Spider Silk Inspira Una Nueva Clase De Polímeros Sintéticos Funcionales Para Bioelectrónica, Sensores Y Baterías

Baterías de arañas

¿Qué tienen las arañas en común con las baterías? Nada hasta ahora, pero el material desarrollado en la investigación publicada en Science Advances el 17 de julio por G. Portale y sus colaboradores puede cambiar esto en el futuro. El recuadro muestra una membrana robusta creada con un polielectrolito inspirado en la seda de araña que es capaz de transportar protones de manera eficiente. Crédito: Giuseppe Portale, Universidad de Groningen

Los polímeros sintéticos han cambiado el mundo que nos rodea y sería difícil imaginar un mundo sin ellos. Sin embargo, tienen sus problemas. Por ejemplo, es difícil desde un punto de vista sintético controlar con precisión su estructura molecular. Esto hace que sea más difícil ajustar con precisión algunas de sus propiedades, como la capacidad de transportar iones. Para superar este problema, el profesor asistente de la Universidad de Groningen, Giuseppe Portale, decidió inspirarse en la naturaleza. El resultado se publicó en Science Advances el 17 de julio: una nueva clase de polímeros basados ​​en materiales similares a las proteínas que funcionan como conductores de protones y podrían ser útiles en futuros dispositivos bioelectrónicos.

“He estado trabajando en materiales conductores de protones de forma intermitente desde mi doctorado”, dice Portale. “Me resulta fascinante saber qué hace que un material transporte un protón, así que trabajé mucho en la optimización de estructuras a nivel de nanoescala para obtener una mayor conductividad”. Pero fue solo hace unos años que consideró la posibilidad de hacerlos a partir de estructuras biológicas similares a las proteínas. Llegó a esta idea junto con el profesor Andreas Hermann, un antiguo colega de la Universidad de Groningen, que ahora trabaja en el DWI – Instituto Leibniz de Materiales Interactivos en Alemania. “Pudimos ver de inmediato que los biopolímeros conductores de protones podrían ser muy útiles para aplicaciones como la bioelectrónica o los sensores”, dice Portale.

Estructura de membrana conductora de protones inspirada en seda de araña

Esquema de la estructura de la membrana conductora de protones inspirada en la seda de araña (izquierda). Dominios de hoja beta parecidos a seda de araña ensamblados (centro). Su superficie está decorada por grupos de ácido carboxílico capaces de liberar un protón a una temperatura relativamente alta (derecha). Crédito: Giuseppe Portale, Universidad de Groningen

Grupos más activos, más conductividad

Pero primero tenían que ver si la idea funcionaba. Portale: “Nuestro primer objetivo fue demostrar que podíamos ajustar con precisión la conductividad de los protones de los polímeros basados ​​en proteínas ajustando el número de grupos ionizables por cadena de polímero”. Para ello, los investigadores prepararon una serie de biopolímeros no estructurados que tenían diferente número de grupos ionizables, en este caso carboxílico. ácido grupos. Su conductividad de protones escaló linealmente con el número de grupos de ácido carboxílico cargados por cadena. “No fue innovador, todo el mundo conoce este concepto. Pero estábamos encantados de poder hacer algo que funcionó como se esperaba ”, dice Portale.

Para el siguiente paso, Portale se basó en su experiencia en el campo de los polímeros sintéticos: “A lo largo de los años, he aprendido que la nanoestructura de un polímero puede influir enormemente en la conductividad. Si tiene la nanoestructura adecuada, permite que las cargas se agrupen y aumenten la concentración local de estos grupos iónicos, lo que aumenta drásticamente la conductividad de los protones ”. Dado que el primer lote de biopolímeros era completamente amorfo, los investigadores tuvieron que cambiar a un material diferente. Decidieron usar una proteína conocida que tenía forma de barril. “Diseñamos esta proteína en forma de barril y agregamos hebras que contienen ácido carbocíclico a su superficie”, explica Portale. “Esto aumentó enormemente la conductividad”.

Dr. Giuseppe Portale, Universidad de Groningen

Este es Giuseppe Portale, profesor asistente de ciencia de polímeros en la Universidad de Groningen, Países Bajos. Crédito: Sylvia Germes

Nuevo polímero de seda de araña

Desafortunadamente, el barril-polímero no fue muy práctico. No tenía resistencia mecánica y era difícil de procesar, por lo que Portale y sus colegas tuvieron que buscar una alternativa. Aterrizaron sobre un polímero natural muy conocido: la seda de araña. “Este es uno de los materiales más fascinantes de la naturaleza, porque es muy resistente pero también se puede utilizar de muchas formas diferentes”, dice Portale. “Sabía que la seda de araña tiene una nanoestructura fascinante, por lo que diseñamos un polímero similar a una proteína que tiene la estructura principal de la seda de araña, pero que se modificó para albergar hebras de ácido carbocíclico”.

El material novedoso funcionó a las mil maravillas. “Descubrimos que se autoensambla a nanoescala de manera similar a la seda de araña mientras crea densos grupos de grupos cargados, que son muy beneficiosos para la conductividad de los protones”, explica Portale. “Y pudimos convertirlo en una membrana robusta del tamaño de un centímetro”. La conductividad de los protones medida era más alta que la de cualquier biomaterial conocido anteriormente, pero según Portale todavía no están ahí: “Este fue un trabajo fundamentalmente fundamental. Para aplicar este material, realmente tenemos que mejorarlo y hacerlo procesable “.

Sueños

Pero aunque el trabajo aún no está terminado, Portale y sus colaboradores ya pueden soñar con aplicar su polímero: “Creemos que este material podría ser útil como membrana en pilas de combustible. Quizás no por las celdas de combustible a gran escala que se ven en los automóviles y las fábricas, sino más bien a pequeña escala. Existe un campo creciente de dispositivos bioelectrónicos implantables, por ejemplo, marcapasos impulsados ​​por glucosa. En los próximos años esperamos saber si nuestro polímero puede marcar la diferencia allí, ya que ya es biocompatible ”.

A corto plazo, Portale piensa principalmente en sensores. “La conductividad que medimos en nuestro material está influenciada por factores ambientales, como la humedad o la temperatura. Entonces, si desea almacenar algo a una cierta humedad, puede colocar este polímero entre dos electrodos y medir si algo cambia “. Sin embargo, antes de que todos estos sueños se hagan realidad, hay muchas preguntas por responder. “Estoy muy orgulloso de que pudimos controlar estos nuevos materiales a escala molecular y construirlos desde cero. Pero todavía tenemos que aprender mucho sobre sus capacidades y ver si podemos mejorarlas aún más “.

Referencia: “Diseño racional de novo de una membrana conductora de protones de polipéptido sobrealimentado independiente” por Chao Ma, Jingjin Dong, Marco Viviani, Isotta Tulini, Nicola Pontillo, Sourav Maity, Yu Zhou, Wouter H. Roos, Kai Liu, Andreas Herrmann y Giuseppe Portale, 17 de julio de 2020, Science Advances .
DOI: 10.1126 / sciadv.abc0810

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