Microfluidic droog-spinnen en karakterisering van geregenereerde zijde Fibroin vezels
Summary
Een protocol voor de microfluidic spinnen en karakterisering van de microstructuur van geregenereerde zijde fibroin monofilament wordt gepresenteerd.
Abstract
Het protocol wordt een methode voor het nabootsen van de draaiende proces van zijderups gedemonstreerd. In het proces van inheemse spinnen kan de aanbestedende draaiende buis de zijde proteïnen compact en geordende door scheren en rek troepen. Hier, was een biomimetische microfluidic kanaal ontworpen na te bootsen de specifieke geometrische vorm van de draaiende buis van de zijderups. Geregenereerde zijde fibroin (RSF) spinnen doped met hoge concentratie, was warm geperst via de microchannel aan droge-spin vezels bij kamertemperatuur en druk. In het proces van post behandelde, waren de vezels als-gesponnen getrokken en opgeslagen in ethanol waterige oplossing. Synchrotronstraling groothoek röntgendiffractie (SR-WAXD) technologie werd gebruikt voor het onderzoeken van de microstructuur van één RSF vezels, die werden bevestigd aan een monsterhouder met de RSF vezel as loodrecht op de microbeam van de X-ray. De kristalliniteit, crystallite formaat en kristallijne afdrukstand van de vezel werden berekend op basis van de gegevens van de WAXD. De diffractie bogen in de buurt van de evenaar van de twee-dimensionale WAXD patroon aangeven dat de post behandelde RSF vezel een hoge oriëntatie graad heeft.
Introduction
Spin en zijderupsen kunnen produceren uitstekende zijde vezel van waterige eiwit oplossing bij kamertemperatuur en druk. Schuintrekken en extensionele stroom kan leiden tot de vorming van vloeibare kristallen textuur in de silk klier1. In de afgelopen jaren is er een grote interesse in het nabootsen van het proces van de spinnen van de spin te produceren hoge sterkte kunstmatige vezels. Worden echter grote hoeveelheden van spider silk eiwit kunnen niet geproduceerd efficiënt en economisch door landbouw spinnen als gevolg van kannibalisme. Aanzienlijke hoeveelheden van zijderupsen zijde kunnen gemakkelijk worden verkregen door de landbouw. Anders, de zijderups en de spider hebben een soortgelijke spinnen proces en aminozuur samenstelling. Daarom is zijderupsen zijde fibroin geselecteerd als invaller te draaien van kunstmatige dierlijke zijde door vele onderzoekers.
Spin en zijderupsen extruderen eiwit oplossing via hun draaiende buis in vezels in de lucht. De krachten van de hoge stress gegenereerd langs de draaiende buis waarschijnlijk rekken de zijde fibroin moleculen naar een meer uitgebreide conformatie2. Kunstmatige zijde vezels hebben zijn gesponnen met behulp van conventionele natte spinnen en droog-draaiende processen3,4, waarin geen rekening wordt gehouden met de vloeistof krachten gegenereerd in de draaiende buis.
Eerst, microfluidic benaderingen werden gebruikt om de onderzoeken van de vergadering van zijde eiwit5,6. Microfluidic vervaardiging van RSF was studeerde vervolgens, via de schuintrekken en extensionele krachten7,8te modelleren. Youngs modulus en diameter van RSF vezels kunnen worden afgestemd door microfluidic natte spinnen, maar de treksterkte van getekende vezel was minder dan 100 MPa7. Tot slot, hoge sterkte RSF vezels met succes werden opgesteld met behulp van de methode microfluidic droog-spinnen, maar de diameter van de vezel is alleen 2 µm8. Microfluidic natte spinnen was onlangs met succes gebruikt in de productie van hoge sterkte recombinante spin zijde vezel. De post spinnen tekening in lucht verbeterd de gebreken van het oppervlak en interne van kunstmatige vezels9.
