ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΙΝΕΣ ΜΕΤΑΞΙ ΙΣΤΟΙ ΑΡΑΧΝΩΝ

Transcript

1 ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΙΝΕΣ ΜΕΤΑΞΙ ΙΣΤΟΙ ΑΡΑΧΝΩΝ

2 Βιοσυνθεση του μεταξιου (πρωτεινη) -δυο κυριες πρωτεινες > φιβροινη+σερισινη Κατά την διαρκεια του περασματος από τον αδενα του μεταξοσκωληκα, οι πολυπεπτιδικες αλυσιδες περνουν από αμορφη δομη σε δομη β-πτυχωτων φυλλων (με συγχρονη αποβολη νερου και προσθηκη ιοντων ασβεστιου) «τηγμα» «στερεο» Κατευθυνση της ινας

3 Χημικη συσταση και δομη μεταξιου (μεταξοσκωληκας, Bombyx mori ) φιβροινη: -τρια κυρια αμινοξεα -γλυκινη (44.5 %) -αλανινη (29.3 %) -σερινη (12.1%) Το υπόλοιπο, άλλα αμινοξέα Επαναλαμβανομενες Αλληλουχιες GAGAGS (repeats, blocks) Δομη β-πτυχωτων φυλλων

4 Δομη του μεταξιου: Βητα πτυχωτα φυλλα ή επιφάνειες (sheets) Οι πτυχώσεις ή κλώνοι (strands) είναι παράλληλες στον άξονα της ίνας Κατευθυνση της ινας

5 Δομη του μεταξιου

6 Δομη του μεταξιου

7 Δομη του μεταξιου

8 Δομη του μεταξιου Κύρια χαρακτηριστικά: -Βητα πτυχωτα φυλλα ή επιφάνειες (sheets) -Οι πτυχώσεις ή κλώνοι (strands) είναι παράλληλες στον άξονα της ίνας -το πακετάρισμα των πτυχωτών φύλλων γίνεται ως εξής: τα αμινοξέα γλυκίνης προς την μία μεριά -τα αμινοξέα αλανίνης και σερίνης προς την άλλη μεριά -άρα, η απόσταση μεταξύ διαδοχικών βήτα πτυχωτών φύλλων είναι εναλλακτικά 3,5 και 5, 7 Å

9 Μηχανικά αποτελέσματα της μοριακής δομής του μεταξιού: -πολύ ισχυρές ίνες (μεγάλο μέτρο ελαστικότητας), γιατί η αντοχή στίς τάσεις οφείλεται στους ομοιοπολικούς δεσμούς κατά τη κατεύθυνση των βήτα πτυχώσεων/κλώνων -μικρή εκτατικότητα, γιατί η διαμόρφωση των βήτα πτυχώσεων είναι ήδη εκτεταμένη

10 Μηχανικές ιδιότητες μεταξιου Υλικο Μέτρο ελαστικότητας (GPa) Μεταξι 7 Μαλλι 0.5 Συνθετικο καουτσουκ Ναυλον 5 Kevlar 130 Ατσάλι υψηλής αντοχής 200

11 Μηχανικές ιδιότητες μεταξιου Υλικο αντοχή, σ max (GPa) μεταξι 0.6 Μαλλι 0.2 Συνθετικο καουτσουκ 0.05 Ναυλον 0.95 Kevlar 3.6 Ατσάλι υψηλής αντοχής 1.5

12 Μηχανικές ιδιότητες μεταξιου Υλικο εκτατικότητα, ε max Μεταξι 0.18 Μαλλι 0.5 Συνθετικο καουτσουκ 8.5 Ναυλον 0.18 Kevlar Ατσάλι υψηλής αντοχής 0.008

13 Μηχανικές ιδιότητες μεταξιου Υλικο ανθεκτικότητα (MJ/m 3 ) Μεταξι 70 Μαλλι 60 Συνθετικο καουτσουκ 100 Ναυλον 80 Kevlar 50 Ατσάλι υψηλής αντοχής 6

