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

K12 Standards

Georgia Standards of Excellence

9-12

Entomology

SEN3.

SEN3.a

Electrospinning of Silk Biomaterials

<div class="chapter_text" id="script_0">Origine biologique matériaux possèdent des propriétés de clé qui sont hors de portée des matières synthétiques, permettant la fabrication de structures complexes possédant des propriétés améliorées. Les biomatériaux sont des matériaux qui sont créés ou partir d’organismes vivants ou une fois la vie. Ces matériaux, comme la soie, généralement subir plusieurs étapes de traitement pour atteindre un État utilisable et contrôlable. Ce biomatériau transformé peut ensuite servir à former des structures spécifiques telles que les nattes fibreuses, hydrogels et films. Cette vidéo mettra en place le traitement de la soie des cocons de vers à soie, suivis par électrofilage de la matière traitée pour former des tapis fibreux.</div><div class="chapter_text" id="script_1">Les soies sont des polymères protéiques qui sont filés en fibres de divers insectes, comme les araignées. Cependant, la soie utilisée en bio-ingénierie est dérivée plus fréquemment les larves de l’espèce de papillon de nuit en soie Bombyx mori, communément appelé ver à soie et a été utilisée commercialement pour sutures médicales pendant des décennies. Le matériel de soie b. mori est extraite du cocon, qui se compose de la protéine de fibroïne enveloppée dans un manteau de séricine. Séricine est une protéine ressemblant à la colle qui cimente le cocon. La protéine de fibroïne est caractérisée par une séquence d’acides aminés hautement répétitifs, avec une prédominance de l’alanine, glycine et des résidus sérine, qui à son tour conduit à l’homogénéité dans la structure secondaire de la protéine. Soie fibroïne expositions structures répétitives de bêta-feuille, qui sont latéralement liées fils formant un feuillet plissé. Ces structures causent la protéine polymère d’être hautement cristallins, qui, en combinaison avec son hydrophobie, offre incroyablement la force et l’endurance. Par exemple, résistance à la traction de la soie, sa capacité à résister aux charges par élongation, peut être jusqu'à quatre fois celle de l’OS. Soie est généralement traitée dans une solution de polymère avant ses applications en bio-ingénierie. Tout d’abord, la séricine est prélevée les fibres, suivis par solubilisation de la fibroïne. Solution de soie n’a aucune structure secondaire et donc a diminué de propriétés mécaniques. Cependant, traitement avec du méthanol peut induire une récupération partielle des structures bêta feuille. La solution de soie peut être traitée en utilisant une technique appelée électrofilage, où une tension élevée est appliquée entre une surface de collecte et d’une aiguille de seringue. L’aiguille de la seringue dispense lentement la solution de biomatériau. Les forces électrostatiques causent les gouttelettes de biomatériau étirer en fibres. Ces fibres se recueillent au hasard sur le collecteur, créant un tapis de nanofibres. Maintenant que les bases du traitement de la fibroïne de soie ont été définies, nous allons jeter un oeil à la procédure de traitement de la soie et voir comment il est utilisé pour créer des tapis microfibre par électrofilage.</div><div class="chapter_text" id="script_2">Pour préparer la solution de la fibroïne de soie du Bombyx mori, les cocons sont d’abord coupés en petits morceaux, et les vers et autres insectes débris rejetés. Ensuite, les morceaux de cocon sont bouillies dans une solution de carbonate de sodium afin d’éliminer la séricine. Après l’ébullition, la fibroïne de soie est retiré de la solution et lavé plusieurs fois à l’eau claire. Ensuite, les fibres de soie sont séchés pendant la nuit. Les fibres de soie séchées sont ensuite dissous dans une solution de bromure de lithium à 60 degrés pendant quatre heures. Une fois que la soie est solubilisée, la solution est transférée à une cassette de dialyse et dialysée contre l’eau. L’eau doit être changée fréquemment pour garantir l’élimination du bromure de lithium. Après la dialyse, la solution aqueuse de soie est transférée à tubes et centrifugée pour éliminer des particules de fibroïne de soie restant. La solution de soie est conservée à quatre degrés jusqu'à ce que nécessaire.