Name: Luftfilter Devices Inklusive Vlies Meshes of Elektrogesponnene Rekombinante Spinnenseidenproteine (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-05-08T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 51 s
Description: Erfahren Sie, wie elektrogesponnene rekombinante Spinnenseidenproteine die Filtrationseffizienz von Luftfiltern verbessern. Diese Methode nutzt eADF4-Fasern für biologisch abbaubare Filteranwendungen.

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Wir danken für die technische und wissenschaftliche Unterstützung von Anja Lauterbach (Lehrstuhl Biomaterialien), Lorenz Summa (Sandler AG) und Armin Boeck (B / S / H / G). SEM-Imaging wurde von Johannes Diehl (Lehrstuhl Biomaterialien) durchgeführt. Die Finanzierung wurde von BMBF (01RB0710) abgeleitet.

1. Spinning Dope Vorbereitung <ol><li> Nehmen lyophilisiert eADF4 (C16)-Protein. </li><li> Wiegen 20 mg eADF4 (C16) in eine 1 ml-Reaktionsgefäß unter Verwendung einer Präzisionswaage. </li><li> In 200 ul Hexafluorisopropanol (HFIP) und verschließen das Gefäß mit Parafilm. Hinweis: HFIP ist sehr volatil und schädlich. Wie kann es Schaden in der Atemwege, verursachen Arbeit unter einer Schutzhaube, Pipette vorsichtig und verschließen das Rohr. </li><li> Vortex die Suspension für 1 min und weiter schütteln Sie sie, um die Lösung zu löschen. Um sicherzustellen, dass die gesamte Menge an Protein vollständig gelöst ist, warten, über Nacht. </li></ol> 2. Electrospinning <ol><li> Bereiten Sie die Elektrospinnvorrichtung (Abbildung 1): Ort das Filtermaterial auf der Oberseite der Gegenelektrode und voreingestellte Spannung sowohl der Elektrode (-22.5 kV) und der Gegenelektrode (+2,5 kV). Stellen Sie den Volumenstrom bis 315 ul / hr. Hinweis: während Elektrospinning, giftig HFIP wird verdampft werden. Stellen Sie sicher, Elektrospinnvorrichtung zu einem Abzug verbunden ist. </li><li> Werfen Sie einen im Handel erhältlichen 20 G Nadel und schleifen die scharfe Spitze mit einem Handschleifer auf einen Rest von 30 mm. Schließen Sie die Nadel in einer 1 ml Spritze. Hinweis: Eine Ebene Nadelspitze ist erforderlich, um eine wohldefinierte Taylor-Konus zu erzeugen. </li><li> Laden Sie die gesamte Spinnlösung (200 ul) in die Spritze. Überlagern der Spinnlösung mit 100 ul Luft, um damit die vollständige Lösung extrudiert werden während des Spinnprozesses. Hinweis: Um zu verhindern, Verstopfung der Nadel, stellen Sie sicher, dass sich keine Partikel (Aggregate oder Verunreinigungen) in der Spinnmasse. Arbeiten unter einer Abzugshaube! </li><li> Bringen Sie die gefüllte Spritze an der Spritze Pumpe des Elektrospinnvorrichtung und vorsichtig drücken den Kolben auf die Spritze, bis ein Tropfen erscheint an der Spitze der Nadel. Verriegeln Sie den Kolben. </li><li> Stellen Sie den Abstandzwischen der Spitze der Nadel und der Gegenelektrode 8-20 cm. </li><li> Starten Sie die Spritzenpumpe und entfernen Sie die (in der Regel ausgetrocknet) Tropfen aus der Öffnung der Nadel. Aktivieren Sie alle Sicherheitseinrichtungen des Elektrospinnvorrichtung sofort und starten Sie die Quelle hoher Spannung, sobald ein neuer Tropfen erscheint. Elektrospinnen der Spinnlösung wird anschließend gestartet. Verwenden Sie eine Stoppuhr, um Spinnen Dauer steuern. Hinweis: Um zu verhindern das Austrocknen der Lösung und damit ein Verstopfen der Nadel, ist es notwendig, sofort die Spinnverfahren nach dem Entfernen des getrockneten Tropfens. </li><li> Seit Elektrospinnverfahren von rekombinanten Spinnenseidenproteine ​​hängt von Luftfeuchtigkeit und Temperatur, kann eine Anpassung der Prozessparameter auf die individuellen Laborbedingungen notwendig sein (Abbildung 2). Hinweis: Um die Tröpfchen aus dem Trocknen (2B) ermöglichen einen ausreichenden Durchfluss zu verhindern. Wenn es eine niedrige Feuchtigkeitsquerproty in der umgebenden Atmosphäre, die relative Luftfeuchtigkeit oder erhöhen die Fließgeschwindigkeit. Senken Sie die Spannung, bis eine ordnungsgemäße Taylor-Konus auftritt (Abbildung 2A). Wenn es keine Lösung an der Spitze (2C), erhöhen die Fließgeschwindigkeit und Absenken der Spannung, bis ein Tröpfchen auftritt. Dann stellen Sie Spannung, um eine stabile und regelmäßige Taylor Cone (2A) zu etablieren. </li><li> Nach 30 sec / 60 sec / 90 sec von Elektrospinnverfahren Abschaltung der Spritzenpumpe. Um fallenden Tropfen zu vermeiden, warten Sie 10 Sekunden vor dem Ausschalten des hohen Spannungsquelle, um den restlichen Druck in der Spritze lösen. </li><li> Schritt 6 bis 8 kann auf verschiedenen Arten von Filtermaterialien, wie Polyamid, Polypropylen und Polyester gewebten Maschen sowie schwarzem Papier zum Vergleich durchgeführt werden. </li><li> Um eine Gittervlieses für nachfolgende Experimente Stabilität herzustellen, verwenden schwarzem Papier anstelle von Filtermaterial und führen Sie die Schritte 5-7. Nach 5 min Elektroverspinnen stoppenVerfahren nach Schritt 8 beschrieben. </li></ol> 3. Nachbehandlung von Silk Vlies Meshes <ol><li> Vorheizen Backofen auf 60 ° C </li><li> Setzen Sie die Filter-Substrate mit eADF4 (C16) Vlies Maschen vertikal und mit