Name: silk cocoon processing for fiber mats
Uploaded: 2023-04-30T06:33:03.000Z
Duration: 7 min 58 s
Channel: JoVE

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9-12

Entomology

SEN3.

SEN3.a

Electrospinning of Silk Biomaterials

<div class="chapter_text" id="script_0">Materiales derivados biológicamente poseen propiedades clave que están fuera del alcance de materiales sintéticos, lo que permite la fabricación de estructuras complejas con propiedades mejoradas. Biomateriales son materiales que son creados o producidos a partir de organismos vivos o de una vez la vida. Estos materiales, como seda, normalmente se someten a varios pasos del proceso para llegar a un estado usable y controlable. El biomaterial procesado puede ser utilizado luego para formar estructuras específicas como esteras fibrosas, los hidrogeles y las películas. Este video presenta el procesamiento de la seda del capullo de gusano de seda, seguido por electrospinning del material procesado para formar esteras fibrosas.</div><div class="chapter_text" id="script_1">Sedas son polímeros de la proteína que están hilados en fibras por varios insectos, como arañas. Sin embargo, la seda utilizada en Bioingeniería se deriva comúnmente de las larvas de las especies de la polilla de la seda Bombyx mori, comúnmente llamadas el gusano de seda y se ha utilizado comercialmente para Suturas médicas durante décadas. El material de seda de B. mori se extrae del capullo, que consiste en la proteína fibroína encajonada en una capa de sericina. La sericina es una pegamento-como la proteína que une el capullo. La proteína fibroína se caracteriza por una secuencia de aminoácidos altamente repetitivo, con un predominio de alanina, glicina y serina residuos, que a su vez lleva a la homogeneidad en la estructura secundaria de la proteína. Fibroína de seda exposiciones repetitivas Beta-lámina las estructuras, que están lateralmente conectan filamentos formando una hoja plisada. Estas estructuras causan la proteína de polímero a ser altamente cristalinos, que en combinación con su hidrofobicidad, increíblemente proporciona dureza y resistencia. Por ejemplo, resistencia de la seda, su capacidad para soportar las cargas a través de la elongación, puede ser hasta cuatro veces la de hueso. Seda se procesa típicamente en una solución de polímero antes de sus aplicaciones en Bioingeniería. En primer lugar, la sericina se extrae de las fibras, seguidas por solubilización de la fibroína. Solución de seda no tiene estructura secundaria y por lo tanto ha disminuido propiedades mecánicas. Sin embargo, el tratamiento con metanol puede inducir la recuperación parcial de las estructuras de hoja beta. La solución de seda puede ser procesada usando una técnica llamada electrospinning, donde se aplica un alto voltaje entre una superficie de colección y una aguja de jeringa. La aguja de la jeringa lentamente distribuye la solución de biomaterial. Las fuerzas electroestáticas causan las gotitas de biomaterial estirar en fibras. Estas fibras recogen aleatoriamente en el colector, creando una estera de nanofibras. Ahora que han sido expuestos los conceptos básicos de procesamiento de fibroína de seda, vamos a echar un vistazo en el procedimiento de procesamiento de seda y ver cómo se utiliza para crear alfombras de microfibra vía electrospinning.</div><div class="chapter_text" id="script_2">Para preparar soluciones de fibroína de seda de Bombyx mori, los capullos primero se cortan en trozos pequeños, y el gusano y otros insectos residuos desechados. A continuación, las piezas del capullo se hierven en una solución de carbonato de sodio para eliminar la sericina. Después de hervir, la fibroína de la seda es removida de la solución y lavar varias veces con agua limpia. A continuación, las fibras de seda se secan durante la noche. Las fibras de seda secas luego se disuelven en una solución de bromuro de litio a 60 grados durante cuatro horas. Una vez que la seda es solubilizada, la solución es transferida a un cassette de diálisis y dializaron contra agua. El agua debe cambiarse con frecuencia para eliminar el bromuro de litio. Después de diálisis, la solución acuosa de seda es transferida a tubos y centrifugar para eliminar cualquier partículas restantes de fibroína de seda. La solución de seda se almacena a 4 grados hasta que se necesite.