Name: Urządzenia filtrujące powietrze, w tym siatki włókninowe z elektroprzędzonych rekombinowanych białek jedwabiu pajęczego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-05-08T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 51 s
Description: Poznaj metodę elektroprzędzenia rekombinowanych białek jedwabiu pajęczego Araneus diadematus w celu tworzenia nanowłóknistych siatek filtracyjnych. Technika ta znacząco poprawia skuteczność filtracji cząstek i znajduje zastosowanie w ochronie środowiska oraz medycynie.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Z wdzięcznością dziękujemy za techniczne i naukowe wsparcie Anji Lauterbach (Lehrstuhl Biomaterialien), Lorenza Summy (Sandler AG) i Armina Boecka (B/S/H/G). Obrazowanie SEM przeprowadził Johannes Diehl (Lehrstuhl Biomaterialien). Finansowanie pochodziło z BMBF (01RB0710).

1. Przygotowanie do spinningu
<ol>
 <li>Weź liofilizowane białko eADF4 (C16).</li>
 <li>Zważyć 20 mg eADF4(C16) w naczyniu reakcyjnym o pojemności 1 ml za pomocą wagi o wysokiej precyzji.</li>
 <li>Dodać 200 μl heksafluoroizopropanolu (HFIP) i uszczelnić naczynie preparatem Parafilm. 
 Uwaga: HFIP jest wysoce niestabilny i szkodliwy. Ponieważ może to spowodować uszkodzenie dróg oddechowych, pracuj pod kapturem ochronnym, ostrożnie pipetuj i zakryj rurkę.</li>
 <li>Wirować zawiesinę przez 1 minutę i dalej wstrząsać, aby usunąć roztwór. Aby upewnić się, że cała ilość białka jest całkowicie rozpuszczona, odczekaj całą noc.</li>
</ol>
2. Elektroprzędzenie
<ol>
 <li>Przygotuj urządzenie do elektroprzędzenia (rysunek 1): umieść materiał filtracyjny na przeciwelektrodzie i ustaw napięcie zarówno elektrody (-22,5 kV), jak i przeciwelektrody (+2,5 kV). Ustaw przepływ objętościowy na 315 μl/godz. 
 Uwaga: podczas elektroprzędzenia toksyczny HFIP zostanie odparowany. Upewnij się, że urządzenie do elektrowirowania jest podłączone do dygestorium.</li>
 <li>Weź dostępną w handlu igłę 20 G i zmiel ostrą końcówkę młynkiem ręcznym na pozostałą długość 30 mm. Podłączyć igłę do strzykawki o pojemności 1 ml. 
 nuta: Płaska końcówka igły jest wymagana do wygenerowania dobrze zdefiniowanego stożka Taylora.</li>
 <li>Załadować cały wirujący dozróbek (200 μl) do strzykawki. Nałożyć domieszkę na 100 μl powietrza, aby umożliwić wyciśnięcie kompletnego roztworu podczas procesu wirowania. 
 nuta: Aby uniknąć zatkania igły, należy upewnić się, że w wirującym dozowniku nie ma żadnych cząstek (agregatów lub zanieczyszczeń). Praca pod wyciągiem!</li>
 <li>Podłączyć napełnioną strzykawkę do pompy strzykawkowej urządzenia do elektroprzędzenia i ostrożnie docisnąć tłok do strzykawki, aż na końcu igły pojawi się kropla. Zablokuj tłok.</li>
 <li>Ustaw odległość między końcówką igły a przeciwelektrodą na 8-20 cm.</li>
 <li>Uruchomić pompę strzykawkową i usunąć (zwykle wysuszoną) kropelkę z otworu igły. Natychmiast aktywuj wszystkie instalacje bezpieczeństwa urządzenia elektroprzędzalniczego i uruchom źródło wysokiego napięcia, gdy tylko pojawi się nowa kropla. Elektrowirowanie przędzalniczego domieszku rozpocznie się później. Użyj stopera, aby kontrolować czas wirowania. 
 nuta: Aby uniknąć wysuszenia roztworu, a tym samym zatkania igły, konieczne jest natychmiastowe rozpoczęcie procesu wirowania po usunięciu wysuszonej kropelki.</li>
 <li>Ponieważ elektroprzędzenie rekombinowanych białek jedwabiu pajęczego zależy od wilgotności i temperatury, konieczne może być dostosowanie parametrów procesu do indywidualnych warunków laboratoryjnych (rysunek 2). 
 nuta: Aby zapobiec wysychaniu kropli (rysunek 2B), należy zapewnić wystarczające natężenie przepływu. Jeśli w otaczającej atmosferze panuje niska wilgotność, dostosuj wilgotność względną lub zwiększ natężenie przepływu. Obniż napięcie, aż pojawi się prawidłowy stożek Taylora (rysunek 2A). Gdy na końcówce nie ma roztworu (Rysunek 2C), zwiększ natężenie przepływu i obniż napięcie, aż pojawi się kropla. Następnie wyreguluj napięcie, aby ustalić regularny i stabilny stożek Taylora (rysunek 2A).</li>
 <li>Po 30 sekundach / 60 sekundach / 90 sekundach elektrowirowania należy wyłączyć pompę strzykawkową. Aby uniknąć spadających kropel, należy odczekać 10 sekund przed wyłączeniem źródła wysokiego napięcia, aby uwolnić ciśnienie resztkowe w strzykawce.</li>
 <li>Kroki od 6 do 8 można wykonać na różnych rodzajach materiałów filtracyjnych, takich jak siatki poliamidowe, polipropylenowe i poliestrowe, a także na czarnym papierze dla porównania.</li>
 <li>Aby wyprodukować siatkę z włókniny do kolejnych eksperymentów ze stabilnością, użyj czarnego papieru zamiast materiału filtracyjnego i wykonaj kroki od 5 do 7. Po 5 minutach elektrowirowania zatrzymaj proces zgodnie z opisem w kroku 8.</li>
</ol>
3. Obróbka końcowa siatek z włókniny jedwabnej
<ol>
 <li>Rozgrzej piekarnik do 60 °C.</li>