einem Abstand von mindestens 2 cm in einem verschließbaren Glasbehälter. Der Behälter müssen zwei Öffnungen, die verwendet werden, um anschließend vorstellen Ethanol und Wasser werden. Hinweis: Bei der Festsetzung der Filtermaterialien, stellen Sie sicher, dass die Fläche, die für Durchlässigkeit Experimente nicht durch die Klemmen beschädigt. </li><li> Verbinden Sie zwei 60 ml Spritzen, eine mit Ethanol gefüllt und ein mit Wasser gefüllt, mit Silikon-Schläuchen zeigt in das Innere Unterseite des Nachbehandlungsbehälter (Abbildung 3). Hinweis: Um in der Lage sein, die Flüssigkeit aus dem Behälter nach der Behandlung zu entfernen, positionieren die Öffnungen der Rohre so nahe wie möglich an der Unterseite. </li><li> Legen Sie die Nachbehandlungsbehälter in der oven und 60 ml Ethanol durch Extrudieren der Spritze. Verwenden Sie eine Stoppuhr, um die Behandlungsdauer zu steuern. </li><li> Nach 90 min Ethanol Dampfbehandlung das Ethanol mit der Spritze aus dem Glas, und 60 ml Wasser aus der zweiten Spritze. </li><li> Warten Sie weitere 90 min, dann entfernen Sie das Wasser und den Backofen ausschalten. Um Tröpfchen durch Kondensation zu vermeiden, lassen Sie den Behälter in den Ofen, bis sie vollständig abgekühlt ist. </li></ol> 4. Analysis of Spider Silk Vlies Meshes <ol><li> Bereiten Sie die Seide gewebten Maschen für Stabilitätstests auf schwarzem Papier oder einem anderen entfernbaren Träger. Schneiden Sie zwei Rahmen aus Karton und stellen Doppel-sticky Klebeband. Drücken Sie einen Rahmen auf der Seide Gittervlieses abgeschieden auf schwarzem Papier und mit einem Skalpell abzuschneiden den Überschuss an Seidenfäden (halten die überschüssigen Fasern für nachfolgende SEM-Imaging). Entfernen Sie vorsichtig den Rahmen, um das Vlies aus dem Papier lösen. Wiederholen Sie diesen Schritt mit dem zweiten Rahmen(Abbildung 4). </li><li> Praktische dip Test: Schneiden Sie ein Stück (1 cm 2) eines jeden, der post-behandelten und nicht-behandelten Seide gewebten Mesh und tauchen sie in deionisiertem Wasser. Die nicht behandelten Seide Gittervlieses sofort auflösen, während die zu behandelnde Gittervlieses wird stabil (Abbildung 5). Nach dem Eintauchen, trocknen die Probe getaucht und bereiten sie für SEM Bildgebung. </li><li> Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR)-Messung und anschließende Fourier Selbst-Entfaltung (FSD): Um Informationen über die strukturellen Veränderungen der Seidenproteine ​​beim Nachbehandlung der Vliesstoff Maschen zu gewinnen, FTIR lassen sich mit den Parametern: Transmission -Modus-Scan von 800 bis 4.000 cm -1, 60 Ansammlungen gemessen und gemittelt werden für jedes Spektrum, ist eine Referenz pro Spektrum gemessen. Für die quantitative Analyse der Daten können FSD eingesetzt (Abbildung 6 und Abbildung 7). Dadurch werden die Kurven der Daten ar reduziertea zwischen 1.590 und 1.705 cm -1 und eine Baseline-Korrektur durchgeführt wird. Eine lokale least square fit ist nach den Peak-Positionen aus früheren Studien gemacht (1611, 1619, 1624, 1630, 1640, 1650, 1659, 1666, 1680, 1691, 1698 cm -1) 22 berechnet. </li><li> SEM imaging: SEM angewendet werden, um Faserdurchmesser und die Morphologie der Seidenfasern auf verschiedenen Substraten Filter zu untersuchen und den Einfluss der Nachbehandlung auf der Faser Morphologie (Fig. 8) zu analysieren. Mit einer Vergrößerung von 5.000 x 25.000 x um ausreichend detaillierte Bilder zu bekommen. </li></ol> 5. Bestimmung der Luftdurchlässigkeit <ol><li> Legen Sie einen gut passenden Teil des Filtermaterials auf der Messbereich eines Akustron Luftdurchlässigkeit Gerät. Hinweis :: Wenn Sie eine andere Art der Luftdurchlässigkeit Gerät verwenden, stellen Sie sicher, dass es die Anforderungen der DIN 53 887, DIN 53 120, ISO erfüllt 9237 und ASTM D 737-96 Standards. </li><li>Verwenden einen Akustron Luftdurchlässigkeit Vorrichtung (oder eine andere als in 5.1 dargestellt). Gegebenenfalls Berechnung der normierten Daten [l / (m 2 x sec)]. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 1 und 2 mindestens 10 Mal mit verschiedenen Teilen Ihrer Probe und berechnen den arithmetischen Mittelwert (Abbildung 9). Hinweis: Measuring Luftdurchlässigkeit erfordert Kontakt des Gerätes und die Gittervlieses. Somit ist eine sorgfältige Handhabung der Proben wesentlich zum Bruch der empfindlichen Seide Gittervlieses verhindern. </li></ol> 6. Bestimmung der Filter-Effizienz <ol><li> Verwenden Sie eine geeignete Maschine mit Druckregelung und Partikelzähler, wie ein Universal Particle Sizer (Palas GmbH, Karlsruhe, Deutschland). </li><li> Setzen Sie die Filter-Proben in das Gerät und messen Partikelrückhaltung (Abbildung 10). Aerosol: Di-Ethyl-Hexyl-sebacat (DEHS); Partikelgrößen: 0,3-3 um; Dauer: 30 sec; Flüssigkeitsgeschwindigkeit: 2,350 cm / sec; Luftstrom: 3.400 m 3 / hr. <br/&gt; Hinweis: Behandeln Sie die Probe mit Sorgfalt und berühren Sie nicht die Oberfläche zu einer Zerstörung des Gittervlieses verhindern und vermeiden Sie jegliche Verschmutzung. Achten Sie darauf, genügend Proben von gleicher Qualität für Performance-Messungen zu erstellen. </li></ol>