In deze studie, wordt de verbeterde microfluidic spinnen proces voor RSF fiber ingevoerd. Het heeft tot doel om na te bootsen de draaiende proces van zijderups zijde, met inbegrip van de spinnen dope, schuintrekken krachten, en droog-draaiende proces. Deze spinnen-methode niet alleen hoge sterkte kunstmatige zijde vezel kan produceren, maar ook de diameter van de vezel kunt aanpassen. Ten eerste was de RSF spinnen dope geschoren en langwerpige in een biomimetisch kanaal met een tweede bestelling exponentiële afname. Ten tweede, de invloeden van relatieve vochtigheid (RH) op de vezel morfologie en eigenschappen werden bestudeerd in de microfluidic droog-draaiende proces10. Vergeleken met de conventionele spinnen spinneret, ons microfluidic-systeem is zeer biomimetische en kan worden gebruikt voor het produceren van hoge sterkte vezel van oplossingen bij kamertemperatuur door het droge of natte methode spinnen.
Als gevolg van de hoge resolutie, hoge-helderheid en hoog-energetische van de synchrotronstraling microfocus X-ray, kan het worden gebruikt voor het karakteriseren van de microstructuur van een enkele vezel met een diameter van enkele micrometers4,11 , 12 , 13 , 14. hier, SR-WAXD techniek werd gebruikt voor het berekenen van de kristalliniteit, de grootte van de crystallite en de kristallijne richting van RSF vezels.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tijdens de dialyse van de RSF oplossing is de pH-waarde essentieel voor de volgende concentratieproces. Als de pH-waarde van het gedeïoniseerd water kleiner dan 6 is, zullen de RSF oplossing gemakkelijker gel tijdens de concentratie. Om te voorkomen dat de gelering, wordt CaCl2 toegevoegd aan de RSF oplossing. De concentratie van CaCl2 is 1 mmol per gewicht van RSF.
Onze vorige werk aangetoond de mogelijkheid van microfluidic droog-spinnen van een waterige oplossing RSF<…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk wordt gesponsord door de National Natural Science Foundation of China (21674018), de nationale sleutel-onderzoek en ontwikkeling programma van China (2016YFA0201702 /2016YFA0201700) en de “Shuguang programma” ondersteund door Shanghai Education Development Stichting en Shanghai gemeentelijk onderwijs Commissie (15SG30), DHU onderscheiden jonge Professor programma (A201302), het fundamenteel onderzoeksmiddelen voor de universiteiten van de centrale, en de 111 Project (No.111-2-04).
Materials
| B. mori Cocoons | Farmer in Tongxiang, Zhejiang Province, China | ||
| Sodium carbonate, anhydrous, 99.8% | Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co., Ltd., China | Analytically Pure | |
| Lithium bromide, 99.1% | Shanghai China Lithium Industrial Co., Ltd., China | Analytically Pure | |
| Calcium chloride, anhydrous, 96.0% | Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co., Ltd., China | Analytically Pure | |
| Ethanol, anhydrous, 99.7% | Sinopharm Group Chemical Reagent Co.,Ltd., China | 10009218 | Analytically Pure |
| SU-8 photoresist | MicroChem Corp., USA | ||
| Developing solution | MicroChem Corp., USA | ||
| Sylgard 184 | Dow Corning, USA | ||
| Isopropanol | Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co., Ltd., China | Analytically Pure | |
| Concentrated sulfuric acid | Pinghu Chemical Reagent Factory, China | Analytically Pure | |
| 30 vol% hydrogen peroxide | Shanghai Jinlu Chemical reagent Co., Ltd., China | Analytically Pure | |
| Acetone | Shanghai Zhengxing Chemical Reagent Factory, China | Analytically Pure | |
| Oxygen plasma treatment | DT-01, Suzhou Omega Machinery Electronic Technology Co., Ltd., China | ||
| Syringe pump | KD Scientific, USA | KDS 200P | |
| Humidifier | SEN electric | ||
| Driller | Hangzhou Bo Yang Machinery Co., Ltd., China | bench drilling machine Z406c | |
| Material testing system | Instron, USA | Model: 5565 | |
| PeakFit | Systat Software, Inc., USA | Version 4.12 |
Riferimenti
- Asakura, T., et al. Some observations on the structure and function of the spinning apparatus in the silkworm Bombyx mori. Biomacromolecules. 8 (1), 175-181 (2007).
