Name: silk cocoon processing for fiber mats
Uploaded: 2023-04-30T06:33:03.000Z
Duration: 7 min 58 s
Channel: JoVE

K12 Standards

Georgia Standards of Excellence

9-12

Entomology

SEN3.

SEN3.a

Electrospinning of Silk Biomaterials

<div class="chapter_text" id="script_0">Materiais biologicamente derivados possuem propriedades-chave que estão além do alcance de materiais sintéticos, possibilitando a fabricação de estruturas complexas com propriedades melhoradas. Biomateriais são materiais que são criados ou produzidos a partir de organismos vivos ou outrora vivos. Esses materiais, como a seda, normalmente passam por várias etapas de processamento para chegar a um estado utilizável e controlável. O biomaterial processado pode então ser utilizado para formar estruturas específicas, como tapetes fibrosos, hidrogéis e filmes. Este vídeo introduzirá o processamento de seda a partir de casulos de bicho-da-seda, seguido de eletropinning do material processado para formar tapetes fibrosos.</div><div class="chapter_text" id="script_1">As sedas são polímeros proteicos que são girados em fibras por vários insetos, como aranhas. No entanto, a seda usada na bioengenharia é mais comumente derivada das larvas da espécie de mariposa de seda Bombyx mori, comumente chamada de bicho-da-seda, e tem sido usada comercialmente para suturas médicas por décadas. O material de seda B. mori é extraído do casulo, que consiste na proteína fibroin envolta em um casaco de sericina. A sericina é uma proteína semelhante à cola que mantém o casulo unido. A proteína fibroina é caracterizada por uma sequência de aminoácidos altamente repetitivos, com predominância de resíduos de alanina, glicina e serina, o que, por sua vez, leva à homogeneidade na estrutura secundária da proteína. A fibroina de seda exibe estruturas repetitivas de folha beta, que são fios lateralmente conectados formando uma folha plissada. Essas estruturas fazem com que a proteína do polímero seja altamente cristalina, que em combinação com sua hidrofóbica, fornece incrivelmente força e dureza. Por exemplo, a resistência à tração da seda, sua capacidade de suportar cargas através do alongamento, pode ser até quatro vezes maior que a do osso. A seda é tipicamente transformada em uma solução de polímero antes de suas aplicações em bioengenharia. Primeiro, a sericina é removida das fibras, seguida pela solubilização da fibroina. A solução de seda não tem estrutura secundária e, portanto, diminuiu as propriedades mecânicas. No entanto, o tratamento com metanol pode induzir a recuperação parcial das estruturas da folha beta. A solução de seda pode ser processada usando uma técnica chamada eletropinning, onde uma alta tensão é aplicada entre uma superfície de coleta e uma agulha de seringa. A agulha da seringa dispensa lentamente a solução de biomateriais. As forças eletrostáticas fazem com que as gotículas de material se estendam em fibras. Essas fibras coletam aleatoriamente no coletor, criando um tapete de nanofibra. Agora que o básico do processamento de fibroine de seda foi delineado, vamos dar uma olhada no procedimento de processamento de seda e ver como ele é usado para criar tapetes de microfibra através de eletrospinning.</div><div class="chapter_text" id="script_2">Para preparar a solução de fibroin de seda de Bombyx mori, os casulos são primeiro cortados em pequenos pedaços, e o verme e outros detritos de insetos descartados. Em seguida, as peças de casulo são fervidas em uma solução de carbonato de sódio, a fim de remover a sericina. Após ferver, a fibroina de seda é removida da solução e lavada várias vezes com água limpa. Em seguida, as fibras de seda são secas durante a noite. As fibras de seda secas são então dissolvidas em uma solução de brometo de lítio a 60 graus por quatro horas. Uma vez que a seda é solubilizada, a solução é transferida para um de diálise e dialisada contra a água. A água deve ser trocada com frequência para garantir a remoção do brometo de lítio. Após a diálise, a solução de seda aquosa é transferida para tubos e centrífugas para remover quaisquer partículas de fibroin de seda restantes. A solução de seda é armazenada a quatro graus até que seja necessário.