الغزل الكهربائي للمواد الحيوية الحريرية

تمتلك المواد المشتقة بيولوجيا خصائص رئيسية بعيدة عن متناول المواد الاصطناعية ، مما يتيح تصنيع هياكل معقدة ذات خصائص محسنة. المواد الحيوية هي المواد التي يتم إنشاؤها أو إنتاجها من كائنات حية أو كائنات حية ذات يوم. عادة ما تخضع هذه المواد ، مثل الحرير ، لخطوات معالجة مختلفة للوصول إلى حالة قابلة للاستخدام ويمكن التحكم فيها. يمكن بعد ذلك استخدام المواد الحيوية المعالجة لتشكيل هياكل محددة مثل الحصائر الليفية والمواد الهلامية المائية والأفلام. سيقدم هذا الفيديو معالجة الحرير من شرانق دودة القز ، متبوعا بالغزل الكهربائي للمواد المعالجة لتشكيل حصائر ليفية.

الحرير عبارة عن بوليمرات بروتينية يتم نسجها إلى ألياف بواسطة حشرات مختلفة ، مثل العناكب. ومع ذلك ، فإن الحرير المستخدم في الهندسة الحيوية يشتق بشكل شائع من يرقات أنواع عثة الحرير Bombyx mori ، والتي تسمى عادة دودة القز ، وقد تم استخدامها تجاريا للخيوط الطبية لعقود. يتم استخراج مادة الحرير B. mori من الشرنقة ، والتي تتكون من بروتين الفيبروين المغطى بطبقة من السيريسين. السيريسين هو بروتين يشبه الغراء يربط الشرنقة معا. يتميز بروتين الفيبروين بتسلسل الأحماض الأمينية المتكرر للغاية ، مع غلبة بقايا الألانين والجلايسين والسيرين ، مما يؤدي بدوره إلى التجانس في البنية الثانوية للبروتين. يظهر الفيبروين الحريري هياكل متكررة من صفائح بيتا ، وهي خيوط متصلة جانبيا تشكل ورقة مطوية. تتسبب هذه الهياكل في أن يكون بروتين البوليمر شديد البلورة ، والذي يوفر قوة وصلابة بشكل لا يصدق ، جنبا إلى جنب مع كراهيته للماء. على سبيل المثال ، يمكن أن تصل قوة شد الحرير ، وقدرته على تحمل الأحمال من خلال الاستطالة ، إلى أربعة أضعاف قوة العظام. عادة ما تتم معالجة الحرير في محلول بوليمر قبل تطبيقاته في الهندسة الحيوية. أولا ، تتم إزالة السيريسين من الألياف ، يليه إذابة الفيبروين. محلول الحرير ليس له بنية ثانوية ، وبالتالي له خصائص ميكانيكية متناقصة. ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي العلاج بالميثانول إلى التعافي الجزئي لهياكل صفائح بيتا. يمكن معالجة محلول الحرير باستخدام تقنية تسمى الغزل الكهربائي ، حيث يتم تطبيق جهد عال بين سطح التجميع وإبرة المحقنة. توزع إبرة المحقنة ببطء محلول المواد الحيوية. تتسبب القوى الكهروستاتيكية في تمدد قطرات المواد الحيوية إلى ألياف. تتجمع هذه الألياف بشكل عشوائي على المجمع ، مما يخلق حصيرة من الألياف النانوية. الآن بعد أن تم تحديد أساسيات معالجة الفيبروين الحريري ، دعنا نلقي نظرة على إجراء معالجة الحرير ونرى كيف يتم استخدامه لإنشاء حصائر من الألياف الدقيقة عبر الغزل الكهربائي.

لتحضير محلول الفيبروين الحريري من Bombyx mori ، يتم تقطيع الشرانق أولا إلى قطع صغيرة ، ويتم التخلص من الدودة وبقايا الحشرات الأخرى. بعد ذلك ، يتم غلي قطع الشرنقة في محلول كربونات الصوديوم لإزالة السيريسين. بعد الغليان ، تتم إزالة الفيبروين الحريري من المحلول وغسله عدة مرات بالماء النظيف. بعد ذلك ، يتم تجفيف ألياف الحرير طوال الليل. ثم يتم إذابة ألياف الحرير المجففة في محلول بروميد الليثيوم عند 60 درجة لمدة أربع ساعات. بمجرد إذابة الحرير ، يتم نقل المحلول إلى شريط غسيل الكلى وغسيل الكلى ضد الماء. يجب تغيير الماء بشكل متكرر لضمان إزالة بروميد الليثيوم. بعد غسيل الكلى ، يتم نقل محلول الحرير المائي إلى أنابيب وطرد مركزي لإزالة أي جزيئات فيبروين حريرية متبقية. يتم تخزين محلول الحرير على أربع درجات لحين الحاجة.

