Eletrofiação de biomateriais de seda

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.

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.

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.

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.

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.

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.