الغزل الجاف موائع جزيئية وتوصيف الألياف المجددة Fibroin الحرير
Summary
ويرد على بروتوكول للغزل موائع جزيئية وتوصيف المجهرية من شعيرات fibroin الحريرية المجددة.
Abstract
البروتوكول يوضح طريقة لمحاكاة عملية الغزل من دودة القز. في عملية الغزل الأصلية، تمكن القناة الغزل المتعاقدة بروتينات الحرير المدمجة وأمرت قوات القص واستطالة. هنا، تم تصميم قناة موائع جزيئية المحاكاة البيولوجية لتقليد الهندسة المحددة من لاصق الغزل من دودة القز. كان مقذوف الغزل fibroin الحريرية المجددة (مراسلون بلا حدود) يخدر بتركيز عال، من خلال microchannel لألياف الجاف-تدور في درجة حرارة الغرفة والضغط. في عملية ما بعد المعالجة، واستخلاص الألياف نسج والمخزنة في المحلول الإيثانول. تم استخدام تكنولوجيا حيود الأشعة السينية واسعة الزاوية (SR-واكسد) الإشعاع السنكروتروني التحقيق المجهرية واحد ألياف منظمة مراسلون بلا حدود، التي كانت ثابتة على حامل عينة مع محور الألياف مراسلون بلا حدود العادي إلى ميكروبيم من الأشعة السينية. كريستالينيتي، كريستاليتي حجم واتجاه الألياف البلورية حسبت من بيانات واكسد. أقواس حيود قرب خط الاستواء لنمط واكسد ثنائي الأبعاد تشير إلى أن الألياف مراسلون بلا حدود ما بعد المعالجة بدرجة عالية توجه.
Introduction
دودة القز والعنكبوت يمكن أن تنتج ألياف الحرير المعلقة من حل البروتين مائي في درجة حرارة الغرفة والضغط. يمكن أن يستحث تدفق القص واكستينسيونال تشكيل مادة الكريستال السائل في الغدة الحرير1. في السنوات الأخيرة، كان هناك اهتمام كبير بمحاكاة عملية الغزل العنكبوت من أجل إنتاج ألياف اصطناعية عالية القوة. ومع ذلك، لا يمكن إنتاج كميات كبيرة من بروتين حرير العنكبوت كفاءة واقتصادياً بتربية العناكب بسبب أكل لحوم البشر. يمكن الحصول على كميات كبيرة من الحرير دودة القز بسهولة بالزراعة. خلاف ذلك، يكون بدودة القز والعنكبوت تكوين العملية والأحماض الأمينية غزل مماثل. ولذلك، يتم تحديد دودة القز الحرير fibroin كبديل تدور الحرير الاصطناعي الحيوان بكثير من الباحثين.
دودة القز والعنكبوت بثق حل البروتين من خلال مجرى الغزل بهم إلى الألياف في الهواء. قوي التحمل عالية المتولدة على طول مجرى الغزل الأكثر احتمالاً تمتد الجزيئات fibroin الحرير إلى تكيف أكثر موسعة2. الحرير الصناعي قد تم نسج الألياف باستخدام التقليدية الغزل الرطب والجاف-الغزل العمليات3،4، التي لا تأخذ في الاعتبار القوات السوائل التي تم إنشاؤها في القناة الغزل.
أولاً، استخدمت النهج موائع جزيئية للتحقيق في الجمعية العامة من بروتين الحرير5،6. ثم درست تلفيق موائع جزيئية لمنظمة مراسلون بلا حدود عن طريق النمذجة الإمالة واكستينسيونال7،قوات8. معامل يونغ والقطر من ألياف مراسلون بلا حدود يمكن ضبطها بالغزل الرطب موائع جزيئية ولكن قوة الشد من الألياف تعادل أقل من 100 MPa7. وأخيراً، أعدت قوة عالية الألياف مراسلون بلا حدود بنجاح باستخدام الأسلوب الجاف-الغزل موائع جزيئية، ولكن قطر الألياف هو فقط 2 ميكرومتر8. في الآونة الأخيرة، استخدمت الغزل الرطب موائع جزيئية بنجاح في إنتاج الألياف الحريرية العنكبوت المؤتلف قوة عالية. الرسم بعد الغزل في الهواء تحسين العيوب الداخلية والسطحية للألياف الاصطناعية9.
في هذه الدراسة، هو عرض موائع جزيئية تحسن الغزل العملية للألياف مراسلون بلا حدود. ويهدف إلى محاكاة عملية الغزل دودة القز الحرير، بما في ذلك المخدر الغزل، القص القوات، وعملية الغزل الجاف. هذا الأسلوب للغزل لا يمكن إنتاج ألياف الحرير الاصطناعي قوة عالية فحسب، بل أيضا يمكن ضبط قطر الألياف. أولاً، مراسلون بلا حدود الغزل منشطات المنفصمة وممدود في قناة بيوميميك مع تحلل أسي ثاني ترتيب. وثانيا، درست تأثيرات الرطوبة النسبية (RH) على مورفولوجيا الألياف والخصائص في عملية الغزل الجاف موائع جزيئية10. مقارنة مغزال الغزل التقليدية، هو الغاية من المحاكاة البيولوجية نظامنا موائع جزيئية ويمكن استخدامها لإنتاج الألياف عالية القوة من الحلول في درجة حرارة الغرفة قبل الجاف أو الرطب الغزل الأسلوب.
سبب عالية الدقة، عالية السطوع، والجسيمات ذات الطاقة العالية من الإشعاع السنكروتروني ميكروفوكوس الأشعة السينية، يمكن استخدامه لوصف المجهرية من ألياف بصرية واحدة يبلغ قطرها عدة ميكرومتر4،11 , 12 , 13 , 14-وهنا استخدمت تقنية واكسد ريال لحساب كريستالينيتي، كريستاليتي حجم واتجاه بلوري من ألياف منظمة مراسلون بلا حدود.
Protocol
Representative Results
Discussion
أثناء الغسيل الكلوي الحل مراسلون بلا حدود، قيمة pH حاسمة بالنسبة لعملية تركيز التالية. إذا كانت قيمة الرقم الهيدروجيني المياه أصغر من 6، سيكون من الأسهل جل أثناء عملية تركيز حل منظمة مراسلون بلا حدود. لتجنب جيليشن، يتم إضافة كاكل2 إلى حل منظمة مراسلون بلا حدود. تركيز كاكل2 ميللي ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا العمل يتم تحت رعاية مؤسسة العلوم الطبيعية الوطنية الصينية (21674018)، والبحوث الرئيسية الوطنية وبرنامج التنمية في الصين (2016YFA0201702/2016YFA0201700)، وفي “شو” دعم البرنامج عن طريق “تطوير التعليم في شانغهاي” مؤسسة وشنغهاي البلدية لجنة التعليم (15SG30)، ذو تميز برنامج الأستاذ الشباب (A201302)، أموال البحوث الأساسية للجامعات المركزية، والمشروع 111 (رقم 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 |
References
- 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).