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Wir haben nichts zu offenbaren.

Neuer Filter Geräte ermöglichen sollten Absenken des gesamten Energieverbrauchs in der Luft Filtration bei konstantem oder höher Filter Wirkungsgrade. Hier wurden solche Geräte unter Verwendung von Vliesstoffen Spinnenseide. Aufgrund seiner geringen Oberflächenspannung und eine hohe Volatilität hat HFIP als geeignetes Lösungsmittel für die Elektrospinnverfahren gewählt worden. Darüber hinaus wurden wässrige Lösungen Seide in früheren Experimenten getestet, aber keine Fasern erzeugt werden konnte. Hier wäre es von entscheidender Bedeutung sein, Additive zu verwenden, um die Oberflächenspannung zu verringern und dadurch die Eigenschaften Spinnen der Lösung. Der wichtigste Schritt ist, um die Bedingungen und das verwendete Material Konzentration und Lösungsmittel der Spinnerei Lösung einzustellen, Spinning Höhe, Spannung und Geschwindigkeit Extrusion. Während des Spiels können zum Beispiel Verstopfung der Spitze durch die Versorgung der Nadelspitze mit Feuchtigkeit in Form von Wasserdampf verhindert werden, aber jede Art von Ergänzungen in dem Elektrospinnverfahren Setup könnte anschließend störender empfindliche Verfahren und des elektrischen Feldes. Wesentliche Prozessparameter (Konzentration, Spannung, Entfernung, Feuchtigkeit) einzeln bestimmt Durchführung separaten Versuchsreihe (Daten nicht gezeigt). Nimmt man alle Parameter berücksichtigen ist es entscheidend, die Pflege eines kontinuierlichen Taylor-Konus und Spinnverfahren, um eine gleichmäßige Fasern erstellen zu nehmen. Die Filterleistung ist einer der wichtigsten Parameter der Filtermaterialien. Dieser Parameter wird in erster Linie durch die Struktur des Filtermaterials beeinflusst. Wovens erben einheitlichen Porengrößen und anschließend konsequent Luftdurchlässigkeit. Es ist entscheidend, um eine homogene Vlies Maschen auf dieser Vorlage Materialien zu erstellen, um die Poren zu füllen und eine Null-Fehler-Filter zu erzeugen. Der Filter Effizienz in unserem Filter zeigt eine direkte Abhängigkeit von der Dauer der Spinnerei (der Seidenproteine), und damit von der Anzahl der Gittervlieses Schichten. Die Lücken zwischen den einzelnen Fasern sind durchweg gefüllt, so dass die Beibehaltung of kleinere Partikel. In dieser Arbeit haben wir eine Methode, um ein neues Filtermaterial mit Spinnenseide Vlies Maschen produzieren, die eine hohe Filterleistung. Daher sind diese Filter vielversprechende Kandidaten für die künftige Nutzung in Luftfiltrationssysteme.