 <li>Podłoża filtracyjne z siatkami włókninowymi eADF4(C16) umieścić pionowo i w odległości co najmniej 2 cm w zamykanym szklanym pojemniku. Pojemnik powinien mieć dwa otwory, które zostaną wykorzystane do późniejszego wprowadzenia etanolu i wody. 
 nuta: Podczas mocowania materiałów filtracyjnych należy upewnić się, że obszar niezbędny do eksperymentów z przepuszczalnością nie został uszkodzony przez zaciski.</li>
 <li>Połączyć dwie strzykawki o pojemności 60 ml, jedną wypełnioną etanolem, a drugą wodą, z silikonowymi rurkami skierowanymi do wewnętrznej części pojemnika po zabiegu (Rysunek 3). 
 nuta: Aby móc usunąć płyn z pojemnika po zabiegu, należy umieścić otwory rur jak najbliżej dna.</li>
 <li>Umieścić pojemnik po zabiegu w piekarniku i dodać 60 ml etanolu, wytłaczając strzykawkę. Użyj stopera, aby kontrolować czas trwania zabiegu.</li>
 <li>Po 90 minutach obróbki parą etanolu wyjmij etanol za pomocą strzykawki ze szklanki i dodaj 60 ml wody z drugiej strzykawki.</li>
 <li>Odczekaj kolejne 90 minut, a następnie usuń wodę i wyłącz piekarnik. Aby uniknąć kropelek kondensacji, pozostaw pojemnik w piekarniku, aż całkowicie ostygnie.</li>
</ol>
4. Analiza siatek z włókniny z jedwabiu pajęczego
<ol>
 <li>Przygotuj siatki z włókniny jedwabnej do testów stabilności na czarnym papierze lub innym zdejmowanym podłożu. Wytnij dwie ramki z kartonu i dopasuj podwójnie lepką taśmę klejącą. Dociśnij jedną ramkę do siatki z włókniny jedwabnej osadzonej na czarnym papierze i za pomocą skalpela odetnij nadmiar włókien jedwabiu (zachowaj nadmiar włókien do późniejszego obrazowania SEM). Ostrożnie zdejmij ramkę, aby odłączyć włókninę od papieru. Powtórz ten krok z drugą klatką (Rysunek 4).</li>
 <li>Praktyczny test zanurzeniowy: Wytnij kawałek (1 cm2) każdej z nich, siatki z włókniny jedwabnej poddanej obróbce i nieobrobionej i zanurz ją w wodzie dejonizowanej. Nieobrobiona siatka z włókniny jedwabnej natychmiast się rozpuści, podczas gdy obrobiona siatka włókninowa będzie stabilna (rysunek 5). Po zanurzeniu wysusz zanurzoną próbkę i przygotuj ją do obrazowania SEM.</li>
 <li>Pomiar spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), a następnie samodekonwolucja Fouriera (FSD): W celu uzyskania informacji o zmianach strukturalnych białek jedwabiu po obróbce końcowej siatek włókninowych, FTIR można zastosować przy użyciu parametrów: Tryb transmitancji, skanowanie od 800 do 4,000 cm-1, 60 akumulacji jest mierzonych i uśrednianych dla każdego widma, mierzy się jedno odniesienie na widmo. Do ilościowej analizy danych można zastosować FSD (Rysunek 6 i Rysunek 7). W ten sposób krzywe są redukowane do obszaru danych między 1 590 a 1 705 cm-1 i przeprowadzana jest korekta linii bazowej. Lokalne dopasowanie metodą najmniejszych kwadratów oblicza się na podstawie pozycji pików pochodzących z poprzednich badań (1611, 1619, 1624, 1630, 1640, 1650, 1659, 1666, 1680, 1691, 1698 cm-1) 22.</li>
 <li>Obrazowanie SEM: SEM można zastosować do badania średnic włókien i morfologii włókien jedwabiu na różnych podłożach filtracyjnych oraz do analizy wpływu obróbki końcowej na morfologię włókien (ryc. 8). Użyj powiększeń od 5 000x do 25 000x, aby uzyskać wystarczająco szczegółowe obrazy.</li>
</ol>
5. Wyznaczanie przepuszczalności powietrza
<ol>
 <li>Umieść odpowiednią część materiału filtracyjnego na obszarze pomiarowym urządzenia do przepuszczalności powietrza Akustron. Uwaga: Jeśli używasz innego typu urządzenia do przepuszczania powietrza, upewnij się, że spełnia ono wymagania norm DIN 53 887, DIN 53 120, ISO 9237 i ASTM D 737-96.</li>
 <li>Zastosować urządzenie do przepuszczania powietrza Akustron (lub jakiekolwiek inne, jak pokazano w 5.1). W razie potrzeby oblicz dane unormowane [l / (m2 x s)].</li>
 <li>Powtórz kroki 1 i 2 co najmniej 10 razy z różnymi częściami próbki i oblicz arytmetyczny środek (Rysunek 9). 
 nuta: Pomiar przepuszczalności powietrza wymaga kontaktu urządzenia z siatką włókninową. Dlatego ostrożne obchodzenie się z próbkami jest niezbędne, aby zapobiec pęknięciu delikatnej siatki z włókniny jedwabnej.</li>
</ol>
6. Określanie skuteczności filtra
<ol>
 <li>Używaj odpowiedniej maszyny z kontrolą ciśnienia i licznikiem cząstek, takiej jak uniwersalna sortownik do wymiarowania cząstek (Palas GmbH, Karlsruhe, Ger).</li>
 <li>Umieść próbki filtra w urządzeniu i zmierz retencję cząstek (rysunek 10). Aerozol: Di-etylo-heksyl-sebakat (DEHS); wielkość cząstek: 0,3-3 μm; czas trwania: 30 sek.; prędkość cieczy: 2 350 cm/s; Przepływ powietrza: 3 400 m 3/godz.<br />
 nuta: Z próbką należy obchodzić się ostrożnie i nie dotykać powierzchni, aby zapobiec zniszczeniu siatki z włókniny i uniknąć zanieczyszczenia. Upewnij się, że utworzyłeś wystarczającą liczbę próbek o tej samej jakości do pomiarów wydajności.</li>
</ol>