</div><div class="chapter_text" id="script_3">Para começar a eletropinning, a solução de biomateriais é carregada em uma seringa e em uma bomba de seringa. A fonte de alta tensão está conectada à ponta da agulha da seringa, chamada de spinneret. A fonte de coleta, muitas vezes uma tira de papel alumínio, é colocada em frente ao spinneret e aterrada. A distância entre o spinneret e a fonte é ajustada a uma distância pré-determinada. Se a distância for muito pequena, as fibras podem não ter tempo para se solidificar antes da deposição, formando fitas inconsistentes. No entanto, se a distância for muito alta, as fibras podem ficar agrupadas ou não uniformes. A taxa de fluxo da bomba de seringa está definida e a fonte de alta tensão ligada. À medida que a tensão aumenta, as forças eletrostáticas neutralizam a tensão superficial da solução. O menisco é atraído para um cone, chamado cone de alfaiataria, e, eventualmente, em um jato fluido com maior tensão. As fibras são então coletadas na superfície da folha em um tapete arranjado aleatoriamente. Uma superfície de coleta rotativa também pode ser usada para obter tapetes de fibra alinhados.</div><div class="chapter_text" id="script_4">Existem muitos tipos diferentes de biomateriais que são usados em aplicações de bioengenharia, que vão desde implantes de tecido até bioeletrônica e biosensação. Esteiras eletrospunas de seda e outros biomateriais são frequentemente usados para criar andaimes de tecido, que fornecem estrutura para um tecido artificial. As células são semeadas diretamente nessas estruturas, permitindo a formação de tecido tridimensional. Os andaimes teciduais são projetados para promover interações celulares favoráveis, imitando assim a estrutura e a função do tecido real. Eles também são projetados para possuir as propriedades desejadas de um tecido específico. Por exemplo, andaimes projetados para se comportar como músculos devem possuir fibras mais alinhadas do que aquelas projetadas para se comportar como a pele. Embora a seda seja comumente derivada do bicho-da-seda, a seda de aranha é frequentemente usada, pois fornece maior resistência mecânica. Como as aranhas não podem ser facilmente cultivadas, o material é produzido sinteticamente usando biotecnologia. Neste exemplo, a proteína de seda recombinante foi eletrospunlada em dispositivos de filtro. A adição desta malha de seda ao filtro melhorou muito a eficiência, pois os tamanhos dos poros eram significativamente menores do que o filtro fabricado, permitindo assim sua retenção de partículas menores. Finalmente, os biomateriais são frequentemente preparados a partir de polímeros feitos pelo homem, como policaprolactona e ácido polilático. Os materiais são sintetizados em laboratório e usados para imitar materiais biodesenvolviais, pois são biodegradáveis e biocompatíveis. As propriedades dos materiais podem ser facilmente adaptadas usando técnicas de fabricação para criar superfícies biocompatíveis para a montagem de bio moléculas ou para criar superfícies hidrofóbicas, como mostrado neste exemplo.</div><div class="chapter_text" id="script_5">Você acabou de assistir a introdução de JoVE aos biomateriais de seda. Agora você deve entender como a seda é preparada e eletrospunida em tapetes e como outros biomateriais são usados no campo da bioengenharia. Obrigado por assistir.</div>