14 Συνθετικες ινες (Νylon) (Wallace Carothers, DuPont)

15 Συνθετικες ινες (Νylon) (Wallace Carothers, DuPont)

16 Συνθετικες ινες (Kevlar) poly(p-phenylene terepthalamide) (Stephanie Kwolek, DuPont) Ηισχυροτερησυνθετικη ινα Πλεονεκτηματα > εξαιρετικη αντοχη και απορροφηση κρουσεων, ανθεκτικο στην καυση, μικρη πυκνοτητα (1.45) Μειονεκτηματα > παραγωγη από ατμιζον θειικο οξυ, πολύ υψηλο κοστος

17 Ιστοί αραχνών (πρωτεϊνη) Ιδιότητες: 5 φορές πιο ισχυρή από μια ίνα ατσαλιού της ίδιας διαμέτρου Μπορεί να επιμηκυνθεί κατά πέντε φορές χωρίς να σπάσει Ανθεκτικό ακόμα και στους -40 C

18 DuPont Magazine, 1996

19 XAPAΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ - Διαδικασιες κατασκευης φιλικες προς το περιβαλλον - Ιεραρχημενη αρχιτεκτονικη δομων - Αυτο- οργανωση (self-assembly) - Οργανωση ανοργανων φασεων (κρυσταλλοι) από τις οργανικες (πρωτεινες)

20 self-assembly Χρησιμοποίηση της ιδέας του lego

21 «top-down» vs «bottom-up» [Ehud Gazit, 2007]

22 Μια μεγάλη πρόκληση: πως μπορούμε να παράγουμε τέτοιου είδους βιουλικά σε μεγάλες ποσότητες? Ύφασμα διαστάσεων 3,5 x 1,5 μέτρων, American Museum of Natural History, New York City, 2009 Simon Peers & Nicholas Goldey

23 Ύφασμα διαστάσεων 3,5 x 1,5 μέτρων, φτιαγμένο από ιστούς αραχνών American Museum of Natural History, New York City Για την κατασκευή του: -70 εργάτες μάζευαν επί 4 χρόνια αράχνες από τηλεφωνικούς στύλους στην Μαδαγασκάρη -12 επιπλέον εργάτες απασχολήθηκαν για να συλλέξουν περίπου 25 μέτρα νήμα από κάθε αράχνη

24 Αρχιτεκτονική των ιστών των αραχνών

25 Κατασκευή των ιστών των αραχνών

26 Κατασκευή των ιστών των αραχνών

27 Κατασκευή των ιστών των αραχνών

28 Κατασκευή των ιστών των αραχνών

29 Κατασκευή των ιστών των αραχνών

30 Κατασκευή των ιστών των αραχνών

31 Βιοσυνθεση των ιστων των αραχνων

32 Βιοσυνθεση των ιστων των αραχνων Scale bar = 50 microns

33 Είδη ιστών!!!

34 Διαδικασία ινοποίησης (spinning) Ανάλογη με αυτήν του μεταξοσκώληκα

35 Συγκριση ιδιοτητων των διαφορων ειδων των ιστών

36 Συγκριση ιδιοτητων των διαφορων ειδων των ιστών Dragline and web frame: ιστός πλαισίου και ίνα αναρρίχησης από την οποία κρέμεται η αράχνη (με κόκκινο χρώμα στην προηγούμενη διαφάνεια) Viscid, or flagelliform: ιστόςσχεδιασμένοςγια την παγίδευση των εντόμων (με μπλέ χρώμα στην προηγούμενη διαφάνεια)

