Silk based nanocomposites for biophotonic and optical devices

In the last decade silk fibroin (SF), the protein extracted from the silk fibers, emerged as an attractive material for biophotonic applications due to its biocompatibility combined with unique mechanical and optical properties. A strategy to enhance the optical properties of silk, and to simultaneously introduce specific functionalities, is to combine silk with some specific inorganic, organic or biological compounds. The work here presented reports the results achievable by combining silk with two different inorganic nanoparticles for the fabrication of optical nanostructured devices. The first strategy investigated was to combine silk with titanate nanosheets (TNSs), a 2D precursor of TiO2, in order to significantly increase the refractive index of silk while preserving all its specific properties. The structural and functional characterizations of the SF-TNSs composites were performed to correlate the material structure with its properties. In particular, the ion exchange process was investigated as a strategy to easy functionalize post-process the material. A second strategy that was investigated exploits the combination of gold nanoparticles within the silk matrix in order to introduce plasmonic functionalities in the material. Specifically, in this first phase, the inclusion of gold nanoparticles was exploited to induce localized heating thanks to the excitation of the nanoparticles plasmon resonance, an effect that can be potentially used in biomedical applications in the treatment of bacterial infections. Finally, the fabrication of simple optical and photonic devices with the nanocomposites, such as multilayer Bragg reflectors and inverse opals, was demonstrated. In particular, a bioinspired multilayer optical structured was fabricated with the SF-TNSs material, showing a stimuli-responsive behavior, which results in a reversible change of structural coloration in response to humidity.

Nell'ultimo decennio la fibroina di seta (SF), la proteina estratta dalle fibre prodotte dal baco, è emersa come candidato ideale per applicazioni biofotoniche grazie alla sua biocompatibilità combinata con proprietà meccaniche ed ottiche uniche. Una strategia per migliorare le proprietà ottiche della seta e per introdurre contemporaneamente funzionalità specifiche è quella di combinare tale materiale con composti inorganici, organici o biologici specifici. Il lavoro qui presentato riporta i risultati ottenuti dalla combinazione della fibroina con due diverse nanoparticelle inorganiche per la fabbricazione di dispositivi ottici nanostrutturati. La prima strategia proposta ha previsto la combinazione della seta con nanosheets di titanato (TNSs), un precursore 2D di TiO2, al fine di aumentarne significativamente l'indice di rifrazione pur conservandone tutte le proprietà specifiche. Si sono eseguite caratterizzazioni strutturali e funzionali del nanocomposito SF-TNSs al fine di correlare la struttura del materiale con le sue proprietà. In particolare, si è studiato il processo di scambio ionico come metodo per la funzionalizzazione post fabbricazione del materiale. Una seconda strategia investigata sfrutta invece la combinazione di nanoparticelle d'oro con la matrice di seta per introdurre funzionalità plasmoniche nel materiale. In particolare, in questa prima fase, l'inclusione di nanoparticelle d'oro è stata sfruttata per indurre riscaldamento localizzato grazie all'eccitazione della risonanza plasmonica, un effetto potenzialmente utilizzato nelle applicazioni biomediche nel trattamento delle infezioni batteriche. Infine, sono state realizzate semplici strutture ottiche e fotoniche con i nanocompositi sintetizzati, quali riflettori Bragg multistrato e opali inversi.