Name: Mikroprzepływowe przędzenie na sucho i charakterystyka regenerowanych włókien fibroiny jedwabiu (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-04T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 28 s
Description: Poznaj mikroprzepływową metodę suchego przędzenia włókien fibroiny jedwabiu i ich charakterystykę mechaniczną. Badanie pokazuje wpływ wilgotności względnej na strukturę i właściwości wytrzymałościowe włókien regenerowanych.

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

Ta praca jest sponsorowana przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (21674018), Narodowy Kluczowy Program Badań i Rozwoju Chin (2016YFA0201702 /2016YFA0201700), oraz "Program Shuguang" wspierany przez Shanghai Education Development Foundation i Shanghai Municipal Education Commission (15SG30), DHU Distinguished Young Professor Program (A201302), Fundusze Badań Podstawowych dla Uniwersytetów Centralnych oraz Projekt 111 (No.111-2-04).

OSTRZEŻENIE: Przed użyciem należy zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki materiałów. Kilka z odczynników chemicznych stosowanych do przygotowania formy jest silnie toksycznych. Należy stosować środki ochrony indywidualnej (okulary ochronne, rękawice, fartuch laboratoryjny, długie spodnie i pełne obuwie).
1. Mikrofluidyczne przędzenie wodnego roztworu RSF
<ol>
	<li>Przygotowanie wodnego roztworu przędzalnego RSF4,15,16
	<ol>
		<li>Odtłuszczanie kokonów jedwabnika
		<ol>
			<li>Odtłuść kokony Bombyx mori dwukrotnie w wodnych roztworach Na2CO3 (0,5% mas. w wodzie) w temperaturze 100 °C przez 30 min każdy, a następnie przemyj jedwab wodą dejonizowaną, aby usunąć serycynę.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Rozpuszczanie odtłuszczonych kokonów jedwabnika
		<ol>
			<li>Wysusz odtłuszczone jedwabie z kokonów na powietrzu; następnie rozpuść je w wodnym roztworze LiBr 9,0 M w stosunku 1:10 (m/v) w temperaturze 40 °C przez 2 h. Na przykład dodaj 10 mL LiBr na 1 gram jedwabiu (Rycina 1a).</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Wirowanie i filtrowanie
		<ol>
			<li>Rozcieńcz roztwór RSF 1,5-krotnie wodą dejonizowaną. Odwiruj i przefiltruj w celu usunięcia zanieczyszczeń. Wirowanie roztworu RSF przeprowadź w butelkach o pojemności 250 mL w temperaturze 4 °C przez 10 min przy 1 234,8 x g. Przefiltruj roztwór RSF za pomocą filtra 20 µm i pompy próżniowej. Ze względu na efekt eksperymentalny zaleca się stosowanie podwójnego zestawu papieru filtracyjnego.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Dializa
		<ol>
			<li>Dializuj roztwór RSF w wodzie dejonizowanej w temperaturze 5 °C przez 3 dni, używając półprzepuszczalnej membrany celulozowej (MWCO: 14 000 ± 2 000). Całkowita objętość roztworu RSF wynosi około 1 L, umieszczonego w 4 workach do dializy. Umieść te worki w pojemniku wypełnionym 10 L dejonizowanej wody z odwróconej osmozy (RO). 
			UWAGA: Wartość pH wody dejonizowanej powinna być wyższa niż 6, aby uniknąć żelowania podczas procesu zagęszczania. W tym protokole regulacja pH wody dejonizowanej nie była wymagana.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Zagęszczanie
		<ol>
			<li>Odparuj wodny roztwór RSF do stężenia 20% mas. za pomocą wymuszonego przepływu powietrza w temperaturze 5 °C. Dodaj wodny roztwór CaCl2 do roztworu RSF do końcowego stężenia 1,0 mmol/g Ca2+; następnie zagęść za pomocą wymuszonego przepływu powietrza do 38-47% mas.</li>
			<li>Zważ jedną kroplę roztworu RSF na szkiełku przedmiotowym, a następnie wysusz ją przez 2 h w piecu w temperaturze 105 °C. 
			UWAGA: Procentowa masa pozostałej substancji stałej w stosunku do masy kropli przed suszeniem stanowi całkowite stężenie białka i CaCl2. Stężenie RSF oblicza się po odjęciu masy CaCl2. Wykonano co najmniej cztery powtórzenia pomiarów. Nasze poprzednie badania wykazały, że stężenie Ca2+ znacząco wpływa na właściwości reologiczne i przędzalność wodnych roztworów RSF. Jednocześnie dodatek Ca2+ stymulował ograniczoną formację struktur beta-kartki i agregację RSF17. W natywnym roztworze przędzalnym uważa się, że CaCl2 odgrywa ważną rolę podczas przechowywania w celu uniknięcia żelowania przed przędzeniem.18</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie chipa mikrofluidycznego8,19
	<ol>
		<li>Przygotowanie fotomaski
		<ol>
			<li>Zaprojektuj mikrokanał w programie CAD. Wydrukuj plik CAD, aby uzyskać wysokorozdzielczą folię przezroczystą19.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Przygotowanie formy
		<ol>
			<li>Czyszczenie szkiełka przedmiotowego
			<ol>
				<li>W dygestorium gotuj szkiełko przedmiotowe w mieszaninie stężonego kwasu siarkowego i 30% obj. roztworu nadtlenku wodoru (10:1) przez 20 min na płycie grzejnej. 
				OSTROŻNIE: Opary kwasu siarkowego i nadtlenku wodoru są niezwykle toksyczne.</li>
			</ol>
			</li>
			<li>Mycie szkiełka przedmiotowego
			<ol>
				<li>Umyj szkiełko przedmiotowe wodą dejonizowaną i osusz zdmuchując go azotem o wysokiej czystości.</li>
			</ol>
			</li>
			<li>Nakładanie warstwy
			<ol>
				<li>Nałóż fotorezyst SU-8 na szkiełko przedmiotowe za pomocą zbudowanego specjalnie urządzenia do powlekania, zachowując szczelinę 100 µm między dolną powierzchnią listwy powlekającej a górną powierzchnią szkła.</li>
			</ol>
			</li>
			<li>Powlekanie wirowe
			<ol>
				<li>Rozprowadź fotorezyst na szkiełku przedmiotowym, aby utworzyć jednorodną warstwę, używając powlekarki wirowej przy 40,3 x g przez 30 s. Grubość jednorodnej warstwy wynosi około 85 µm.</li>
			</ol>
			</li>
			<li>Utwardzanie
			<ol>
				<li>Utwardź fotorezyst w piecu z programem sterowania temperaturą. Podnieś temperaturę z temperatury pokojowej do 65 °C w tempie 2 °C/min i utrzymuj 65 °C przez 2 min. Kontynuuj ogrzewanie od 65 °C do 95 °C i utrzymuj 95 °C przez 15 min. Wyłącz piec i pozwól na naturalne schłodzenie do temperatury pokojowej wewnątrz urządzenia.</li>
			</ol>
			</li>
			<li>Naświetlanie światłem ultrafioletowym
			<ol>
				<li>Naświetl stronę szkiełka przedmiotowego z fotorezystem światłem ultrafioletowym przez 12 s, używając folii przezroczystej jako fotomaski w procesie fotolitografii19. 
				UWAGA: Długość fali światła ultrafioletowego wynosi 365 nm, a energia naświetlania to 273,6 mJ/cm2. 
				OSTROŻNIE: Stosuj odpowiednie środki bezpieczeństwa podczas pracy ze światłem UV i piecem.</li>
			</ol>
			</li>
			<li>Utwardź fotorezyst zgodnie z opisem w kroku 1.2.2.5.</li>
			<li>Wywoływanie
			<ol>
				<li>Oczyść fotorezyst ultradźwiękowo w roztworze wywoływacza przez 30 s. Myj szkiełko przedmiotowe izopropanolem i wywoływaczem, naprzemiennie, aż na szkiełku nie będzie widocznych osadów.</li>
			</ol>
			</li>
			<li>Utwardź fotorezyst w piecu z programem sterowania temperaturą. Podnieś temperaturę z temperatury pokojowej do 170 °C w tempie 2 °C/min i utrzymuj 170 °C przez 30 min. Wyłącz piec i pozwól na naturalne schłodzenie do temperatury pokojowej wewnątrz urządzenia.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Litografia miękka