Aufgrund ihrer Kombination aus Festigkeit und Dehnbarkeit, kann Spinnenseidefäden mehr kinetische Energie als die meisten anderen natürlichen oder synthetischen Fasern 1 absorbieren. Außerdem, im Gegensatz zu den meisten synthetischen polymeren Materialien Seide Materialien sind ungiftig und biologisch verträglich und verursachen keine allergischen Reaktionen bei 2,3 eingearbeitet. Vermeintliche Gesundheitsrisiken kann mit Spinnenseide verhindert werden. Diese Eigenschaften machen Spinnenseide sehr attraktiv für eine Vielzahl von medizinischen und technischen Anwendungen. Da Spinnen kann nicht bewirtschaftet aufgrund ihrer kannibalischen Verhaltens haben biotechnologische Methoden wurden entwickelt, um Proteine ​​zu produzieren Spinnenseide, sowohl kostengünstig und in ausreichenden Mengen 4. Das rekombinante Seidenproteine ​​eADF4 (C16) wurde auf der Grundlage der natürlichen Sequenz von Araneus diadematus Fibroin 4 (ADF4) konstruiert worden. eADF4 (C16) ein Molekulargewicht von 48kDa 5 und ist in verschiedenen Lösungsmitteln löslich (hexafluoroisopropanol (HFIP) 6, 7 und Ameisensäure wässrigen Puffern) 8. eADF4 (C16) in unterschiedliche Morphologien wie Folien 9, Kapseln 8, Teilchen 10, Hydrogele 11, Beschichtungen 7, 12 Fasern und gewebten Maschen 6 verarbeitet werden. Aufgrund ihrer chemischen Stabilität, bieten diese ein hohes Potenzial für Filter-Applikationen. Hier präsentieren wir ein Protokoll zum Luftfilter Geräte einschließlich einer Gittervlieses elektrogesponnener rekombinanten Spinnenseidenproteine ​​herzustellen. Elektrospinnen oder elektrostatisches Spinnen ist eine Technik, in der Regel zur Herstellung von Polymerfasern mit einem Durchmesser im Bereich von 10 nm um 13 -10 und gewebten Maschen verwendet wurden bereits für Filteranwendungen 14 untersucht. In der Vergangenheit hat Elektrospinnen erfolgreich zur Verarbeitung regenerierter 15 sowie rekombinant hergestelltes 16 Spinnenseide angewendetProteine. Typischerweise wird eine hohe elektrische Spannung (5-30 kV) mit einer Spritze und einer Gegenelektrode (0-20 kV) in einem Abstand von 8-20 cm gelegt wird. Die starken elektrostatischen Feld induziert abstoßenden Kräfte innerhalb der geladenen Lösung. Wenn die Oberflächenspannung überschritten, wird eine Taylor-Konus ausgebildet, und ein dünner Strahl bricht aus der Spitze 17,18. Nach der Bildung auftreten Biegen Instabilitäten innerhalb des Strahls verursacht weitere Strecken als das Lösungsmittel verdampft, und eine feste Faser gebildet. Schließlich wird die Faser nach dem Zufallsprinzip auf der Gegenelektrode als Gittervlieses 19 abgeschieden. Fiber Eigenschaften wie Durchmesser und Oberflächentopologie (glatt, porös) sind vor allem abhängig von Lösung Parametern wie Konzentration, Viskosität, freie Oberflächenenergie und des Lösungsmittels intrinsische elektrische Leitfähigkeit und Durchlässigkeit 20. Electrospinning von eADF4 (C16) in HFIP Ergebnisse in glatte Fasern mit Durchmessern von 80-1,100 nm in Abhängigkeit von der Protein-Konzentration in der Lösung gelöst.eADF4 (C16) Elektrospinnen von HFIP zeigt ein überwiegend α-helikale Sekundärstruktur und die Fasern sind wasserlöslich 6. Um die Seidenfasern zu stabilisieren, haben β-Faltblatt-Strukturen durch anschließende Behandlung mit Ethanol induziert werden. Im Gegensatz zu den vorher festgelegten Nachbehandlungsverfahren 21 haben in dieser Studie eADF4 (C16) Vliese mit Ethanol Dampf behandelt, um die Morphologie der Seidenfasern zu erhalten. Sekundäre Struktur-Analyse wurde durchgeführt unter Verwendung der Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) und anschließende Fourier Selbst-Entfaltung (FSD), wie in der Literatur beschrieben 22. FSD ist ein Signal-Processing-Tool, Auflösung von FTIR-Spektren aus mehreren überlappenden Bändern ermöglicht. Dadurch können die unscharfe Banden des breiten Amid I verengt mit einem Hochpassfilter einen entfalteten Spektrums mit verbesserten Peak Auflösungen erhalten werden. Um zu beurteilen, die effizienz der Filterträger mit Seide gewebten Maschen ergänzt wurden Luftdurchlässigkeit Tests unter Verwendung eines Akustron nach Standardprotokollen. Abscheidegeschwindigkeiten wurden unter Verwendung eines universellen Palas Partikel-Sizer.

luftfilter devices inklusive vlies meshes of elektrogesponnene rekombinante spinnenseidenproteine

Air Filter Devices Including Nonwoven Meshes of Electrospun Recombinant Spider Silk Proteins