<ol><li>Gosline, J. M., Guerette, P. A., Ortlepp, C. S., Savage, K. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+mechanical+design+of+spider+silks%3A+From+fibroin+sequence+to+mechanical+function%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Exp.+Biol%22%5BJournal%5D)">The mechanical design of spider silks: From fibroin sequence to mechanical function.</a> J. Exp. Biol. 202, 3295-3303 (1999).</li>
<li>Vollrath, F., Basedow, A. B. P., Engström, W., List, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Local+tolerance+to+spider+silks+and+protein+polymers+in+vivo%5BTitle%5D)+AND+%22In+Vivo%22%5BJournal%5D)">Local tolerance to spider silks and protein polymers in vivo.</a> In Vivo. 16, 229-234 (2002).</li>
<li>Allmeling, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spider+silk+fibres+in+artificial+nerve+constructs+promote+peripheral+nerve+regeneration%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Prolif%22%5BJournal%5D)">Spider silk fibres in artificial nerve constructs promote peripheral nerve regeneration.</a> Cell Prolif. 41, 408-420 (2008).</li>
<li>Huemmerich, D., Helsen, C. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Primary+structure+elements+of+spider+dragline+silks+and+their+contribution+to+protein+solubility%5BTitle%5D)+AND+%22Biochemistry%22%5BJournal%5D)">Primary structure elements of spider dragline silks and their contribution to protein solubility.</a> Biochemistry. 43, 13604-13612 (2004).</li>
<li>Huemmerich, D., Slotta, U., Scheibel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Processing+and+modification+of+films+made+from+recombinant+spider+silk+proteins%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+a-Mater%22%5BJournal%5D)">Processing and modification of films made from recombinant spider silk proteins.</a> Appl. Phys. a-Mater. 82, 219-222 (2006).</li>
<li>Leal-Egana, A., Lang, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interactions+of+Fibroblasts+with+Different+Morphologies+Made+of+an+Engineered+Spider+Silk+Protein%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Eng.+Mater%22%5BJournal%5D)">Interactions of Fibroblasts with Different Morphologies Made of an Engineered Spider Silk Protein.</a> Adv. Eng. Mater. 14, 67-75 (2012).</li>
<li>Wohlrab, S., Spiess, K., Scheibel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Varying+surface+hydrophobicities+of+coatings+made+of+recombinant+spider+silk+proteins%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mater.+Chem%22%5BJournal%5D)">Varying surface hydrophobicities of coatings made of recombinant spider silk proteins.</a> J. Mater. Chem. 22, 22050-22054 (2012).</li>
<li>Hermanson, K. D., Huemmerich, D., Scheibel, T., Bausch, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineered+microcapsules+fabricated+from+reconstituted+spider+silk%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Engineered microcapsules fabricated from reconstituted spider silk.</a> Adv. Mater. 19, 1810-1815 (2007).</li>
<li>Spiess, K., Wohlrab, S., Scheibel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural+characterization+and+functionalization+of+engineered+spider+silk+films%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Structural characterization and functionalization of engineered spider silk films.</a> Soft Matter. 6, 4168-4174 (2010).</li>
<li>Slotta, U. K., Rammensee, S., Gorb, S., Scheibel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+engineered+spider+silk+protein+forms+microspheres%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.-Int.+Edit%22%5BJournal%5D)">An engineered spider silk protein forms microspheres.</a> Angew. Chem.-Int. Edit. 47, 4592-4594 (2008).</li>
<li>Schacht, K., Scheibel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+hydrogel+formation+of+a+recombinant+spider+silk+protein%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Controlled hydrogel formation of a recombinant spider silk protein.</a> Biomacromolecules. 12, 2488-2495 (2011).</li>
<li>Exler, J. H., Hummerich, D., Scheibel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+amphiphilic+properties+of+spider+silks+are+important+for+spinning%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.-Int.+Edit%22%5BJournal%5D)">The amphiphilic properties of spider silks are important for spinning.</a> Angew. Chem.-Int. Edit. 46, 3559-3562 (2007).</li>
<li>Sundaray, B., Subramanian, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrospinning+of+continuous+aligned+polymer+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Electrospinning of continuous aligned polymer fibers.</a> Appl. Phys. Lett. 84, 1222(2004).</li>
<li>Van Hulle, S. W. H., Bjorge, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Performance+assessment+of+electrospun+nanofibers+for+filter+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Desalination%22%5BJournal%5D)">Performance assessment of electrospun nanofibers for filter applications.</a> Desalination. 249, 942-948 (2009).</li>
<li>Zhou, S. B., Peng, H. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+and+characterization+of+a+novel+electrospun+spider+silk+fibroin%2Fpoly%28D%2CL-lactide%29+composite+fiber%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+B%22%5BJournal%5D)">Preparation and characterization of a novel electrospun spider silk fibroin/poly(D,L-lactide) composite fiber.</a> J. Phys. Chem. B. 112, 11209-11216 (2008).</li>
<li>Stephens, J. S., Fahnestock, S. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+electrospinning+and+solution+casting+protocols+on+the+secondary+structure+of+a+genetically+engineered+dragline+spider+silk+analogue+investigated+via+fourier+transform+Raman+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Effects of electrospinning and solution casting protocols on the secondary structure of a genetically engineered dragline spider silk analogue investigated via fourier transform Raman spectroscopy.</a> Biomacromolecules. 6, 1405-1413 (2005).</li>
<li>Greiner, A., Wendorff, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrospinning%3A+a+fascinating+method+for+the+preparation+of+ultrathin+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.-Int.+Edit%22%5BJournal%5D)">Electrospinning: a fascinating method for the preparation of ultrathin fibers.</a> Angew. Chem.-Int. Edit. 46, 5670-5703 (2007).</li>
<li>Smit, E., Buttner, U., Sanderson, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuous+yarns+from+electrospun+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer%22%5BJournal%5D)">Continuous yarns from electrospun fibers.</a> Polymer. 46, 2419-2442 (2005).</li>
<li>Teo, W. E., Ramakrishna, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+on+electrospinning+design+and+nanofibre+assemblies%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">A review on electrospinning design and nanofibre assemblies.</a> Nanotechnology. 17, 89-106 (2006).</li>
<li>Greiner, A., Wendorff, J. H., Yarin, A. L., Zussman, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biohybrid+nanosystems+with+polymer+nanofibers+and+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Microbiol.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Biohybrid nanosystems with polymer nanofibers and nanotubes.</a> Appl. Microbiol. Biotechnol. 71, 387-393 (2006).</li>
<li>Spiess, K., Lammel, A., Scheibel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recombinant+spider+silk+proteins+for+applications+in+biomaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecular+Biosciences%22%5BJournal%5D)">Recombinant spider silk proteins for applications in biomaterials.</a> Macromolecular Biosciences. 10, 998-1007 (2010).</li>
<li>Hu, X., Kaplan, D., Cebe, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determining+beta-sheet+crystallinity+in+fibrous+proteins+by+thermal+analysis+and+infrared-+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Determining beta-sheet crystallinity in fibrous proteins by thermal analysis and infrared- spectroscopy.</a> Macromolecules. 39, 6161-6170 (2006).</li>
</ol>

