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包含电纺重组蜘蛛丝蛋白无纺网的空气过滤装置

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DOI：

10.3791/50492

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2013年5月8日

 ,  , 
1Biomaterials Research Group, University of Bayreuth

本文内容

摘要

蜘蛛丝纤维具有卓越的力学性能。通过静电纺丝技术可将人工改造的Araneus diadematus Fibroin 4（eADF4）加工成无纺布网状结构。本文利用eADF4无纺布网状结构来提升空气过滤装置的性能。

摘要

基于Araneus diadematus Fibroin 4 (ADF4) 的天然序列，已构建重组蜘蛛丝蛋白 eADF4(C16)。该高度重复蛋白的分子量为 48kDa，可溶于多种溶剂（六氟异丙醇（HFIP）、甲酸和水性缓冲液）。eADF4(C16) 在加工成薄膜、胶囊、颗粒、水凝胶、涂层、纤维及无纺网状结构等形态时，展现出广泛的技术应用潜力。由于其化学稳定性良好且形貌可控，后者可用于改进过滤材料。在本实验方案中，我们介绍一种通过沉积静电纺重组蜘蛛丝蛋白无纺网状结构来提高各类空气过滤装置效率的方法。将 eADF4(C16) 溶解于 HFIP 后进行静电纺丝，可获得表面光滑的纤维。调节蛋白浓度（5–25% w/v）可得到不同直径的纤维（80–1,100 nm），从而调控无纺网的孔径大小。

由于eADF4(C16)蛋白在刚纺出的纤维中主要呈现α-螺旋二级结构，因而纤维具有水溶性，因此对从HFIP中电纺出的eADF4(C16)进行后处理是必要的。随后用乙醇蒸气处理可诱导形成耐水且稳定的β-折叠结构，从而保持丝纤维和网状结构的形态。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）及后续的傅里叶自去卷积（FSD）进行二级结构分析。

主要目标是通过在现有滤材基底上添加丝素蛋白无纺布层来提高过滤效率。为了评估静电纺丝时间（即无纺布层厚度）对过滤效率的影响，我们结合空气渗透性测试与颗粒沉积测量进行了实验。实验按照标准操作规程进行。

引言

由于兼具强度与延展性，蛛丝纤维能够吸收比大多数其他天然或合成纤维更多的动能1。此外，与大多数合成聚合物材料不同，丝材料无毒、具有生物相容性，并且在植入时不会引起过敏反应2,3。使用蛛丝可避免潜在的健康风险。这些特性使蛛丝在多种医学和技术应用中极具吸引力。由于蜘蛛具有同类相食的行为而无法进行规模化养殖，因此已开发出生物技术方法，以低成本且足量地生产蛛丝蛋白4。

重组丝蛋白 eADF4(C16) 是基于自然存在的 Araneus diadematus 纤连蛋白 4（ADF4）序列设计而成。eADF4(C16) 的分子量为 48 kDa5，可溶于多种溶剂（六氟异丙醇（HFIP）6、甲酸7 和水性缓冲液）8。eADF4(C16) 可加工成多种形态，如薄膜9、微胶囊8、微粒10、水凝胶11、涂层7、纤维12 和无纺网状结构6。由于其具有良好的化学稳定性，后者在过滤应用中展现出巨大潜力。