Basierend auf der natürlichen Sequenz von Araneus diadematus Fibroin 4 (ADF4), das rekombinante Spinnenseidenprotein eADF4 (C16) wurde entwickelt. Diese stark repetitiven Protein ein Molekulargewicht von 48kDa und in verschiedenen Lösungsmitteln löslich (Hexafluorisopropanol (HFIP), Ameisensäure und wässrigem Puffer). eADF4 (C16) bietet ein hohes Potenzial für verschiedene technische Anwendungen, wenn sie in Morphologien wie Folien, Kapseln, Teilchen, Hydrogele, Beschichtungen, Fasern und Vlies Maschen verarbeitet. Aufgrund ihrer chemischen Stabilität und kontrollierte Morphologie, kann diese verwendet werden, um Filtermaterialien zu verbessern. In diesem Protokoll, präsentieren wir ein Verfahren, um die Effizienz verschiedener Luftfilter Geräte erweitern, die durch die Ablagerung von nicht gewebten Maschen elektrogesponnenen rekombinanten Spinnenseidenproteine. Electrospinning von eADF4 (C16) in HFIP Ergebnisse in glatte Fasern gelöst. Variation der Proteinkonzentration (5-25% w / v) zu unterschiedlichen Faserdurchmesser (80-1,100 nm) undso Porengrößen des Vliesstoffes mesh. Nachbehandlung von eADF4 (C16) elektrogesponnenen von HFIP ist notwendig, da das Protein zeigt eine überwiegend α-Helix-Sekundärstruktur in frisch gesponnenen Fasern und damit die Fasern sind wasserlöslich. Die anschließende Behandlung mit Ethanol Dampf induziert die Bildung von Wasser-beständigen, stabilen β-Faltblatt-Strukturen, die Erhaltung der Morphologie der Seidenfasern und kämmt. Sekundäre Struktur-Analyse wurde durchgeführt unter Verwendung der Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) und anschließende Fourier Selbst-Entfaltung (FSD). Das primäre Ziel war es, die Effizienz der bestehenden Filter Filter Substrate durch Zugabe von Seide gewebte Schichten übereinander zu verbessern. Um den Einfluss von Elektrospinnen Dauer und somit Vlieslage Dicke auf der Filtereffizienz zu bewerten, führten wir Luftdurchlässigkeit Tests in Kombination mit Partikelabscheidung Messungen. Die Versuche wurden nach Standardverfahren durchgeführtProtokolle.

