©VTT

Een onderzoeksgroep van het VTT (Finland) heeft in samenwerking met de Nanyang Technological University een duurzaam meerfasig nanocomposiet ontwikkeld dat de knots van de ijzersterke mantisgarnaal nabootst en gebruikt om in het laboratorium nieuwe tandheelkundige implantaatkronen te vervaardigen. Dit nieuwe bio-geïnspireerde materiaal is een vermenging van berkencellulose en een reeks genetisch gemanipuleerde eiwitten. Het resultaat is een materiaal dat sterker, taaier en aanzienlijk lichter is dan door de mens vervaardigd technisch keramiek. Het heeft een groot potentieel om een materiaal van de volgende generatie te worden in schokbestendige implantaten, sportuitrusting, lichaamspantsering, exoskeletten voor vliegtuigen, elektronica, of oppervlaktecoatings voor bijvoorbeeld windschermen.

De natuur biedt unieke inzichten in ontwerpstrategieën die door levende organismen zijn ontwikkeld om robuuste materialen te construeren. In dit geval was de onderzoeksgroep in staat een nieuw slagvast materiaal te creëren, geïnspireerd op de club van de mantisgarnaal. Het nieuwe materiaal zou kunnen worden gebruikt in toepassingen waarbij weerstand moet worden geboden tegen herhaalde impacts met hoge belasting en toch de structurele integriteit moet worden behouden. De onderzoeksresultaten zijn op 1 september 2021 gepubliceerd in Advanced Materials (DOI: 10.1002/ADMA.202102658), aldus VTT in een persbericht.

Sterkste stootkracht dierenrijk

“Deze betoverende garnalen zijn een van de dodelijkste moordmachines van de natuur. In verhouding tot hun kleine formaat, hebben ze de sterkste stootkracht in het dierenrijk. Ze verpletteren hun prooi door het werpen van een paar hamerachtige roofvogelaanhangsels met een enorme snelheid en kracht groter dan geweerkogels tijdens de jacht op korte afstand,” legt Dr. Pezhman Mohammadi uit, onderzoeker bij VTT. “De voornaamste voedselbronnen van de mantisgarnaal zijn mariene organismen met harde schalen, zoals weekdieren. Om bij het zachte, voedzame deel te komen, wroeten ze dwars door deze sterk gemineraliseerde exoskeletten heen.”

Lees ook: Natuur is complex, maar we kunnen er wel van leren

Eerdere studies hebben aangetoond dat de knots een meerfasig hiërarchisch geordend nanocomposiet is met gradaties in mechanische eigenschappen. “De knots heeft een zachte binnenlaag die zorgt voor energiedissipatie en een stijve, harde en slagvaste buitenlaag. Samen verbeteren de lagen de algehele schadetolerantie van de club. Beide lagen hebben vergelijkbare bouwstenen, maar in verschillende relatieve inhoud, polymorfe vorm, en organisatie. De belangrijkste bouwsteen zijn helicoïde geordende chitine nanofibrillen die aan elkaar worden gelijmd door een eiwitrijke matrix”, vertelt Mohammadi.

Combinatie van cellulose nanokristallen en eiwitten

De onderzoeksgroep bootste deze structuur na door vergelijkbare bouwstenen en verwerkingsomstandigheden te gebruiken. Zij stelden een nieuw composiet samen, dat bestaat uit cellulose-nanokristallen en twee soorten genetisch gemanipuleerde eiwitten. Het ene eiwit is ontworpen om de interfaciale sterkte van het materiaal te verhogen en het andere om de nucleatie en groei van hydroxyapatietkristallen te bemiddelen. Dit nieuwe composiet werd verwerkt tot ingewikkelde vormen door het te fabriceren tot een tandheelkundige implantaatkroon met periodieke patronen van microversterkingsoriëntatie, en een bilaagarchitectuur vergelijkbaar met menselijke tanden. Met verder onderzoek zouden de proteïnen kunnen worden gemanipuleerd om het materiaal nieuwe eigenschappen te geven. Voor toekomstige toepassingen moeten de schaalbaarheid en de verwerkingsomstandigheden van het materiaal verder worden ontwikkeld

Het onderzoeksteam bestond uit deskundigen op het gebied van synthetische biologie, proteïne-engineering, materiaalwetenschappen en zachte-materiefysica. Het twee en een half jaar durende project werd financieel gesteund door VTT en de Jenny and Antti Wihuri Foundation binnen het Centre for Young Synbio Scientists (CYSS) programma onder leiding van professor Merja Penttilä.

Geselecteerd voor jou!

Innovation Origins is het Europese platform voor innovatienieuws. Naast de vele berichten van onze eigen redactie in 15 Europese landen, selecteren wij voor jou de belangrijkste persberichten van betrouwbare bronnen. Zo blijf je op de hoogte van alles wat er gebeurt in de wereld van innovatie. Ben jij of ken jij een organisatie die niet in onze lijst met geselecteerde bronnen mag ontbreken? Meld je dan bij onze redactie.

Doneer

Persoonlijke informatie