本文介绍了一种用于再生丝素蛋白单丝的微流控纺丝及其微观结构表征的实验方案。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
本实验方案展示了一种模拟家蚕吐丝过程的方法。在天然吐丝过程中，收缩的丝道通过剪切力和拉伸力使丝蛋白变得致密且有序。本研究设计了一种仿生微流控通道，以模拟家蚕丝道的特定几何结构。将高浓度掺杂的再生丝素蛋白（RSF）纺丝液通过该微通道挤出，在常温常压下进行干法纺丝制备纤维。在后续处理过程中，初生纤维在乙醇水溶液中进行牵伸并储存。采用同步辐射广角X射线衍射（SR-WAXD）技术分析单根RSF纤维的微观结构，测试时将纤维固定于样品台上，使纤维轴方向垂直于X射线微束。根据WAXD数据计算纤维的结晶度、晶粒尺寸和晶体取向。二维WAXD图谱中赤道附近出现的衍射弧表明，经过后处理的RSF纤维具有较高的取向度。
引言
蜘蛛和蚕能够在常温常压下从水性蛋白质溶液中产生优异的丝纤维。剪切流和拉伸流可在丝腺中诱导形成液晶结构1。近年来，人们高度关注模拟蜘蛛的纺丝过程，以制备高强度的人工纤维。然而，由于蜘蛛具有同类相食的习性，通过养殖蜘蛛无法高效且经济地大量生产蜘蛛丝蛋白。相比之下，通过养殖蚕可轻松获得大量蚕丝。此外，蚕与蜘蛛具有相似的纺丝过程和氨基酸组成。因此，许多研究人员选择蚕丝纤维蛋白作为替代材料，用于纺制人工动物丝。
蜘蛛和蚕通过其纺丝管将蛋白质溶液挤出，在空气中形成纤维。纺丝管内产生的高应力很可能使丝纤蛋白分子拉伸至更伸展的构象2。人工丝纤维已采用传统的湿法纺丝和干法纺丝工艺制备3,4，但这些方法未考虑纺丝管内产生的流体作用力。
首先，采用微流控方法研究了丝蛋白的组装过程5,6。随后，通过模拟剪切力和拉伸力，研究了再生丝素蛋白（RSF）的微流控制备过程7,8。利用微流控湿法纺丝可调控RSF纤维....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
警告：使用前请查阅所有相关的化学品安全技术说明书。用于制备模具的多种化学试剂具有急性毒性。请使用个人防护装备（安全眼镜、手套、实验服、长裤和封闭式鞋底的鞋子）。
1. 丝素蛋白水溶液的微流控纺丝
- 丝素蛋白水溶液纺丝液的制备4,15,16
- 蚕茧脱胶
- 去除胶质 家蚕 用 Na 重复处理茧两次2CO3 水溶液（水中0.5 wt%） 100 °C 每次30分钟，然后用去离子水清洗蚕丝以去除丝胶。
- 脱胶蚕茧的溶解
- 将脱胶蚕茧丝在空气中干燥；然后按 1:10 (w/v) 的比例将脱胶蚕茧丝溶于 9.0 M LiBr 水溶液中 40 °C 2小时。例如，每1克丝素加入10 mL溴化锂（LiBr）图1a).
- 离心与过滤
- 将RSF溶液用去离子水稀释1.5倍。离心并过滤以去除杂质。将RSF溶液分装至250 mL离心瓶中进行....
- 蚕茧脱胶
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
采用微流控纺丝方法成功制备了高强度的再生丝素纤维（RSF）。拉伸后的 RSF 纤维 C44R40 的应力-应变曲线和 SEM 图像如图 2所示。拉伸测试中至少测量了 10 根纤维。应力-应变曲线根据纤维断裂应力和断裂应变的平均值进行选取。纤维的广角 X 射线衍射（WAXD）数据如图 3所示。根据 WAXD 数据计算了纤维的结晶度和晶粒取向。在样品命名中，使用 C 和 R 分别表示纺丝液中 RSF 的浓度和相对湿度。例如，在 40 ± 5% 相对湿度（RH）下，由 44 wt% RSF 纺丝液纺制并以 4 倍拉伸比进行后拉伸的纤维记为 C44R40。其他纤维根据相同命名规则分别记为 C44R50、C47R40 和 C47R50。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
在丝素蛋白（RSF）溶液透析过程中，pH值对后续的浓缩过程至关重要。如果去离子水的pH值低于6，RSF溶液在浓缩过程中更容易发生凝胶化。为防止凝胶化，需向RSF溶液中添加CaCl2，其添加浓度为每重量RSF加入1 mmol的CaCl2。
我们之前的研究已证明，可以通过微流控干法纺丝技术对丝素蛋白（RSF）水溶液进行纺丝8。此前微流控通道的几何结构采用简化的单级指数函数设计。而对于蜘蛛和家蚕，纺丝原液在形成纤维前，需经过两级指数衰减型纺丝管道进行牵伸1,20。本研究中，微流控通道的几何结构仿照家蚕纺丝管道的二级指数衰减函数进行设计1。微流控通道的宽度从初始的 2,065 µm 逐渐减小至末端的 265 µm，牵伸通道的长度为 21.5 mm。在之前的研究中，所获得的 RSF 纤维直径为 2 µm，因此必须使用一束 RSF 纤维进行.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由国家自然科学基金（21674018）、国家重点研发计划（2016YFA0201702 / 2016YFA0201700）、上海市教育发展基金会和上海市教育委员会支持的“曙光计划”（15SG30）、东华大学杰出青年教授计划（A201302）、中央高校基本科研业务费专项资金以及“111 计划”（编号：111-2-04）资助。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| B. mori 蚕茧 | 中国浙江省桐乡市农户 | ||
| 碳酸钠，无水，99.8% | 上海凌峰化学试剂有限公司，中国 | 分析纯 | |
| 溴化锂，99.1% | 上海中锂实业有限公司，中国 | 分析纯 | |
| 氯化钙，无水，96.0% | 上海凌峰化学试剂有限公司，中国 | 分析纯 | |
| 乙醇，无水，99.7% | 国药集团化学试剂有限公司，中国 | 10009218 | 分析纯 |
| SU-8 光刻胶 | MicroChem Corp.，美国 | ||
| 显影液 | MicroChem Corp.，美国 | ||
| Sylgard 184 | 道康宁公司（Dow Corning），美国 | ||
| 异丙醇 | 上海凌峰化学试剂有限公司，中国 | 分析纯 | |
| 浓硫酸 | 平湖化学试剂厂，中国 | 分析纯 | |
| 30 体积% 过氧化氢 | 上海金路化学试剂有限公司，中国 | 分析纯 | |
| 丙酮 | 上海正兴化工试剂厂，中国 | 分析纯 | |
| 氧气等离子体处理 | DT-01，苏州欧米伽机电科技有限公司，中国 | ||
| 注射泵 | KD Scientific，美国 | KDS 200P | |
| 加湿器 | SEN 电气 | ||
| 钻机 | 杭州博阳机械有限公司，中国 | 台式钻床 Z406c | |
| 材料试验系统 | Instron，美国 | 型号：5565 | |
| PeakFit | Systat Software, Inc.，美国 | 版本 4.12 |
参考文献
- 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. ....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