Elektrospinnen von rekombinanten Spinnenseide-Lösungen mit Konzentrationen von 10% w / v von HFIP Folge glatte Fasern mit Durchmessern im Bereich von 80 bis 120 nm, die die Bildung von nicht gewebten Maschen. Post-Behandlung mit Ethanol Dampf nicht zu auffälligen morphologischen Veränderungen, die war es daher, gegründet als eine richtige Art und Weise aus Seide gewebten Nachbehandlung (Abbildung 8) führen. Strukturelle Veränderungen wurden unter Verwendung von FT-IR und anschließende FSD von Amid I Banden wurde durchgeführt, um einzelne Beitrag Peaks (Abbildung 6) zu analysieren. Es konnte gezeigt werden, dass nach der Behandlung zu einer Erhöhung der β-Faltblatt-Strukturen führt, während der Gehalt an α-Helix-und Random-Coil-Strukturen verringert (Abbildung 7). Dieses Ergebnis kann praktisch durch Eintauchen eines nachbehandelt in Wasser (Abbildung 5) Vlies nachgewiesen werden. Selbst nach einer Woche werden keine Auflösung des Gittervlieses auftreten. Die Spinnerei duration ist der wichtigste Parameter zur Anwendung der Seide Vliesstoffe in Filtermaterialien durch den Druckabfall auf der zunehmende Dichte elektrogesponnener Fasern. Erweiterte drehenden Laufzeiten und damit eine höhere Anzahl von Faserschichten führen zu einer exponentiellen Abnahme der Luftdurchlässigkeit. Dieser Effekt konnte für alle anderen Filter Trägermaterialien vor und nach einer Nachbehandlung (Abbildung 9) nachgewiesen werden. Ebenso ist die Filterleistung der Seide enthaltenden Filtermaterialien von Sub-Mikrometer-Partikel zunimmt (Abbildung 10). Während Kurzspinnen Laufzeiten (30 sec) gewinnen niedrigen Filter Wirkungsgrade, höhere Spinnerei Dauern (90 sec) führen zu höheren Wirkungsgraden. <img alt="Abbildung 1" fo:content-width="5.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig1.jpg" /> Abbildung 1. Hohe elektrische Spannung (0-30 kV) i<html> s, die auf eine Spritze mit einer Lösung gefüllt Seide, und eine Gegenelektrode (0-20 kV) in einem Abstand von 8-20 cm gelegt. Dieser Aufbau führt zu einer starken elektrostatischen Feld, induziert Abstoßungskräfte innerhalb der geladenen Lösung. Wenn die Oberflächenspannung überschritten, wird eine Taylor-Konus ausgebildet, und ein dünner Strahl bricht aus der Spitze. Nach der Bildung auftreten Biegen Instabilitäten innerhalb des Strahls verursacht weitere Strecken als das Lösungsmittel verdampft, und eine feste Faser gebildet. Schließlich wird die Faser nach dem Zufallsprinzip auf der Gegenelektrode in Form eines Gittervlieses abgeschieden. <img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig2.jpg" /> 2. Fotografien eines regelmäßigen Taylor-Konus (A), einem getrockneten Tröpfchens (B) und der Einrichtung ohne Tröpfchen (C). iles/ftp_upload/50492/50492fig3highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50492/50492fig3.jpg &quot;/&gt; Abbildung 3. Schematische Vorgehensweise bei der Dampf-Nachbehandlung. Im ersten Schritt wird die Kammer mit Ethanol gefüllt, und die Probe wird bei 60 ° C für 90 Minuten mit Dampf behandelt. Um die gewebten Maschen zur anschließenden Bearbeitung erweichen, Ethanol entfernt wird und die Fasern werden mit Wasserdampf gedämpft für 90 min bei 60 ° C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50492/50492fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . <img alt="Fig. 4" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig4.jpg" /> Abbildung 4. Fotografie eines Papprahmen mit angeschlossenem Seide gewebten Maschen zur Nachbehandlung verwendet werden. <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig5.jpg" /> Abbildung 5. Electrospun und anschließend nachbehandelt im trockenen Zustand (A) und unter Wasser (B) Vlies. <img alt="Abbildung 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig6.jpg" /> 6. Fourier selbst entfalteten Absorptionsspektrum eines Amid-I-Bande einer unbehandelten (A) und einem nachbehandelten (B) Spinnenseide-gewebte Maschen. Die durchgezogene Linie zeigt die Absorptionsbande, die aus den einzelnen Beitrag Spitzen (gestrichelte Linien) und nach Entfaltung abgeleitet. Die Zuordnung der jeweiligen Kurven wurde bisher veröffentlichten Werte aus der Literatur 22 basiert. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50492/50492fig6large.jpg" target="_blank">Klicke hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . <img alt="Abbildung 7" fo:conten<html> t-width = &quot;5in&quot; fo: src = &quot;/ files/ftp_upload/50492/50492fig7highres.jpg&quot; src = &quot;/ files/ftp_upload/50492/50492fig7.jpg&quot; /&gt; 7. Sekundärstruktur Gehalt an nicht-behandelten und nachbehandelten eADF4 (C16) Vlies kämmt. <img alt="Fig. 8" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig8.jpg" /> . Abbildung 8 REM-Aufnahmen von elektrogesponnenen eADF4 (C16)-Fasern auf verschiedenen Substraten Filter: Polyamid (PA), Polyester (PE), Polypropylen (PP) und reines eADF4 (C16) Fasern vor (S1) und nach (S2) post- Behandlung mit Ethanol Dampf. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50492/50492fig8large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . / Ftp_upload/50492/50492fig9.jpg &quot;/&gt; Abbildung 9. Luftdurchlässigkeit Tests vor (A) und nach einer Nachbehandlung (B) der Seide gewebten Maschen mit Ethanoldampf, zunehmende Spinnen mal mehr Vliesstoffschichten anschließend Absenken der Luftdurchlässigkeit führen. <img alt="Abbildung 10" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig10highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig10.jpg" /> Abbildung 10. Filterleistung von Di-Ethyl-Hexyl-sebacat Aerosols auf elektrogesponnenen Spinnenseide gewebten Maschen auf Polyamid Filtermaterialien bei unterschiedlichen Laufzeiten Spinnerei, Beeinflussung der Seide Schicht Menge, nach der Nachbehandlung mit Ethanol.

Spinnenseide Fasern zeigen außergewöhnliche mechanische Eigenschaften. Engineered<em&gt; Araneus diadematus</em&gt; Fibroin 4 (eADF4) in Maschen mit Vlies Elektrospinning verarbeitet werden. Hier werden die eADF4 Vlies Maschen verwendet, um die Leistung der Luft filtern Geräte zu verbessern.

Luftfilter Devices Inklusive Vlies Meshes of Elektrogesponnene Rekombinante Spinnenseidenproteine

