Elektrospinnen von Biomaterialien aus Seide

Biologisch gewonnene Materialien besitzen Schlüsseleigenschaften, die für synthetische Materialien unerreichbar sind, und ermöglichen die Herstellung komplexer Strukturen mit verbesserten Eigenschaften. Biomaterialien sind Materialien, die aus lebenden oder ehemals lebenden Organismen hergestellt oder hergestellt werden. Diese Materialien, wie z. B. Seide, durchlaufen typischerweise verschiedene Verarbeitungsschritte, um einen nutzbaren und kontrollierbaren Zustand zu erreichen. Das verarbeitete Biomaterial kann dann verwendet werden, um spezifische Strukturen wie Fasermatten, Hydrogele und Filme zu bilden. In diesem Video wird die Verarbeitung von Seide aus Seidenraupenkokons vorgestellt, gefolgt von der Elektrospinnung des verarbeiteten Materials zu faserigen Matten.

Seide sind Proteinpolymere, die von verschiedenen Insekten, wie z. B. Spinnen, zu Fasern gesponnen werden. Die im Bioengineering verwendete Seide wird jedoch am häufigsten aus den Larven der Seidenmottenart Bombyx mori gewonnen, die allgemein als Seidenraupe bezeichnet wird, und wird seit Jahrzehnten kommerziell für medizinisches Nahtmaterial verwendet. Das B. mori-Seidenmaterial wird aus dem Kokon gewonnen, der aus dem Fibroin-Protein besteht, das von einem Sericin-Mantel umhüllt ist. Sericin ist ein klebstoffartiges Protein, das den Kokon zusammenhält. Das Fibroin-Protein zeichnet sich durch eine hochrepetitive Aminosäuresequenz aus, in der Alanin-, Glycin- und Serinreste vorherrschen, was wiederum zu einer Homogenität in der Sekundärstruktur des Proteins führt. Seidenfibroin weist repetitive Beta-Faltblattstrukturen auf, bei denen es sich um seitlich verbundene Stränge handelt, die ein gefaltetes Blatt bilden. Diese Strukturen führen dazu, dass das Polymerprotein hochkristallin ist, was in Kombination mit seiner Hydrophobie eine unglaubliche Festigkeit und Zähigkeit verleiht. Zum Beispiel kann die Zugfestigkeit von Seide, also ihre Fähigkeit, Belastungen durch Dehnung standzuhalten, bis zu viermal so hoch sein wie die von Knochen. Seide wird in der Regel zu einer Polymerlösung verarbeitet, bevor sie in der Biotechnologie eingesetzt wird. Zuerst wird Sericin aus den Fasern entfernt, gefolgt von der Solubilisierung des Fibroins. Seidenlösung hat keine Sekundärstruktur und hat daher verminderte mechanische Eigenschaften. Die Behandlung mit Methanol kann jedoch zu einer teilweisen Wiederherstellung der Beta-Faltblattstrukturen führen. Die Seidenlösung kann mit einer Technik namens Elektrospinnen verarbeitet werden, bei der eine hohe Spannung zwischen einer Sammeloberfläche und einer Spritzennadel angelegt wird. Die Spritzennadel gibt die Biomateriallösung langsam ab. Die elektrostatischen Kräfte bewirken, dass sich die Tröpfchen des Biomaterials zu Fasern dehnen. Diese Fasern sammeln sich zufällig auf dem Kollektor und bilden eine Nanofasermatte. Nachdem nun die Grundlagen der Verarbeitung von Seidenfibroin skizziert wurden, werfen wir einen Blick auf das Verfahren der Seidenverarbeitung und sehen, wie es verwendet wird, um Mikrofasermatten durch Elektrospinnen herzustellen.

Zur Herstellung der Seidenfibroinlösung von Bombyx mori werden die Kokons zunächst in kleine Stücke geschnitten und der Wurm und andere Insektenreste entsorgt. Anschließend werden die Kokonstücke in einer Natriumcarbonatlösung gekocht, um das Sericin zu entfernen. Nach dem Kochen wird das Seidenfibroin aus der Lösung entfernt und mehrmals mit klarem Wasser gewaschen. Anschließend werden die Seidenfasern über Nacht getrocknet. Die getrockneten Seidenfasern werden dann vier Stunden lang in einer Lithiumbromidlösung bei 60 Grad aufgelöst. Sobald die Seide löslich ist, wird die Lösung in eine Dialysekassette überführt und gegen Wasser dialysiert. Das Wasser muss häufig gewechselt werden, um die Entfernung des Lithiumbromids zu gewährleisten. Nach der Dialyse wird die wässrige Seidenlösung in Röhrchen überführt und zentrifugiert, um verbleibende Seidenfibroinpartikel zu entfernen. Die Seidenlösung wird bis zur Verwendung bei vier Grad gelagert.

