Bioinspired materials: Non-covalent modification of nanofibrillated cellulose and chitin via genetically engineered proteins and multilayered graphene

Luonnon nanokomposiittimateriaalit, kuten helmiäissimpukan kuori, luu ja puu, omaavat synergisiä mekaanisia ominaisuuksia, joissa yhdistyvät jäykkyys, vahvuus ja sitkeys kevyessä rakenteessa. Suurin osa ihmisen tekemistä synteettisistä materiaaleista noudattaa ”rule-of-mixtures”-sääntöä, jossa jäykkyys ja sitkeys ovat toisen pois sulkevia ominaisuuksia. Biomimeettiset lähestymistavat tutkivat ja pyrkivät jäljittelemään luonnon luomia konsepteja ja materiaalirakenteita tavoitteena kehittää uusia biomimeettisia ja parempia ominaisuuksia omaavia materiaaleja. Viime vuosien tutkimukset ovat osoittaneet, että monet toivottavat materiaaliominaisuudet perustuvat useiden eri kokoluokkien yli ulottuviin itsejärjestäytyneisiin hierarkkisiin rakenteisiin. Molekyylirakennetason suunnittelun ja hallinnan tiedetään olevan erityisen tärkeää luonnon nanokomposiittimateriaalien rajapinnoilla, joissa pehmeämpi matriisi yhdistyy jäykempien vahvistavien rakenteiden kanssa. Tässä työssä tutkittiin, kuinka biopolymeerimatriiseja voidaan suunnitella ja muokata molekyylitasolla käyttäen hyväksi geneettisesti luotuja proteiineja sekä grafeiinihiutaleita. Tavoitteena on makroskooppisten mekaanisten ominaisuuksien molekyylitason hallinta. Tulokset osoittavat, että biopolymeeriverkostoja voidaan funktionalisoida ei-kovalenttisesti miedoissa vesipohjaisissa ympäristöissä mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttaen. Julkaisuissa I ja II käytettiin geneettisesti luotuja fuusioproteiineja. Fuusioproteiinit muodostuivat joko hydrofobiinista yhdistettynä kaksinkertaiseen selluloosasitoutumisdomeeniin tai pelkästä kaksinkertaisesta selluloosasitoutumisdomeenista. Fuusioproteiineilla muokattiin nanofibrilloituja selluloosan verkostoja eri kosteustiloissa. Julkaisussa III muokattiin nanofibrilloitua kitiiniverkostoa ei-kovalenttisesti geneettisesti luodun fuusioproteiinin avulla. Kyseinen proteiini sisälsi kitiinisitoutumisdomeenin ja aspeiinin, joka mahdollisti ionisten vuorovaikutusten hyödyntämisen sekä kalsiumkarbonaatin kiteyttämisen. Julkaisussa IV kuorittiin monikerroksisia grafeiinihiutaleita suoraan nanofibrilloituun selluloosamatriisin, josta valmistetuilla nanokomposiittimateriaaleilla oli parannettuja mekaanisia ominaisuuksia. Ei-kovalenttinen ja kolloidaalinen biopolymeerimatriisien modifiointi on tehokas menetelmä tutkia ja luoda uusia monitoiminnallisia nanokomposiittimateriaaleja muokkaamalla pehmeiden ja vahvistavien rakenteiden rajapintoja. Geneettisesti muokattuja proteiineja voidaan pitää lupaavina toiminnallisina komponentteina tulevaisuuden biomimeettisiin ja rakenteellisiin materiaaleihin. Luonnon materiaalit ja systeemit tulevat jatkossakin toimimaan inspiraation lähteenä sekä tarjoamaan toimintaperiaatteita uusien biomimeettisten materiaalien luomiseen.