Mikrofluidische trocken-Spinnen und Charakterisierung von regenerierten Seide Fibroin Fasern

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments besteht darin, den Einfluss der relativen Luftfeuchtigkeit auf Struktur und Zugeigenschaften von regenerierten Seidenfibroin-Fasern mithilfe einer mikrofluidischen Trocken-Spinnmethode zu untersuchen. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen in der biomimetischen Spinnung zu beantworten, beispielsweise bezüglich Scherkräften und des Trockenspinnprozesses. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass der mikrofluidische Kanal so konzipiert ist, dass er dem Spinnkanal einer Seidenraupe nachempfunden ist.

Diese Methode kann Einblicke in den Trockenspinnprozess von Seidenfibroin geben. Sie kann auch für den Nassspinnprozess zur Wiederverkettung von Spinnenseide verwendet werden. Im Allgemeinen haben neue Personen, die mit dieser Methode nicht vertraut sind, Schwierigkeiten.

Da es zwei Wochen benötigt, um die Spinnlösung vorzubereiten, und um sicherzustellen, dass sie gute Spineigenschaften aufweist. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist sehr entscheidend. Denn falls Sie unerfahren sind, ist die Spinnlösung äußerst schwierig herzustellen, und die Spindauer ist für Sie von wesentlicher Bedeutung.

Beginnen Sie mit dem Entkleben der Bombyx mori-Kokons in einer wässrigen Lösung, die 0,5 % Natriumcarbonat enthält. Inkubieren Sie die untergetauchten Kokons bei 100 Grad Celsius für 30 Minuten. Ersetzen Sie dann die Natriumcarbonatlösung und wiederholen Sie die Inkubation ein zweites Mal.

Wenn der Vorgang abgeschlossen ist, spülen Sie die Seide mit entionisiertem Wasser, um das Sericin zu entfernen. Trocknen Sie die entklebten Kokonseiden an der Luft und tauchen Sie sie anschließend in 9,0-molare Lithiumbromidlösung bei einem Gewichtsverhältnis von 1:10 ein. Inkubieren Sie die Seiden bei 40 Grad Celsius für zwei Stunden, bis die Seiden vollständig gelöst sind.

Als Nächstes verdünnen Sie die regenerierte Seidenfibroinlösung in 250-Milliliter-Flaschen mit entionisiertem Wasser um den Faktor 1,5. Zentrifugieren Sie die Lösung und filtrieren Sie sie anschließend mit einer Vakuumpumpe durch eine doppelte Filterpapierlage mit einer Maschenweite von 20 Mikrometern, um Verunreinigungen zu entfernen. Geben Sie 250 Milliliter der filtrierten, regenerierten Seidenfibroinlösung in dialysierfähige Zellulosemembrantüten und dialysieren Sie jede Tüte drei Tage lang in jeweils 10 Litern umkehrosmotisch entionisiertem Wasser bei fünf Grad Celsius.

Nach der Dialyse Luftstrom verwenden, um die Lösung auf fünf Grad Celsius auf 20 % des ursprünglichen Gewichts einzudampfen. Anschließend eine dreimolare wässrige Lösung von Calciumchlorid zur konzentrierten Lösung hinzufügen, um eine Endkonzentration von 1,0 Millimol pro Gramm Calciumionen zu erreichen. Danach die regenerierte Seidenfibroin-Lösung erneut durch Luftstrom auf 44 % ihres Ausgangsgewichts eindampfen.

Beginnen Sie damit, einen Objektträger 20 Minuten lang in einer Mischlösung aus konzentrierter Schwefelsäure und 30%iger Wasserstoffperoxidlösung im Verhältnis 10:1 zu kochen. Anschließend spülen Sie den Objektträger mit entionisiertem Wasser ab und trocknen ihn mit hochreinem Stickstoff. Danach platzieren Sie den Objektträger in einer speziell angefertigten Beschichtungsvorrichtung mit einem Spalt von 100 Mikrometern zwischen der Unterseite der Beschichtungsstange und der Oberseite des Objektträgers.

Füllen Sie den Spalt mit SU-8-Photolack und beschichten Sie anschließend den Photolack durch Schleudern mit 40,3 ×g für 30 Sekunden, um einen gleichmäßigen Film von etwa 85 Mikrometern Dicke zu erzeugen. Danach bringen Sie den Objektträger mit dem Photolack in einen Ofen mit temperaturgesteuerter Programmiereinheit. Erhöhen Sie die Temperatur ausgehend von Raumtemperatur auf 65 Grad Celsius mit einer Rate von zwei Grad Celsius pro Minute und halten Sie die Temperatur bei 65 Grad Celsius für zwei Minuten konstant.