</div><div class="chapter_text" id="script_3">Para empezar el electrospinning, la solución de biomaterial es cargada en una jeringa y una bomba de jeringa. La fuente de alto voltaje está conectada a la punta de la aguja de jeringa, llamada la hilera. La fuente de la colección, a menudo una tira de papel de aluminio, se coloca frente a la hilera y conectado a tierra. La distancia entre la hilera y la fuente se ajusta a una distancia previamente determinada. Si la distancia es demasiado pequeña, las fibras no tenga tiempo para solidificar antes de deposición, formando cintas inconsistentes. Sin embargo, si la distancia es excesiva, las fibras pueden ser agrupada o no uniforme. El caudal de la bomba de jeringa es conjunto y la fuente de alto voltaje encendido. Como el voltaje aumenta, las fuerzas electrostáticas contrarrestan la tensión superficial de la solución. El menisco es dibujado en un cono, llamado cono de medida y luego eventualmente en un chorro líquido con mayor tensión. Las fibras entonces se recogen en la superficie de la hoja en una estera aleatoriamente dispuesta. Una superficie de colección rotativa puede utilizarse también para obtener piezas de aviones alineados.</div><div class="chapter_text" id="script_4">Hay muchos diferentes tipos de biomateriales que se utilizan en aplicaciones de bioingeniería, que van desde implantes de tejido Bioelectrónica y biosensores. Electrospun tapetes de seda y otros biomateriales se utilizan a menudo para crear andamios de tejido, que proporcionan estructura a un tejido artificial. Las células se siembran directamente sobre estas estructuras, lo que permite la formación de tejido tridimensional. Andamios de tejido están diseñados para promover las interacciones célula favorable, imitando así la estructura y función del tejido real. También están diseñados para poseer las propiedades deseadas de un tejido específico. Por ejemplo, andamios diseñados para comportarse como músculo debe poseer más las fibras alineadas que diseñado para comportarse como la piel. Aunque de seda se deriva comúnmente de gusano de seda, seda de araña es de uso frecuente, ya que proporciona una mayor resistencia mecánica. Puesto que las arañas no pueden ser cultivadas fácilmente, el material es producido sintéticamente mediante biotecnología. En este ejemplo, la proteína recombinante de la seda fue electrospun en dispositivos de filtro. La adición de esta malla de seda al filtro mejorado eficacia, como los tamaños de poro mucho más pequeños que el filtro fabricado, lo que permite su retención de las partículas más pequeñas. Por último, biomateriales están preparados a menudo de polímeros artificiales como la policaprolactona y ácido poliláctico. Los materiales son sintetizados en el laboratorio y utilizados para imitar materiales bio-derivado, ya que son biodegradables y biocompatibles. Las propiedades de los materiales se pueden adaptar fácilmente usando técnicas de fabricación para crear superficies biocompatibles para el montaje de bio-moléculas o crear superficies hidrofóbicas como se muestra en este ejemplo.</div><div class="chapter_text" id="script_5">Acabo de ver introducción de Zeus a biomateriales de seda. Ahora debería entender cómo está preparada la seda y electrospun en esteras y cómo otros biomateriales se utilizan en el campo de la bioingeniería. Gracias por ver.</div>