eletrofiação de biomateriais de seda

Fibras de seda foram processadas e usadas para criar tecidos e fios por séculos. No entanto, a solubilização das fibras de seda, transformando-a em uma solução versátil pré-polímero é uma tecnologia muito mais nova. A seda solubilizada pode ser processada de muitas maneiras diferentes para criar um material biocompatível com propriedades mecânicas controláveis. 
Este vídeo introduz o processamento de seda de casulos de vermes de seda, e mostra como a solução de seda pode ser usada para criar um tapete de fibra através de eletrospinning. Várias aplicações dessa técnica, como seu uso como material estrutural em andaimes de tecido projetado, são então introduzidas.

Eletrofiação de biomateriais de seda

Silk fibers have been processed and used to create fabrics and threads for centuries. However, the solubilizing of silk fibers, thereby turning it into a ...

Os materiais de origem biológica possuem propriedades-chave que estão além do alcance dos materiais sintéticos, permitindo a fabricação de estruturas complexas com propriedades aprimoradas. Biomateriais são materiais criados ou produzidos a partir de organismos vivos ou que já viveram. Esses materiais, como a seda, normalmente passam por várias etapas de processamento para atingir um estado utilizável e controlável. O biomaterial processado pode então ser utilizado para formar estruturas específicas, como tapetes fibrosos, hidrogéis e filmes. Este vídeo apresentará o processamento de seda de casulos de bicho-da-seda, seguido de eletrofiação do material processado para formar esteiras fibrosas. As sedas são polímeros proteicos que são transformados em fibras por vários insetos, como aranhas. No entanto, a seda usada na bioengenharia é mais comumente derivada das larvas da espécie de mariposa da seda Bombyx mori, comumente chamada de bicho-da-seda, e tem sido usada comercialmente para suturas médicas há décadas. O material de seda de B. mori é extraído do casulo, que consiste na proteína fibroína envolta em uma camada de sericina. A sericina é uma proteína semelhante a cola que mantém o casulo unido. A proteína fibroína é caracterizada por uma sequência de aminoácidos altamente repetitiva, com predominância de resíduos de alanina, glicina e serina, o que, por sua vez, leva à homogeneidade na estrutura secundária da proteína. A fibroína da seda exibe estruturas repetitivas de folha beta, que são fios conectados lateralmente formando uma folha plissada. Essas estruturas fazem com que a proteína do polímero seja altamente cristalina, o que, em combinação com sua hidrofobicidade, fornece força e tenacidade incríveis. Por exemplo, a resistência à tração da seda, sua capacidade de suportar cargas por alongamento, pode ser até quatro vezes maior que a do osso. A seda é normalmente processada em uma solução de polímero antes de suas aplicações em bioengenharia. Primeiro, a sericina é removida das fibras, seguida pela solubilização da fibroína. A solução de seda não tem estrutura secundária e, portanto, tem propriedades mecânicas diminuídas. No entanto, o tratamento com metanol pode induzir a recuperação parcial das estruturas da folha beta. A solução de seda pode ser processada usando uma técnica chamada eletrofiação, onde uma alta voltagem é aplicada entre uma superfície de coleta e uma agulha de seringa. A agulha da seringa dispensa lentamente a solução de biomaterial. As forças eletrostáticas fazem com que as gotículas do biomaterial se estiquem em fibras. Essas fibras se acumulam aleatoriamente no coletor, criando um tapete de nanofibra. Agora que os fundamentos do processamento de fibroína de seda foram delineados, vamos dar uma olhada no procedimento de processamento de seda e ver como ele é usado para criar tapetes de microfibra por meio de eletrofiação. Para preparar a solução de fibroína de seda de Bombyx mori, os casulos são primeiro cortados em pequenos pedaços e o verme e outros detritos de insetos