Mikroflödessystem torr-spinning och karakterisering av regenererad Silk Fibroin fibrer
Summary
Ett protokoll för mikroflödessystem spinning och mikrostruktur karakterisering av regenererad silk fibroin monofilament presenteras.
Abstract
Protokollet visar en metod för att imitera spinning processen silkesfjärilsägg. I native spinning processen kan upphandlande spinning kanalen de silkesproteiner vara kompakt och beställda av klippning och töjning styrkor. Här, var en biomimetiska mikroflödessystem kanal utformade för att efterlikna de snurrande kanalen av silkworm särskilda geometri. Regenererad silk fibroin (RSF) spinning dopade med hög koncentration, var pressad genom microchannel till torr-spin fibrer vid omgivningstemperatur och omgivningstryck. I efterbehandlat processen, var den som-spunna fibrer dras och lagras i etanol vattenlösning. Synkrotronstrålning vidvinkel röntgendiffraktion (SR-WAXD) teknik användes för att undersöka mikrostrukturen i enda RSF-fibrerna, som fastställdes till en provhållare med RSF fiber axeln normalt att microbeam av röntgen. Kristallinitet, naturgrafiten storlek och kristallina orientering av fiber beräknades från WAXD data. Diffraktion bågarna nära ekvatorn av tvådimensionella WAXD mönstret visar att efterbehandlat RSF fiber har en hög orientering grad.
Introduction
Spindel och silkesmasken kan producera enastående silk fiber från aqueous protein lösning vid omgivningstemperatur och omgivningstryck. Klippning och utvidgande flöde kan inducera bildandet av flytande kristaller textur i siden körtel1. På senare år skett ett stort intresse för härma spinning processen av spindeln för att tillverka höghållfast konstgjorda fibrer. Dock produceras inte stora mängder spider silk protein effektivt och ekonomiskt av jordbruk spindlar på grund av kannibalism. Betydande mängder silkworm silke kan erhållas lätt genom jordbruk. Annars har den silkesmasken och spindel en liknande spinning process och aminosyra sammansättning. Därför väljs silkworm silk fibroin som ett substitut att snurra konstgjorda djur siden av många forskare.
Spindel och silkesfjärilsägg extrudera protein lösning genom deras snurrande kanalen in fiber i luften. Hög stress krafter genereras längs snurra trumman troligen stretch siden fibroin molekylerna till en mer utökad konformation2. Konstgjord silke fibrer har spunnits använder konventionella våta spinning och torr-spinning processer3,4, som inte tar in i konto vätska krafter genereras i spinning kanalen.
Först användes mikroflödessystem metoder att undersöka montering av silkes protein5,6. Då studerades mikroflödessystem tillverkning av RSF via modellering av klippning och extensionalen styrkor7,8. Youngs modulus och diameter av RSF fibrer kan stämmas av mikrofabricerade våta spinning, men den tänjbara styrkan av dras fiber var mindre än 100 MPa7. Slutligen, höghållfast RSF fibrer var förberetts med metoden mikroflödessystem torr-spinning, men diametern på fibern är endast 2 µm8. Nyligen, ultrakalla våta spinning har framgångsrikt använts i produktionen av höghållfast rekombinant spider silk fiber. Den efter spinning ritningen i luften förbättrades de ytan och inre defekterna av konstgjord fiber9.
I den här studien introduceras den förbättrade mikroflödessystem spinning process för RSF fiber. Det syftar till att efterlikna spinning processen av silkworm silk, inklusive den snurrande knark, klippning krafter, och torr-spinning process. Denna spinning metod inte bara kan producera hög hållfasthet konstgjord silke fiber, men även kan justera diametern på fibern. För det första var den RSF spinning knark klippt och avlånga i en biomimic kanal med en andra beställning exponentiell förruttnelse. För det andra studerades influenser av relativ luftfuktighet (RH) på fiber morfologi och egenskaper i ultrakalla torr-spinning process10. Jämfört med konventionella spinning spinndysor, vårt mikroflödessystem system är mycket biomimetiska och kan användas för att producera hög styrka fiber från lösningar vid omgivningstemperatur av torr eller våt spinning metod.
Tack vare den högupplösta, hög ljusstyrka och high-energy av synkrotronstrålning microfocus röntgen, kan det användas för att karaktärisera mikrostrukturen i en enda fiber med en diameter på flera mikrometer4,11 , 12 , 13 , 14. här, SR-WAXD teknik användes för att beräkna kristallinitet, naturgrafiten storlek och kristallina orientering av RSF fibrer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Under dialysen RSF lösning är pH-värde avgörande för följande koncentrationsprocessen. Om det avjoniserat vattnet pH-värde är mindre än 6, blir RSF lösningen lättare att gel under koncentrationsprocessen. För att undvika gelation, läggs CaCl2 till RSF lösningen. Koncentrationen av CaCl2 är 1 mmol per vikt av RSF.
Vårt tidigare arbete visat möjligheten att mikroflödessystem torr-spinning av RSF aqueous lösning8. Geometrin hos mikr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete är sponsrad av den nationella naturvetenskap Foundation i Kina (21674018), den nationella nyckel-forskning och utveckling Program i Kina (2016YFA0201702 /2016YFA0201700) och ”Shuguang programmet” stöds av Shanghai utbildning utveckling Stiftelsen och Shanghai kommunal utbildningskommissionen (15SG30), DHU distingerat ung Professor Program (A201302), de grundläggande forskningsmedel för Central universiteten och 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
- 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).