		<ol>
			<li>Wlej 8,8 g ciekłego prepolimeru polidimetylosiloksanu (PDMS) na formę i utwardzaj przez 30 min w 65 °C oraz 15 min w 80 °C. Ciekły prepolimer PDMS składa się z PDMS i czynnika utwardzającego (zazwyczaj w stosunku 10:1 (m/m)).</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Wiercenie
		<ol>
			<li>Wywierć otwór w replice PDMS na początku kanału. Średnica wiertła wynosi 1,2 mm.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Uszczelnianie
		<ol>
			<li>Uszczelnij replikę PDMS z kanałem z płaską warstwą PDMS bez wzoru poprzez obróbkę plazmą tlenową powierzchni obu warstw PDMS. 
			UWAGA: Całkowity proces przygotowania chipa trwa około 72 h.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wytwarzanie włókna RSF
	<ol>
		<li>Wtryskiwanie roztworu przędzalnego
		<ol>
			<li>Wtryskuj roztwór przędzalny RSF do mikrokanału z prędkością 2 µL/min za pomocą pompy strzykawkowej.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Regulacja otoczenia
		<ol>
			<li>Ustaw wilgotność względną na 40 ± 5 RH% lub 50 ± 5 RH% za pomocą nawilżacza. Przy 40 ± 5 RH% włókno po przędzeniu utwardzało się szybciej niż przy 50 ± 5 RH%.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Produkcja włókna RSF
		<ol>
			<li>Dotknij kropli RSF cienką igłą na wylocie z kanału mikrofluidycznego, wyciągnij włókno RSF w powietrzu, a następnie nawiń je na roller przez 10-cm przerwę powietrzną z prędkością 3 cm/s (Rycina 1b).</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Przechowuj włókna RSF w szczelnym eksykatorem przez 24 h.</li>
		<li>Obróbka końcowa włókien
		<ol>
			<li>Wyciągnij włókna po przędzeniu 4-krotnie z prędkością 0,9 mm s-1 w 80% obj. roztworze etanolu za pomocą zbudowanej specjalnie maszyny, a następnie utrzymaj wyciągnięte włókno w stałej pozycji i zanurz je w roztworze na 1 h. W wyniku tej obróbki długość włókna zmieniła się z pierwotnych 15 mm do 60 mm.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Przygotowanie próbki do charakterystyki
		<ol>
			<li>Zamocuj obrobione włókna na ramce papierowej z długością pomiarową 10 mm. Do pomiarów, w tym do testu rozciągania, SEM, FTIR i WAXS, potrzeba co najmniej 20 włókien. Średnice włókien po wyciąganiu wynoszą od 5 do 10 µm. Rycina 1 przedstawia schemat produkcji włókien i charakterystyki WAXD. Właściwości mechaniczne włókien RSF badano za pomocą systemu testowania materiałów w temperaturze (25 ± 2) °C i przy wilgotności względnej (45 ± 5)%. Prędkość rozciągania oraz długość pomiarowa wynosiły odpowiednio 2 mm/min i 1 cm.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Charakterystyka struktury krystalicznej włókna RSF za pomocą promieniowania synchrotronowego
<ol>
	<li>Charakterystyka promieniowaniem synchrotronowym4,13,17
	<ol>
		<li>Ustawienie linii wiązki
		<ol>
			<li>Ustaw długość fali promieni Rentgena oraz rozmiar plamki odpowiednio na 0,07746 nm i 3 x 2 µm2. 
			UWAGA: Protokół jest realizowany z wykorzystaniem linii wiązki BL15U1 w Shanghai Synchrotron Radiation Facility.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Lokalizacja plamki promieniowania Rentgena
		<ol>
			<li>Wyznacz lokalizację plamki promieniowania Rentgena. 
			UWAGA: Lokalizacja plamki promieniowania Rentgena jest regulowana przez technika laboratoryjnego w Synchrotron Radiation Facility.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Testowanie próbki wzorcowej: tlenek ceru (CeO2)
		<ol>
			<li>Przeprowadź test wzorcowej próbki proszku CeO2. Proszek CeO2 został scharakteryzowany w celu obliczenia środka okręgu oraz odległości od próbki do detektora.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Przygotowanie próbki
		<ol>
			<li>Zamocuj włókna RSF równolegle do siebie na ramce papierowej z długością pomiarową 10 mm. Przyklej ramkę papierową do stołu pomiarowego. 
			UWAGA: Włókno powinno pozostać w pozycji poziomej.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Badania SR-WAXD
		<ol>
			<li>Otwarcie migawki
			<ol>
				<li>Zamknij drzwi stacji linii wiązki po upewnieniu się, że w pomieszczeniu nie ma osób. Otwórz migawkę źródła wiązki promieniowania Rentgena.</li>
			</ol>
			</li>
			<li>Ostrość
			<ol>
				<li>Przesuwaj włókno powoli, aż zostanie ustawiona ostrość. Dostosuj położenie włókna w kierunkach x, y, z zdalnie za pomocą oprogramowania (Rycina 1c).</li>
			</ol>
			</li>
			<li>Naświetlanie próbki
			<ol>
				<li>Przesuwaj włókno w górę i w dół zdalnie za pomocą oprogramowania, aż znajdzie się ono w plamce promieniowania Rentgena. Naciśnij przycisk start w oprogramowaniu, aby naświetlać włókno wiązką promieni Rentgena przez 20 s (Rycina 1c).</li>
			</ol>
			</li>
			<li>Dyfrakcja tła
			<ol>
				<li>Zmierz dyfrakcję tła powietrznego przy czasie naświetlania 20 s. Odsuń włókno od plamki promieniowania Rentgena zdalnie za pomocą oprogramowania. Naciśnij przycisk „start” w oprogramowaniu, aby naświetlać „medium powietrzne” wiązką promieni Rentgena przez 20 s.</li>
			</ol>
			</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przetwarzanie danych SR-WAXD13
	<ol>
		<li>Kalibracja oprogramowania
		<ol>
			<li>Przetwórz dane WAXD przy użyciu programu FIT2D (V12.077). Skalibruj środek okręgu oraz odległość próbka-detektor, korzystając z danych dyfrakcyjnych proszku CeO2.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Dwuwymiarowy obraz dyfrakcyjny
		<ol>
			<li>Odejmij tło powietrzne od obrazu dyfrakcyjnego włókna przy użyciu programu FIT2D (V12.077).</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Krystaliczność i wielkość krystalitów
		<ol>
			<li>Zintegruj natężenie dyfrakcji jako funkcję kąta rozpraszania 2θ. Przeprowadź dekonwolucję całkowania natężenia za pomocą oprogramowania do automatycznej separacji pików (Wersja 4.12)12. Stopień krystaliczności, xc, oszacowano z zależności: 
			<img alt="Równanie chiralności \(X_c = \frac{I_c}{I_c + I_a}\), wzór chemii analitycznej." src="/files/ftp_upload/56271/56271eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie"> 
			, gdzie Ic jest sumą zintegrowanych natężeń pików krystalicznych, a Ia jest zintegrowanym natężeniem halo amorficznego4,11. Całkowanie obrazów WAXD wykazało szerokość piku dla refleksów [200], [020], [002]. Wartości FWHM tych pików wykorzystano do wyznaczenia wielkości krystalitów wzdłuż osi a, b i c przy użyciu wzoru Scherrera4.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Wyznaczanie orientacji krystalitów
		<ol>