本文介绍了一种制备空气过滤装置的方案，该装置包含由电纺重组蜘蛛丝蛋白构成的无纺纤维网。电纺丝（又称静电纺丝）是一种常用于制备直径在10 nm至10 μm范围内聚合物纤维的技术13，而无纺纤维网已被广泛研究用于过滤应用14。过去，电纺丝技术已成功应用于再生15以及重组表达的蜘蛛丝蛋白的加工处理16。通常，在注射器与对电极之间施加高电压（5–30 kV），对电极电压为0–20 kV，两者间距为8–20 cm。强静电场在带电溶液内部产生排斥力，当该力超过表面张力时，形成泰勒锥（Taylor cone），并从针尖喷射出细小射流17,18。射流形成后，在溶剂蒸发过程中发生弯曲不稳定性，导致射流进一步拉伸，最终形成固态纤维。纤维随机沉积在对电极上，构成无纺纤维网19。纤维的特性，如直径和表面形貌（光滑或具孔），主要取决于溶液参数，包括浓度、黏度、表面自由能以及溶剂的本征电导率和渗透性20。将溶解于六氟异丙醇（HFIP）中的eADF4(C16)进行电纺丝，可获得直径为80–1,100 nm的光滑纤维，具体直径取决于溶液中蛋白浓度。由HFIP电纺得到的eADF4(C16)纤维主要呈现α-螺旋二级结构，且可溶于水6。为稳定丝纤维，需通过后续乙醇处理诱导形成β-折叠结构。与以往建立的后处理方法21不同，本研究采用乙醇蒸气处理eADF4(C16)无纺纤维网，以保持丝纤维的形态结构。二级结构分析采用傅里叶变换红外光谱法（FTIR）并结合文献所述的傅里叶自去卷积（FSD）方法进行22。 FSD是一种信号处理工具，可用于解析由多个重叠谱带组成的FTIR光谱。通过使用高通滤波器，可使宽泛的酰胺I区模糊谱带变窄，从而获得峰分辨率更高的去卷积光谱。

为了评估添加了蚕丝无纺布网的滤材基底的效率，根据标准操作规程使用Akustron设备进行了空气透气性测试。使用Palas通用粒径仪测量了沉积速率。

方案

1. 纺丝液的制备

  1. 取冻干的 eADF4(C16) 蛋白。
  2. 使用高精度天平，在 1 ml 反应管中称取 20 mg 的 eADF4(C16)。
  3. 加入 200 μl 六氟异丙醇（HFIP），并用封口膜密封反应管。
    注意： HFIP 具有高度挥发性和毒性，可能对呼吸道造成伤害，因此须在通风橱中操作，小心移液，并及时盖紧管盖。
  4. 将悬浮液涡旋振荡 1 分钟，随后继续摇动以使溶液澄清。为确保全部蛋白完全溶解，静置过夜。

2. 电纺丝

  1. 准备静电纺丝装置（图1）：将滤膜材料置于对电极上方，并预设电极电压为 -22.5 kV，对电极电压为 +2.5 kV。设定体积流速为 315 μl/hr。
    注意：静电纺丝过程中，有毒的HFIP会挥发。请确保静电纺丝装置连接至通风橱。
  2. 取一支市售的20 G针头，使用手持磨具将尖端磨平，保留残余长度为30 mm。将针头连接至1 ml注射器上。
    注意：需要平面针头尖端，以形成清晰定义的泰勒锥（Taylor cone）。
  3. 将全部纺丝液（200 μl）装入注射器中，并在纺丝液上方覆盖100 μl空气，以便在纺丝过程中完全挤出溶液。
    注意：为避免针头堵塞，请确保纺丝液中无任何颗粒（如聚集体或杂质）。操作时务必在通风橱内进行！
  4. 将装满纺丝液的注射器固定到静电纺丝装置的注射泵上，小心推动活塞直至针尖出现液滴，然后锁定活塞。
  5. 设定针尖与对电极之间的距离为8–20 cm。
  6. 启动注射泵，并清除针头开口处通常已干涸的液滴。立即启动静电纺丝装置的所有安全装置，并在新液滴出现后立即开启高压电源。随后纺丝液将开始静电纺丝。使用秒表控制纺丝时间。
    注意：为防止溶液干燥导致针头堵塞，清除干涸液滴后应立即开始纺丝过程。
  7. 由于重组蜘蛛丝蛋白的静电纺丝效果受湿度和温度影响，可能需要根据实验室具体条件调整工艺参数（图2）。
    注意：为防止液滴干燥（图2B），应保持足够的流速。若环境湿度较低，可调节相对湿度或提高流速。逐步降低电压直至形成合适的泰勒锥（图2A）。当针尖无溶液时（图2C），应提高流速并降低电压直至液滴重新出现，随后调节电压以建立规则且稳定的泰勒锥（图2A）。
  8. 静电纺丝进行30秒/60秒/90秒后，关闭注射泵。为避免液滴坠落，请在关闭高压电源前等待10秒，以释放注射器内的残余压力。
  9. 步骤6至8可在不同类型的滤膜材料上进行，例如聚酰胺、聚丙烯和聚酯无纺布网，以及用于对比的黑纸。
  10. 为制备用于后续稳定性实验的无纺布网，使用黑纸代替滤膜材料，并执行步骤5至7。静电纺丝5分钟后，按照步骤8所述停止操作。

