikembangkan memiliki satu keunggulan lagi dibandingkan pesaingnya - kemungkinan penggunaannya dalam pencetakan 3D.
Gambar No. 4
Bentuk geometris dasar dapat diperoleh dengan ekstrusi dopan protein menjadi hidrogel, yang berfungsi sebagai penopang dan penangas koagulasi ( 4a). Sifat keratin memungkinkan penggunaan jarum kecil, yang memungkinkan pembuatan struktur pada skala sekitar 50 μm ( 4b ).
Penyelarasan protofibril keratin mengikuti jalur ekstrusi dalam pencetakan 3D dan oleh karena itu mengarah ke arsitektur yang sangat teratur yang dicirikan oleh hierarki struktural internal dari tingkat molekuler hingga makroskopis ( 4c ).
Setelah sampel yang diinginkan dicetak 3D, perlu untuk mendapatkan fiksasi bentuk yang konstan. Ini membutuhkan pembentukan jembatan disulfida dengan oksidasi yang diinduksi oleh H 2 O 2 . Sebelum dilakukan proses oksidasi, sampel masih dapat dimanipulasi dengan mengubah bentuknya karena sifat plastisitasnya.
Misalnya, selama pengujian, sebuah bintang (origami) dibuat secara manual dari lembaran cetakan, yang kemudian melewati tahap pengikatan bentuk dengan oksidasi dalam H 2 O 2 dan NaH 2 PO 4 ( 4d ). Oleh karena itu, tidak perlu segera mencetak bentuk yang diinginkan, hal itu dapat dilakukan setelah pencetakan dan sebelum langkah pemasangan ( 4e ).
Demonstrasi memori formulir menggunakan contoh sampel yang dicetak.
Seperti serat yang diuji sebelumnya, patung yang dicetak memiliki sifat memori bentuk sensitif kelembaban yang sama. Arsitektur origami berbentuk bintang dipilih untuk menunjukkan keefektifan mekanisme memori bentuk saat melakukan transformasi geometris yang cukup kompleks, menurut para ilmuwan.
Saat terhidrasi, model origami cetak 3D dapat dibentuk dan dapat dibuka bungkusnya dan secara sewenang-wenang diubah menjadi, misalnya, tabung yang digulung (kiri pada 4f).). Saat mengering, lembaran persegi kehilangan plastisitasnya dan diperbaiki dalam bentuk sementara yang baru. Pemulihan arsitektur origami berbentuk bintang kemudian dipicu oleh rehidrasi, yang terjadi dalam beberapa detik karena rasio permukaan-volume yang tinggi menyebabkan keratin cepat terpapar air (tepat pada 4f ). Dengan kata lain, lembar cetakan pertama-tama terungkap ke konfigurasi sebelumnya dan kemudian terlipat menjadi bentuk bintang.
Untuk pengenalan yang lebih mendetail tentang nuansa penelitian ini, saya sarankan agar Anda melihat laporan ilmuwan dan bahan tambahan padanya.
Epilog
Dalam penelitian ini, para ilmuwan telah mendemonstrasikan jenis material baru dengan memori bentuk, yang diaktifkan melalui kontak dengan air. Dasar dari proses transformasi spontan dari satu bentuk tertentu ke bentuk lain adalah transisi heliks-α keratin menjadi lembaran-β.
Bahan yang dihasilkan dapat digunakan dalam pencetakan 3D, sementara Anda dapat mengatur bentuk yang diinginkan pada awalnya atau melakukannya setelah mencetak lembaran biasa. Mengubah bentuk setelah pencetakan dimungkinkan karena plastisitas sampel yang diperoleh, yang bentuknya sudah dapat diperbaiki pada tahap oksidasi. Proses dua langkah ini memungkinkan pembuatan bentuk yang sangat kompleks dengan fitur struktural yang dapat disesuaikan hingga ke tingkat mikron.
Penulis studi ini mengatakan bahwa kisaran aplikasi untuk pengembangannya cukup besar. Bahan memori bentuk dapat digunakan baik dalam industri ringan (misalnya, T-shirt yang ukurannya bisa berubah sesuai keinginan Anda) dan dalam pengobatan (mengaktifkan kain).
Hasil eksperimennya cukup baik, tetapi para ilmuwan berniat untuk terus melakukan eksperimen, karena material, yang arsitekturnya dapat berubah tergantung pada pengaruh luar dan atas permintaan seseorang, adalah subjek yang sangat menarik untuk dipelajari.
Terima kasih atas perhatiannya, tetap penasaran dan semoga minggu kerja Anda bagus, guys. :)
Sedikit iklan
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman, cloud VPS untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server level awal yang kami ciptakan untuk Anda: The Whole Truth About VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps dari $ 19 atau bagaimana membagi server dengan benar? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Apakah Dell R730xd 2x lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - Dari $ 99! Baca tentang Bagaimana membangun infrastruktur bldg. sekelas dengan server Dell R730xd E5-2650 v4 dengan biaya € 9000 untuk satu sen?