Seide in Sensoren verwandeln

Seidenraupenkokons, die schachtelweise aus Japan an ein Optiklabor der Tufts University geliefert werden, werden ein anderes Schicksal erleiden als diejenigen, die in Textilfabriken auf der ganzen Welt unterwegs sind. Anstatt in Vorhänge oder Kleidung eingewebt zu werden, werden die starken Proteinfasern, die Raupen einst um sich selbst gesponnen haben, verwendet, um optische Materialien zu bauen, die als Grundlage für Sensoren und andere Geräte dienen können. Der Bioingenieur Fiorenzo Omenetto, der die Geräte entwickelt, hofft letztendlich, implantierbare, biologisch abbaubare Sensoren zu bauen, die dazu beitragen könnten, den Fortschritt von Patienten nach einer Operation zu überwachen oder chronische Krankheiten wie Diabetes zu verfolgen.

Fiorenzo Omenetto auf den Stufen des Bioengineering-Gebäudes von Tufts, wo er seidenoptische Geräte herstellt.

Dass Seide nicht nur für Hemden und Krawatten gut ist, habe Omenetto erkannt, sagt er, als er mit David Kaplan, dem Leiter der Abteilung für Biomedizintechnik von Tufts, mit dem er sich einen Flur teilt, ins Gespräch kam. Kaplan verwandelt Seidenproteine ​​in zellfreundliche Gerüste für die Entwicklung biologischer Gewebe, einschließlich Hornhautimplantaten. Die stärkste bekannte Naturfaser, Seide, wird von Gewebeingenieuren bevorzugt, da sie mechanisch zäh ist, sich aber im Körper harmlos abbaut.

Diese Geschichte war Teil unserer Januar-Ausgabe 2009

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Ausgebildet als Physiker, dachte Omenetto, dass Seide, wenn sie gute künstliche Hornhäute herstellte, auch gute optische Geräte sein könnte. Wie sich herausstellt, funktionieren die Seidengeräte, die er herstellt, genauso wie die aus traditionellen optischen Materialien wie Glas und Kunststoff – in einigen Fällen sogar noch besser. Und im Gegensatz zu diesen Materialien muss Seide nicht bei hohen Temperaturen oder mit aggressiven Chemikalien verarbeitet werden.

Auch deshalb eignet sich Seide so gut für den Einsatz in Biosensoren: Weil Seidengeräte in einer schonenden Umgebung hergestellt werden können, ist es möglich, während des Baus zusätzliche biologische Moleküle (wie Proteine) in sie einzubauen. Diese Moleküle dienen als Sensoren, die, einmal in die Seidengeräte integriert, jahrelang aktiv bleiben können. In den Geräten, die Omenetto und Kaplan entwickeln, binden Proteine, die in das optische Material eingebettet sind, effizient an ein Ziel wie Sauerstoff oder ein bakterielles Protein; Wenn dies der Fall ist, ändert das vom Sensor gesendete Licht die Farbe.

Optisches Rezept
Das Rezept von Omenetto beginnt mit Kokons, die von der Seidenraupe Bombyx mori gesponnen werden. Zuerst, sagt er, schneidet man den Kokon auf und entfernt den Wurm – sehr zum Leidwesen der Veganer. Die leitende Forschungstechnikerin Carmen Preda kocht die Kokons dann in einer Lösung, die das Salz Natriumcarbonat enthält. Dies hilft, Sericin aufzulösen, ein klebriges Glykoprotein, das die Kokons zusammenhält, beim Menschen jedoch Immunreaktionen verursacht. Nachdem die Seidenfasern getrocknet sind, werden sie in einer Lösung von Lithiumbromid gelöst. Wenn es abgekühlt ist, verwendet Preda eine Spritze, um es in eine Dialysekartusche zu laden. Sie stellt dies in einen Becher mit Wasser, wodurch das Salz herausgezogen wird.

In der Kartusche verbleibt eine klare, viskose Lösung des gereinigten Proteins Seidenfibroin. Preda entnimmt diesen Seidensirup mit einer Spritze aus der Kartusche und lädt ihn in eine Reihe von Reagenzgläsern; dies ist das Ausgangsmaterial für die optischen Komponenten von Omenetto. Wenn er die Komponenten in einem Biosensor verwenden möchte, kann er in diesem Stadium ein Protein hinzufügen, das auf ein bestimmtes Molekül abzielt – beispielsweise sauerstoffbindendes Hämoglobin. Sie haben diese schöne Lösung auf Wasserbasis, in die Sie alles mischen können, sagt Omenetto.

Hämoglobin ist ein relativ stabiles Protein, aber die Seidenmaterialien können auch die Aktivität weniger widerstandsfähiger Proteine ​​wie Enzyme erhalten. Als Testfall haben die Tufts-Forscher Seidenstrukturen hergestellt, die ein flüchtiges Meerrettichenzym namens Peroxidase enthalten; Glukosesensoren könnten Hexokinase enthalten, ein Enzym, das an den Zucker bindet.

