Biologisch afgeleide materialen bezitten sleuteleigenschappen die buiten het bereik van synthetische materialen liggen en die de fabricage van complexe structuren met verbeterde eigenschappen mogelijk maken. Biomaterialen zijn materialen die worden gecreëerd of geproduceerd uit levende of ooit levende organismen. Deze materialen, zoals zijde, ondergaan typisch verschillende verwerkingsstappen om een bruikbare en controleerbare staat te bereiken. Het verwerkte biomateriaal kan vervolgens worden gebruikt om specifieke structuren te vormen, zoals vezelmatrassen, hydrogels en films. Deze video introduceert de verwerking van zijde uit cocons van zijderupsen, gevolgd door elektrospinnen van het verwerkte materiaal om vezelmatrassen te vormen.
Zijde is eiwitpolymeren die door verschillende insecten, zoals spinnen, tot vezels worden gesponnen. De zijde die in bio-engineering wordt gebruikt, is echter het meest gebruikelijk afkomstig van de larven van de zijdevlindersoort Bombyx mori, algemeen bekend als de zijderups, en wordt al decennialang commercieel gebruikt voor medische hechtingen. Het B. mori zijdemateriaal wordt uit de cocon geëxtraheerd, die bestaat uit het fibroïne-eiwit omhuld door een sericine-laag. Sericine is een lijmsoort eiwit dat de cocon bij elkaar houdt. Het fibroïne-eiwit wordt gekenmerkt door een zeer repeterende aminozuursequentie, met een overwicht van alanine-, glycine- en serineresiduen, wat op zijn beurt leidt tot homogeniteit in de secundaire structuur van het eiwit. Zijdefibroïne vertoont repeterende bèta-vezelstructuren, die lateraal verbonden strengen vormen die een geplooide bladstructuur vormen. Deze structuren zorgen ervoor dat het polymeereiwit zeer kristallijn is, wat in combinatie met zijn hydrofobiciteit, ongelooflijke sterkte en taaiheid biedt. De treksterkte van zijde, zijn capaciteit om belastingen door verlenging te weerstaan, kan bijvoorbeeld wel vier keer die van bot zijn. Zijde wordt typisch verwerkt tot een polymeeroplossing voorafgaand aan toepassingen in bio-engineering. Eerst wordt sericine uit de vezels verwijderd, gevolgd door solubilisatie van het fibroïne. Zijde-oplossing heeft geen secundaire structuur en heeft daarom verminderde mechanische eigenschappen. Behandeling met methanol kan echter een gedeeltelijke herstel van de bèta-vezelstructuren induceren. De zijde-oplossing kan worden verwerkt met behulp van een techniek genaamd elektrospinnen, waarbij een hoge spanning wordt toegepast tussen een opvangoppervlak en een spuitnaald. De spuitnaald geeft langzaam de biomateriaaloplossing af. De elektrostatische krachten zorgen ervoor dat de biomateriaaldruppels zich uitrekken tot vezels. Deze vezels worden willekeurig op de verzamelaar opgevangen en vormen een nanovezelmat. Nu de basisprincipes van de verwerking van zijdefibroïne zijn geschetst, laten we eens kijken naar de zijde-verwerkingsprocedure en zien hoe deze wordt gebruikt om microvezelmatten via elektrospinnen te creëren.
Om een zijdefibroïnoplossing van Bombyx mori te bereiden, worden de cocons eerst in kleine stukken gesneden en worden de worm en ander insectendebris weggegooid. Vervolgens worden de stukken cocon gekookt in een natriumcarbonatoplossing om de sericine te verwijderen. Na het koken wordt het zijdefibroïne uit de oplossing verwijderd en meerdere keren gewassen met schoon water. Vervolgens worden de zijdevezels een nacht lang gedroogd. De gedroogde zijdevezels worden vervolgens opgelost in een lithiumbromidoplossing bij 60 graden gedurende vier uur. Zodra de zijde is opgelost, wordt de oplossing overgebracht naar een dialysecassette en gedialyseerd tegen water. Het water moet regelmatig worden ververst om ervoor te zorgen dat het lithiumbromide wordt verwijderd. Na dialyse wordt de waterige zijde-oplossing overgebracht naar buisjes en gecentrifugeerd om eventuele resterende zijdefibroïnedeeltjes te verwijderen. De zijde-oplossing wordt op vier graden bewaard totdat deze nodig is.
Om met elektrospinnen te beginnen, wordt de biomateriaaloplossing in een spuit geladen en op een spuitpomp geplaatst. De hoogspanningsbron wordt aangesloten op de punt van de spuitnaald, de zogenaamde spinneret. De opvangbron, vaak een strook folie, wordt tegenover de spinneret geplaatst en geaard. De afstand tussen de spinneret en de bron wordt aangepast tot een vooraf bepaalde afstand. Als de afstand te klein is, hebben de vezels mogelijk geen tijd om te stollen voordat ze worden afgezet, waardoor inconsistente linten worden gevormd. Als de afstand echter te groot is, kunnen de vezels klonteren of ongelijkmatig worden. De stroomsnelheid van de spuitpomp wordt ingesteld en de hoogspanningsbron wordt ingeschakeld. Naarmate de spanning toeneemt, compenseren de elektrostatische krachten de oppervlaktespanning van de oplossing. De meniscus wordt in een kegel getrokken, de zogenaamde kegel van Taylor, en vervolgens uiteindelijk in een vloeistofstraal met hogere spanning. De vezels worden vervolgens op het folieoppervlak verzameld in een willekeurig gerangschikte mat. Een roterende opvangoppervlak kan ook worden gebruikt om gealigneerde vezelmatten te verkrijgen.
Er zijn veel verschillende soorten biomaterialen die worden gebruikt in bio-engineering toepassingen, variërend van weefselimplantaten tot bio-elektronica en bio-sensing. Elektrogesponnen matten van zijde en andere biomaterialen worden vaak gebruikt om weefselschalen te creëren, die structuur bieden aan een kunstmatig weefsel. Cellen worden direct op deze structuren gezaaid, waardoor de vorming van driedimensionale weefsels mogelijk wordt. Weefselschalen zijn ontworpen om gunstige celinteracties te bevorderen, waardoor de structuur en functie van echt weefsel worden nagebootst. Ze zijn ook ontworpen om de gewenste eigenschappen van een specifiek weefsel te bezitten. Schalen die zijn ontworpen om zich als spier te gedragen, moeten bijvoorbeeld meer gealigneerde vezels bezitten dan die welke zijn ontworpen om zich als huid te gedragen. Hoewel zijde gewoonlijk wordt afgeleid van de zijderups, wordt spinnenzijde vaak gebruikt, omdat deze een hogere mechanische sterkte biedt
Zijdevezels zijn eeuwenlang verwerkt en gebruikt om stoffen en draden te maken. Het oplossen van zijden vezels, waardoor het wordt omgezet in een veel…
Hoofdstukken in deze video
0:06
Overview
0:54
Principles of Silk Materials
3:21
Solubilizing Silk Fibroin from Bombyx mori
4:26
Creating a Fibrous Structure via Electrospinning
5:40
Applications
7:37
Summary
Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.