Mikroprzepływowe przędzenie na sucho i charakterystyka regenerowanych włókien fibroiny jedwabiu

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.