لبدء الغزل الكهربائي ، يتم تحميل محلول المواد الحيوية في حقنة وعلى مضخة حقنة. يتم توصيل مصدر الجهد العالي بطرف إبرة المحقنة ، والتي تسمى المغزل. يتم وضع مصدر التجميع ، الذي غالبا ما يكون شريطا من رقائق الألومنيوم ، مقابل المغزل ومؤرض. يتم ضبط المسافة بين المغزل والمصدر إلى مسافة محددة مسبقا. إذا كانت المسافة صغيرة جدا ، فقد لا يكون لدى الألياف الوقت للتصلب قبل الترسيب ، وتشكيل شرائط غير متسقة. ومع ذلك ، إذا كانت المسافة عالية جدا ، فقد تصبح الألياف متكتلة أو غير موحدة. يتم ضبط معدل تدفق مضخة الحقنة وتشغيل مصدر الجهد العالي. مع زيادة الجهد ، تقاوم القوى الكهروستاتيكية التوتر السطحي للمحلول. يتم سحب الغضروف المفصلي إلى مخروط ، يسمى مخروط الخياط ، ثم في النهاية إلى نفاثة سائلة ذات جهد أعلى. ثم يتم جمع الألياف على سطح الرقاقة في حصيرة مرتبة عشوائيا. يمكن أيضا استخدام سطح تجميع دوار للحصول على حصائر ألياف محاذاة.

هناك العديد من الأنواع المختلفة من المواد الحيوية المستخدمة في تطبيقات الهندسة الحيوية ، بدءا من زراعة الأنسجة إلى الإلكترونيات الحيوية والاستشعار الحيوي. غالبا ما تستخدم الحصائر الكهربائية من الحرير والمواد الحيوية الأخرى لإنشاء سقالات الأنسجة ، والتي توفر بنية للأنسجة الاصطناعية. يتم زرع الخلايا مباشرة على هذه الهياكل ، مما يتيح تكوين أنسجة ثلاثية الأبعاد. تم تصميم سقالات الأنسجة لتعزيز تفاعلات الخلايا المواتية ، وبالتالي محاكاة بنية ووظيفة الأنسجة الحقيقية. كما أنها مصممة لامتلاك الخصائص المرغوبة لنسيج معين. على سبيل المثال ، يجب أن تمتلك السقالات المصممة للتصرف مثل العضلات أليافا أكثر محاذاة من تلك المصممة للتصرف مثل الجلد. على الرغم من أن الحرير مشتق عادة من دودة القز ، إلا أنه غالبا ما يستخدم حرير العنكبوت ، لأنه يوفر قوة ميكانيكية أعلى. نظرا لأنه لا يمكن استزراع العناكب بسهولة ، يتم إنتاج المواد صناعيا باستخدام التكنولوجيا الحيوية. في هذا المثال ، تم غزل بروتين الحرير المؤتلف كهربائيا على أجهزة الترشيح. أدت إضافة هذه الشبكة الحريرية إلى الفلتر إلى تحسين الكفاءة بشكل كبير ، حيث كانت أحجام المسام أصغر بكثير من المرشح المصنع ، مما مكنها من الاحتفاظ بالجزيئات الأصغر. أخيرا ، غالبا ما يتم تحضير المواد الحيوية من البوليمرات التي يصنعها الإنسان مثل بولي كابرولاكتون وحمض البولي لاكتيك. يتم تصنيع المواد في المختبر واستخدامها لتقليد المواد المشتقة من الحيوية لأنها قابلة للتحلل البيولوجي ومتوافقة بيولوجيا. يمكن بسهولة تصميم خصائص المواد باستخدام تقنيات التصنيع لإنشاء أسطح متوافقة حيويا لتجميع الجزيئات الحيوية أو لإنشاء أسطح كارهة للماء كما هو موضح في هذا المثال.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للمواد الحيوية الحريرية. يجب أن تفهم الآن كيفية تحضير الحرير وغزله كهربائيا في حصائر وكيف يتم استخدام المواد الحيوية الأخرى في مجال الهندسة الحيوية. شكرا للمشاهدة.