3. 蚕丝无纺布网的后处理

  1. 将烤箱预热至 60 °C。
  2. 将带有 eADF4(C16) 无纺布基材的滤膜垂直放置，并以最小间距 2 cm 置于可密封的玻璃容器中。该容器应具有两个开口，用于后续引入乙醇和水。
    注意：固定滤材时，应确保用于渗透性实验的区域不受夹具损伤。
  3. 将两个 60 ml 注射器分别装满乙醇和水，并通过硅胶管连接至后处理容器内部底部（图 3）。
    注意：为便于在处理后将液体从容器中抽出，请将管口尽可能靠近容器底部。
  4. 将后处理容器放入烤箱，然后通过推动注射器加入 60 ml 乙醇。使用秒表控制处理时间。
  5. 经过 90 分钟乙醇蒸气处理后，用注射器将乙醇从玻璃容器中抽出，再用第二个注射器加入 60 ml 水。
  6. 再等待 90 分钟后，移除水分并关闭烤箱。为避免冷凝产生液滴，请将容器留在烤箱内直至完全冷却。

4. 蜘蛛丝无纺网的分析

  1. 将丝素无纺布网格置于黑色纸张或其他可移除的支撑材料上，以进行稳定性测试。用纸板裁剪出两个框架，并贴上双面胶带。将其中一个框架压在放置于黑色纸张上的丝素无纺布网格上，使用手术刀切除多余的丝纤维（保留切除的纤维用于后续的扫描电镜成像）。小心取下框架，使无纺布从纸张上分离。用第二个框架重复此步骤（图4）。
  2. 实际浸水测试：分别剪取后处理和未经处理的丝素无纺布网格各一块（1 cm2），浸入去离子水中。未经处理的丝素无纺布网格会立即溶解，而经处理的网格则保持稳定（图5）。浸水后，将样品干燥并准备进行扫描电镜成像。
  3. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量及后续的傅里叶自去卷积（FSD）：为获取丝素蛋白在无纺布后处理过程中结构变化的信息，可采用FTIR技术，参数设置如下：透射模式，扫描范围为800至4,000 cm-1，每张光谱采集并平均60次累积信号，每张光谱测量一次参比。为进行数据的定量分析，可采用FSD方法（图6 和 图7）。具体操作中，将曲线数据限定在1,590至1,705 cm-1范围内，并进行基线校正。根据先前研究中确定的峰位（1611、1619、1624、1630、1640、1650、1659、1666、1680、1691、1698 cm-1）22，计算局部最小二乘拟合。
  4. 扫描电镜（SEM）成像：可采用SEM观察不同滤材基底上丝纤维的直径和形貌，并分析后处理对纤维形貌的影响（图8）。使用5,000倍至25,000倍的放大倍数，以获得足够清晰的图像。