</div><div class="chapter_text" id="script_3">Pour commencer électrofilage, la solution de biomatériau est chargée dans une seringue et sur un pousse-seringue. La source de haute tension est connectée à la pointe d’aiguille de seringue, appelée la filière. La source de la collection, souvent une bande de papier d’aluminium, est placée en face de la filière et à la terre. La distance entre la filière et la source est réglée à une distance prédéterminée. Si la distance est trop petite, fibres peut-être pas le temps de se solidifier avant la déposition, formant des rubans incompatibles. Toutefois, si la distance est trop élevée, les fibres peuvent devenir contagieuse ou non uniforme. Le débit de la pompe de seringue est réglé et la source de haute tension sous tension. Lorsque la tension augmente, les forces électrostatiques contrecarrer la tension superficielle de la solution. Le ménisque est aspiré par un cône, appelé le cône de tailleur, puis finalement dans un jet fluid avec une tension plus élevée. Les fibres sont ensuite recueillis sur la surface de la feuille dans une natte disposée au hasard. Une surface de collection tournante permet également afin d’obtenir des tapis de fibres alignées.</div><div class="chapter_text" id="script_4">Il y a beaucoup de différents types de biomatériaux utilisés dans des applications de bio-ingénierie, allant des implants de tissus aux bioélectronique et biodétection. Électrofilées tapis de soie et autres biomatériaux sont souvent utilisés pour créer des échafaudages de tissu, qui fournissent la structure d’un tissu artificiel. Les cellules sont ensemencées directement sur ces structures, ce qui permet la formation de tissu en trois dimensions. Échafaudages de tissu sont conçus pour promouvoir les interactions entre les cellules favorable, imitant ainsi la structure et la fonction du tissu réel. Ils sont également conçus pour posséder les propriétés désirées d’un tissu spécifique. Par exemple, les échafaudages conçus pour se comporter comme le muscle doit posséder plus alignées fibres que ceux conçu pour se comporter comme une peau. Bien que la soie est généralement dérivé de ver à soie, soie d’araignée est souvent utilisé, car il offre une résistance mécanique supérieure. Étant donné que les araignées ne peuvent pas être facilement cultivées, la matière est produite synthétiquement à l’aide de la biotechnologie. Dans cet exemple, la protéine de soie recombinante a été électrofilées sur les appareils de filtre. L’ajout de cette maille de soie pour le filtre a grandement amélioré l’efficacité, la taille des pores étant nettement plus petite que le filtre manufacturé, permettant ainsi à leur rétention des particules plus petites. Enfin, les biomatériaux est souvent préparés de polymères synthétiques comme le polycaprolactone et polylactique acide. Les matériaux sont synthétisés dans le laboratoire et utilisés pour imiter les matières d’origine bio car ils sont biodégradables et biocompatibles. Les propriétés des matériaux peuvent facilement être adaptées à l’aide de techniques de fabrication pour créer des surfaces biocompatibles pour l’assemblage des biomolécules ou pour créer des surfaces hydrophobes comme illustré dans cet exemple.</div><div class="chapter_text" id="script_5">Vous avez juste regardé Introduction de JoVE aux biomatériaux de soie. Vous devez maintenant comprendre comment prépare-t-on soie et électrofilées en tapis et comment les autres biomatériaux est utilisés dans le domaine de la bio-ingénierie. Merci de regarder.</div>