			<li>Oblicz orientacje krystalicznej i amorficznej na podstawie całkowania azymutalnego pików (020) i (210)11. Orientację krystaliczną można obliczyć ilościowo zgodnie z orientacją Hermana. W tym przypadku oba piki, (020) i (210), dopasowano do dwóch funkcji Gaussa. Węższy pik odpowiada orientacji krystalicznej, a szerszy zorientowanemu materiałowi amorficznemu13. Tutaj orientacje krystalitów włókien RSF porównano, wykorzystując pełną szerokość połówkową (FWHM) całkowań azymutalnych pików (002).</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Asakura, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Some+observations+on+the+structure+and+function+of+the+spinning+apparatus+in+the+silkworm+Bombyx+mori%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Some observations on the structure and function of the spinning apparatus in the silkworm Bombyx mori.</a> Biomacromolecules. 8 (1), 175-181 (2007).</li>
<li>Vollrath, F., Knight, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Liquid+crystalline+spinning+of+spider+silk%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Liquid crystalline spinning of spider silk.</a> Nature. 410 (6828), 541-548 (2001).</li>
<li>Zhou, G. Q., Shao, Z. Z., Knight, D. P., Yan, J. P., Chen, X. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.200800582/abstract">Silk Fibers Extruded Artificially from Aqueous Solutions of Regenerated Bombyx mori Silk Fibroin are Tougher than their Natural Counterparts.</a> Adv Mater. 21 (3), 366-370 (2009).</li>
<li>Sun, M. J., Zhang, Y. P., Zhao, Y. M., Shao, H. L., Hu, X. C. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/jm/c2jm32576d">The structure-property relationships of artificial silk fabricated by dry-spinning process.</a> J Mater Chem. 22 (35), 18372-18379 (2012).</li>
<li>Martel, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silk+Fiber+Assembly+Studied+by+Synchrotron+Radiation+SAXS%2FWAXS+and+Raman+Spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22J+Am+Chem+Soc%22%5BJournal%5D)">Silk Fiber Assembly Studied by Synchrotron Radiation SAXS/WAXS and Raman Spectroscopy.</a> J Am Chem Soc. 130 (50), 17070-17074 (2008).</li>
<li>Rammensee, S., Slotta, U., Scheibel, T., Bausch, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assembly+mechanism+of+recombinant+spider+silk+proteins%5BTitle%5D)+AND+%22P+Natl+Acad+Sci+USA%22%5BJournal%5D)">Assembly mechanism of recombinant spider silk proteins.</a> P Natl Acad Sci USA. 105 (18), 6590-6595 (2008).</li>
<li>Kinahan, M. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tunable+silk%3A+using+microfluidics+to+fabricate+silk+fibers+with+controllable+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Tunable silk: using microfluidics to fabricate silk fibers with controllable properties.</a> Biomacromolecules. 12 (5), 1504-1511 (2011).</li>
<li>Luo, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tough+silk+fibers+prepared+in+air+using+a+biomimetic+microfluidic+chip%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Biol+Macromol%22%5BJournal%5D)">Tough silk fibers prepared in air using a biomimetic microfluidic chip.</a> Int J Biol Macromol. 66, 319-324 (2014).</li>
<li>Peng, Q. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recombinant+spider+silk+from+aqueous+solutions+via+a+bio-inspired+microfluidic+chip%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Recombinant spider silk from aqueous solutions via a bio-inspired microfluidic chip.</a> Sci Rep. 6, (2016).</li>
<li>Peng, Q. F., Shao, H. L., Hu, X. C., Zhang, Y. P. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S100200711500091X">Role of humidity on the structures and properties of regenerated silk fibers.</a> Prog Nat Sci-Matter. 25 (5), 430-436 (2015).</li>
<li>Sampath, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((X-ray+diffraction+study+of+nanocrystalline+and+amorphous+structure+within+major+and+minor+ampullate+dragline+spider+silks%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">X-ray diffraction study of nanocrystalline and amorphous structure within major and minor ampullate dragline spider silks.</a> Soft Matter. 8 (25), 6713-6722 (2012).</li>
<li>Martel, A., Burghammer, M., Davies, R. J., Riekel, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+Behavior+of+Bombyx+mori+silk%3A+Evolution+of+crystalline+parameters%2C+molecular+structure%2C+and+mechanical+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Thermal Behavior of Bombyx mori silk: Evolution of crystalline parameters, molecular structure, and mechanical properties.</a> Biomacromolecules. 8 (11), 3548-3556 (2007).</li>
<li>Pan, H., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2014/TB/c3tb21148g">Nanoconfined crystallites toughen artificial silk.</a> J Matter Chem B. 2 (10), 1408-1414 (2014).</li>
<li>Zhang, C., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/is/content/articlepdf/2012/ra/c6ra22544f">Microstructural evolution of regenerated silk fibroin/graphene oxide hybrid fibers under tensile deformation.</a> Rsc Adv. 7 (6), 3108-3116 (2017).</li>
<li>Wei, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0928493111001950">Bio-inspired capillary dry spinning of regenerated silk fibroin aqueous solution.</a> Mat Sci Eng C-Mater. 31 (7), 1602-1608 (2011).</li>
<li>Jin, Y., Zhang, Y. P., Hang, Y. C., Shao, H. L., Hu, X. C. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/259437154_A_simple_process_for_dry_spinning_of_regenerated_silk_fibroin_aqueous_solution">A simple process for dry spinning of regenerated silk fibroin aqueous solution.</a> J Mater Res. 28 (20), 2897-2902 (2013).</li>
<li>Jin, Y., Hang, Y. C., Zhang, Y. P., Shao, H. L., Hu, X. C. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1179/1432891714Z.000000000397">Role of Ca2+ on structures and properties of regenerated silk fibroin aqueous solutions and fibres.</a> Mater Res Innov. 18, 113-116 (2014).</li>
<li>Koh, L. D., et al. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/profile/Enyi_YE/publication/272199400_Structures_Mechanical_Properties_and_Applications_of_Silk_Fibroin_Materials/links/569c445708ae6169e5627d01.pdf">Structures, mechanical properties and applications of silk fibroin materials.</a> Prog Polym Sci. 46, 86-110 (2015).</li>
<li>McDonald, J. C., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Poly%28dimethylsiloxane%29+as+a+material+for+fabricating+microfluidic+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Accounts+Chem+Res%22%5BJournal%5D)">Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic devices.</a> Accounts Chem Res. 35 (7), 491-499 (2002).</li>
<li>Knight, D. P., Vollrath, F. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1689793/">Liquid crystals and flow elongation in a spider's silk production line.</a> P Roy Soc B-Biol Sci. 266 (1418), 519-523 (1999).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podczas dializy roztworu RSF wartość pH ma kluczowe znaczenie dla następnego procesu zatężania. Jeśli wartość pH wody dejonizowanej jest mniejsza niż 6, roztwór RSF będzie łatwiejszy do żelowania podczas procesu zatężania. Aby uniknąć żelowania, CaCl2 dodaje się do roztworu RSF. Stężenie CaCl2 wynosi 1 mmol na masę RSF.
Nasze wcześniejsze prace wykazały możliwość mikroprzepływowego wirowania na sucho wodnego roztworu RSF8. Geometria kanału mikroprz...