Nie mamy nic do ujawnienia.

Nowe urządzenia filtrujące powinny pozwolić na obniżenie całkowitego zużycia energii w filtracji powietrza przy stałej lub wyższej wydajności filtra. Tutaj takie urządzenia zostały stworzone przy użyciu włóknin wykonanych z pajęczego jedwabiu. Ze względu na niskie napięcie powierzchniowe i wysoką lotność, HFIP został wybrany jako odpowiedni rozpuszczalnik do procesu elektroprzędzenia. Co więcej, w poprzednich eksperymentach testowano wodne roztwory jedwabiu, ale nie udało się wytworzyć żadnych włókien. W tym przypadku kluczowe byłoby zastosowanie dodatków w celu obniżenia napięcia powierzchniowego, a tym samym poprawy właściwości wirowania roztworu. Najważniejszym krokiem jest dostosowanie warunków i stężenia użytego materiału oraz rozpuszczalnika roztworu przędzalniczego, wysokości przędzenia, napięcia i prędkości wytłaczania. Na przykład podczas pracy można zapobiec zatykaniu się końcówki, dostarczając jej wilgoć w postaci pary wodnej, ale wszelkiego rodzaju dodatki w konfiguracji elektroprzędzenia mogą następnie zakłócić wrażliwy proces i pole elektryczne. Istotne parametry procesu (stężenie, napięcie, odległość, wilgotność) zostały określone indywidualnie przeprowadzając odrębne serie doświadczalne (dane nie pokazane). Biorąc pod uwagę wszystkie parametry, należy zadbać o ciągły stożek Taylora i proces przędzenia, aby uzyskać jednolite włókna.
Skuteczność filtra jest jednym z najważniejszych parametrów materiałów filtracyjnych. Na ten parametr wpływa głównie struktura materiału filtracyjnego. Tkaniny dziedziczą jednolite rozmiary porów, a co za tym idzie stałą przepuszczalność powietrza. Kluczowe znaczenie ma stworzenie jednorodnych siatek włókninowych na tych materiałach szablonowych, aby wypełnić pory i wygenerować filtr bez defektów. Skuteczność filtracji w naszych filtrach wykazuje bezpośrednią zależność od czasu przędzenia (białek jedwabiu), a tym samym od liczby warstw siatki z włókniny. Szczeliny między pojedynczymi włóknami są konsekwentnie wypełniane, co umożliwia zatrzymywanie mniejszych cząstek.
W niniejszej pracy przedstawiliśmy metodę wytwarzania nowatorskiego materiału filtracyjnego z siatkami z włókniny z jedwabiu pajęczego, wykazującego wysoką skuteczność filtracji. Dlatego filtry te są obiecującymi kandydatami do przyszłego zastosowania w systemach filtracji powietrza.

Ze względu na ich połączenie wytrzymałości i rozciągliwości, włókna jedwabiu pajęczego mogą pochłaniać więcej energii kinetycznej niż większość innych włókien naturalnych lub syntetycznych 1. Ponadto, w przeciwieństwie do większości syntetycznych materiałów polimerowych, materiały jedwabne są nietoksyczne i biokompatybilne oraz nie powodują reakcji alergicznej po włączeniu 2,3. Domniemanym zagrożeniom dla zdrowia można zapobiec, stosując pajęczą nić. Te cechy sprawiają, że pajęcza nić jest bardzo atrakcyjna do różnych zastosowań medycznych i technicznych. Ponieważ pająki nie mogą być hodowane ze względu na ich kanibalistyczne zachowanie, opracowano metody biotechnologiczne do produkcji białek jedwabiu pajęczego, zarówno w sposób opłacalny, jak i w wystarczających ilościach 4.
Rekombinowane białko jedwabiu eADF4(C16) zostało opracowane w oparciu o naturalną sekwencję Araneus diadematus Fibroin 4 (ADF4). eADF4(C16) ma masę cząsteczkową 48kDa5 i jest rozpuszczalny w różnych rozpuszczalnikach (heksafluoroisopropanol (HFIP) 6, kwas mrówkowy 7 i wodne) 8. eADF4(C16) może być przetwarzany na różne morfologie, takie jak filmy 9, Kapsułki 8, cząstki 10, hydrożele 11, powłoki 7, włókna 12 i siatki włókninowe 6. Ze względu na swoją stabilność chemiczną te ostatnie zapewniają wysoki potencjał w zastosowaniach filtracyjnych.
Tutaj prezentujemy protokół produkcji urządzeń filtrujących powietrze, w tym włókniny z elektroprzędzonej rekombinowanej przędzy białek jedwabiu pajęczego. Elektroprzędzenie lub przędzenie elektrostatyczne jest techniką zwykle stosowaną do wytwarzania włókien polimerowych o średnicach w zakresie 10 nm -10 μm 13, a siatki włókninowe zostały już zbadane pod kątem zastosowań filtracyjnych 14. W przeszłości elektroprzędzenie było z powodzeniem stosowane do przetwarzania regenerowanych 15 oraz rekombinacyjnie wytworzonych 16 białek jedwabiu pajęczego. Zazwyczaj wysokie napięcie elektryczne (5-30 kV) jest podawane do strzykawki i przeciwelektrody (0-20 kV) umieszczonej w odległości 8-20 cm. Silne pole elektrostatyczne indukuje siły odpychające w obrębie naładowanego roztworu. Jeśli napięcie powierzchniowe zostanie przekroczone, tworzy się stożek Taylora, a z końcówki 17,18 wybucha cienki strumień. Po uformowaniu w strumieniu dochodzi do niestabilności zginania, powodując dalsze rozciąganie, gdy rozpuszczalnik odparowuje i tworzy się stałe włókno. Na koniec włókno jest losowo osadzane na przeciwelektrodzie jako siatka włókninowa 19. Właściwości włókien, takie jak średnica i topologia powierzchni (gładkie, porowate), zależą głównie od parametrów roztworu, takich jak stężenie, lepkość, energia swobodna powierzchni oraz wewnętrzna przewodność elektryczna i przepuszczalność rozpuszczalnika 20. Elektroprzędzenie eADF4(C16) rozpuszczonego w HFIP daje gładkie włókna o średnicach od 80-1 100 nm w zależności od stężenia białka w roztworze. eADF4(C16) elektroprzędzony z HFIP wykazuje głównie α-spiralną strukturę drugorzędową, a włókna są rozpuszczalne w wodzie 6. Aby ustabilizować włókna jedwabiu, struktury β-arkuszy muszą zostać wywołane przez późniejszą obróbkę etanolem. W przeciwieństwie do wcześniej ustalonych metod obróbki końcowej 21, w niniejszym badaniu włókniny eADF4(C16) zostały poddane działaniu pary etanolu w celu zachowania morfologii włókien jedwabiu. Analizę struktury drugorzędowej przeprowadzono przy użyciu spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), a następnie samodekonwolucji Fouriera (FSD), jak opisano w literaturze 22. FSD to narzędzie do przetwarzania sygnałów, które umożliwia rozdzielczość widm FTIR składających się z kilku nakładających się na siebie pasm. W ten sposób niewyraźne pasma szerokiego obszaru środkowego I można zawęzić za pomocą filtra górnoprzepustowego, aby otrzymać zdekonwolucyjne widmo o ulepszonych rozdzielczościach szczytowych.
W celu oceny skuteczności substratów filtracyjnych uzupełnionych siatkami z jedwabnej włókniny, przeprowadzono testy przepuszczalności powietrza za pomocą urządzenia Akustron zgodnie ze standardowymi protokołami. Szybkość osadzania mierzono za pomocą uniwersalnego kalibru cząstek Palas.

