Microfluidic сухой-спиннинг и характеристика регенерированного шелка Фиброин волокон
Summary
Протокол для microfluidic спиннинг и микроструктуры характеристика регенерированного шелка Фиброин леска представлен.
Abstract
Протокол демонстрирует метод для имитации процесса прядения шелкопряда. В процессе собственного спиннинг Договаривающихся спиннинг воздуховодов позволяет протеины шелка быть компактной и приказал обрезка и удлинение силами. Здесь biomimetic microfluidic канал был разработан чтобы имитировать конкретные геометрии спиннинг протока тутового шелкопряда. Спиннинг регенерированный Фиброин шелка (RSF), легированных с высокой концентрацией, была экструдированного через микроканальные сухой спин волокон при температуре и давлении. В процессе после обработки как прядения волокна были обращено и хранятся в водном растворе этанола. Синхротронного излучения широкоугольных рентгеновской дифракции (SR-WAXD) технология была использована для расследования микроструктуры одного RSF волокон, которые были исправлены в держатель образца с оси волокна RSF нормально Микролучевой рентгеновский снимок. Кристалличность, размер кристаллитов и кристаллической ориентации волокна были рассчитаны из WAXD данных. Дифракции дуги в районе экватора двумерной модели WAXD указывают, что после обработки волокна RSF имеет степень высокой ориентации.
Introduction
Паук и шелкопряд может произвести выдающиеся шелковые волокна из водного раствора белка раствора при температуре и давлении. Стрижка и объемный поток может вызывать образование жидких кристаллов текстуры шелка железы1. В последние годы наблюдается большой интерес в имитируя процесс прядения паука для того, чтобы производить Искусственние волокна высокой прочности. Однако большое количество паука шелк белка не производиться эффективно и экономично земледелия пауков из-за людоедства. Значительное количество шелк шелкопряда можно легко получить от сельского хозяйства. В противном случае шелкопряд и паук имеют аналогичные спиннинг процесса и аминокислотный состав. Таким образом шелкопряда Фиброин шелка выбирается в качестве заменителя спина искусственного шелка животных многими исследователями.
Паук и шелкопряда выдавливать раствор белка через их спиннинг протока в волокно в воздухе. Высокое напряжение сил вдоль протока спиннинг скорее растянуть молекул Фиброин шелка более расширенный конформации2. Искусственного шелка, которые были вращаться волокон, с помощью обычных мокрого прядения и сухой спиннинг процессов3,4, которые не принимают во внимание жидкости сил, возникающих в воздуховоде спиннинг.
Во-первых microfluidic подходы были использованы для расследования Ассамблея шелковыми белками5,6. Затем изготовление microfluidic RSF было исследовано через моделирование режа и объемные силы7,8. Модуль упругости Юнга и диаметр RSF волокон могут быть настроены путем microfluidic мокрого прядения, но прочности Рисованные волокна было меньше, чем 100 МПа7. Наконец высокая прочность волокон RSF успешно были подготовлены с использованием метода microfluidic сухой спиннинг, но диаметр волокна составляет только 2 мкм8. Недавно microfluidic мокрого прядения успешно использовалась в производстве высокопрочных рекомбинантных паук шелковые волокна. Рисунок после спиннинг в воздухе улучшена поверхностных и внутренних дефектов искусственного волокна9.
В этом исследовании внедрена Улучшенная microfluidic спиннинг процесс RSF волокна. Она призвана имитировать процесс прядения шелк шелкопряда, включая спиннинг допинг, стрижка силы и процесс сухой спиннинг. Этот метод спиннинг не только может производить высокой прочности искусственный шёлк, но также может регулировать диаметр волокна. Во-первых RSF, спиннинг допинг стриженый и вытянутые в биомимик канала второго порядка экспоненциального распада. Во-вторых в процесс сухой спиннинг microfluidic10изучались влияет относительная влажность (RH) на волокна морфологии и свойства. По сравнению с обычными спиннинг прядильная, наша система microfluidic крайне biomimetic и может использоваться для производства высокопрочного волокна из растворов при температуре сухой или мокрой спиннинг метод.
Благодаря высоким разрешением, высокая яркость и высокоэнергетического излучения синхротронного излучения рентгеновского она может использоваться для характеристики микроструктуры одного волокна с диаметром нескольких микрометров4,11 , 12 , 13 , 14. здесь, SR-WAXD техника использовалась для расчета кристалличности, размер кристаллитов и кристаллической ориентации волокон RSF.
Protocol
Representative Results
Discussion
Во время диализа RSF раствор рН имеет решающее значение для следующего процесса концентрации. Если значение пэ-аша обессоленной воды меньше, чем 6, RSF решение будет легче гель во время процесса концентрации. Чтобы избежать гелеобразования, CaCl2 добавляется в решение RSF. Концентрация Ca…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа финансируется Фонд национального естественных наук Китая (21674018), Национальный исследовательский ключ и Программа развития Китая (2016YFA0201702 /2016YFA0201700) и программа «Шугуан», поддержке развития образования Шанхай Фонд и Шанхай муниципального образования Комиссии (15SG30), DHU отличать молодой профессор программы (A201302), фондов фундаментальных исследований для университетов Центральной и 111 проекта (№ 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).