5. 空气渗透率的测定

  1. 将滤材的合适部分放置在Akustron透气性测试仪的测量区域。注意：若使用其他类型的透气性测试仪，需确保其符合DIN 53 887、DIN 53 120、ISO 9237和ASTM D 737-96标准的要求。
  2. 使用Akustron透气性测试仪（或如5.1所述的其他仪器）。如有需要，计算标准化数据[l / (m2 x sec)]。
  3. 在样品的不同部位重复步骤1和2至少10次，并计算算术平均值（图9）。
    注意： 透气性测量过程中测试仪需与无纺布网接触，因此必须小心操作样品，以防止脆弱的丝素蛋白无纺布网破裂。

6. 滤器效率的测定

  1. 使用带有压力控制和颗粒计数功能的合适设备，例如通用粒径分析仪（Palas GmbH, Karlsruhe, Ger）。
  2. 将滤膜样品放入设备中，测量颗粒截留率（图10）。气溶胶：邻苯二甲酸二乙基己酯（DEHS）；颗粒粒径：0.3–3 μm；持续时间：30 秒；液体流速：2,350 cm/sec；气流：3,400 m3/hr。
    注意：小心操作样品，避免接触表面，以防破坏无纺布网状结构或引入污染。务必制备足够数量且质量一致的样品，用于性能测试。

结果

将浓度为10% w/v的重组蜘蛛丝溶液（溶于HFIP）进行静电纺丝，可得到直径在80至120 nm之间的光滑纤维，从而形成无纺网状结构。经乙醇蒸气后处理后，纤维未出现明显的形态学变化，因此该方法被确立为蜘蛛丝无纺布后处理的适宜方式（图8）。采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）检测结构变化，并进一步对酰胺I带进行傅里叶自去卷积（FSD），以分析各单峰的贡献（图6）。结果表明，后处理可导致β-折叠结构含量增加，而α-螺旋和无规卷曲结构的含量则降低（图7）。该结果可通过将后处理后的无纺布浸入水中进行实际验证（图5）。即使经过一周，无纺网状结构也不会发生溶解。

由于静电纺丝纤维密度增加导致压降变化，纺丝时间是影响丝素非织造材料在过滤材料中应用的最重要参数。延长纺丝时间以及由此形成的更多纤维层数，会导致空气透过率呈指数级下降。该效应在所有不同过滤基底材料上，无论在后处理前后均能观察到（图9）。同样，含丝素过滤材料对亚微米级颗粒的过滤效率也随之提高（图10）。较短的纺丝时间（30秒）仅获得较低的过滤效率，而较长的纺丝时间（90秒）则带来更高的过滤效率。

静电纺丝过程示意图，显示注射泵装置；聚合物溶液在收集器上形成纤维。
图 1. 对装有丝素溶液的注射器施加高电压（0–30 kV），并在距离 8–20 cm 处设置对电极（0–20 kV）。该装置产生强静电场，使带电溶液内部产生排斥力。当排斥力超过表面张力时，形成泰勒锥，并从针尖喷射出细小射流。射流形成后，在溶剂蒸发过程中发生弯曲不稳定性，导致进一步拉伸，最终形成固态纤维。最后，纤维以无纺网状结构随机沉积在对电极上。

显微镜设置中的微量移液器尖端细节；显示测量标尺；实验分析。
图 2. 普通泰勒锥 (A)、干燥液滴 (B) 以及无液滴状态下的装置 (C) 的照片。

乙醇处理与加湿过程示意图；60°C 下的样品暴露步骤。
图 3. 蒸汽后处理的示意图。第一步，将乙醇注入腔室，样品在 60 °C 下蒸汽处理 90 分钟。为软化无纺纤维网以利于后续操作，随后移除乙醇，并在 60 °C 下用水蒸气对纤维进行 90 分钟的蒸汽处理。 点击此处查看高清大图。

