Silk-inorganic composite materials with programmed mechanics

• Applicants: Professor Dr. Andreas Bausch; Professor Dr. Andreas Fery; Professor Dr. Thomas Scheibel
• Subject Area: Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2010 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 156839452

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

Ziel dieses Projektes war zuerst die Erforschung der komplexen Zusammenhänge zwischen der mikroskopischen Struktur und den makroskopischen Eigenschaften verschiedener, aus rekombinanter Spinnenseide hergestellter Materialien. Das daraus erhaltene Wissen und Verständnis wurde dann benutzt um maßgeschneiderte funktionalisierte Biomaterialien herzustellen. Zu Beginn wurden die Assemblierungsprozesse untersucht. Hierbei konnten in mikrofluidischen Setups die Wechselwirkungen zwischen Flussfeldern und Molekülkonformationen bestimmt werden. Weiterhin wurden mehrere Pfade zur Herstellung von Hydrogelen aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen bestimmt. Mit Hilfe der daraus entwickelten Protokolle wurden Gele mit definierten mechanischen Eigenschaften hergestellt. Zusätzlich wurde die Erstellung kolloidaler Proteinaggregate untersucht. Hierbei wurde der Einfluss unterschiedlicher Proteinlängen als auch der Einsatz von Quervernetzern auf die Morphologie und mechanischen Eigenschaften betrachtet. Trotz ähnlicher Morphologie konnte bspw. der Elastizitätsmodul stark variiert werden. Im nächsten Schritt wurden verschiedene Funktionalisierungen entwickelt und getestet. Hydrogele wurden mit Fluoreszenzfarbstoffen und ferromagnetischen Eisenpartikeln funktionalisiert. Aus den Kolloiden konnten anschließend mit Goldnanokugeln versetzte und ferromagnetische hybride Proteinkolloide erzeugt werden. Zusammenfassend wurden alle Ziele dieses Projektes erreicht. Es konnten sowohl die Einflüsse der Assemblierungsparameter auf die Charakteristika der erzeugten Morphologien bestimmt und erklärt werden, als auch unterschiedliche funktionalisierte Biomaterialien hergestellt werden.

Publications

• Controlled hydrogel formation of a recombinant spider silk protein. Biomacromolecules 2011, 12, 2488-2495
  K. Schacht, T. Scheibel
  
• Recombinant spider silk particles as drug delivery vehicles. Biomaterials 2011 32, 2233-2240
  Lammel, M. Schwab, M. Hofer, G. Winter, T. Scheibel
  
• “Direct observation of the dynamics of semiflexible polymers in shear flow”. Physical Review Letters 2013, 110, 108302
  M.B. Harasim, B. Wunderlich, O. Peleg, M. Kröger, A.R. Bausch
  
• “Transient flow behavior of complex fluids in microfluidic channels”. Microfluidics and Nanofluidics, 2013, 1504, 533-540
  U.A. Klessinger, B. Wunderlich, A.R. Bausch
  
• „Micromechanical characterization of spider silk particles“. Biomaterials Science 2013, 1, 1160-1165
  M.P. Neubauer, C. Blüm, E. Agostini, J. Engert, T. Scheibel, A. Fery
  
• „Rheological characterisation of silk solutions”. Green Materials 2013, 2, 11-23
  D. Keerl, T. Scheibel
  
• „Surface properties of spider silk particles in solution”. Biomaterials Science 2013, 1, 1166-1171
  N. Helfricht, M. Klug, A. Mark, V. Kuznetsov, C. Blüm, T. Scheibel, G. Papastavrou
  
• „Influence of repeat numbers on self-assembly rates of repetitive recombinant spider silk proteins”. Journal of Structural Biology, Volume 186, Issue 3, June 2014, Pages 431-437
  M. Humenik, M. Magdeburg, T. Scheibel
  
• „Microscopic Origin of the Non-Newtonian Viscosity of Semiflexible Polymer Solutions in the Semidilute Regime”. ACS Macro Letters, 2014, 3, 136-140
  B. Huber, M.B. Harasim, B. Wunderlich, M. Kröger, A.R. Bausch