urządzenia filtrujące powietrze, w tym siatki włókninowe z elektroprzędzonych rekombinowanych białek jedwabiu pajęczego

Air Filter Devices Including Nonwoven Meshes of Electrospun Recombinant Spider Silk Proteins

Na podstawie naturalnej sekwencji Araneus diadematus Fibroin 4 (ADF4), zaprojektowano rekombinowane białko pajęczej nici eADF4(C16). To wysoce powtarzalne białko ma masę cząsteczkową 48 kDa i jest rozpuszczalne w różnych rozpuszczalnikach (heksafluoroizopropanol (HFIP), kwas mrówkowy i wodne). eADF4(C16) zapewnia wysoki potencjał dla różnych zastosowań technicznych po przetworzeniu na morfologie, takie jak folie, kapsułki, cząstki, hydrożele, powłoki, włókna i siatki włókninowe. Ze względu na ich stabilność chemiczną i kontrolowaną morfologię, te ostatnie mogą być wykorzystywane do ulepszania materiałów filtracyjnych. W niniejszym protokole przedstawiamy procedurę mającą na celu zwiększenie wydajności różnych urządzeń filtrujących powietrze poprzez osadzanie siatek włókninowych z elektroprzędzonych rekombinowanych białek jedwabiu pajęczego. Elektroprzędzenie eADF4(C16) rozpuszczonego w HFIP daje gładkie włókna. Zmienność stężenia białka (5-25% w/v) skutkuje różnymi średnicami włókien (80-1 100 nm), a tym samym wielkością porów siatki włókninowej.
Konieczna jest obróbka końcowa elektroprzędzy eADF4(C16) z HFIP, ponieważ białko wykazuje głównie α-spiralną strukturę drugorzędową w świeżo przędzonych włóknach, a zatem włókna są rozpuszczalne w wodzie. Późniejsza obróbka parami etanolu indukuje tworzenie odpornych na wodę, stabilnych struktur β-arkuszowych, zachowując morfologię włókien i siatek jedwabiu. Analizę struktury drugorzędowej przeprowadzono za pomocą spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), a następnie samodekonwolucji Fouriera (FSD).
Głównym celem było poprawienie efektywności filtracji istniejących podłoży filtracyjnych poprzez dodanie warstw jedwabnej włókniny na wierzchu. Aby ocenić wpływ czasu elektroprzędzenia, a tym samym grubości warstwy włókniny na skuteczność filtra, przeprowadziliśmy testy przepuszczalności powietrza w połączeniu z pomiarami osadzania cząstek. Eksperymenty przeprowadzono zgodnie ze standardowymi protokołami.

Elektroprzędzenie roztworów rekombinowanego jedwabiu pajęczego o stężeniu 10% w/v w HFIP pozwoliło na uzyskanie gładkich włókien o średnicach od 80 do 120 nm, co umożliwiło formowanie tkanin włókninowych. Obróbka parą etanolu nie doprowadziła do wyraźnych zmian morfologicznych, co pozwoliło uznać tę metodę za odpowiedni sposób obróbki końcowej włóknin jedwabnych (Rycina 8). Zmiany strukturalne wykryto za pomocą FT-IR, a następnie przeprowadzono FSD pasm amidu I w celu analizy pojedynczych pików wkładu (Rycina 6). Wykazano, że obróbka końcowa prowadzi do zwiększenia ilości struktur typu β-kartka, podczas gdy zawartość struktur typu α-helisa i losowego kłębka maleje (Rycina 7). Wynik ten można potwierdzić w praktyce, zanurzając poddaną obróbce włókninę w wodzie (Rycina 5). Nawet po tygodniu nie nastąpi rozpuszczenie siatki włókninowej.
Czas przędzenia jest najważniejszym parametrem w kontekście zastosowania jedwabnych tkanin niezwiązanych w materiałach filtracyjnych ze względu na spadek ciśnienia wynikający ze zwiększającej się gęstości włókien elektroprzędzonych. Wydłużony czas przędzenia, a tym samym większa liczba warstw włókien, prowadzi do wykładniczego spadku przepuszczalności powietrza. Efekt ten zaobserwowano dla wszystkich różnych materiałów podłoży filtracyjnych przed i po obróbce wtórnej (Rysunek 9). Podobnie zwiększa się efektywność filtrowania cząstek submikrometrycznych przez materiały filtracyjne zawierające jedwab (Rysunek 10). Podczas gdy krótkie czasy przędzenia (30 s) skutkują niską efektywnością filtracji, dłuższe czasy przędzenia (90 s) prowadzą do wyższej efektywności.
<img alt="Schemat procesu elektroprzędzenia z zestawem pompy strzykawkowej; roztwór polimeru tworzący włókno na kolektorze." fo:content-width="5.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 1"> 
 Rycina 1. Wysokie napięcie elektryczne (0-30 kV) jest przyłożone do strzykawki wypełnionej roztworem jedwabiu, a elektroda przeciwna (0-20 kV) jest umieszczona w odległości 8-20 cm. Taki układ prowadzi do powstania silnego pola elektrostatycznego, indukując siły odpychania wewnątrz naładowanego roztworu. Po przekroczeniu napięcia powierzchniowego tworzy się stożek Taylora i z końcówki wydobywa się cienki strumień. Po uformowaniu w strumieniu pojawiają się niestabilności zginania, co powoduje dalsze rozciąganie w miarę odparowywania rozpuszczalnika i powstaje stałe włókno. Ostatecznie włókno jest losowo osadzane na elektrodzie przeciwnej w formie tkaniny niezwiązanej.
<img alt="Szczegóły końcówki mikropipety w układzie mikroskopowym; pokazana skala pomiarowa; analiza eksperymentalna." src="/files/ftp_upload/50492/50492fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 2"> 
 Rysunek 2. Zdjęcia regularnego stożka Taylora (A), wysuszonej kropli (B) oraz układu bez kropli (C).
<img alt="Schemat procesu traktowania etanolem i uwilżania; etapy ekspozycji próbki w 60°C." fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 3"> 
 Rysunek 3. Schemat procedury podczas obróbki parowej. W pierwszym kroku komora jest napełniana etanolem, a próbka poddawana działaniu par w 60 °C przez 90 min. W celu zmiękczenia siatek włókninowych do dalszej obróbki, etanol jest usuwany, a włókna poddawane działaniu pary wodnej przez 90 min w 60 °C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50492/50492fig3large.jpg" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony rysunek</a>.
<img alt="Schemat spektroskopii cienkowarstwowej; okrągłe próbki do analizy absorpcji optycznej, skala 0,5 cm." src="/files/ftp_upload/50492/50492fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 4"> 
 Rysunek 4. Zdjęcie tekturowej ramy z przymocowanymi jedwabnymi tkaninami niezwiązane do zastosowania w obróbce końcowej.
<img alt="Badanie degradacji polimeru; próbki A i B w szalkach Petriego; układ eksperymentu degradacji." src="/files/ftp_upload/50492/50492fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 5"> 
 Rycina 5. Włóknina elektroprzędzona i następnie poddana obróbce wtórnej w stanie suchym (A) oraz w wodzie (B).
<img alt="Analiza drugarycznej struktury białek; widma absorbancji; liczba falowa; diagram helis α i harmonijek β." fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 6"> 
 Rysunek 6. Widmo absorbancji po autodekonwolucji Fouriera pasma amidowego I dla nieprzetraktowanej (A) oraz poddanej obróbce (B) włókniny z jedwabiu pająka. Linia ciągła przedstawia pasmo absorbancji wynikające z pojedynczych piku wkładów (linie przerywane) wyznaczonych po dekonwolucji. Przypisanie poszczególnych krzywych oparto na wcześniej opublikowanych wartościach literaturowych 22. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50492/50492fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększony rysunek</a>.
<img alt="Analiza struktury drugorzędowej; wykres słupkowy; porównanie form białek niepoddanych i poddanych obróbce." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig7highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig7.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 7"> 
 Rysunek 7. Zawartość struktury drugorzędowej w niepoddanych i poddanych obróbce tkaninach niezwiązanych eADF4(C16).
<img alt="Obrazy SEM nanowłókien pokazujące morfologię PA, PE i PP w nanoskali; analiza struktury włókien." fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig8.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 8"> 
 Rysunek 8. Obrazy SEM włókien eADF4(C16) otrzymanych metodą elektroprzędzenia na różnych podłożach filtracyjnych: poliamidzie (PA), poliestrze (PE), polipropylenie (PP) oraz czyste włókna eADF4(C16) przed (S1) i po (S2) obróbce parą etanolu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50492/50492fig8large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy rysunek</a>.
<img alt="Wykres przepuszczalności powietrza w zależności od okresu przędzenia; porównanie poliamidu, polipropylenu i poliestru." fo:content-width="4.75in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig9.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 9"> 
 Rysunek 9. Testy przepuszczalności powietrza przed (A) i po obróbce (B) jedwabnych siatek z włóknin oparami etanolu; zwiększanie czasu przędzenia prowadzi do powstania większej liczby warstw włókniny, co w konsekwencji obniża przepuszczalność powietrza.
<img alt="Wykres wydajności filtracji w zależności od wielkości cząstek; warstwy jedwabiu, różne czasy trwania, badanie porównawcze." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig10highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig10.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 10"> 
 Rysunek 10. Wydajność filtracji aerozolu sebacjanu dietyloheksylu na nieutkanych siatkach z elektroprzędzionego jedwabiu pająka na materiałach filtrujących poliamidowych przy różnych czasach przędzenia, wpływających na ilość warstwy jedwabiu, po obróbce końcowej etanolem.