Die Formen, die verwendet werden, um die Seidenproteinlösung in optische Geräte zu formen, sind mit nanoskaligen Merkmalen gemustert. Solche feinen Details sind in der Optik wichtig, da Licht am besten mit Merkmalen in einer Größenordnung interagiert, die nicht größer als seine eigene Wellenlänge ist – im Fall von sichtbarem Licht etwa 400 bis 700 Nanometer. Im Umgebungslicht des Labors leuchten die nanostrukturierten Bereiche der Kunststoffformen sanft, wie das Innere einer Abalone-Schale.

Ein Gerät, das die Forscher hergestellt haben, ist ein Hologramm, das zeigt, dass Seide die gleiche Vielseitigkeit wie andere optische Materialien hat. Am Labortisch verwendet Postdoc Jason Amsden eine Pipette, um Seidenlösung auf eine Form aufzutragen, in die das Tufts-Logo geätzt ist. Er lässt die Form etwa acht Stunden bei Raumtemperatur auf der Theke – lange genug, damit sich die Proteine ​​zu einem flexiblen, unregelmäßigen Oval verfestigen, das das Logo in einem dreidimensionalen Muster aus schillernden Rosa- und Blautönen zeigt.

In anderen Formen im Labor sind verschiedene Arten von optischen Geräten bereits getrocknet. Amsden wählt einen aus und schält ihn vorsichtig mit einer Pinzette aus der Form. Das Gerät ist eine durchscheinende rote Karte, die mit Hämoglobin imprägniert und mit mehreren optischen Elementen gemustert ist, darunter ein Beugungsgitter, das weißes Licht in seine Komponentenfarben aufspaltet.

Seidensensoren
Die Karte fungiert als einfacher Sauerstoffsensor: Durch sie hindurchtretendes Licht ändert die Wellenlänge geringfügig, je nachdem, wie viel Sauerstoff an das eingebettete Hämoglobin gebunden ist. Diese Veränderungen sind mit bloßem Auge nicht zu erkennen, können aber von einer Photodiode erkannt werden, einem Chip, der Licht in elektrischen Strom umwandelt. Wird beispielsweise ein Tropfen sauerstoffreichen Blutes auf den Sensor gegeben, zieht das Hämoglobin Sauerstoff daraus an und die Wellenlänge des von der Photodiode registrierten Lichts verschiebt sich.

Sauerstoff ist nur ein mögliches Ziel für die Geräte von Omenetto. Gitter mit darin eingebetteten Antikörpern und Enzymen könnten so ziemlich jedes medizinisch interessante Molekül erkennen, sei es Glukose oder ein Tumormarker. Und die Forscher von Tufts stellen sich nicht nur Laborsensoren vor, sondern implantierbare. Eine Anwendung, die Omenetto entwickelt hat, wird besonders wichtig sein: optische Seidenfasern, um Licht von der Hautoberfläche zu den implantierten Sensoren und zurück zu transportieren, damit es von einem Fotodetektor gelesen werden kann. Die Sensoren könnten während Operationen wie Tumorresektionen implantiert und dann verwendet werden, um Patienten auf Anzeichen einer Infektion oder wiederkehrenden Krebs zu überwachen. Omenetto und Kaplan hoffen auch, die Sensoren in zukünftige Tissue-Engineering-Strukturen zu integrieren, die Ärzten helfen würden, zu verfolgen, wie gut ein neues Gewebe in den Körper eingebaut wird. Die Geräte würden sich mit den restlichen Stützstrukturen des Gewebes unschädlich auflösen.

Zukünftige Sensoren, sagt Omenetto, werden Designs haben, die zu dramatischeren Farbänderungen führen, wenn sich die Sensoren an ihre Ziele binden. Um mit bloßem Auge lesbare Sensoren zu entwickeln, ließ er sich von einem anderen Insekt inspirieren, dem Morpho-Schmetterling. Seine schimmernde blaue Farbe ist nicht auf Pigmente zurückzuführen, sondern auf die Art und Weise, wie Licht mit nanoskaligen Proteinsäulen auf seinen Flügeln interagiert. Durch das Ändern der Säulenstruktur wird die Farbe entfernt. Omenetto stellt sich einen Sensor auf Seidenbasis vor, der mit nanoskaligen Strukturen gemustert ist, die ihn blau erscheinen lassen; ein Zielmolekül, das an Proteine ​​im Sensor bindet, würde die Nanostrukturen auf subtile Weise verändern, sodass sich die Farbe ändert oder verschwindet. Omenetto sagt, dass die grundlegenden Technologien dafür vorhanden sind; es geht nur darum, die richtigen Formen zu konstruieren.

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