37 Dragline and web frame: ιστός πλαισίου και ίνα αναρρίχησης από την οποία κρέμεται η αράχνη Το βάρος της αράχνης εξασκεί φορτίο στην ίνα (load, l) το οποίο προκαλεί μετατόπιση της ίνας κατά γωνία θ. Η δύναμη πού εξασκείται κατά την κατεύθυνση της ίνας (Fsilk) δίνεται από την σχέση: Fsilk = load / 2sinθ (sinθ = load / Fsilk) Για ίνες με μικρή εκτατικότητα, η γωνια θ είναι μικρή, αρα η Fsilk είναι μεγάλη συγκριτικά με το φορτίο. Εχει υπολογιστεί ότι το εξασκούμενο φορτίο μπορεί να μεγιστοποιηθεί για μια ίνα με εκτατικότητα = 0.42 (εκτατικότητα ΜΑsilk = 0,27, εκτατικότητα Kevlar = 0.027)

38 Συνεπώς: απαιτούμενες μηχανικές ιδιότητες ίνας πλαισίου και αναρρίχησης: Ίνα ισχυρή, αλλά ταυτόχρονα και εκτατή

39 Ίνες παγίδευσης εντόμων: σχεδιασμένες για να απορροφούν την κινητική ενέργεια του εντόμου που προσπίπτει: άραπρέπειναείναιελαστικές, αλλά ταυτόχρονα να χάνουν ενέργεια κατά τη επαναφορά, για να μην δρούν σαν καταπέλτης (μεγάλη υστέρηση) Ek (κινητική ενέργεια)=0.5mv 2

40 Συγκριση ιδιοτητων των δύο ειδών των ιστών

41 Μηχανικές ιδιότητες ιστων αραχνων Υλικο Μέτρο ελαστικότητας (GPa) Ελαστίνη Ρεζιλίνη Κολλαγόνο 1.2 Ινα μυδιών (περιφερειακή) 0.87 Ινα μυδιών (γειτονική) Ιστός αράχνης (dragline) 10 Ιστός αράχνης (viscid) Kevlar 130 Ατσάλι υψηλής αντοχής 200

42 Μηχανικές ιδιότητες ιστων αραχνων Υλικο αντοχή, σ max (GPa) Ελαστίνη Ρεζιλίνη Κολλαγόνο 0.12 Ινα μυδιών (περιφερειακή) Ινα μυδιών (γειτονική) Ιστός αράχνης (dragline) 1.1 Ιστός αράχνης (viscid) 0.5 Kevlar 3.6 Ατσάλι υψηλής αντοχής 1.5

43 Μηχανικές ιδιότητες ιστων αραχνων Υλικο εκτατικότητα, ε max Ελαστίνη 1.5 Ρεζιλίνη 1.9 Κολλαγόνο 0.13 Ινα μυδιών (περιφερειακή) 1.09 Ινα μυδιών (γειτονική) 2 Ιστός αράχνης (dragline) 0.3 Ιστός αράχνης (viscid) 2.7 Kevlar Ατσάλι υψηλής αντοχής 0.008

44 Μηχανικές ιδιότητες ιστων αραχνων Υλικο ανθεκτικότητα (MJ/m 3 ) Ελαστίνη 1.6 Ρεζιλίνη 4 Κολλαγόνο 6 Ινα μυδιών (περιφερειακή) 45 Ινα μυδιών (γειτονική) 35 Ιστός αράχνης (dragline) 160 Ιστός αράχνης (viscid) 150 Kevlar 50 Ατσάλι υψηλής αντοχής 6

45 Μηχανικές ιδιότητες ιστων αραχνων Υλικο resilience (%) Ελαστίνη 90 Ρεζιλίνη 92 Κολλαγόνο 90 Ινα μυδιών (περιφερειακή) 28 Ινα μυδιών (γειτονική) 53 Ιστός αράχνης (dragline) 35 Ιστός αράχνης (viscid) 35 Kevlar Ατσάλι υψηλής αντοχής

46 Iστοι των αραχνων - Χημικη συσταση και δομη 1) major ampullate (ΜΑ), or dragline silk (ιστός πλαισίου και ίνα αναρρίχησης) -πρωτεινη -Δυο κυρια αμινοξεα -γλυκινη -αλανινη -εναλλασομενες αλληλουχιες από poly-ala + poly-gly Προτεινομενο μοντελο δομης -poly-ala περιοχες >κρυσταλλικη Οργανωση σε β-πτυχωτα φυλλα (ανθεκτικοτητα) -poly-gly περιοχες>αμορφες (ελαστικοτητα)

47 Iστοι των αραχνων - Χημικη συσταση και δομη 2) flaggeliform, or viscid, silk (ιστός παγίδευσης εντόμων) -πρωτεϊνη -επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες GPGGX -δομή ανάλογη με της ελαστίνης (beta-spiral)?