Um mit dem Elektrospinnen zu beginnen, wird die Biomateriallösung in eine Spritze und auf eine Spritzenpumpe geladen. Die Hochspannungsquelle ist mit der Nadelspitze der Spritze, der sogenannten Spinndüse, verbunden. Die Sammelquelle, oft ein Folienstreifen, wird gegenüber der Spinndüse platziert und geerdet. Der Abstand zwischen Spinndüse und Quelle wird auf einen vorher festgelegten Abstand eingestellt. Wenn der Abstand zu klein ist, haben die Fasern möglicherweise keine Zeit, sich vor der Ablagerung zu verfestigen, wodurch sich inkonsistente Bänder bilden. Ist der Abstand jedoch zu groß, können die Fasern verklumpen oder ungleichmäßig werden. Die Durchflussmenge der Spritzenpumpe ist eingestellt und die Hochspannungsquelle eingeschaltet. Mit steigender Spannung wirken die elektrostatischen Kräfte der Oberflächenspannung der Lösung entgegen. Der Meniskus wird in einen Kegel gezogen, der als Schneiderkegel bezeichnet wird, und schließlich in einen Flüssigkeitsstrahl mit höherer Spannung. Anschließend werden die Fasern auf der Folienoberfläche in einer zufällig angeordneten Matte gesammelt. Eine rotierende Auffangfläche kann auch verwendet werden, um ausgerichtete Fasermatten zu erhalten.

Es gibt viele verschiedene Arten von Biomaterialien, die in biotechnologischen Anwendungen eingesetzt werden, von Gewebeimplantaten über Bioelektronik bis hin zur Biosensorik. Elektrogesponnene Matten aus Seide und anderen Biomaterialien werden häufig verwendet, um Gewebegerüste herzustellen, die einem künstlichen Gewebe Struktur verleihen. Zellen werden direkt auf diese Strukturen ausgesiedelt, wodurch dreidimensionales Gewebe gebildet werden kann. Gewebegerüste sind so konzipiert, dass sie günstige Zellinteraktionen fördern und so die Struktur und Funktion von echtem Gewebe nachahmen. Sie sind auch so konstruiert, dass sie die gewünschten Eigenschaften eines bestimmten Gewebes besitzen. Zum Beispiel müssen Gerüste, die sich wie Muskeln verhalten, mehr ausgerichtete Fasern besitzen als solche, die sich wie Haut verhalten. Obwohl Seide häufig aus der Seidenraupe gewonnen wird, wird häufig Spinnenseide verwendet, da sie eine höhere mechanische Festigkeit bietet. Da Spinnen nicht einfach gezüchtet werden können, wird das Material mittels Biotechnologie synthetisch hergestellt. In diesem Beispiel wurde das rekombinante Seidenprotein auf Filtergeräte elektrogesponnen. Die Zugabe dieses Seidengewebes zum Filter verbesserte die Effizienz erheblich, da die Porengrößen deutlich kleiner waren als beim hergestellten Filter, wodurch kleinere Partikel zurückgehalten werden konnten. Schließlich werden Biomaterialien häufig aus künstlichen Polymeren wie Polycaprolacton und Polymilchsäure hergestellt. Die Materialien werden im Labor synthetisiert und verwendet, um biobasierte Materialien nachzuahmen, da sie biologisch abbaubar und biokompatibel sind. Die Eigenschaften der Materialien können mit Hilfe von Fertigungstechniken leicht angepasst werden, um biokompatible Oberflächen für den Aufbau von Biomolekülen oder hydrophobe Oberflächen zu erzeugen, wie in diesem Beispiel gezeigt.

Sie haben gerade JoVEs Einführung in die Seidenbiomaterialien gesehen. Sie sollten jetzt verstehen, wie Seide aufbereitet und zu Matten elektrogesponnen wird und wie andere Biomaterialien im Bereich des Bioengineerings verwendet werden. Danke fürs Zuschauen.