Électrofilage de biomatériaux en soie

Fibres de soie ont été traitées et utilisées pour créer des tissus et fils pendant des siècles. Toutefois, la solubilisation des fibres de soie, transformant ainsi en une solution polyvalente de prépolymère est une technologie beaucoup plus récente. Solubilisée soie peut être traitée de différentes façons pour créer un matériau biocompatible avec les propriétés mécaniques contrôlables.
Cette vidéo présente la transformation de la soie des cocons de ver à soie et montre comment la solution de soie peut être utilisée pour créer un tapis de fibre par électrofilage. Plusieurs applications de cette technique, tel que son utilisation comme matériau structurel dans les échafaudages de l’ingénierie tissulaire, sont ensuite introduites.

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 ...

Les matériaux d’origine biologique possèdent des propriétés clés qui sont hors de portée des matériaux synthétiques, permettant la fabrication de structures complexes aux propriétés améliorées. Les biomatériaux sont des matériaux créés ou produits à partir d’organismes vivants ou anciennement vivants. Ces matériaux, tels que la soie, subissent généralement diverses étapes de traitement pour atteindre un état utilisable et contrôlable. Le biomatériau traité peut ensuite être utilisé pour former des structures spécifiques telles que des tapis fibreux, des hydrogels et des films. Cette vidéo présentera le traitement de la soie à partir de cocons de vers à soie, suivi de l’électrofilage du matériau traité pour former des tapis fibreux. Les soies sont des polymères protéiques qui sont filés en fibres par divers insectes, tels que les araignées. Cependant, la soie utilisée en bio-ingénierie est le plus souvent dérivée des larves de l’espèce de papillon à soie Bombyx mori, communément appelée ver à soie, et a été utilisée commercialement pour les sutures médicales pendant des décennies. La soie B. mori est extraite du cocon, qui se compose de la protéine fibroïne enfermée dans une enveloppe de séricine. La séricine est une protéine semblable à de la colle qui maintient le cocon ensemble. La protéine fibroïne est caractérisée par une séquence d’acides aminés très répétitive, avec une prédominance de résidus d’alanine, de glycine et de sérine, ce qui conduit à son tour à l’homogénéité de la structure secondaire de la protéine. La fibroïne de soie présente des structures bêta-feuilletées répétitives, qui sont des brins reliés latéralement formant une feuille plissée. Ces structures font que la protéine polymère est très cristalline, ce qui, combiné à son hydrophobie, lui confère une résistance et une ténacité incroyables. Par exemple, la résistance à la traction de la soie, sa capacité à résister aux charges par allongement, peut être jusqu’à quatre fois supérieure à celle de l’os. La soie est généralement transformée en une solution polymère avant d’être appliquée en bio-ingénierie. Tout d’abord, la séricine est retirée des fibres, suivie de la solubilisation de la fibroïne. La solution de soie n’a pas de structure secondaire et a donc des propriétés mécaniques diminuées. Cependant, le traitement au méthanol peut induire une récupération partielle des structures de la feuillet bêta. La solution de soie peut être traitée à l’aide d’une technique appelée électrofilage, où une haute tension est appliquée entre une surface de collecte et une aiguille de seringue. L’aiguille de la seringue distribue lentement la solution de biomatériau. Les forces électrostatiques provoquent l’étirement des gouttelettes du biomatériau en fibres. Ces fibres s’accumulent de manière aléatoire sur le collecteur, créant un tapis de nanofibres. Maintenant que les bases du traitement de la fibroïne de soie ont été esquissées, jetons un coup d’œil à la procédure de traitement de la soie et voyons comment elle est utilisée pour créer des tapis en microfibre par électrofilage. Pour préparer une solution de fibroïne de soie à partir de Bombyx mori, les cocons sont d’abord coupés en petits morceaux, puis le ver et d’autres débris d’insectes sont jetés. Ensuite, les morceaux de cocon sont bouillis dans une solution de carbonate de sodium afin d’éliminer la séricine. Après ébullition, la fibroïne de soie est retirée de la solution et lavée plusieurs fois à l’eau claire. Ensuite, les fibres de soie sont séchées pendant la nuit. Les fibres de soie séchées sont ensuite dissoutes dans une solution de bromure de lithium à 60 degrés pendant