Pająk i jedwabnik mogą wytwarzać wyjątkowe włókna jedwabiu z wodnego roztworu białka w temperaturze otoczenia i ciśnieniu. Ścinanie i rozciąganie może indukować tworzenie się ciekłokrystalicznej tekstury w gruczole jedwabnym1. W ostatnich latach pojawiło się duże zainteresowanie naśladowaniem procesu przędzenia pająka w celu wytworzenia włókien sztucznych o wysokiej wytrzymałości. Jednak duże ilości białka jedwabiu pajęczego nie mogą być produkowane wydajnie i ekonomicznie przez hodowlę pająków ze względu na kanibalizm. Znaczne ilości jedwabiu jedwabnika można łatwo uzyskać w rolnictwie. W przeciwnym razie jedwabnik i pająk mają podobny proces przędzenia i skład aminokwasowy. Dlatego fibroina jedwabiu jedwabnika jest wybierana przez wielu badaczy jako substytut przędzenia sztucznego jedwabiu zwierzęcego.
Pająk i jedwabnik wytłaczają roztwór białka przez swój kanał przędzalniczy do włókna w powietrzu. Duże siły naprężeń generowane wzdłuż kanału przędzalniczego najprawdopodobniej rozciągają cząsteczki fibroiny jedwabiu do bardziej rozszerzonej konformacji2. Włókna sztucznego jedwabiu zostały przędzone przy użyciu konwencjonalnych procesów przędzenia na mokro i na sucho3,4, które nie uwzględniają sił płynu generowanych w kanale przędzalniczym.
Po pierwsze, zastosowano metody mikroprzepływowe do zbadania składania białka jedwabiu5,6. Następnie badano mikroprzepływowe wytwarzanie RSF poprzez modelowanie sił ścinających i rozciągających7,8. Moduł i średnicę włókien RSF Younga można dostroić za pomocą mikroprzepływowego przędzenia na mokro, ale wytrzymałość na rozciąganie ciągnionego włókna była mniejsza niż 100 MPa7. Ostatecznie udało się przygotować włókna RSF o wysokiej wytrzymałości przy użyciu mikroprzepływowej metody przędzenia na sucho, ale średnica włókna wynosi tylko 2 μm8. Ostatnio mikroprzepływowe przędzenie na mokro było z powodzeniem stosowane w produkcji rekombinowanego włókna jedwabiu pajęczego o wysokiej wytrzymałości. Ciągnienie w powietrzu po przędzeniu poprawiło powierzchnię i wewnętrzne wady włókna sztucznego9.
W tym badaniu wprowadzono ulepszony proces przędzenia mikroprzepływowego dla włókien RSF. Ma na celu naśladowanie procesu przędzenia jedwabiu jedwabnika, w tym przędzenia domieszkowego, sił ścinających i procesu przędzenia na sucho. Ta metoda przędzenia może nie tylko wytwarzać sztuczne włókno jedwabne o wysokiej wytrzymałości, ale także może regulować średnicę włókna. Po pierwsze, domieszka przędząca RSF została ścięta i wydłużona w kanale biomimicznym z rozkładem wykładniczym drugiego rzędu. Po drugie, badano wpływ wilgotności względnej (RH) na morfologię i właściwości włókien w mikroprzepływowym procesie przędzenia na sucho10. W porównaniu z konwencjonalną przędzarką przędzalniczą, nasz system mikroprzepływowy jest wysoce biomimetyczny i może być używany do wytwarzania włókna o wysokiej wytrzymałości z roztworów w temperaturze otoczenia metodą przędzenia na sucho lub na mokro.
Ze względu na wysoką rozdzielczość, wysoką jasność i wysoką energię promieniowania rentgenowskiego z mikrofokusem promieniowania synchrotronowego, może być ono użyte do scharakteryzowania mikrostruktury pojedynczego włókna o średnicy kilku mikrometrów4,11,12,13,14. W tym przypadku zastosowano technikę SR-WAXD do obliczenia krystaliczności, wielkości krystalitów i orientacji krystalicznej włókien RSF.

