Elektroprzędzenie biomateriałów jedwabnych

Materiały pochodzenia biologicznego posiadają kluczowe właściwości, które są poza zasięgiem materiałów syntetycznych, umożliwiając wytwarzanie złożonych struktur o ulepszonych właściwościach. Biomateriały to materiały, które są tworzone lub wytwarzane z żywych lub niegdyś żywych organizmów. Materiały te, takie jak jedwab, zazwyczaj przechodzą różne etapy przetwarzania, aby osiągnąć stan użyteczny i kontrolowany. Przetworzony biomateriał można następnie wykorzystać do tworzenia określonych struktur, takich jak maty włókniste, hydrożele i folie. W tym filmie przedstawimy obróbkę jedwabiu z kokonów jedwabników, a następnie elektroprzędzenie przetworzonego materiału w celu uzyskania mat włóknistych.

Jedwab to polimery białkowe, które są przędzone we włókna przez różne owady, takie jak pająki. Jednak jedwab używany w bioinżynierii najczęściej pochodzi z larw gatunku ćmy jedwabnej Bombyx mori, powszechnie nazywanego jedwabnikiem, i od dziesięcioleci jest używany komercyjnie do produkcji szwów medycznych. Materiał jedwabny B. mori jest ekstrahowany z kokonu, który składa się z białka fibroiny zamkniętego w powłoce serycyny. Serycyna jest białkiem podobnym do kleju, które utrzymuje kokon razem. Białko fibroiny charakteryzuje się wysoce powtarzalną sekwencją aminokwasów, z przewagą reszt alaniny, glicyny i seryny, co z kolei prowadzi do jednorodności w drugorzędowej strukturze białka. Fibroina jedwabiu wykazuje powtarzalne struktury beta-arkuszy, które są bocznie połączonymi pasmami tworzącymi plisowane prześcieradło. Struktury te powodują, że białko polimerowe jest wysoce krystaliczne, co w połączeniu z jego hydrofobowością zapewnia niesamowitą wytrzymałość i wytrzymałość. Na przykład wytrzymałość jedwabiu na rozciąganie, jego zdolność do wytrzymywania obciążeń spowodowanych wydłużeniem, może być nawet czterokrotnie większa niż kości. Jedwab jest zwykle przetwarzany na roztwór polimerowy przed zastosowaniem w bioinżynierii. Najpierw serycyna jest usuwana z włókien, a następnie następuje solubilizacja fibroiny. Roztwór jedwabiu nie ma struktury drugorzędowej, a zatem ma zmniejszone właściwości mechaniczne. Jednak leczenie metanolem może wywołać częściową regenerację struktur arkusza beta. Roztwór jedwabiu można przetwarzać przy użyciu techniki zwanej elektroprzędzeniem, w której wysokie napięcie jest przykładane między powierzchnią pobierania a igłą strzykawki. Igła strzykawki powoli dozuje roztwór biomateriału. Siły elektrostatyczne powodują, że kropelki biomateriału rozciągają się we włókna. Włókna te zbierają się losowo na kolektorze, tworząc matę z nanowłókien. Teraz, gdy podstawy przetwarzania fibroiny jedwabiu zostały nakreślone, przyjrzyjmy się procedurze przetwarzania jedwabiu i zobaczmy, jak wykorzystuje się ją do tworzenia mat z mikrofibry za pomocą elektroprzędzenia.

Aby przygotować roztwór fibroiny jedwabiu z Bombyx mori, kokony są najpierw cięte na małe kawałki, a robaki i inne szczątki owadów wyrzucane. Następnie kawałki kokonu gotuje się w roztworze węglanu sodu w celu usunięcia serycyny. Po ugotowaniu fibroinę jedwabiu wyjmuje się z roztworu i kilkakrotnie przemywa czystą wodą. Następnie włókna jedwabiu są suszone przez noc. Wysuszone włókna jedwabiu rozpuszcza się następnie w roztworze bromku litu w temperaturze 60 stopni przez cztery godziny. Po rozpuszczeniu jedwabiu roztwór przenosi się do kasety dializacyjnej i dializuje z wodą. Woda musi być często wymieniana, aby zapewnić usunięcie bromku litu. Po dializie wodny roztwór jedwabiu przenosi się do probówek i odwirowuje w celu usunięcia wszelkich pozostałych cząstek fibroiny jedwabiu. Roztwór jedwabiu jest przechowywany w temperaturze czterech stopni, aż będzie potrzebny.