descartados. Em seguida, os pedaços do casulo são fervidos em uma solução de carbonato de sódio para remover a sericina. Após a fervura, a fibroína da seda é removida da solução e lavada várias vezes com água limpa. Em seguida, as fibras de seda são secas durante a noite. As fibras de seda secas são então dissolvidas em uma solução de brometo de lítio a 60 graus por quatro horas. Uma vez que a seda é solubilizada, a solução é transferida para um cassete de diálise e dialisada contra água. A água deve ser trocada com frequência para garantir a remoção do brometo de lítio. Após a diálise, a solução aquosa de seda é transferida para tubos e centrifugada para remover quaisquer partículas de fibroína de seda remanescentes. A solução de seda é armazenada a quatro graus até que seja necessária. Para iniciar a eletrofiação, a solução de biomaterial é carregada em uma seringa e em uma bomba de seringa. A fonte de alta tensão é conectada à ponta da agulha da seringa, chamada de fieira. A fonte de coleta, geralmente uma tira de papel alumínio, é colocada em frente à fieira e aterrada. A distância entre a fieira e a fonte é ajustada para uma distância pré-determinada. Se a distância for muito pequena, as fibras podem não ter tempo de solidificar antes da deposição, formando fitas inconsistentes. No entanto, se a distância for muito alta, as fibras podem se tornar aglomeradas ou não uniformes. A taxa de fluxo da bomba de seringa é definida e o alto volumetage fonte ligada. À medida que a tensão aumenta, as forças eletrostáticas neutralizam a tensão superficial da solução. O menisco é puxado para um cone, chamado de cone de alfaiate, e então, eventualmente, para um jato de fluido com voltagem mais alta. As fibras são então coletadas na superfície da folha em um tapete disposto aleatoriamente. Uma superfície de coleta rotativa também pode ser usada para obter tapetes de fibra alinhados. Existem muitos tipos diferentes de biomateriais que são usados em aplicações de bioengenharia, desde implantes de tecidos até bioeletrônica e biossensores. Esteiras eletrofiadas de seda e outros biomateriais são frequentemente usadas para criar andaimes de tecido, que fornecem estrutura a um tecido artificial. As células são semeadas diretamente nessas estruturas, permitindo a formação de tecido tridimensional. Os andaimes de tecido são projetados para promover interações celulares favoráveis, imitando assim a estrutura e a função do tecido real. Eles também são projetados para possuir as propriedades desejadas de um tecido específico. Por exemplo, andaimes projetados para se comportar como músculos devem possuir fibras mais alinhadas do que aqueles projetados para se comportar como pele. Embora a seda seja comumente derivada do bicho-da-seda, a seda da aranha é frequentemente usada, pois fornece maior resistência mecânica. Como as aranhas não podem ser facilmente cultivadas, o material é produzido sinteticamente usando biotecnologia. Neste exemplo, a proteína da seda recombinante foi eletrofiada em dispositivos de filtro. A adição dessa malha de seda ao filtro melhorou muito a eficiência, pois os tamanhos dos poros eram significativamente menores do que o filtro fabricado, permitindo assim a retenção de partículas menores. Finalmente, os biomateriais são frequentemente preparados a partir de polímeros artificiais, como policaprolactona e ácido polilático. Os materiais são sintetizados em laboratório e usados para imitar materiais bioderivados, pois são biodegradáveis e biocompatíveis. As propriedades dos materiais podem ser facilmente adaptadas usando técnicas de fabricação para criar superfícies biocompatíveis para a montagem de biomoléculas ou para criar superfícies hidrofóbicas, como mostrado neste exemplo. Você acabou de assistir a Introdução à Seda Biomateriais da JoVE. Agora você deve entender como a seda é preparada e eletrofiada em esteiras e como outros biomateriais são usados no campo da bioengenharia. Obrigado por assistir.