<table><tbody><tr><td>B. mori Rolnik kokonów</td><td>w Tongxiang, prowincja Zhejiang, Chiny</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Węglan sodu, bezwodny, 99,8%</td><td>Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co., Ltd., Chiny</td><td></td><td>Analitycznie czysty</td></tr><tr><td>bromek litu, 99,1%</td><td>Shanghai China Lithium Industrial Co., Ltd., Chiny</td><td></td><td>Analitycznie czysty</td></tr><tr><td>chlorek wapnia, bezwodny, 96,0%</td><td>Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co., Ltd., Chiny</td><td></td><td>Analitycznie czysty</td></tr><tr><td>etanol, bezwodny, 99,7%</td> <td>Sinopharm Group Chemical Reagent Co., Ltd., Chiny</td><td>10009218</td><td>Analitycznie czysty</td></tr><tr><td>fotorezystor SU-8</td><td>MicroChem Corp., Stany Zjednoczone</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Opracowywanie rozwiązania</td><td>MicroChem Corp., Stany Zjednoczone</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sylgard 184</td><td>Dow Corning, Stany Zjednoczone</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td>Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co., Ltd., Chiny</td><td></td><td>Analitycznie czysty</td></tr><tr><td>stężony kwas siarkowy</td><td>Fabryka odczynników chemicznych Pinghu, Chiny</td><td></td><td>Analitycznie czysty</td></tr><tr><td>nadtlenek wodoru 30% obj</td>. <td>Shanghai Jinlu Chemical reagent Co., Ltd., Chiny</td><td></td><td>Analitycznie czysty</td></tr><tr><td>aceton</td><td>Shanghai Zhengxing Chemical Reagent Factory, Chiny</td><td></td><td>Analitycznie czysty</td></tr><tr><td>Obróbka plazmą tlenową</td><td>DT-01, Suzhou Omega Machinery Electronic Technology Co., Ltd., Chiny</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pompa strzykawkowa</td><td>&nbsp; KD Scientific, USA</td><td></td><td>Nawilżacz KDS 200P</td></tr><tr><td>Wiertarka</td><td>elektryczna</td><td></td><td></td>SEN</tr><tr><td></td><td>Hangzhou Bo Yang Machinery Co., Ltd., Wiertarka stołowa w Chinach</td><td></td><td>Z406c</td></tr><tr><td>System testowania materiałów</td><td>Instron, USA</td><td></td><td>Model: 5565</td></tr><tr><td>PeakFit</td><td>Systat Software, Inc., USA</td><td></td><td>Wersja 4.12</td></tr></tbody></table>