48 Οι μηχανικές ιδιότητες των ιστών των αραχνών είναι φυσικό επακόλουθο της μοριακής δομής τους: Ο συνδυασμός ισχυρότητας (μεγάλου μέτρου ελαστικότητας) και εκτατικότητας των ινών αναρρίχησης και πλαισίου Προκύπτει από τον συνδυασμό: 1) Καλα διευθετημένων κρυσταλλικών βήτα πτυχωτών περιοχών που προσδίδουν ισχυρότητα/ ανθεκτικότητα 2) Αμόρφων / λιγώτερο καλά διευθετημένων περιοχών που προσδίδουν ελαστικότητα/ εκτατικότητα

49 Οι μηχανικές ιδιότητες των ιστών των αραχνών είναι φυσικό επακόλουθο της μοριακής δομής τους: Η ελαστικότητα του ιστού παγιδευσης εντόμων οφείλεται σε δομή πιθανώς ανάλογη με αυτήν της ελαστίνης, αλλά με μεγάλη υστέρηση

50 Iστοι των αραχνων μειονεκτηματα: συρρίκνωση στο νερό (supercontraction)

51 Οι ιστοι των αραχνων αποτελούν αντικείμενο εντατικής έρευνας με σκοπό την τεχνητή παραγωγή τους και την χρησιμοποίησή τους σε εφαρμογές

52 Άσκηση 1: Υπολογίστε την υστέρηση και την resilience για το υλικό της εικόνας

53 Άσκηση 2 (a): Μιαμύγαμεμάζα30 mg προσπίπτει σε έναν ιστό αράχνης με ταχύτητα 0.8 m/s και φρενάρεται από δυο ίνες παγίδευσης με διάμετρο 0,7 μικρόμετρα και μήκος 5 εκατοστά. Υπολογίστε την μέγιστη εκτατικότητα (ε max) κάνοντας την εξής παραδοχή: ότι η καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης είναι γραμμική με μέτρο ελαστικότητας 0,1 GPa.

54 Άσκηση 2 (b): Δεδομένου ότι η resilience των ινών είναι 35%, υπολογίστε το ποσό της ενέργειας που ελευθερώθηκε υπό μορφή θερμότητας.

55 Άσκηση 2 (c): Δεδομένου ότι οι ίνες είναι πολύ λεπτές, είναι εύκολο να διαχυθεί αυτή η θερμότητα στο περιβάλλον. Υποθέστε σε περίπτωση που δεν υπάρχει δυνατότητα διάχυσης στο περιβάλλον, κατά πόσους βαθμούς θα ανέβαινε η θερμοκρασία των ινών εάν: - η ειδική θερμοχωρητικοτητα των ινών είναι 1400 J/ K.Kg - η πυκνότητα των ινών είναι 1500 Kg/ m 3

56 Άσκηση 2 (d): Με βάση τα προηγούμενα συμπεράσματα, σχολιάστε εάν θα ήταν δυνατή η χρησιμοποίηση παχεων νημάτων φτιαγμένων από ίνες παγίδευσης για εφαρμογές, πχ. φρενάρισμα αεροσκαφών σε διαδρόμους αεροπλανοφόρων.

57 Συγκριση βιολογικών υλικων και των Δομικων τους μοτίβων Μεταξι, ελαστινη, κερατίνη κολλαγονο Κατεύθυνση της ίνας