Based on the natural sequence of Araneus diadematus Fibroin 4 (ADF4), the recombinant spider silk protein eADF4(C16) has been engineered. This highly ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, kommerzielle Filtermaterialien durch die Abscheidung von Spinnenseiden-Vliesen zur Filtration kleiner Partikel zu verbessern. Lösen Sie zunächst die lyophilisierten rekombinanten Spinnenseidenproteine in HFIP, um eine geeignete Spinnmasse herzustellen. Anschließend wird die Lösung elektrostatisch auf verschiedene Filtermaterialien aufgesponnen, die dadurch mit einer Schicht aus Seide und Vlies beschichtet werden.Behandeln Sie als Nächstes die Seiden-Submikrometerfasern mit Ethanol-Dampf, um stabile wasser- und lösliche Strukturen auszubilden und die Vliesstoffe für die anschließende Handhabung weich zu machen. Die Befeuchtung der Proben mit Wasserdampf zeigt Ergebnisse, die eine klare Abhängigkeit der Spinnzeit und damit der Schichtdicke von der Filtereffizienz aufgrund von Partikelfiltrationsmessungen belegen. Im Vergleich zum Schmelzblasverfahren synthetischer Polymere liefert das Elektrospinnen Fasern, deren Durchmesser etwa zehnmal geringer ist und die eine engere Größenverteilung aufweisen.Wichtig ist, dass die Verwendung biokompatibler, biologisch abbaubarer Spinnenseiden-Nanofasern das mutmaßliche Gesundheitsrisiko im Vergleich zu anderen Polymerfasern verringert. Daher kann diese Methode Fortschritte im Bereich der technischen Filtration ermöglichen. Sie kann auch in medizinischen Systemen eingesetzt werden, beispielsweise bei Wundauflagen, bei denen nichtgewebte Spinnenseidenmatten die Wundheilung unterstützen können.Die Idee zu dieser Methode entstand zunächst, als wir versuchten, Spinnenseidenfasern mit verschiedenen Techniken herzustellen. Die geringen Durchmesser, die durch das Elektrospinnen erzielt wurden, führten zur Überlegung, sie in Luftfiltergeräten einzusetzen. Geben Sie 20 Milligramm lyophilisiertes Protein zu 200 Mikrolitern HFIP und verschließen Sie das Gefäß mit einem Verschluss. Vortexen Sie die Spinnlack-Suspension eine Minute lang, schütteln Sie, um die Lösung zu klären, und inkubieren Sie über Nacht bei Raumtemperatur. Um das Elektrospinn-Gerät vorzubereiten, legen Sie das Filtermaterial auf die Gegenelektrode und stellen Sie die Spannung sowohl der Elektrode als auch der Gegenelektrode vorab ein.Danach den Volumenstrom einstellen. Da toxisches HFIP verdampft wird, sicherstellen, dass das Elektrospinn-Gerät an eine Abzugshaube angeschlossen ist. Um einen gut definierten Taylor-Konus zu erzeugen, die scharfe Spitze einer 20-Gauge-Nadel auf eine Restlänge von 30 Millimetern abschleifen.Verbinden Sie dann die Nadel mit einer Ein-Milliliter-Spritze. Füllen Sie die gesamte Spinnmasse in die Spritze und überlagern Sie die Masse mit 100 Mikrolitern Luft, um während des Spinnprozesses die vollständige Extrusion der Lösung zu ermöglichen. Befestigen Sie anschließend die gefüllte Spritze an der Spritzenpumpe des Elektrospinn-Geräts.Drücken Sie den Kolben vorsichtig auf die Spritze, bis ein Tropfen an der Nadelspitze erscheint. Verriegeln Sie nun den Kolben. Stellen Sie den Abstand zwischen der Nadelspitze und der Gegenelektrode auf zwischen acht und 20 Zentimetern ein.Nachdem die Hochspannungsquelle angeschlossen wurde, starten Sie die Spritzenpumpe und entfernen den Tropfen von der Öffnung der Nadel. Aktivieren Sie unverzüglich alle Sicherheitseinrichtungen der Elektrospinnvorrichtung und schalten Sie die Hochspannungsquelle ein. Sobald ein neuer Tropfen erscheint.Verwenden Sie eine Stoppuhr, um die Spinnzeit zu steuern, da das Elektrospinnen rekombinanter Spinnenseidenproteine von Luftfeuchtigkeit und Temperatur abhängt und eine Anpassung der Prozessparameter an die individuellen Laborbedingungen erforderlich sein könnte. Schalten Sie nach einer definierten Elektrospinnzeit die Spritzenpumpe ab. Schalten Sie nach 10 Sekunden die Hochspannungsquelle aus, um ein Vlies zu erzeugen.Für nachfolgende Stabilitätsversuche. Verwenden Sie schwarzes Papier anstelle von Filtermaterial. Stoppen Sie den Prozess nach fünf Minuten des Elektrospinnens, wie zuvor gezeigt, in einem vorgeheizten Ofen bei 60 Grad Celsius.Platzieren Sie die Filterträger mit Vliesgeweben senkrecht. Achten Sie auf einen Mindestabstand von zwei Zentimetern zwischen den Proben und den Wänden eines verschließbaren Glasbehälters mit zwei Öffnungen. Zur Lösungsmittelzufuhr verbinden Sie zwei 60-Milliliter-Spritzen, von denen einer mit Ethanol und der andere mit Wasser gefüllt ist, über Silikonschläuche, deren Öffnungen nach unten in das Innere des Nachbehandlungsbehälters weisen.Stellen Sie den Behälter nach der Behandlung in den Ofen und geben Sie 60 Milliliter Ethanol durch Auspressen der Spritze hinzu. Verwenden Sie eine Stoppuhr, um die Behandlungsdauer zu steuern. Entfernen Sie das Ethanol mit der Spritze aus dem Glas und geben Sie nun 60 Milliliter Wasser aus der zweiten Spritze über einen Zeitraum von weiteren 90 Minuten