mikroprzepływowe przędzenie na sucho i charakterystyka regenerowanych włókien fibroiny jedwabiu

Microfluidic Dry-spinning and Characterization of Regenerated Silk Fibroin Fibers

Protokół demonstruje metodę naśladowania procesu przędzenia jedwabnika. W natywnym procesie przędzenia kurczący się kanał przędzalniczy umożliwia zwarcie i uporządkowanie białek jedwabiu przez siły ścinające i wydłużające. W tym przypadku zaprojektowano biomimetyczny kanał mikroprzepływowy, aby naśladować specyficzną geometrię przędzącego się przewodu jedwabnika. Przędzenie zregenerowanej fibroiny jedwabnej (RSF) domieszkowanej wysokim stężeniem, wytłaczano przez mikrokanaliki w celu przędzenia na sucho włókien w temperaturze i ciśnieniu otoczenia. W procesie obróbki końcowej włókna przędzone były pobierane i przechowywane w wodnym roztworze etanolu. Do zbadania mikrostruktury pojedynczych włókien RSF, które zostały przymocowane do uchwytu na próbkę z osią włókna RSF prostopadłą do mikrowiązki promieniowania rentgenowskiego (SR-WAXD), wykorzystano technologię szerokokątnej dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego (SR-WAXD). Krystaliczność, wielkość krystalitu i krystaliczna orientacja włókna zostały obliczone na podstawie danych WAXD. Łuki dyfrakcyjne w pobliżu równika dwuwymiarowego wzoru WAXD wskazują, że włókno RSF poddane obróbce końcowej ma wysoki stopień orientacji.

Włókna RSF o wysokiej wytrzymałości zostały pomyślnie wytworzone przy użyciu metody przędzenia mikroprzepływowego. Krzywe naprężenie-odkształcenie oraz obrazy SEM rozciągniętych włókien RSF C44R40 przedstawiono na Rysunku 2. W próbie rozciągania zmierzono co najmniej 10 włókien. Krzywe naprężenie-odkształcenie wybrano na podstawie średniej wartości naprężenia i odkształcenia przy zerwaniu włókien. Dane WAXD włókien przedstawiono na Rysunk...

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

Mikroprzepływowe przędzenie na sucho i charakterystyka regenerowanych włókien fibroiny jedwabiu

The protocol demonstrates a method for mimicking the spinning process of silkworm. In the native spinning process, the contracting spinning duct enables ...