electrohilado de biomateriales seda

Fibras de seda han sido procesadas y utilizados para crear telas e hilos durante siglos. Sin embargo, la solubilización de las fibras de seda, convirtiéndose así en una versátil solución de polímero antes es una tecnología mucho más nueva. Seda solubles puede procesarse de muchas maneras diferentes para crear un material biocompatible, con propiedades mecánicas controlables.
Este vídeo introduce el procesamiento de la seda de capullos de gusano de seda y muestra cómo la solución de seda se puede usar para crear una estera de la fibra mediante electrospinning. Varias aplicaciones de esta técnica, como su uso como material estructural en los andamios de la ingeniería del tejido, luego se introducen.

Electrohilado de biomateriales seda

Silk fibers have been processed and used to create fabrics and threads for centuries. However, the solubilizing of silk fibers, thereby turning it into a ...

Los materiales de origen biológico poseen propiedades clave que están fuera del alcance de los materiales sintéticos, lo que permite la fabricación de estructuras complejas con propiedades mejoradas. Los biomateriales son materiales que se crean o producen a partir de organismos vivos o que alguna vez estuvieron vivos. Estos materiales, como la seda, suelen someterse a varios pasos de procesamiento para alcanzar un estado utilizable y controlable. El biomaterial procesado se puede utilizar para formar estructuras específicas como esteras fibrosas, hidrogeles y películas. Este video presentará el procesamiento de la seda a partir de capullos de gusanos de seda, seguido de electrohilado del material procesado para formar esteras fibrosas. Las sedas son polímeros proteicos que son hilados en fibras por varios insectos, como las arañas. Sin embargo, la seda utilizada en bioingeniería se deriva más comúnmente de las larvas de la especie de polilla de la seda Bombyx mori, comúnmente llamada gusano de seda, y se ha utilizado comercialmente para suturas médicas durante décadas. El material de seda de B. mori se extrae del capullo, que consiste en la proteína fibroína encerrada en una capa de sericina. La sericina es una proteína pegajosa que mantiene unido el capullo. La proteína fibroína se caracteriza por una secuencia de aminoácidos altamente repetitiva, con predominio de residuos de alanina, glicina y serina, lo que a su vez conduce a la homogeneidad en la estructura secundaria de la proteína. La fibroína de seda exhibe estructuras repetitivas de lámina beta, que son hebras conectadas lateralmente formando una hoja plisada. Estas estructuras hacen que la proteína polimérica sea altamente cristalina, lo que en combinación con su hidrofobicidad, proporciona una resistencia y dureza increíbles. Por ejemplo, la resistencia a la tracción de la seda, su capacidad para soportar cargas a través del alargamiento, puede ser hasta cuatro veces mayor que la del hueso. Por lo general, la seda se procesa en una solución polimérica antes de sus aplicaciones en bioingeniería. Primero, la sericina se elimina de las fibras, seguida de la solubilización de la fibroína. La solución de seda no tiene estructura secundaria y, por lo tanto, tiene propiedades mecánicas disminuidas. Sin embargo, el tratamiento con metanol puede inducir una recuperación parcial de las estructuras de la lámina beta. La solución de seda se puede procesar utilizando una técnica llamada electrohilado, en la que se aplica un alto voltaje entre una superficie de recolección y una aguja de jeringa. La aguja de la jeringa dispensa lentamente la solución de biomaterial. Las fuerzas electrostáticas hacen que las gotas de biomaterial se estiren en fibras. Estas fibras se acumulan aleatoriamente en el colector, creando una estera de nanofibras. Ahora que se han esbozado los conceptos básicos del procesamiento de la fibroína de seda, echemos un vistazo al procedimiento de procesamiento de la seda y veamos cómo se utiliza para crear esteras de microfibra mediante electrohilado. Para preparar la solución de fibroína de seda de Bombyx mori, primero se cortan los capullos en trozos pequeños y se desechan el gusano y otros restos de insectos. A