Włókna pajęczego jedwabiu wykazują niezwykłe właściwości mechaniczne. Zmodyfikowany Araneus diadematus Fibroin 4 (eADF4) może być przetwarzany na siatki włókninowe za pomocą elektroprzędzenia. W tym przypadku siatki włókninowe eADF4 są stosowane w celu poprawy wydajności urządzeń filtrujących powietrze.

Urządzenia filtrujące powietrze, w tym siatki włókninowe z elektroprzędzonych rekombinowanych białek jedwabiu pajęczego

Based on the natural sequence of Araneus diadematus Fibroin 4 (ADF4), the recombinant spider silk protein eADF4(C16) has been engineered. This highly ...

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest ulepszenie komercyjnych materiałów filtracyjnych poprzez osadzanie nieplecionych siatek z jedwabiu pająka do filtracji małych cząstek. Najpierw należy rozpuścić liofilizowane rekombinowane białka jedwabiu pająka w HFIP, aby przygotować odpowiednią masę przędzalną. Następnie roztwór należy nanieść metodą elektroprzędzenia na różne materiały filtracyjne, które zostaną w ten sposób powleczone warstwą jedwabiu i materiałem nieplecionym.Następnie poddaj jedwabne włókna submikrometryczne działaniu par etanolu, aby wprowadzić stabilne struktury wodne i rozpuszczalne, co pozwoli zmiękczyć włókniny przed dalszą obróbką. Nawilżanie próbek parą wodną wykazuje wyraźną zależność czasu przędzenia, a tym samym grubości warstwy, od wydajności filtracji na podstawie pomiarów filtracji cząstek. W porównaniu do procesu melt-blowing w przypadku polimerów syntetycznych, elektroprzędzenie pozwala na uzyskanie włókien o średnicy około 10 razy mniejszej i z węższym rozkładem wielkości.Co istotne, zastosowanie biodegradowalnych nanowłókien z jedwabiu pająka zmniejsza domniemanego ryzyka dla zdrowia związanego z innymi włóknami polimerowymi. Dzięki temu metoda ta może znaleźć szerokie zastosowanie w dziedzinie filtracji technicznej. Może być ona również wykorzystana w systemach medycznych, takich jak opatrunki na rany, w których nieutkane siatki z jedwabiu pająka mogą wspierać proces gojenia ran.Pomysł na tę metodę pojawił się, gdy próbowaliśmy wytwarzać włókna jedwabiu pajęczego za pomocą różnych technik. Małe średnice uzyskane w procesie elektroprzędzenia zainspirowały nas do zastosowania ich w urządzeniach do filtracji powietrza. Do 20 mg liofilizowanego białka dodaj 200 µL HFIP i zamknij naczynie zakrętką z teflonu, a następnie zawiesinę przędzalną mieszaj w wstrząsarze wortex przez jedną minutę, aby uzyskać klarowny roztwór, i inkubuj w temperaturze pokojowej przez noc. Aby przygotować urządzenie do elektroprzędzenia, umieść materiał filtracyjny na elektrodzie przeciwnej i ustaw napięcie obu elektrod oraz elektrody przeciwnej.Następnie ustaw przepływ objętościowy. Ze względu na odparowywanie toksycznego HFIP należy upewnić się, że urządzenie do elektroprzędzenia jest podłączone do dygestorium. Aby uzyskać dobrze zdefiniowany stożek Taylora, należy oszlifować ostrą końcówkę igły o rozmiarze 20 G do długości pozostałej wynoszącej 30 milimetrów.Następnie podłącz igłę do strzykawki o pojemności jednego mililitra. Napełnij strzykawkę całą ilością roztworu prziądcznego, a następnie nadaj roztworowi 100 µL powietrza, aby umożliwić całkowite wypchnięcie cieczy podczas procesu przędzenia. Następnie przymocuj wypełnioną strzykawkę do pompy strzykawkowej urządzenia do elektroprzędzenia.Ostrożnie naciśnij tłok strzykawki, aż na końcówce igły pojawi się kropla. Następnie zablokuj tłok. Ustaw odległość między końcówką igły a elektrodą przeciw sweaty na wartość od 8 do 20 cm.Po podłączeniu źródła wysokiego napięcia należy uruchomić pompę strzykawkową i usunąć kroplę z otworu igły. Bezzwłocznie aktywować wszystkie zabezpieczenia urządzenia do elektroprzędzenia i włączyć źródło wysokiego napięcia. Postąpić tak, gdy tylko pojawi się nowa kropla.Użyj stopera do kontroli czasu przędzenia, ponieważ elektroprzędzenie rekombinowanych białek jedwabiu pajęczego zależy od wilgotności i temperatury, a dostosowanie parametrów procesu do warunków w poszczególnym laboratorium może być konieczne. Po określonym czasie elektroprzędzenia wyłącz pompę strzykawkową. Po 10 sekundach wyłącz źródło wysokiego napięcia, aby uzyskać tkaninę włókninową.Do późniejszych eksperymentów nad stabilnością. Zamiast materiału filtrującego należy użyć czarnego papieru. Po pięciu minutach elektroprzędzenia należy przerwać proces, zgodnie z wcześniejszym opisem, w wstępnie podgrzanym piekarniku o temperaturze 60 °C.Umieść pionowo podłoża filtrujące z tkaninami niezwiązanymi. Zachowaj minimalny odstęp dwóch centymetrów między próbkami a ściankami zamykanego naczynia szklanego z dwoma otworami. W celu wprowadzenia rozpuszczalników podłącz dwie strzykawki o pojemności 60 ml, jedną wypełnioną etanolem, a drugą wodą, za pomocą rurek silikonowych skierowanych w stronę dna naczynia do obróbki potokowej.Umieścić