Spinnenzijde inspireert tot nieuwe klasse van functionele polymeren

Synthetische polymeren hebben de wereld veranderd, het is bijna niet voor te stellen hoe we zonder zouden kunnen. Maar die polymeren kennen ook problemen. Het is bijvoorbeeld lastig om hun moleculaire structuur tijdens de synthese nauwkeurig te sturen. Daardoor is het lastig de eigenschappen, zoals bijvoorbeeld het vermogen om protonen te transporteren, te optimaliseren. Voor een oplossing van dit probleem keek RUG-onderzoeker Giuseppe Portale naar de natuur. Het resultaat was een nieuwe klasse van polymeren, gebaseerd op eiwit-achtig materiaal, die protonen geleiden en nuttig kunnen zijn in toekomstige bio-elektrische toepassingen. Zijn onderzoek is op 17 juli gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.

‘Ik werk al sinds mijn promotie regelmatig aan materiaal dat protonen geleidt’, vertelt Portale. ‘Ik vind het fascinerend om te leren begrijpen waarom materialen protonen geleiden. Daarom heb ik veel moeite gestoken in het optimaliseren van de nanostructuur om geleiding te verbeteren.’ Pas enkele jaren gelden kreeg hij het idee om hierbij biologische, eiwit-achtige structuren te gaan gebruiken. Dit ontstond in gesprekken met toenmalig RUG-collega Andreas Hermann, inmiddels werkzaam aan het DWI - Leibniz Institute for Interactive Materials in Duitsland. ‘We zagen al snel dat proton-geleidende biopolymeren nuttig konden zijn voor toepassingen zoals bio-elektronica of sensoren’, vertelt Portale.

Meer actieve groepen, meer geleiding

Maar eerst moesten ze uitzoeken of hun idee echt kon werken. ‘Het eerste doel was om te bewijzen dat we de protongeleiding van op eiwit gebaseerde polymeren nauwkeurig konden afstellen via variatie van het aantal ioniseerbare groepen per polymeerketen.’ Om dat te bereiken maakten de onderzoekers een aantal structuurloze biopolymeren met verschillende aantallen ioniseerbare groepen, in dit geval carbonzuur. De protongeleiding bleek gelijk op te gaan met het aantal geladen carbonzuurgroepen per polymeerketen. ‘Dat is niet echt vernieuwend, het concept was al bekend, maar we waren opgetogen dat we iets konden maken dat precies werkte zoals we hadden voorspeld’, vertelt Portale.

Voor de volgende stap gebruikte Portale zijn kennis van synthetische polymeren. ‘Ik heb in al die jaren geleerd dat de nanostructuur van een polymeer belangrijk is voor de geleiding. Met de jusite structuur kunnen ladingen zich bundelen en dat zorgt voor een toename van geïoniseerde groepen die de protongeleiding sterk doen toenemen.’ De biopolymeren in het eerste experiment waren structuurloos, dus was er nu een ander materiaal nodig. De onderzoekers besloten een eiwit met een vat-structuur dat ze al kenden te gebruiken. ‘We maakten dit eiwit en voegden aan het oppervalk strengen toe met carbonzuur’, legt Portale uit. ‘Dat deed de geleiding flink toenemen.’

Nieuw spinnenzijde polymeer

Het werkte, maar dit vat-vormige polymeer is niet echt praktisch: het is niet sterk en lastig te verwerken, dus zochten Portale en zijn collega’s naar een alternatief. Zij kwamen uit bij een bekend natuurlijk polymeer: spinnenzijde. ‘Dit is een van de meest fascinerende natuurlijke materialen, het is zeer sterk en veelzijdig’, zegt Portale. ‘Ik wist dat spinnenzijde een interessante nanostructuur heeft. Daarom maakten we een eiwit-achtig polymeer dat dezelfde basisstructuur heeft als spinnenzijde, maar met als toevoeging strengen carbonzuur.’

Het nieuwe materiaal werkte uitstekend. ‘We vonden dat het via zelf-assemblage op nanoschaal een structuur vormt die sterk lijkt op die van spinnenzijde, waarbij zich ook op elkaar gepakte geladen groepen vormen die de protongeleiding vergroten’, legt Portale uit. ‘We konden er bovendien een stevige membraan op centimeterschaal van maken.’ De gemeten protongeleiding was hoger dan in enig ander bekend biomateriaal. Toch is het doel nog niet bereik, benadrukt Portale: ‘Dit was allemaal fundamenteel onderzoek. Om het materiaal toe te kunnen passen moeten we het nog verbeteren en zorgen dat het eenvoudiger te verwerken is.’

Dromen

Hoewel het werk nog lang niet klaar is, dromen Portale en zijn collega’s al van toepassingen voor hun polymeer: ‘We denken dat het nuttig kan zijn als membraan in brandstofcellen. Misschien niet in hele grote cellen, zoals in auto’s of fabrieken, maar meer in kleinschalige toepassingen. Er komen steeds meer implanteerbare bio-elektronische apparaten, zoals een pacemaker die zijn energie haalt uit glucose. De komende jaren gaan we uitzoeken of ons polymeer daarin bruikbaar is. Het materiaal is ten slotte al compatibel met biologische systemen.’

Op korte termijn denkt Portale vooral aan toepassingen in sensoren. ‘De geleiding die we meten in ons materiaal hangt af van allerlei factoren in de omgeving, zoals vochtigheid of temperatuur. Dus als je iets bij een bepaalde luchtvochtigheid wilt bewaren, zou je dit polymeer tussen twee elektroden kunnen zetten, om zo veranderingen op te pikken.’ Maar voordat al deze dromen werkelijkheid kunnen worden moet er nog veel vragen worden beantwoord. ‘Ik ben er trots op dat we dit nieuwe materiaal op moleculair niveau kunnen afstemmen, en dat we ze helemaal kunnen maken zoals we willen. Maar er valt nog veel te leren over de mogelijkheden die dit materiaal biedt, en hoe we die verder kunnen verbeteren.’

Referentie: Chao Ma, Jingjin Dong, Marco Viviani, Isotta Tulini, Nicola Pontillo, Sourav Maity, Yu Zhou, Wouter H. Roos, Kai Liu, Andreas Herrmann, and Giuseppe Portale: De novo rational design of a freestanding, supercharged polypeptide, proton-conducting membrane. Science Advances, 17 Juli 2020