continuación, las piezas del capullo se hierven en una solución de carbonato de sodio para eliminar la sericina. Después de hervir, la fibroína de seda se retira de la solución y se lava varias veces con agua limpia. A continuación, las fibras de seda se secan durante la noche. A continuación, las fibras de seda secas se disuelven en una solución de bromuro de litio a 60 grados durante cuatro horas. Una vez que la seda se solubiliza, la solución se transfiere a un casete de diálisis y se dializa contra el agua. El agua debe cambiarse con frecuencia para asegurar la eliminación del bromuro de litio. Después de la diálisis, la solución acuosa de seda se transfiere a tubos y se centrifuga para eliminar cualquier partícula de fibroína de seda restante. La solución de seda se almacena a cuatro grados hasta que se necesite. Para comenzar el electrohilado, la solución de biomaterial se carga en una jeringa y en una bomba de jeringa. La fuente de alto voltaje está conectada a la punta de la aguja de la jeringa, llamada hilera. La fuente de recolección, a menudo una tira de papel de aluminio, se coloca frente a la hilera y se conecta a tierra. La distancia entre la hilera y la fuente se ajusta a una distancia predeterminada. Si la distancia es demasiado pequeña, es posible que las fibras no tengan tiempo de solidificarse antes de la deposición, formando cintas inconsistentes. Sin embargo, si la distancia es demasiado alta, las fibras pueden aglomerarse o no ser uniformes. Se ajusta el caudal de la bomba de jeringa y se enciende la fuente de alto voltaje. A medida que aumenta el voltaje, las fuerzas electrostáticas contrarrestan la tensión superficial de la solución. El menisco se introduce en un cono, llamado cono de sastre, y luego, finalmente, en un chorro de fluido con mayor voltaje. A continuación, las fibras se recogen en la superficie de la lámina en una estera dispuesta al azar. También se puede utilizar una superficie de recolección giratoria para obtener esteras de fibra alineadas. Hay muchos tipos diferentes de biomateriales que se utilizan en aplicaciones de bioingeniería, que van desde implantes de tejidos hasta bioelectrónica y biodetección. Las esteras electrohiladas de seda y otros biomateriales se utilizan a menudo para crear andamios de tejido, que proporcionan estructura a un tejido artificial. Las células se siembran directamente sobre estas estructuras, lo que permite la formación de tejido tridimensional. Los andamios de tejido están diseñados para promover interacciones celulares favorables, imitando así la estructura y función del tejido real. También están diseñados para poseer las propiedades deseadas de un tejido específico. Por ejemplo, los andamios diseñados para comportarse como un músculo deben poseer fibras más alineadas que los diseñados para comportarse como la piel. Aunque la seda se deriva comúnmente del gusano de seda, a menudo se usa seda de araña, ya que proporciona una mayor resistencia mecánica. Dado que las arañas no se pueden cultivar fácilmente, el material se produce sintéticamente mediante biotecnología. En este ejemplo, la proteína de seda recombinante se electrohiló en dispositivos de filtro. La adición de esta malla de seda al filtro mejoró en gran medida la eficiencia, ya que los tamaños de poro eran significativamente más pequeños que el filtro fabricado, lo que permitió su retención de partículas más pequeñas. Por último, los biomateriales suelen prepararse a partir de polímeros artificiales como la policaprolactona y el ácido poliláctico. Los materiales se sintetizan en el laboratorio y se utilizan para imitar los materiales bioderivados, ya que son biodegradables y biocompatibles. Las propiedades de los materiales se pueden adaptar fácilmente utilizando técnicas de fabricación para crear superficies biocompatibles para el ensamblaje de biomoléculas o para crear superficies hidrofóbicas, como se muestra en este ejemplo. Acabas de ver la Introducción de JoVE a los biomateriales de seda. Ahora debería comprender cómo se prepara la seda y se electrohila en esteras y cómo se utilizan otros biomateriales en el campo de la bioingeniería. Gracias por mirar.