hinzu.Entfernen Sie dann das Wasser und schalten Sie den Ofen aus. Um Tropfenbildung durch Kondensation zu vermeiden, entnehmen Sie den Behälter erst aus dem Ofen, wenn er vollständig abgekühlt ist. Für Stabilitätsprüfungen verwenden Sie Seidenvliese, die auf Schwarzpapier oder einem anderen entfernbaren Trägermaterial aufgesponnen wurden.Passe das doppelseitige Klebeband an. Schneiden Sie dann zwei Rahmen aus Pappe aus. Drücken Sie einen Rahmen auf das auf Schwarzpapier abgelegte Seidenvliesgitter.Danach schneiden Sie das überschüssige Vliesgitter ab und entfernen vorsichtig den Rahmen. Anschließend befestigen Sie den zweiten Rahmen auf die gleiche Weise.Für den praktischen Tauchtest nehmen Sie Proben des nachbehandelten und unbehandelten Seiden-Vliesgewebes und tauchen Sie in entionisiertes Wasser ein. Beachten Sie, wie das unbehandelte Seiden-Vliesgewebe sofort auflöst. Während das behandelte Vliesgewebe stabil ist, an der Luft trocknen lassen.Die Probe für die REM-Bildgebung, wenden Sie die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie an, um Informationen über die strukturellen Veränderungen der Seidenproteine nach der Nachbehandlung der Vliese zu erhalten. Wählen Sie den Transmissionsmodus, scannen Sie im Bereich von 800 bis 4.000 inversen Zentimetern. Messen Sie 60 Akkumulationen mit Mittelwertbildung für jedes Spektrum und eine Referenzmessung pro Spektrum.Für M, zur quantitativen Analyse der Daten, verwenden Sie die Fourier-Selbstentfaltung. Stellen Sie die Kurven auf die Wellenzahlen zwischen 1.590 und 1.705 cm⁻¹ ein und nehmen Sie außerdem eine Basiskorrekur vor. Berechnen Sie anschließend einen lokalen Kleinste-Quadrate-Anpassung, wie von Schu und Kollegen im Jahr 2006 beschrieben.Verwenden Sie anschließend die REM-Bildgebung, um die Faserdurchmesser und die Morphologie der Seidenfasern auf verschiedenen Filtermaterialien zu untersuchen, und analysieren Sie den Einfluss der Nachbehandlung auf die Fasermorphologie. Verwenden Sie Vergrößerungen von 5.000 bis 25.000 x, um ausreichend detaillierte Aufnahmen zu erhalten. Platzieren Sie zunächst einen passenden Ausschnitt des Filtermaterials auf der Messfläche des Geräts.Verwenden Sie ein Luftdurchlässigkeitsmessgerät vom Typ Acutron gemäß den Herstelleranweisungen und notieren Sie die genormten Daten. Nach der Datensammlung von mindestens 10 verschiedenen Stellen der Probe berechnen Sie das arithmetische Mittel, um die Filtereffizienz zu bestimmen. Nutzen Sie eine geeignete Maschine mit Druckregelung und Partikelzähler, beispielsweise einen universellen Partikelgrößenanalysator.Behandeln Sie die Probe sorgfältig und berühren Sie nicht die Oberfläche, um die Zerstörung des Vlieses zu verhindern und jegliche Verunreinigung zu vermeiden. Stellen Sie sicher, dass ausreichend Proben von gleicher Qualität für Leistungsmessungen hergestellt werden. Das Elektrospinnen rekombinanten Spinnenseides mit Konzentrationen von 10 % Gewicht pro Volumen in HFIP auf verschiedenen Filtermaterialien wie Polyamid, Polypropylen und Polyester führte zu glatten Fasern mit Durchmessern zwischen 80 und 120 Nanometern, wodurch die Bildung von Vliesen auf unterschiedlichen Filtermaterialien ermöglicht wurde.Die Nachbehandlung mit Ethanol-Dampf führte nicht zu auffälligen morphologischen Veränderungen, wodurch sie als geeignete Methode zur Nachbehandlung von Seiden-Vliesstoffen etabliert ist. Strukturelle Veränderungen wurden mittels FTIR nachgewiesen, und anschließend wurde eine FSD der Amid-IB-Banden durchgeführt, um die einzelnen Beitragsspitzen zu analysieren. Interessanterweise führt die Nachbehandlung zu einer Zunahme von Beta-Faltblatt-Strukturen, während der Anteil an Alpha-Helix- und zufälligen Coil-Strukturen abnimmt.Dieses Ergebnis kann praktisch nachgewiesen werden, indem ein vorbehandelter, nichtgewebter Netzstoff aus Seide in Wasser getaucht wird. Wie zuvor gezeigt, ist die Spinnzeit der wichtigste Parameter hinsichtlich der Anwendung von nichtgewebten Seidennetzstoffen als Filtermaterialien; längere Spinnzeiten und damit eine höhere Anzahl an Faserschichten führen zu einem exponentiellen Rückgang der Luftdurchlässigkeit. Ebenso steigt die Filtereffizienz der Seide enthaltenden Filtermaterialien gegenüber Submikrometer-Partikeln nach ihrer Entwicklung an.Diese Technik ebnete den Weg für Forscher im Bereich biomimetischer Materialien, um deren hohes Potenzial für technische Anwendungen zu erforschen. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie rekombinante Spinnenseidenproteine zu submikrometergroßen, nichtgewebten Netzen verarbeitet werden können. Nützlich zur Filterung kleiner Partikel.Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit HFIP äußerst gefährlich sein kann, und Vorsichtsmaßnahmen wie die Verwendung eines Abzugs sollten stets berücksichtigt werden, wenn das Verfahren durchgeführt wird.

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Research

Forschung

JoVE Journal

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