Aby rozpocząć elektroprzędzenie, roztwór biomateriału jest ładowany do strzykawki i na pompę strzykawkową. Źródło wysokiego napięcia jest podłączone do końcówki igły strzykawki, zwanej dyszą przędzalniczą. Źródło zbierania, często pasek folii, umieszcza się naprzeciwko dyszy przędzalniczej i uziemia. Odległość między dyszą przędzalniczą a źródłem jest dostosowywana do wcześniej ustalonej odległości. Jeśli odległość jest zbyt mała, włókna mogą nie mieć czasu na zestalenie się przed osadzaniem, tworząc niespójne wstęgi. Jeśli jednak odległość jest zbyt duża, włókna mogą stać się zbite lub niejednorodne. Natężenie przepływu pompy strzykawkowej jest ustawione, a źródło wysokiego napięcia włączone. Wraz ze wzrostem napięcia siły elektrostatyczne przeciwdziałają napięciu powierzchniowemu roztworu. Łąkotka jest wciągana do stożka, zwanego stożkiem krawieckim, a następnie ostatecznie do strumienia płynu o wyższym napięciu. Włókna są następnie zbierane na powierzchni folii w losowo ułożonej macie. Można również zastosować obrotową powierzchnię zbierającą w celu uzyskania wyrównanych mat włóknistych.

Istnieje wiele różnych rodzajów biomateriałów, które są wykorzystywane w zastosowaniach bioinżynieryjnych, od implantów tkankowych po bioelektronikę i bioczujniki. Elektroprzędzone maty z jedwabiu i innych biomateriałów są często używane do tworzenia rusztowań tkankowych, które nadają strukturę sztucznej tkance. Komórki są wysiewane bezpośrednio na te struktury, umożliwiając tworzenie trójwymiarowej tkanki. Rusztowania tkankowe są zaprojektowane tak, aby promować korzystne interakcje komórkowe, naśladując w ten sposób strukturę i funkcję prawdziwej tkanki. Są one również zaprojektowane tak, aby posiadały pożądane właściwości określonej tkanki. Na przykład rusztowania zaprojektowane tak, aby zachowywały się jak mięśnie, muszą mieć bardziej wyrównane włókna niż te zaprojektowane tak, aby zachowywać się jak skóra. Chociaż jedwab jest powszechnie pozyskiwany od jedwabnika, często stosuje się jedwab pajęczy, ponieważ zapewnia wyższą wytrzymałość mechaniczną. Ponieważ pająków nie można łatwo hodować, materiał jest wytwarzany syntetycznie przy użyciu biotechnologii. W tym przykładzie rekombinowane białko jedwabiu zostało elektroprzędzone na urządzeniach filtrujących. Dodanie tej jedwabnej siatki do filtra znacznie poprawiło wydajność, ponieważ rozmiary porów były znacznie mniejsze niż w przypadku wyprodukowanego filtra, co umożliwiło ich zatrzymanie mniejszych cząstek. Wreszcie, biomateriały są często przygotowywane z polimerów wytworzonych przez człowieka, takich jak polikaprolakton i kwas polimlekowy. Materiały są syntetyzowane w laboratorium i wykorzystywane do naśladowania materiałów pochodzenia biologicznego, ponieważ są one biodegradowalne i biokompatybilne. Właściwości materiałów można łatwo dostosować za pomocą technik produkcyjnych w celu stworzenia biokompatybilnych powierzchni do składania biomolekuł lub stworzenia powierzchni hydrofobowych, jak pokazano w tym przykładzie.

Właśnie obejrzałeś Wprowadzenie do biomateriałów jedwabnych JoVE. Powinieneś teraz zrozumieć, w jaki sposób jedwab jest przygotowywany i elektroprzędzony w maty oraz jak inne biomateriały są wykorzystywane w dziedzinie bioinżynierii. Dzięki za oglądanie.