Education

Educación

JoVE Science Education

Engineering

Ingeniería

Bioengineering

Bioingeniería

silk cocoon processing for fiber mats

Silk cocoons can be processed into a soluble material that is useful for making biomaterials. Silk fibers have been used for fabrics and threads for centuries, but turning them into a versatile pre-polymer solution is a newer technique. That solution can then be shaped into materials with controllable mechanical properties.

The process begins with silk worm cocoons. The silk is solubilized, or dissolved, so it can be handled as a liquid-like solution. The video then shows how that silk solution is used in electrospinning to form a fiber mat.

Electrospinning uses an electric force to draw fine fibers from the silk solution. The resulting silk mat is biocompatible, which means it can work well with living tissue. The video also introduces how this material may be used as a structural component in engineered tissue scaffolds.

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats

overview of biomaterials

Biomaterials in Medicine and Engineering

Biomaterials are materials designed to interact well with biological organisms or molecules. They may come from an organism, be produced by an organism, or be made as a synthetic polymer. Because of these properties, engineers use biomaterials in medicine and other biological applications. These materials are used in tissue engineering, biosensing, and drug delivery. Tissue engineering uses materials to support the growth or repair of tissues. Biosensing uses materials to detect biological...

collagen hydrogels

Porcine Collagen for Tissue Engineering

Collagen is a useful biomaterial with uses that go beyond the lab. It has also found commercial use in photography. In tissue engineering, collagen can be turned into hydrogels that give engineered tissue support and structure. This page follows the path from porcine skin to a collagen hydrogel. Porcine skin is used as the source of collagen. The material is then prepared for use in tissue engineering applications. The video also shows several applications of collagen and the methods used to...

electrospinning of silk biomaterials

Silk cocoons can be processed into a soluble material that is useful for making biomaterials. Silk fibers have been used for fabrics and threads for centuries, but turning them into a versatile pre-polymer solution is a newer technique. That solution can then be shaped into materials with controllable mechanical properties. The process begins with silk worm cocoons. The silk is solubilized, or dissolved, so it can be handled as a liquid-like solution. The video then shows how that silk...

overview of biomem devices

BioMEMs in Diagnostics and Miniaturization

Bio-microelectromechanical systems, or BioMEMs, are microscale devices used in diagnostic settings. They work with very small sample and reagent volumes in vivo and in vitro, which means inside a living body or outside it in a lab. These compact systems support bioengineering research and help make diagnostic tools more efficient. BioMEMs can carry out functions such as filtration, sensing, and synthesis on a tiny scale. Using less material can lower costs and improve sensitivity. The...

microfabrication via photolithography

Photolithography for Silicon Wafer Patterning

Photolithography is a common microfabrication method used to pattern a silicon wafer. It uses light to transfer a design onto the wafer surface. This process helps form the basis for many BioMEM devices. The page also shows how photolithography is carried out in a cleanroom. Cleanroom steps are important because they support careful fabrication of small, detailed features. The video ends by introducing applications of this process in BioMEM device production.

soft lithography

Photolithography for Microfluidic Device Making

Photolithography and soft lithography are used to make BioMEM devices such as microfluidic channels. A microscale pattern is copied by curing an elastomeric polymer over a 3D structure. The result is a polymer piece that can serve as part of a biological device. These polymer structures are then used to build a range of tools. Some are microfluidic channels for biosensing applications. Others are microscale bioreactors that let scientists visualize micro-colonies. The process also shows how...

overview of bioprocess engineering

Bioreactors and Protein Production in Bioprocessing

Bioprocessing uses living organisms to make a desired target product. In many cases, that product is a protein made in a bioreactor, which is a controlled vessel for growing cells. This process often relies on genetically engineered organisms. Engineers design the system so the cells can produce proteins at large scale. That approach is central to making biotherapeutics, which are drugs made from biological materials. Biotherapeutics are important medicines for complex diseases such as...

synthetic biology

Engineering Cells to Produce Proteins

Synthetic biology is a bioengineering method for programming cells to make useful products. In many cases, the goal is to genetically modify an organism so it can produce large amounts of a protein. That protein may already be made by the cell, or it may come from a newly inserted DNA sequence. The process depends on changing an organism’s genetic material. This is done with transformation or transfection, two common ways to introduce DNA into cells. The video also shows how this work is...

batch and continuous bioreactors

Growing Cells in Bioreactors

Bioreactors are used to grow organisms in large volumes. This makes it possible to produce large amounts of a target product. In laboratory and bioengineering settings, they provide a controlled place for cell growth and product formation. The two main reactor types are batch reactors and continuous reactors. A batch reactor contains all of the materials needed for cell growth at the start. A continuous reactor has inlet and outlet ports, so fresh growth media can be added while cell waste is...

overview of biosensing

How Biosensors Detect Molecules

Biosensors detect biological molecules and chemical contaminants by combining biology with physical measurement. They can identify targets such as proteins or cells, as well as non-biological molecules like chemicals or contaminants. This makes biosensing a useful field for studying and monitoring many kinds of samples. These devices rely on different signal types to find the target molecule. Some biosensors use electrical signals, while others depend on optical, electrochemical, or mechanical...