Ogólnym celem niniejszego eksperymentu jest zaobserwowanie wpływu wilgotności względnej na strukturę i właściwości rozciągające regenerowanych włókien fibroiny jedwabnej przy użyciu mikrofluidycznej metody przędzenia na sucho. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania dotyczące biomimetycznego przędzenia, takie jak oddziaływanie sił ścinających i przebieg procesu przędzenia na sucho. Główną zaletą tej techniki jest fakt, że kanał mikrofluidyczny został zaprojektowany tak, aby naśladować przewód przędzalniczy jedwabnika.Metoda ta pozwala na lepsze zrozumienie procesu przędzenia na sucho fibroiny jedwabiu. Może ona zostać również zastosowana w procesie przędzenia na mokro rekombinowanego jedwabiu pajęczego. Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą metodą mogą napotkać pewne trudności.Przygotowanie roztworu przędzalnego oraz upewnienie się, że posiada on odpowiednie właściwości przędzalnicze, wymaga dwóch tygodni. Demonstracja wizualna tej metody jest niezwykle istotna, ponieważ przy braku doświadczenia przygotowanie roztworu przędzalnego jest bardzo trudne, a czas przędzenia ma kluczowe znaczenie dla powodzenia procesu.Zacznij od odgumowania kokonów Bombyx mori w roztworze wodnym zawierającym 0,5% węglanu sodu. Inkubuj zanurzone kokony w temperaturze 100 °C przez 30 minut. Następnie wymień roztwór węglanu sodu i powtórz inkubację po raz drugi.Po zakończeniu przemyj jedwab wodą dejonizowaną, aby usunąć serycynę. Wysusz odklejone jedwabie z kokonów w powietrzu, a następnie zanurz je w 9,0 molarnym bromku litu w stosunku wagowym 1:10. Inkubuj jedwabie w temperaturze 40 °C przez dwie godziny, aż zostaną całkowicie rozpuszczone.Następnie rozcieńcz zregenerowany roztwór fibroiny jedwabiu 1,5 raza w butelkach o pojemności 250 mililitrów, używając wody dejonizowanej. Odwiruj roztwór w wirówce, a następnie przefiltruj go za pomocą pompy próżniowej przez podwójną warstwę papieru filtracyjnego o rozmiarze oczek 20 micron, aby usunąć wszelkie zanieczyszczenia. Przenieś 250 mililitrów przefiltrowanego zregenerowanego roztworu fibroiny jedwabiu do półprzepuszczalnych membran dializacyjnych z celulozy i dializuj każdy worek w 10 litrach dejonizowanej wody z odwróconej osmozy w temperaturze pięciu stopni Celsius przez trzy dni.Po dializie zastosuj wymuszony przepływ powietrza, aby zagęścić roztwór w temperaturze pięciu stopni Celsjusza do 20% pierwotnej masy. Następnie do zagęszczonego roztworu dodaj trzy molowy wodny roztwór chlorku wapnia, aby uzyskać końcowe stężenie jonów wapnia wynoszące 1,0 milimola na gram. Ponownie zagęść zregenerowany roztwór fibroiny jedwabiu za pomocą wymuszonego przepływu powietrza do 44% jego masy początkowej.Zacznij od gotowania szkiełka przedmiotowego przez 20 minut w mieszaninie stężonego kwasu siarkowego i 30% roztworu nadtlenku wodoru w stosunku 10:1. Po zakończeniu przemyj szkiełko wodą dejonizowaną, a następnie osusz je strumieniem azotu o wysokiej czystości. Następnie umieść szkiełko w specjalnie zbudowanym urządzeniu do powlekania, zachowując przerwę 100 µm między dolną powierzchnią wałka do powlekania a górną powierzchnią szkła.Wypełnij lukę fotorezystem SU-8, a następnie poddaj go wirowaniu z prędkością 40.3 ×g przez 30 sekund, aby utworzyć jednorodną warstwę o grubości około 85 µm. Następnie umieść slajd z fotorezystem w piekarniku z zaprogramowaną kontrolą temperatury. Podnieś temperaturę z temperatury pokojowej do 65 °C w tempie 2 °C na minutę i utrzymuj temperaturę 65 °C przez dwie minuty.Następnie kontynuuj podgrzewanie preparatu od 65 °C do 95 °C z prędkością 2 °C na minutę i utrzymuj temperaturę 95 °C przez 15 minut. W tym momencie wyłącz piec i pozwól preparatowi naturalnie ostygnąć do temperatury pokojowej wewnątrz urządzenia. Następnie umieść preparat z fotorezystorem pod światłem UV i wyrównaj nad nim fotomaskę zawierającą odpowiedni mikrokanał.Naświetlaj bok szkiełka światłem UV przez 12 sekund. Po naświetlaniu umieść szkiełko z powrotem w piekarniku i podgrzewaj w taki sam sposób jak wcześniej. Po wypaleniu oczyść fotorezystor ultradźwiękowo w roztworze wywoływacza przez 30 sekund.Następnie naprzemiennie używaj izopropanolu i wywoływacza do przemywania szkiełka przedmiotowego, aż do całkowitego usunięcia osadów z powierzchni szkła. Utwardź fotorezyst w piecu z zastosowaniem programu kontroli temperatury. Podwyższaj temperaturę od temperatury pokojowej do 170 °C w tempie 2 °C na minutę, utrzymuj 170 °C przez 30 minut, a następnie wyłącz piec i pozwól próbce naturalnie ostygnąć do temperatury pokojowej wewnątrz urządzenia.Następnie umieść utwardzoną formę z SU-8 w aluminiowym pudełku i wlej 8,8 g prepolimeru PDMS na formę, aby osiągnąć wysokość około pięciu milimetrów. Utwardzaj PDMS przez 30 minut w temperaturze 65 °C oraz przez 15 minut w 80 °C. Po utwardzeniu użyj wiertła o średnicy 1,2 mm, aby wywiercić otwór w replice z PDMS na początku kanału.Następnie umieść warstwę PDMS z kanałem skierowanym do góry wraz z drugą płaską warstwą PDMS w powłoce plazmowej i poddaj je działaniu plazmy tlenowej. Bezpośrednio po wyjęciu z komory plazmowej zlutuj warstwę PDMS z kanałem z płaską warstwą PDMS. Mikrokanał jest teraz gotowy do użycia.Wstrzyknij zregenerowany roztwór przędzalniczy fibroiny jedwabnej do mikrokanału z prędkością 2 µL/min przy użyciu pompy strzykawkowej. Dostosuj wilgotność względną w obszarze elektroprzędzenia do 40 lub 50% wilgotności względnej za pomocą nawilżacza. Następnie uruchom wałek tak, aby powierzchnia poruszała się z prędkością 3 cm/s.Po ustabilizowaniu się wilgotności należy dotknąć kropli zregenerowanej fibroiny jedwabnej i wyciągnąć włókno jedwabne w powietrze. Następnie należy umieścić je na wałku, przekraczając 10 centymetrową przerwę powietrzną. Wałek wyciągnie pozostałe włókna jedwabne.Po zakończeniu procesu włókna należy przechowywać w szczelnym eksykarorze przez 24 godziny. Następnego dnia włókna poddaje się obróbce końcowej poprzez czterokrotne wyciąganie z prędkością 0,9 milimetrów na sekundę w 80% etanolu przy użyciu urządzenia zbudowanego na zamówienie. Wyciągnięte włókna należy unieruchomić i zanurzyć w 80% roztworze etanolu na jedną godzinę.Na koniec przymocuj poddane obróbce włókna do papierowej ramki z długością pomiarową 10 milimetrów. Przedstawione tutaj zdjęcie SEM pokazuje końcowe, rozciągnięte włókno z regenerowanej fibroiny jedwabiu. Włókna te miały średnicę średnią wynoszącą dziewięć mikronów.W pomiarach pod wpływem naprężenia włókna otrzymane przy wilgotności względnej 40% wykazywały nieco wyższą wytrzymałość na rozciąganie oraz maksymalne odkształcenie, jednak ich moduł Younga był zbliżony do włókien uformowanych przy wilgotności względnej 50%. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś zrozumieć, jak przeprowadzić suche przędzenie włókna jedwabnego z wodnego roztworu jedwabiu przy użyciu bioinspirowanego chipa mikroprzepływowego.