Education

JoVE Science Education

Engineering

Engenharia

Bioengineering

Bioengenharia

silk cocoon processing for fiber mats

Silk cocoons can be processed into a soluble material that is useful for making biomaterials. Silk fibers have been used for fabrics and threads for centuries, but turning them into a versatile pre-polymer solution is a newer technique. That solution can then be shaped into materials with controllable mechanical properties.

The process begins with silk worm cocoons. The silk is solubilized, or dissolved, so it can be handled as a liquid-like solution. The video then shows how that silk solution is used in electrospinning to form a fiber mat.

Electrospinning uses an electric force to draw fine fibers from the silk solution. The resulting silk mat is biocompatible, which means it can work well with living tissue. The video also introduces how this material may be used as a structural component in engineered tissue scaffolds.

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats

overview of biomaterials

Biomaterials in Medicine and Engineering

Biomaterials are materials designed to interact well with biological organisms or molecules. They may come from an organism, be produced by an organism, or be made as a synthetic polymer. Because of these properties, engineers use biomaterials in medicine and other biological applications. These materials are used in tissue engineering, biosensing, and drug delivery. Tissue engineering uses materials to support the growth or repair of tissues. Biosensing uses materials to detect biological...

collagen hydrogels

Porcine Collagen for Tissue Engineering

Collagen is a useful biomaterial with uses that go beyond the lab. It has also found commercial use in photography. In tissue engineering, collagen can be turned into hydrogels that give engineered tissue support and structure. This page follows the path from porcine skin to a collagen hydrogel. Porcine skin is used as the source of collagen. The material is then prepared for use in tissue engineering applications. The video also shows several applications of collagen and the methods used to...

electrospinning of silk biomaterials

Silk cocoons can be processed into a soluble material that is useful for making biomaterials. Silk fibers have been used for fabrics and threads for centuries, but turning them into a versatile pre-polymer solution is a newer technique. That solution can then be shaped into materials with controllable mechanical properties. The process begins with silk worm cocoons. The silk is solubilized, or dissolved, so it can be handled as a liquid-like solution. The video then shows how that silk...

overview of biomem devices

BioMEMs in Diagnostics and Miniaturization

Bio-microelectromechanical systems, or BioMEMs, are microscale devices used in diagnostic settings. They work with very small sample and reagent volumes in vivo and in vitro, which means inside a living body or outside it in a lab. These compact systems support bioengineering research and help make diagnostic tools more efficient. BioMEMs can carry out functions such as filtration, sensing, and synthesis on a tiny scale. Using less material can lower costs and improve sensitivity. The...

microfabrication via photolithography

Photolithography for Silicon Wafer Patterning

Photolithography is a common microfabrication method used to pattern a silicon wafer. It uses light to transfer a design onto the wafer surface. This process helps form the basis for many BioMEM devices. The page also shows how photolithography is carried out in a cleanroom. Cleanroom steps are important because they support careful fabrication of small, detailed features. The video ends by introducing applications of this process in BioMEM device production.

soft lithography

Photolithography for Microfluidic Device Making

Photolithography and soft lithography are used to make BioMEM devices such as microfluidic channels. A microscale pattern is copied by curing an elastomeric polymer over a 3D structure. The result is a polymer piece that can serve as part of a biological device. These polymer structures are then used to build a range of tools. Some are microfluidic channels for biosensing applications. Others are microscale bioreactors that let scientists visualize micro-colonies. The process also shows how...

overview of bioprocess engineering

Bioreactors and Protein Production in Bioprocessing

Bioprocessing uses living organisms to make a desired target product. In many cases, that product is a protein made in a bioreactor, which is a controlled vessel for growing cells. This process often relies on genetically engineered organisms. Engineers design the system so the cells can produce proteins at large scale. That approach is central to making biotherapeutics, which are drugs made from biological materials. Biotherapeutics are important medicines for complex diseases such as...

synthetic biology

Engineering Cells to Produce Proteins

Synthetic biology is a bioengineering method for programming cells to make useful products. In many cases, the goal is to genetically modify an organism so it can produce large amounts of a protein. That protein may already be made by the cell, or it may come from a newly inserted DNA sequence. The process depends on changing an organism’s genetic material. This is done with transformation or transfection, two common ways to introduce DNA into cells. The video also shows how this work is...

batch and continuous bioreactors

Growing Cells in Bioreactors

Bioreactors are used to grow organisms in large volumes. This makes it possible to produce large amounts of a target product. In laboratory and bioengineering settings, they provide a controlled place for cell growth and product formation. The two main reactor types are batch reactors and continuous reactors. A batch reactor contains all of the materials needed for cell growth at the start. A continuous reactor has inlet and outlet ports, so fresh growth media can be added while cell waste is...

overview of biosensing

How Biosensors Detect Molecules

Biosensors detect biological molecules and chemical contaminants by combining biology with physical measurement. They can identify targets such as proteins or cells, as well as non-biological molecules like chemicals or contaminants. This makes biosensing a useful field for studying and monitoring many kinds of samples. These devices rely on different signal types to find the target molecule. Some biosensors use electrical signals, while others depend on optical, electrochemical, or mechanical...

electrochemical biosensing

Glucose Sensors and Cancer Detection

Electrochemical biosensors detect target molecules by measuring an oxidation-reduction event. That signal changes when a molecule binds to the sensor surface. These sensors helped shape modern biosensing after the first glucose biosensor was invented. The glucose biosensor is a key example of this technology. It shows how electrochemical sensing can track a biological target through a measurable electrical change. The same basic idea also helps explain how electrochemical biosensors can be...