electrochemical biosensing

Glucose Sensors and Cancer Detection

Electrochemical biosensors detect target molecules by measuring an oxidation-reduction event. That signal changes when a molecule binds to the sensor surface. These sensors helped shape modern biosensing after the first glucose biosensor was invented. The glucose biosensor is a key example of this technology. It shows how electrochemical sensing can track a biological target through a measurable electrical change. The same basic idea also helps explain how electrochemical biosensors can be...

optical biosensing

Detecting Molecules with Light

Optical biosensors detect target molecules with light. They monitor binding by reading an optical signal from the sample. This makes them useful for seeing when a target molecule is present. Some optical biosensors use a label molecule. The label creates a measurable signal, such as fluorescence. Other optical biosensors are label-free and track changes in optical properties, such as refractive index, as binding occurs. This page introduces both label and label-free optical biosensors. It...

overview of tissue engineering

Building Artificial Tissue with Biomaterials

Tissue engineering uses biomaterials, specific cells, and growth factors to build artificial tissue. These engineered tissue constructs are designed for tissue repair and, in some cases, organ replacement. The field focuses on how to make tissue work like natural tissue. It begins with a scaffold, which is a structure that supports cell growth. Cells are then added to the scaffold, and growth factors help encourage proliferation, or cell multiplication. The video also outlines common methods...

histotypic tissue culture

3D Cell Growth on Engineered Matrices

Histotypic tissue culture uses an engineered three-dimensional matrix to grow and propagate cells. Compared with common two-dimensional tissue culture, cells in a 3D setting behave more realistically and better mimic native tissue. The method is useful when high cell density is needed. The process begins by harvesting cells from donor tissue. Those cells are then placed onto an engineered construct for culture. This setup supports growth in a three-dimensional space instead of a flat surface.

whole organ tissue culture

Lung Decellularization and Recellularization

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors to support repair or replacement of entire organs. In this approach, a donor organ is first stripped of all cells. What remains is the three-dimensional structure of the organ, which can then be repopulated with new cells. The lung is the example shown here. The method uses a dynamic culture system that provides mechanical stimulation, similar to what the organ experiences in the body. This type of culture helps induce native...

bioengineering

Esta colección abarca conceptos centrales de la bioingeniería, que incluyen la producción de biomateriales, cultivos de tejidos histotípicos y de órganos completos, técnicas de bioprocesamiento y los complejos campos de bioMEM y biodetección.

See how silk worm cocoons are processed into a soluble silk solution, then electrospun into a fiber mat for biocompatible tissue scaffold use.

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats | JoVE K12

Overview

Principles of Silk Materials

Solubilizing Silk Fibroin from Bombyx mori

Creating a Fibrous Structure via Electrospinning

Applications

Summary

Eusociality and Division of Labor

Social Organization

Varying levels of social organization are observed within the animal kingdom, ranging from simple to highly complex. These systems ...

Simulating Eusocial and Solitary Behavior
ExpandChoose an open location for the activity to take place, with the center area clear of any items that ...

Simulating Eusocial and Solitary Behavior
ExpandNote: In this simulation, you will portray either a eusocial or solitary animal. The goal of this ...

Construct explanations of the contributions of insects to human culture and commerce (e.g., music, art, silk, honey, lacquer, and dyes).

Ecological Niches

All organisms have a position within an ecosystem. The complete set of living and nonliving factors&#x2014;including food resources, climate, and ...

Primary Production

The total amount of energy acquired by primary producers in an ecosystem is called gross primary production (GPP). However, of this energy, producers use ...

Production Efficiency

Net production efficiency (NPE) is the efficiency at which organisms assimilate energy into biomass for the next trophic level. Due to low metabolic rates ...

Pollination and Flower Structure

Flowers are the reproductive, seed-producing structures of angiosperms. Typically, flowers consist of sepals, petals, stamens, and carpels. Sepals and ...

Proteins and Amino Acids

Overview

Proteins are chains of amino acids that are connected by peptide bonds and folded into a 3-dimensional structure. The side chains of individual ...

Construct an argument based on evidence to demonstrate the importance of an insect’s ecological niche in food production and food sources (e.g., pollinators of agricultural crops, human protein source, biomass pyramid)

SEN3.b

Obtain, evaluate, and communicate information about the impact of insects on the production of food and other products and in popular culture and commerce

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats

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