Microfluidic יבש-ספינינג ואפיון של סיבי Fibroin משי מחדש
Summary
פרוטוקול microfluidic ספינינג, מיקרו אפיון מחדש fibroin משי monofilament מוצג.
Abstract
הפרוטוקול מדגימה שיטה לחקות את תהליך ספינינג silkworm. בתהליך ספינינג מקורית, צינור ספינינג קבלנות מאפשר את החלבונים משי להיות קומפקטי, שהוזמנו על ידי הטיית וכוחות התארכות. כאן, ערוץ microfluidic הביוני תוכנן כדי לחקות את הגיאומטריה ספציפי של ההדבקה ספינינג של ה-silkworm. Fibroin משי מחדש (RSF) מסתובב מסטול עם הריכוז הגבוה, היה extruded דרך microchannel כדי יבש-ספין סיבים-טמפרטורת החדר ובלחץ. בתהליך שלאחר טיפול, הסיבים שמשמיע כמו היו נמשכים ומאוחסנים בתמיסה המימית אתנול. סינכרוטרון קרינת רנטגן רחבת זווית עקיפה (SR-WAXD) טכנולוגיה שימש לחקור את מיקרו של סיבי RSF יחיד, אשר היו קבוע כדי בעל מדגם עם הציר סיבים RSF נורמלי microbeam צילומי הרנטגן. Crystallinity, crystallite הגודל והכיוון הגבישי של סיבי חושבו מתוך הנתונים WAXD. הקשתות עקיפה בסמוך לקו המשווה של התבנית WAXD דו-ממדית מציינים כי סיבים RSF שלאחר טיפול יש תואר אוריינטציה גבוהה.
Introduction
עכביש, silkworm יכול לייצר סיבי משי מצטיין מהפתרון חלבון מימית-טמפרטורת החדר ובלחץ. ההטיה, הארכת זרימה יכול לגרום להיווצרות של גביש נוזלי מרקם בלוטת משי1. בשנים האחרונות חלה התעניינות רבה מחקה את התהליך ספינינג של העכביש על מנת לייצר סיבים מלאכותיים חוזק גבוה. עם זאת, כמויות גדולות של חלבוני משי עכביש לא יכול להיות מיוצר יעילות וחיסכון על ידי חקלאות עכבישים עקב אכילת בשר אדם. כמויות ניכרות של משי silkworm ניתן להשיג בקלות על ידי חקלאות. אחרת, silkworm עכביש יש דומה ספינינג תהליך ושל חומצות אמינו קומפוזיציה. לכן, fibroin משי silkworm נבחר כתחליף לסובב משי מלאכותי בבעלי חיים על ידי חוקרים רבים.
עכביש, silkworm הבלטת חלבון פתרון באמצעות צינור ספינינג שלהם לתוך סיב באוויר. כוחות לחץ נפשי שנוצר לאורך התעלה ספינינג סביר למתוח מולקולות fibroin משי קונפורמציה מורחב יותר2. משי מלאכותי סיבי נטוו באמצעות המסתובבים הרגילים רטוב יבש-ספינינג תהליכים3,4, אשר לא עשה חשבון כוחות נוזל שנוצר בצינור ספינינג.
ראשית, גישות microfluidic שימשו כדי לחקור את מכלול של חלבוני משי5,6. לאחר מכן, ייצור microfluidic של RSF נחקר באמצעות מידול את ההטיה, הארכת כוחות7,8. מודולוס של יאנג וקוטר RSF סיבים ניתן לכוונן לפי ספינינג רטוב microfluidic, אך חוזק מתיחה של סיבים מצוירות MPa פחות מ-1007. לבסוף, חוזק גבוה RSF סיבי הוכנו בהצלחה באמצעות השיטה יבש-ספינינג microfluidic, אבל הקוטר של סיבי הוא רק 2 מיקרומטר8. לאחרונה, ספינינג רטוב microfluidic שימש בהצלחה בייצור של סיבי משי עכביש רקומביננטי חוזק גבוה. הציור ספינינג שלאחר באוויר משופרת על פגמיו משטח ופנימיים של סיבים מלאכותיים9.
במחקר זה, הוא הציג את microfluidic משופר ספינינג תהליך סיבים RSF. הוא שואף לחקות את תהליך ספינינג silkworm משי, כולל ספינינג, הסמים, הטיית הכוחות ותהליך יבש-ספינינג. שיטה זו ספינינג לא רק יכול לייצר סיבי משי מלאכותי חוזק גבוה, אלא גם יכול להתאים הקוטר של הסיבים. ראשית, RSF ספינינג סמים לכסנתם, מוארך בערוץ biomimic עם דעיכה מעריכית הסדר השני. שנית, השפעותיהם של לחות יחסית (RH) על מורפולוגיה סיבים ועל מאפייני נחקרו על תהליך יבש-ספינינג microfluidic10. בהשוואה ל- spinneret המסתובבים הרגילים, שלנו microfluidic המערכת מאוד ביונים, יכול לשמש כדי לייצר סיבי חוזק גבוהה מפתרונות בטמפרטורת הסביבה על ידי בסאונה היבשה או רטוב ספינינג בשיטה.
עקב ברזולוציה גבוהה, בהירות, אנרגיה גבוהה של microfocus סינכרוטרון קרינת רנטגן, זה יכול לשמש כדי לאפיין את מיקרו של סיבים יחיד בקוטר של מיקרומטר מספר4,11 , 12 , 13 , 14. כאן, SR-WAXD טכניקה השתמשו כדי לחשב את crystallinity, crystallite גודל וכיוון הגבישי של סיבי RSF.
Protocol
Representative Results
Discussion
במהלך הדיאליזה של הפתרון RSF, ערך pH הוא קריטי עבור תהליך ריכוז הבא. אם ערך ה-pH של המים יונים הוא קטן יותר מאשר 6, הפתרון RSF יהיה קל יותר להתחבר במהלך תהליך ריכוז. כדי להימנע gelation, CaCl2 נוסף הפתרון RSF. ריכוז CaCl2 הוא mmol 1 לכל כובד RSF.
העבודות הקודמות שלנו הוכיח את האפשרות של mic…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו ממומנת על ידי את נבחרת מדעי הטבע קרן של סין (21674018), המחקר מפתח הלאומי, תוכנית פיתוח של סין (2016YFA0201702 /2016YFA0201700), את “תוכנית Shuguang” נתמך על ידי פיתוח החינוך שנגחאי קרן, שנגחאי העירוני ועדת החינוך (15SG30), ד’ו להבחין פרופסור צעיר התוכנית (A201302), קרנות מחקר בסיסי האוניברסיטאות המרכזי, והפרוייקט 111 (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).