microfluidic-dry-spinning-characterization-regenerated-silk-fibroin

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

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

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

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

Dwa sąsiadujące ze sobą płyny przechodzące przez rowkowany kanał mikroprzepływowy mogą być skierowane tak, aby tworzyły osłonę wokół rdzenia prepolimerowego; określając w ten sposób zarówno kształt, jak i przekrój. Polimeryzacja inicjowana foto, taka jak chemia tiolowa, doskonale nadaje się do szybkiego zestalania płynu rdzeniowego w mikrofibrę o określonym rozmiarze i kształcie.

Mikroprzepływowa produkcja włókien polimerowych i biohybrydowych o wstępnie zaprojektowanym rozmiarze i kształcie

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

Wszechstronnie wykorzystywana, spektroskopia oscylacyjna generowania częstotliwości sumy (SFG) może pomóc w ujawnieniu kolejności konformacyjnej łańcucha i wtórnych zmian strukturalnych zachodzących na granicy faz polimerów i biomakromolekuł.

Międzyfazowe struktury molekularne polimerów i biomakrocząsteczek ujawnione za pomocą spektroskopii oscylacyjnej generacji częstotliwości sumarycznej

Synteza i charakterystyka trzeciorzędowej biblioteki amidów peptydów

Trójwymiarowe (3D) mikrostrukturalne wiązki kompozytowe są wytwarzane poprzez ukierunkowaną i zlokalizowaną infiltrację nanokompozytów do porowatych sieci mikroprzepływowych 3D. Elastyczność tej metody produkcji umożliwia wykorzystanie różnych materiałów termoutwardzalnych i nanowypełniaczy w celu uzyskania różnorodnych funkcjonalnych makroskopowych produktów nanokompozytowych wzmocnionych 3D.

Wytwarzanie trójwymiarowych mikrostrukturalnych nanokompozytów metodą infiltracji mikroprzepływowej

Synteza, aktywacja i charakterystyka celowo zaprojektowanych metaloorganicznych materiałów szkieletowych jest wyzwaniem, zwłaszcza gdy bloki budulcowe są niekompatybilne lub niechciane polimorfy są termodynamicznie faworyzowane nad pożądanymi formami. Opisujemy, w jaki sposób zastosowania wspomaganej rozpuszczalnikiem wymiany łączników, dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego proszku w kapilarnach i aktywacji poprzez suszenie nadkrytycznym CO2 mogą rozwiązać niektóre z tych wyzwań.

Synteza i charakterystyka funkcjonalizowanych struktur metaloorganicznych

Poznaj mikroprzepływową metodę suchego przędzenia włókien fibroiny jedwabiu i ich charakterystykę mechaniczną. Badanie pokazuje wpływ wilgotności względnej na strukturę i właściwości wytrzymałościowe włókien regenerowanych.

Mikroprzepływowe przędzenie na sucho i charakterystyka regenerowanych włókien fibroiny jedwabiu

Przeglądaj więcej filmów