pojemnik poobróbkowy w piekarniku i dodać 60 mililitrów etanolu, wypychając go strzykawką. Użyć stopera do kontrolowania czasu trwania obróbki. Usunąć etanol za pomocą strzykawki, a następnie w ciągu kolejnych 90 minut dodać 60 mililitrów wody z drugiej strzykawki do szklanego naczynia.Następnie usunąć wodę i wyłączyć piekarnik. Aby uniknąć powstawania kropel kondensacyjnych, wyjmować pojemnik z piekarnika dopiero po jego całkowitym ostygnięciu. Do testów stabilności należy użyć jedwabnych siatek niewtkanych naniesionych na czarny papier lub inny usuwalny nośnik.Dostosuj dwustronną taśmę klejącą. Następnie wytnij z tektury dwie ramki. Przyciśnij jedną ramkę do jedwabnej siatki włókniny umieszczonej na czarnym papierze.Następnie odetnij nadmiar włókniny i ostrożnie usuń ramkę. Po czym przymocuj drugą ramkę w ten sam sposób.W celu przeprowadzenia praktycznego testu zanurzeniowego, należy pobrać próbki sieci z jedwabnego materiału włókninowego po obróbce wstępnej oraz próbki niepoddanej obróbce, a następnie zanurzyć je w wodzie dejonizowanej. Zauważyć należy, że niepoddana obróbce włóknina jedwabna rozpuszcza się natychmiast. Włóknina poddana obróbce pozostaje stabilna; należy ją wysuszyć na powietrzu.W przypadku próbki do obrazowania SEM, zastosuj podczerwoną spektroskopię w przekształceniu Fouriera, aby uzyskać informacje o zmianach strukturalnych białek jedwabiu po obróbce wtórnej tkanin niezwiązanych. Wybierz tryb transmitancji, ustawiając zakres skanowania od 800 do 4 000 cm⁻¹. Wykonaj pomiar 60 akumulacji ze średnią dla każdego widma oraz jeden pomiar referencyjny na widmo.W przypadku M, do ilościowej analizy danych należy zastosować fourierowską samodekonwolucję. Zakres krzywych należy ustawić na liczby falowe od 1 590 do 1 705 cm⁻¹, stosując jednocześnie korekcję linii bazowej. Następnie należy obliczyć lokalne dopasowanie metodą najmniejszych kwadratów zgodnie z opisem Schu i współpracowników z 2006 roku.Następnie wykorzystaj obrazowanie SEM do zbadania średnic włókien oraz morfologii włókien jedwabnych na różnych podłożach filtracyjnych i przeanalizuj wpływ obróbki końcowej na morfologię włókien. Użyj powiększeń od 5 000 do 25 000 x, aby uzyskać wystarczająco szczegółowe obrazy. Najpierw umieść odpowiednio dopasowany fragment materiału filtracyjnego na obszarze pomiarowym urządzenia.Należy zastosować urządzenie do pomiaru przepuszczalności powietrza Acutron zgodnie z instrukcjami producenta i zapisać dane znormalizowane. Po zebraniu danych z co najmniej 10 różnych fragmentów próbki, należy obliczyć średnią arytmetyczną, aby określić wydajność filtra. Należy użyć odpowiedniej aparatury z kontrolą ciśnienia i licznikiem cząstek, takiej jak uniwersalny analizator wielkości cząstek.Próbkę należy obchodzić z ostrożnością i nie dotykać jej powierzchni, aby zapobiec zniszczeniu tkaniny włókninowej oraz uniknąć zanieczyszczeń. Należy upewnić się, że przygotowano wystarczającą liczbę próbek o jednakowej jakości do pomiarów parametrów. Elektroprzędzenie rekombinowanego jedwabiu pajęczego o stężeniu 10%w/v w HFIP na różnych materiałach filtracyjnych, takich jak poliamid, polipropylen i poliester, doprowadziło do powstania gładkich włókien o średnicach od 80 do 120 nanometrów, co umożliwiło formowanie tkanin włókninowych na różnych materiałach filtracyjnych.Obróbka parą etanolu nie doprowadziła do zauważalnych zmian morfologicznych, co potwierdziło tę metodę jako właściwy sposób post-obróbki jedwabnych tkanin niezwiązanych. Zmiany strukturalne wykryto za pomocą FTIR, a następnie przeprowadzono dekonwolucję (FSD) pasm Amid IB w celu analizy poszczególnych pików wkładu. Co ciekawe, post-obróbka prowadzi do zwiększenia ilości struktur beta-kartki, podczas gdy zawartość struktur alfa-helikalnych i splotów przypadkowych ulega zmniejszeniu.Wynik ten można udowodnić w praktyce, zanurzając poddany wcześniejszej obróbce materiał z włókniny w wodzie. Jak wykazano wcześniej, czas przędzenia jest najważniejszym parametrem w kontekście zastosowania jedwabnych włóknin w materiałach filtracyjnych; dłuższy czas przędzenia, a tym samym większa liczba warstw włókien, prowadzi do wykładniczego spadku przepływu powietrza. Podobnie, efektywność filtrowania cząstek podmikronowych przez materiały filtracyjne zawierające jedwab wzrasta wraz z ich rozwojem.Technika ta otworzyła badaczom z dziedziny materiałów bioinspirowanych drogę do zbadania ich wysokiego potencjału w zastosowaniach technicznych. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze rozumieć, jak przetwarzać rekombinowane białka jedwabiu pajęczego w submikronowe, nieutkane siatki. Są one przydatne do filtracji małych cząstek.Należy pamiętać, że praca z HFIP może być niezwykle niebezpieczna i podczas wykonywania procedury zawsze należy przestrzegać środków ostrożności, takich jak użycie dygestorium.