optical biosensing

Detecting Molecules with Light

Optical biosensors detect target molecules with light. They monitor binding by reading an optical signal from the sample. This makes them useful for seeing when a target molecule is present. Some optical biosensors use a label molecule. The label creates a measurable signal, such as fluorescence. Other optical biosensors are label-free and track changes in optical properties, such as refractive index, as binding occurs. This page introduces both label and label-free optical biosensors. It...

overview of tissue engineering

Building Artificial Tissue with Biomaterials

Tissue engineering uses biomaterials, specific cells, and growth factors to build artificial tissue. These engineered tissue constructs are designed for tissue repair and, in some cases, organ replacement. The field focuses on how to make tissue work like natural tissue. It begins with a scaffold, which is a structure that supports cell growth. Cells are then added to the scaffold, and growth factors help encourage proliferation, or cell multiplication. The video also outlines common methods...

histotypic tissue culture

3D Cell Growth on Engineered Matrices

Histotypic tissue culture uses an engineered three-dimensional matrix to grow and propagate cells. Compared with common two-dimensional tissue culture, cells in a 3D setting behave more realistically and better mimic native tissue. The method is useful when high cell density is needed. The process begins by harvesting cells from donor tissue. Those cells are then placed onto an engineered construct for culture. This setup supports growth in a three-dimensional space instead of a flat surface.

whole organ tissue culture

Lung Decellularization and Recellularization

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors to support repair or replacement of entire organs. In this approach, a donor organ is first stripped of all cells. What remains is the three-dimensional structure of the organ, which can then be repopulated with new cells. The lung is the example shown here. The method uses a dynamic culture system that provides mechanical stimulation, similar to what the organ experiences in the body. This type of culture helps induce native...

bioengineering

Esta coleção abrange os principais conceitos da bioengenharia, que incluem a produção de biomateriais, culturas histotípicas e de órgãos inteiros, técnicas de bioprocessamento e os complexos campos de nível de sistema de bioMEMs e biosensoriamento.

See how silk worm cocoons are processed into a soluble silk solution, then electrospun into a fiber mat for biocompatible tissue scaffold use.

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats | JoVE K12

Overview

Principles of Silk Materials

Solubilizing Silk Fibroin from Bombyx mori

Creating a Fibrous Structure via Electrospinning

Applications

Summary

Eusociality and Division of Labor

Social Organization

Varying levels of social organization are observed within the animal kingdom, ranging from simple to highly complex. These systems ...

Simulating Eusocial and Solitary Behavior
ExpandChoose an open location for the activity to take place, with the center area clear of any items that ...

Simulating Eusocial and Solitary Behavior
ExpandNote: In this simulation, you will portray either a eusocial or solitary animal. The goal of this ...

Construct explanations of the contributions of insects to human culture and commerce (e.g., music, art, silk, honey, lacquer, and dyes).

Ecological Niches

All organisms have a position within an ecosystem. The complete set of living and nonliving factors&#x2014;including food resources, climate, and ...

Primary Production

The total amount of energy acquired by primary producers in an ecosystem is called gross primary production (GPP). However, of this energy, producers use ...

Production Efficiency

Net production efficiency (NPE) is the efficiency at which organisms assimilate energy into biomass for the next trophic level. Due to low metabolic rates ...

Pollination and Flower Structure

Flowers are the reproductive, seed-producing structures of angiosperms. Typically, flowers consist of sepals, petals, stamens, and carpels. Sepals and ...

Proteins and Amino Acids

Overview

Proteins are chains of amino acids that are connected by peptide bonds and folded into a 3-dimensional structure. The side chains of individual ...

Construct an argument based on evidence to demonstrate the importance of an insect’s ecological niche in food production and food sources (e.g., pollinators of agricultural crops, human protein source, biomass pyramid)

SEN3.b

Obtain, evaluate, and communicate information about the impact of insects on the production of food and other products and in popular culture and commerce

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats

Description

Transcript

Tags

More videos by Standards