- Vollrath, F., Knight, D. P. Liquid crystalline spinning of spider silk. Nature. 410 (6828), 541-548 (2001).
- Zhou, G. Q., Shao, Z. Z., Knight, D. P., Yan, J. P., Chen, X. Silk Fibers Extruded Artificially from Aqueous Solutions of Regenerated Bombyx mori Silk Fibroin are Tougher than their Natural Counterparts. Adv Mater. 21 (3), 366-370 (2009).
- Sun, M. J., Zhang, Y. P., Zhao, Y. M., Shao, H. L., Hu, X. C. The structure-property relationships of artificial silk fabricated by dry-spinning process. J Mater Chem. 22 (35), 18372-18379 (2012).
- Martel, A., et al. Silk Fiber Assembly Studied by Synchrotron Radiation SAXS/WAXS and Raman Spectroscopy. J Am Chem Soc. 130 (50), 17070-17074 (2008).
- Rammensee, S., Slotta, U., Scheibel, T., Bausch, A. R. Assembly mechanism of recombinant spider silk proteins. P Natl Acad Sci USA. 105 (18), 6590-6595 (2008).
- Kinahan, M. E., et al. Tunable silk: using microfluidics to fabricate silk fibers with controllable properties. Biomacromolecules. 12 (5), 1504-1511 (2011).
- Luo, J., et al. Tough silk fibers prepared in air using a biomimetic microfluidic chip. Int J Biol Macromol. 66, 319-324 (2014).
- Peng, Q. F., et al. Recombinant spider silk from aqueous solutions via a bio-inspired microfluidic chip. Sci Rep. 6, (2016).
- Peng, Q. F., Shao, H. L., Hu, X. C., Zhang, Y. P. Role of humidity on the structures and properties of regenerated silk fibers. Prog Nat Sci-Matter. 25 (5), 430-436 (2015).
- Sampath, S., et al. X-ray diffraction study of nanocrystalline and amorphous structure within major and minor ampullate dragline spider silks. Soft Matter. 8 (25), 6713-6722 (2012).
- Martel, A., Burghammer, M., Davies, R. J., Riekel, C. Thermal Behavior of Bombyx mori silk: Evolution of crystalline parameters, molecular structure, and mechanical properties. Biomacromolecules. 8 (11), 3548-3556 (2007).
- Pan, H., et al. Nanoconfined crystallites toughen artificial silk. J Matter Chem B. 2 (10), 1408-1414 (2014).
- Zhang, C., et al. Microstructural evolution of regenerated silk fibroin/graphene oxide hybrid fibers under tensile deformation. Rsc Adv. 7 (6), 3108-3116 (2017).
- Wei, W., et al. Bio-inspired capillary dry spinning of regenerated silk fibroin aqueous solution. Mat Sci Eng C-Mater. 31 (7), 1602-1608 (2011).
- Jin, Y., Zhang, Y. P., Hang, Y. C., Shao, H. L., Hu, X. C. A simple process for dry spinning of regenerated silk fibroin aqueous solution. J Mater Res. 28 (20), 2897-2902 (2013).
- Jin, Y., Hang, Y. C., Zhang, Y. P., Shao, H. L., Hu, X. C. Role of Ca2+ on structures and properties of regenerated silk fibroin aqueous solutions and fibres. Mater Res Innov. 18, 113-116 (2014).
- Koh, L. D., et al. Structures, mechanical properties and applications of silk fibroin materials. Prog Polym Sci. 46, 86-110 (2015).
- McDonald, J. C., Whitesides, G. M. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic devices. Accounts Chem Res. 35 (7), 491-499 (2002).
- Knight, D. P., Vollrath, F. Liquid crystals and flow elongation in a spider’s silk production line. P Roy Soc B-Biol Sci. 266 (1418), 519-523 (1999).