Danach die Probe weiter von 65 Grad Celsius auf 95 Grad Celsius mit einer Aufheizrate von zwei Grad Celsius pro Minute erhitzen und die Temperatur bei 95 Grad Celsius 15 Minuten lang halten. An diesem Punkt den Ofen ausschalten und die Probe im Ofen natürlich auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Danach die Probe mit dem Photoresist unter ein UV-Licht legen und eine Photomaskierung mit dem geeigneten Mikrokanal über der Probe ausrichten.

Belichten Sie die Seite des Objektträgers 12 Sekunden lang mit UV-Licht. Nach der Belichtung legen Sie den Objektträger erneut in den Ofen und erhitzen wie zuvor. Reinigen Sie nach dem Backen den Fotolack 30 Sekunden lang ultraschallunterstützt in Entwicklerlösung.

Danach abwechselnd Isopropanol und Entwickler verwenden, um den Objektträger zu waschen, bis keine Niederschläge mehr auf dem Objektträger sichtbar sind. Den Photoresist in einem Ofen mit einer temperaturgesteuerten Programmierroutine aushärten. Die Temperatur von Raumtemperatur auf 170 Grad Celsius mit zwei Grad Celsius pro Minute erhöhen, 30 Minuten bei 170 Grad Celsius halten und anschließend den Ofen ausschalten und den Objektträger im Ofen natürlich auf Raumtemperatur abkühlen lassen.

Als Nächstes wird die ausgehärtete SU-8-Form in eine Aluminiumbox gegeben und 8,8 Gramm PDMS-Präpolymer in einer Schichtdicke von etwa fünf Millimetern über die Form gegossen. Das PDMS wird 30 Minuten bei 65 Grad Celsius und 15 Minuten bei 80 Grad Celsius ausgehärtet. Nach der Aushärtung wird mit einem Bohrer mit einem Durchmesser von 1,2 Millimetern ein Loch durch das PDMS-Abbild am Anfang des Kanals gebohrt.

Danach das PDMS-Kanalstück mit der Kanalseite nach oben zusammen mit einer zweiten flachen PDMS-Schicht in einen Plasma-Beschichter geben und mit Sauerstoff-Plasma behandeln. Unmittelbar nach der Entnahme aus der Plasma-Kammer die PDMS-Schicht mit dem Kanal mit einer flachen PDMS-Schicht versiegeln. Der Mikrokanal ist nun gebrauchsfertig.

Das regenerierte Seidenfibroin-Spinnmittel mit zwei Mikrolitern pro Minute mithilfe einer Spritzenpumpe in den Mikrokanal einspritzen. Die relative Luftfeuchtigkeit im Elektrospinnbereich mit einem Luftbefeuchter auf 40 oder 50 % relative Luftfeuchtigkeit einstellen. Anschließend eine Walze einschalten, sodass sich deren Oberfläche mit drei Zentimetern pro Sekunde bewegt.

Sobald die Luftfeuchtigkeit stabilisiert ist, berühren Sie den Tropfen regenerierter Seidenfibroin und ziehen eine Seidenfaser in die Luft. Anschließend legen Sie sie über den 10 Zentimeter langen Luftspalt hinweg auf die Rolle. Die Rolle zieht die verbleibenden Seidenfasern.

Nach Beendigung lagern Sie die Fasern 24 Stunden lang in einem verschlossenen Exsikkator. Am nächsten Tag behandeln Sie die Fasern nach, indem Sie sie mit einer selbstgebauten Maschine viermal mit 0,9 Millimetern pro Sekunde in 80 % Ethanol ausziehen. Halten Sie die gezogenen Fasern fest und tauchen Sie sie eine Stunde lang in eine 80 %ige Ethanol-Lösung ein.

Fixieren Sie die nachbehandelten Fasern schließlich auf einem Papierrahmen mit einer Messlänge von 10 Millimetern. Gezeigt ist hier eine REM-Aufnahme der endgültig gedehnten regenerierten Seidenfibroin-Faser. Diese Fasern wiesen einen durchschnittlichen Durchmesser von neun Mikrometern auf.

Bei der Messung unter Zugbelastung wiesen die Fasern, die unter einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40 % gebildet wurden, eine leicht höhere Bruchzugfestigkeit und maximale Dehnung auf, zeigten jedoch eine ähnliche Youngsche Modul wie die Fasern, die unter einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % gebildet wurden. Nach dem Ansehen dieses Videos sollten Sie verstehen, wie man mittels eines biomimetischen mikrofluidischen Chips eine Seidenfaser aus einer wässrigen Seidenlösung trockenspinnen kann.