薄膜光谱分析示意图；用于光学吸收分析的圆形样品，标尺为0.5 cm。
图4. 用于后续处理的纸板框架及附着的丝质无纺布网的照片。

聚合物降解研究；A 和 B 样品置于培养皿中；降解实验装置。
图 5. 静电纺丝并经后续处理的无纺布在干燥状态 (A) 和浸水状态 (B) 下的形貌。

蛋白质二级结构分析；吸收光谱；波数；α-螺旋、β-折叠示意图。
图6. 未经处理的 (A) 和经处理后的 (B) 蜘蛛丝无纺网的酰胺I带傅里叶自去卷积吸收光谱。实线表示去卷积后得到的单个贡献峰（虚线）叠加形成的吸收带。各曲线的归属基于文献中已发表的先前数据22。点击此处查看大图。

二级结构分析；柱状图；未处理与处理后蛋白质形式的比较。
图 7. 未处理与处理后 eADF4(C16) 无纺网膜的二级结构含量。

显示PA、PE、PP在纳米尺度下的形貌及纤维结构分析的纳米纤维SEM图像
图8. 在不同滤膜基底上电纺eADF4(C16)纤维的SEM图像：聚酰胺（PA）、聚酯（PE）、聚丙烯（PP）以及纯eADF4(C16)纤维在乙醇蒸气后处理前（S1）和后（S2）的形貌。点击此处查看高清大图。

透气性曲线与纺丝时间的关系；聚酰胺、聚丙烯、聚酯比较。
图9. 丝素蛋白无纺布经乙醇蒸气后处理前(A)和后(B)的透气性测试结果，随着纺丝时间增加，无纺层数增多，导致透气性下降。

过滤效率与颗粒尺寸关系图；不同层数的丝蛋白材料，不同处理时间，对比研究。
图 10. 经乙醇后处理后，不同静电纺丝时间（影响丝层数量）制备的聚酰胺过滤材料上电纺蜘蛛丝无纺网对邻苯二甲酸二乙基己酯气溶胶的过滤效率。

讨论

新型过滤装置有望在保持恒定或更高过滤效率的同时，降低空气过滤过程中的总体能耗。本研究中，采用蜘蛛丝制成的无纺布创建了此类装置。由于六氟异丙醇（HFIP）具有低表面张力和高挥发性，因此被选为静电纺丝过程的合适溶剂。此外，先前实验中曾测试过水性丝素溶液，但未能生成纤维。在此情况下，使用添加剂以降低表面张力，从而改善溶液的可纺性至关重要。最关键的步骤是调节纺丝溶液的材料浓度和溶剂、纺丝高度、电压以及挤出速度。在操作过程中，例如可通过向针尖提供水蒸气以保持湿润，防止针尖堵塞；但静电纺丝装置中的任何额外添加物都可能干扰该敏感过程及电场的稳定性。关键工艺参数（浓度、电压、距离、湿度）通过分别进行的系列实验逐一确定（数据未显示）。综合考虑所有参数时，必须确保形成连续的泰勒锥和稳定的纺丝过程，以制备出均匀的纤维。

过滤效率是过滤材料最重要的参数之一。该参数主要受过滤材料结构的影响。机织材料具有均匀的孔径，因而具有稳定的透气性。在这些模板材料上形成均匀的无纺纤维网至关重要，以填充孔隙并制备无缺陷的过滤器。本研究中过滤器的过滤效率与丝蛋白的纺丝时间直接相关，因此也与无纺纤维网层数密切相关。单根纤维之间的间隙被持续填充，从而能够截留更小的颗粒。

本研究中，我们介绍了一种利用蜘蛛丝无纺网制备新型滤材的方法，该材料表现出高效的过滤性能。因此，这类滤材有望成为未来空气过滤系统的理想候选材料。

披露

我们无任何利益冲突需要披露。

致谢

我们衷心感谢Anja Lauterbach（生物材料教席）、Lorenz Summa（Sandler AG）和Armin Boeck（B/S/H/G）提供的技术与科学支持。SEM成像由Johannes Diehl（生物材料教席）完成。本研究经费来源于德国联邦教育与研究部（BMBF）（项目编号：01RB0710）。

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