Oxidación eficiente y nano-dispersión de fibras de seda Bombyx mori y Antheraea pernyi para membranas de alto rendimiento

Resumen

Reportamos un método escalable y ambientalmente benigno que oxida fibras de seda Bombyx mori (BS) y Antheraea pernyi (AS) con hipoclorito de sodio, luego sonica la suspensión oxidada para obtener nanofibras de seda individuales (SN) de ~105–112 nm de diámetro y >1 µm de longitud. El moldeo de estas SN produce membranas ópticamente transparentes (≥75 % transmisión de luz) mecánicamente robustas (≈4,5 GPa módulo de Young) e hidrofílicas mejoradas. Ajustando el pH, las SN cargadas negativamente se agregan y pueden re-dispersarse, permitiendo concentración hasta ~20 % en peso —un aumento 100 veces sobre la dispersión inicial— facilitando almacenamiento, transporte e ingeniería posterior.

Introducción

Los materiales jerárquicos en la naturaleza entregan propiedades superiores combinando química de polímeros con organización estructural. Imitar esta estrategia en materiales sintéticos demanda procesos que preserven nanoestructuras nativas siendo rentables y escalables. Métodos tradicionales para aislar nanofibras de celulosa o quitina —como oxidación mediada por TEMPO— dependen de reactivos costosos o tóxicos y típicamente producen dispersiones de baja concentración, limitando uso práctico. La seda, producida por insectos y arañas, también presenta una arquitectura fibrosa multi-escala, ofreciendo rendimiento mecánico y bioquímico notable. Sin embargo, extraer nanofibras de seda individuales sigue siendo un desafío debido a la alta cristalinidad y fuerte adhesión inter-fibrilar inherente a la fibroína de seda.

Nuestro enfoque adapta el concepto de oxidación selectiva sin necesidad de catalizadores TEMPO o NaBr. Al introducir grupos carboxilo mediante oxidación con NaClO, logramos repulsión electrostática suficiente para dispersar fibras de seda en nanofibras estables, manteniendo el núcleo cristalino β-hoja que confiere resistencia. Las SN resultantes demuestran características ópticas, mecánicas y de mojado superiores, y un comportamiento único de agregación-dispersión impulsado por pH que permite empaquetado de alta densidad.

Materiales y Métodos

Oxidación de Fibras de Seda Desensambladas

Fibras BS y AS crudas (Xiehe Silk Co.) se hirvieron en 0,02 M Na₂CO₃ (1:400 p/p) durante 30 min, se lavaron y secaron. Las fibras desengomadas se sumergieron en ácido fórmico 88 % (1:20 p/p) a temperatura ambiente ≥1 h, seguido de homogenización a 10.000 rpm durante 3 min. Centrifugación a 8.000 rpm produjo fibras desensambladas sólidas.

Para oxidación, 1 g de fibras desensambladas se añadió a 100 mL agua. NaClO se introdujo mientras NaOH mantenía pH 10; la reacción se detuvo con 0,5 M HCl a pH 7. La fracción insoluble en agua se recogió por centrifugación (10.000 rpm), se lavó y sonicó (19,5 kHz, 300 W, 20 min) en baño de hielo para evitar sobrecalentamiento, produciendo la dispersión de SN.

Difracción de Rayos X

Los patrones de difracción se registraron en un Rigaku Ultima IV con Cu-Kα (λ = 0,1542 nm). La deconvolución se realizó con PeakFit 4.0, con posiciones de pico fijadas por análisis de segunda derivada.

Morfología

Dispersiones de SN diluidas (0,01 % p/p) se depositaron en obleas de silicio o rejillas de Cu recubiertas de carbono, se secaron e imagenaron por SEM JEOL JSM-7600F (5 kV) y TEM FEI Titan 80-300 (80 kV). Las dimensiones de partícula se cuantificaron con ImageJ.

Pruebas Mecánicas

Membranas (~50 µm de espesor) de BS, AS, celulosa (CN) y quitina (ChN) nanofibras se moldearon por evaporación de solvente. Tiras (60–80 mm × 5 mm) se probaron en un tester universal AG-Xplus (1 mm/min, luz inicial 20 mm).

Propiedades Ópticas y de Mojado

La transmitancia (350–800 nm) se midió con un Ultrospec 2100 pro. Los ángulos de contacto se determinaron con un medidor de gota (Kyowa Interface Science), analizando gotas de agua de 4 µL dentro de 0,5 s.

Resultados y Discusión

Oxidación y Aislamiento de Nanofibras de Seda

Nuestro flujo de trabajo (Figura 1) comienza con pretratamiento con ácido fórmico, produciendo microfibras (5–20 µm). La posterior oxidación con NaClO (mantenida a pH 10) introduce grupos carboxilo convirtiendo grupos hidroximetilo de serina. La concentración de carboxilo aumentó linealmente con la adición de NaClO; 10 mM g⁻¹ proteína proporcionó ~0,72 mg g⁻¹ (BS) y ~0,84 mg g⁻¹ (AS) preservando >75 % de la masa proteica.

La sonicación de la fracción insoluble en agua oxidada produjo SN con diámetros de 105 ± 27 nm (BS) y 112 ± 33 nm (AS) y longitudes >1 µm, logrando un rendimiento ~50 % relativo a la entrada oxidada.

Cristalinidad

XRD confirmó que la cristalinidad β-hoja permaneció intacta tras oxidación. La deconvolución reveló un aumento de cristalinidad de 24,8 % a 41,3 % (BS) y 22,9 % a 39,2 % (AS) tras tratamiento con 10 mM g⁻¹ NaClO, reflejando eliminación selectiva de regiones amorfas sin comprometer el núcleo cristalino.

Rendimiento de Membranas

Las membranas de SN fueron ópticamente claras (>75 % transmitancia), mecánicamente fuertes (módulo de Young 4,51 ± 0,71 GPa para BS, 4,43 ± 0,23 GPa para AS) y más hidrofílicas que seda regenerada (ángulos de contacto 58,8° BS, 55,7° AS, 40,3° CN, 52,5° ChN).

Agregación-Dispersión Responsiva a pH

Las SN llevan un potencial zeta negativo (~−40 mV) a pH neutro. Reducir el pH protege las cargas carboxilo, causando agregación; elevar pH >7 re-dispersa las fibras. Los agregados pueden recuperarse por centrifugación y re-dispersarse, logrando una concentración ~100 veces mayor (≈20 % p/p) desde la dispersión inicial ~0,2 % p/p, subrayando su idoneidad para administración de fármacos y manejo conveniente.

Conclusiones

Demostramos una ruta simple y escalable a nanofibras de seda BS y AS individuales vía oxidación con NaClO sin catalizadores tóxicos. Las SN ~110 nm poseen alta relación de aspecto, mantienen integridad cristalina y forman membranas transparentes y robustas. Su agregación-dispersión controlada por pH y empaquetado de alta densidad las hacen atractivas para aplicaciones avanzadas de materiales y biomédicas.