quatre heures. Une fois la soie solubilisée, la solution est transférée dans une cassette de dialyse et dialysée contre l’eau. L’eau doit être changée fréquemment pour assurer l’élimination du bromure de lithium. Après la dialyse, la solution aqueuse de soie est transférée dans des tubes et centrifugée pour éliminer toutes les particules de fibroïne de soie restantes. La solution de soie est stockée à quatre degrés jusqu’à ce qu’elle soit nécessaire. Pour commencer l’électrofilage, la solution de biomatériau est chargée dans une seringue et sur un pousse-seringue. La source haute tension est connectée à l’extrémité de l’aiguille de la seringue, appelée filière. La source de collecte, souvent une bande de feuille, est placée en face de la filière et mise à la terre. La distance entre la filière et la source est ajustée à une distance prédéterminée. Si la distance est trop petite, les fibres peuvent ne pas avoir le temps de se solidifier avant le dépôt, formant des rubans incohérents. Cependant, si la distance est trop élevée, les fibres peuvent devenir agglomérées ou non uniformes. Le débit de la pompe à seringue est réglé et la source haute tension est allumée. Au fur et à mesure que la tension augmente, les forces électrostatiques contrecarrent la tension superficielle de la solution. Le ménisque est aspiré dans un cône, appelé cône de tailleur, puis finalement dans un jet de fluide avec une tension plus élevée. Les fibres sont ensuite rassemblées sur la surface de la feuille dans un tapis disposé au hasard. Une surface de collecte rotative peut également être utilisée afin d’obtenir des tapis de fibres alignés. Il existe de nombreux types de biomatériaux utilisés dans les applications de bio-ingénierie, allant des implants tissulaires à la bioélectronique et à la biodétection. Les tapis électrofilés de soie et d’autres biomatériaux sont souvent utilisés pour créer des échafaudages tissulaires, qui fournissent une structure à un tissu artificiel. Les cellules sont ensemencées directement sur ces structures, ce qui permet la formation de tissus tridimensionnels. Les échafaudages tissulaires sont conçus pour favoriser des interactions cellulaires favorables, imitant ainsi la structure et la fonction des tissus réels. Ils sont également conçus pour posséder les propriétés souhaitées d’un tissu spécifique. Par exemple, les échafaudages conçus pour se comporter comme des muscles doivent posséder des fibres plus alignées que ceux conçus pour se comporter comme de la peau. Bien que la soie soit généralement dérivée du ver à soie, la soie d’araignée est souvent utilisée, car elle offre une résistance mécanique plus élevée. Étant donné que les araignées ne peuvent pas être facilement élevées, le matériel est produit synthétiquement à l’aide de la biotechnologie. Dans cet exemple, la protéine de soie recombinante a été électrofilée sur des dispositifs de filtration. L’ajout de cette maille de soie au filtre a considérablement amélioré l’efficacité, car la taille des pores était nettement plus petite que celle du filtre fabriqué, ce qui leur permettait de retenir les particules plus petites. Enfin, les biomatériaux sont souvent préparés à partir de polymères fabriqués par l’homme tels que la polycaprolactone et l’acide polylactique. Les matériaux sont synthétisés en laboratoire et utilisés pour imiter les matériaux bio-dérivés car ils sont biodégradables et bio-compatibles. Les propriétés des matériaux peuvent facilement être adaptées à l’aide de techniques de fabrication pour créer des surfaces biocompatibles pour l’assemblage de biomolécules ou pour créer des surfaces hydrophobes, comme le montre cet exemple. Vous venez de regarder l’introduction de JoVE aux biomatériaux de la soie. Vous devriez maintenant comprendre comment la soie est préparée et électrofilée en tapis et comment d’autres biomatériaux sont utilisés dans le domaine de la bio-ingénierie. Merci d’avoir regardé.

Education

Enseignement

JoVE Science Education

Engineering

Ingénierie

Bioengineering

Bioingénierie

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

Cette collection couvre les concepts fondamentaux de la bio-ingénierie, comprenant la production de biomatériaux, la culture en 3 dimensions et la culture d'organes, les techniques de biotraitement et les domaines des systèmes complexes que sont les bioMEM et la biodétection.

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

Description

Transcript

Tags

More videos by Standards