Summary

Mikrofluid tør-spinning og karakterisering af folier silke Fibroin fibre

Published: September 04, 2017
doi:

Summary

En protokol til mikrofluid spinning og mikrostruktur karakterisering af folier silke fibroin monofilamenter præsenteres.

Abstract

Protokollen viser en metode til at efterligne udspinding af avlen. I den oprindelige udspinding giver ordregivende spinning kanalen silke proteiner at være kompakt og bestilt af klipning og brudforlængelse styrker. Her, blev en biomimetiske mikrofluid kanal designet til at efterligne spinning kanalen af silkworm specifikke geometri. Folier silke fibroin (RSF) spinning doteret med høj koncentration, var ekstruderet gennem microchannel til tør-spin fibre ved omgivende temperatur og tryk. I forbindelse med efterbehandlet, var som spundet fibrene trukket og gemt i ethanol vandig opløsning. Synkrotron stråling vidvinkel røntgen diffraktion (SR-WAXD) teknologi blev brugt til at undersøge mikrostruktur af enkelt RSF fibre, der var fastsat til en prøveholderen med RSF fiber akse vinkelret på microbeam af X-ray. Crystallinity, crystallite størrelse og krystallinsk orientering af fiber blev beregnet ud fra WAXD data. Diffraktion buer tæt på ækvator af to-dimensionelle WAXD mønster viser, efterbehandlet RSF fiber lidt højt orientering.

Introduction

Spider og avlen kan producere fremragende silke fibre fra vandige protein løsning ved omgivende temperatur og tryk. Klipning og ekstensionelle flow kan inducere dannelse af flydende krystal tekstur i silke kirtel1. I de seneste år har der været en stor interesse i efterligne udspinding af edderkop for at producere høj styrke kunstige fibre. Dog, store mængder af spider silke protein ikke kan fremlægges, effektivt og økonomisk af landbrug edderkopper på grund af kannibalisme. Betydelige mængder af silkeormslarver silke kan opnås nemt ved landbrug. Ellers, avlen og spider har en lignende spinning proces og aminosyre sammensætning. Derfor er silkworm silke fibroin valgt som en erstatning til spin kunstige animalske silke af mange forskere.

Spider og avlen presse protein løsning gennem deres spinning kanalen i fiber i luften. Høj stress kræfter genereret langs spinning kanalen sandsynligvis stretch silke fibroin molekyler til en mere udvidet kropsbygning2. Kunstig silke fibre har været spundet ved hjælp af konventionelle våde spinning og tør-spinning processer3,4, som ikke tager hensyn de flydende styrker genereret i spinning kanalen.

Første, mikrofluid tilgange blev brugt til at undersøge forsamlingen af silke protein5,6. Derefter, mikrofluid fabrikation af RSF blev undersøgt via modellering af klipning og ekstensionelle styrker7,8. Young’s modulus og diameter på RSF fibre kan indstilles af mikrofluid våde spinning, men trukket fiber trækstyrke var mindre end 100 MPa7. Endelig, højstyrke RSF fibre blev med held udarbejdet ved hjælp af metoden mikrofluid tør-spinning, men diameter af fiber er kun 2 µm8. For nylig, mikrofluid våde spinning brugt i produktionen af højstyrke rekombinant spider silke fibre. Efter spinning tegning i luften forbedret overflade og indre fejl af kunstige fibre9.

I denne undersøgelse, er de forbedrede mikrofluid spinning proces til RSF fiber indført. Det sigter mod at efterligne udspinding af silkeormslarver silke, herunder spinning dope, klipning styrker og tør-spinning proces. Denne spinning metode ikke kun kan producere høj styrke kunstig silke fiber, men også kan justere diameter af fiber. For det første var RSF spinning dope forskydes og aflange i en biomimic kanal med en anden rækkefølge eksponentiel henfald. For det andet blev påvirkninger af relativ luftfugtighed (RH) på fiber morfologi og egenskaber undersøgt i mikrofluid tør-spinning proces10. Sammenlignet med konventionel snurrende spindedyse, vores mikrofluid systemet er stærkt biomimetiske og kan bruges til at producere høj styrke fiber fra løsninger ved omgivende temperatur af tør eller våd spinning metode.