air-filter-devices-including-nonwoven-meshes-electrospun-recombinant

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Urządzenia do filtrowania powietrza, w tym sita bezsplecione z elektronowytrząsanych rekombinowanych białek jedwabiu pająków

W niniejszym materiale opisujemy wydajną strategię usuwania gruczołów jedwabniczych z odwłoka samic czarnej wdowy. Procedura ta umożliwia szybką izolację siedmiu odrębnych gruczołów jedwabniczych w sposób wysoce oczyszczony, co stanowi istotny proces dla badaczy zajmujących się produkcją jedwabiu pająków oraz montażem włókien.

Mikrodysekcja gruczołów produkujących jedwab u pająka wdowie czarne

Pomimo wyjątkowych właściwości mechanicznych i biochemicznych jedwabiu pająków, materiał ten nie może być pozyskiwany w dużych ilościach metodami konwencjonalnymi. W niniejszej pracy opisujemy efektywną strategię przędzenia sztucznych włókien jedwabiu pająka, co stanowi istotny proces dla badaczy analizujących produkcję jedwabiu pająków oraz jego zastosowanie jako biomateriałów nowej generacji.

Produkcja syntetycznego jedwabiu pajęczego w skali laboratoryjnej

Postępy w technologiach biomateriałów umożliwiają rozwój trójwymiarowych konstruktów wielokomórkowych. Opracowaliśmy protokoły elektroprzędzenia w celu wytworzenia trzech pojedynczych rusztowań do hodowli głównych komórek strukturalnych dróg oddechowych, aby zapewnić model 3D in vitro ściany oskrzelików dróg oddechowych.

Dostosowanie procesu elektroprzędzenia w celu zapewnienia trzech unikalnych środowisk dla trójwarstwowego modelu ściany dróg oddechowych in vitro

Przedstawiono protokół mikroprzepływowego przędzenia i charakterystyki mikrostruktury regenerowanego jedwabnego włókna fibroinowego.

Mikroprzepływowe przędzenie na sucho i charakterystyka regenerowanych włókien fibroiny jedwabiu

Ten protokół demonstruje zdolność do wykorzystania reaktywnego druku atramentowego do drukowania samoruchomych, biokompatybilnych i przyjaznych dla środowiska mikromieszadeł do użytku w zastosowaniach biomedycznych i środowiskowych.

Reaktywny druk atramentowy i analiza napędu samobieżnych mikromieszadeł na bazie jedwabiu

Tutaj prezentujemy protokół produkcji rozpuszczalnych w wodzie rekombinowanych roztworów białek pajęczej nici oraz form materialnych, które mogą być formowane z tych roztworów.

Tworzenie materiału rekombinowanych nici pajęczych poprzez solwatację wodną przy użyciu ciepła i ciśnienia

Wkładki do hodowli tkankowych z plastikowymi membranami są złotym standardem w laboratoriach hodowli komórkowych jako przepuszczalne nośniki do tworzenia warstw komórkowych i modeli tkanek barierowych. W niniejszym artykule przedstawiamy prostą metodę zastąpienia plastikowej membrany bardziej biologicznie istotną membraną wykonaną z rekombinowanego funkcjonalizowanego białka pajęczej nici.

Nanowłóknista błona podstawna naśladująca wykonana z rekombinowanej, funkcjonalizowanej nici pajęczej w niestandardowych wkładkach do hodowli tkankowych

Filmy jedwabne stanowią nową klasę biomateriałów, które można łatwo dostosować do szerokiego zakresu zastosowań biomedycznych. Przedstawiony system hodowli na filmach jedwabnych jest wysoce adaptowalny do różnorodnych analiz in vitro. System ten stanowi platformę projektowania biomateriałów, umożliwiającą optymalizację in vitro przed bezpośrednim przejściem do modeli in vivo.

System hodowli na filmach jedwabnych do analiz in vitro i projektowania biomateriałów

Rusztowania otrzymane metodą elektroprzędzenia mogą być poddawane obróbce po produkcji w celu zastosowania ich w inżynierii tkankowej. W niniejszym opracowaniu opisujemy metody przędzenia złożonych rusztowań (poprzez przędzenie sekwencyjne), tworzenia rusztowań o większej grubości (poprzez nakładanie wielu warstw z wykorzystaniem wyżarzania termicznego lub parowego), zapewniania sterylności (produkcja aseptyczna lub sterylizacja po produkcji) oraz uzyskiwania odpowiednich właściwości...

Obróbka potransprodukcyjna włókien otrzymywanych metodą elektroprzędzenia do inżynierii tkankowej

Mieszanie to efektywne podejście do generowania biomateriałów o szerokim zakresie właściwości i połączonych cechach. Przewidując interakcje molekularne między różnymi naturalnymi białkami jedwabiu, można zaprojektować nowe platformy ze stopów białek jedwabiu i jedwabiu o regulowanej odporności mechanicznej, reakcji elektrycznej, przezroczystości optycznej, przetwarzalności chemicznej, biodegradowalności lub stabilności termicznej.

Projektowanie materiałów ze stopów białek jedwabiu i jedwabiu do zastosowań biomedycznych

Poznaj metodę elektroprzędzenia rekombinowanych białek jedwabiu pajęczego Araneus diadematus w celu tworzenia nanowłóknistych siatek filtracyjnych. Technika ta znacząco poprawia skuteczność filtracji cząstek i znajduje zastosowanie w ochronie środowiska oraz medycynie.

Urządzenia filtrujące powietrze, w tym siatki włókninowe z elektroprzędzonych rekombinowanych białek jedwabiu pajęczego

Przeglądaj więcej filmów