På grund af den høje opløsning, høj lysstyrke og højenergi af synkrotron stråling microfocus X-ray, kan det bruges til at karakterisere mikrostruktur af en enkelt fiber med en diameter på flere mikrometer4,11 , 12 , 13 , 14. her, SR-WAXD teknikken blev brugt til at beregne crystallinity, crystallite størrelse og krystallinsk orientering af RSF fibre.

Protocol

forsigtighed: Rådfør dig med alle relevante leverandørbrugsanvisninger før brug. Flere af kemikalier, der anvendes ved udarbejdelsen af støbning er akut giftige. Brug venligst personlige værnemidler (sikkerhedsbriller, handsker, laboratoriekittel, fuld længde bukser og lukket tå sko). 1. mikrofluid Spinning i RSF Vandopløsning Forberedelse af RSF vandig spinning dope 4 , 15 , <sup clas…

Representative Results

Høj styrke RSF fibre blev med succes produceret ved hjælp af mikrofluid spinning metode. Stress-strain kurver og SEM billeder af strakte RSF fibre C44R40 er vist i figur 2. Mindst 10 fibre blev målt i den traekproevningen. Stress-strain kurver blev udvalgt efter den gennemsnitlige værdi af breaking stress og belastning af fibre. WAXD data af fibre er vist i figur 3. Crystallinity og krystallinske orientering blev beregnet eft…

Discussion

Under dialyse af RSF løsning er pH-værdi afgørende for følgende koncentration proces. Hvis pH-værdien afioniseret vand er mindre end 6, vil RSF løsning være lettere at gel under koncentration proces. For at undgå gellation, føjes CaCl2 til RSF løsning. Koncentrationen af CaCl2 er 1 mmol pr. vægt af RSF.

Vores tidligere arbejde påvist muligheden for mikrofluid tør-spinning af en RSF vandig opløsning8. Geometrien af mikrofluid kanalen v…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde er sponsoreret af National Natural Science Foundation of China (21674018), den nationale nøgle-forskning og udvikling Program i Kina (2016YFA0201702 /2016YFA0201700) og “Shuguang programmet” understøttes af Shanghai uddannelse udvikling Foundation og Shanghai Municipal uddannelse Kommissionen (15SG30), DHU skelnes unge Professor Program (A201302), de grundlæggende forskningsmidler til Central universiteter og 111-projektet (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

References

  1. 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).
  2. Vollrath, F., Knight, D. P. Liquid crystalline spinning of spider silk. Nature. 410 (6828), 541-548 (2001).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Kinahan, M. E., et al. Tunable silk: using microfluidics to fabricate silk fibers with controllable properties. Biomacromolecules. 12 (5), 1504-1511 (2011).
  8. Luo, J., et al. Tough silk fibers prepared in air using a biomimetic microfluidic chip. Int J Biol Macromol. 66, 319-324 (2014).
  9. Peng, Q. F., et al. Recombinant spider silk from aqueous solutions via a bio-inspired microfluidic chip. Sci Rep. 6, (2016).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Pan, H., et al. Nanoconfined crystallites toughen artificial silk. J Matter Chem B. 2 (10), 1408-1414 (2014).
  14. Zhang, C., et al. Microstructural evolution of regenerated silk fibroin/graphene oxide hybrid fibers under tensile deformation. Rsc Adv. 7 (6), 3108-3116 (2017).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Koh, L. D., et al. Structures, mechanical properties and applications of silk fibroin materials. Prog Polym Sci. 46, 86-110 (2015).
  19. McDonald, J. C., Whitesides, G. M. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic devices. Accounts Chem Res. 35 (7), 491-499 (2002).
  20. 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).
check_url/kr/56271?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Peng, Q., Shao, H., Hu, X., Zhang, Y. Microfluidic Dry-spinning and Characterization of Regenerated Silk Fibroin Fibers. J. Vis. Exp. (127), e56271, doi:10.3791/56271 (2017).

View Video