Электропрядение биоматериалов шелка

Биологически полученные материалы обладают ключевыми свойствами, которые недоступны синтетическим материалам, что позволяет изготавливать сложные структуры с улучшенными свойствами. Биоматериалы – это материалы, которые создаются или производятся из живых или когда-то живых организмов. Эти материалы, такие как шелк, обычно проходят различные этапы обработки, чтобы достичь пригодного для использования и контроля состояния. Затем обработанный биоматериал может быть использован для формирования специфических структур, таких как волокнистые маты, гидрогели и пленки. В этом видео будет представлена обработка шелка из коконов тутового шелкопряда, с последующим электропрядением обработанного материала для формирования волокнистых матов.

Шелк — это белковые полимеры, которые сплетаются в волокна различными насекомыми, такими как пауки. Тем не менее, шелк, используемый в биоинженерии, чаще всего получают из личинок шелкопряда, вида Bombyx mori, обычно называемого шелкопрядом, и используется в коммерческих целях для медицинских швов в течение десятилетий. Шелковый материал B. mori извлекается из кокона, который состоит из белка фиброина, заключенного в серициновую оболочку. Серицин — это клейкий белок, который удерживает кокон вместе. Белок фиброин характеризуется высокоповторяющейся последовательностью аминокислот с преобладанием остатков аланина, глицина и серина, что, в свою очередь, приводит к гомогенности вторичной структуры белка. Фиброин шелка демонстрирует повторяющиеся структуры бета-листа, которые представляют собой соединенные латерально нити, образующие плиссированный лист. Эти структуры обуславливают высокую кристалличность полимерного белка, что в сочетании с его гидрофобностью обеспечивает невероятную прочность и ударную вязкость. Например, прочность шелка на разрыв, его способность выдерживать нагрузки за счет удлинения, может быть в четыре раза выше, чем у кости. Шелк обычно перерабатывается в полимерный раствор перед его применением в биоинженерии. Сначала из волокон удаляется серицин, после чего происходит солюбилизация фиброина. Раствор шелка не имеет вторичной структуры, в связи с чем обладает пониженными механическими свойствами. Тем не менее, обработка метанолом может вызвать частичное восстановление структуры бета-листа. Шелковый раствор может быть обработан с помощью техники, называемой электроспиннингом, при которой между поверхностью сбора и иглой шприца подается высокое напряжение. Игла шприца медленно дозирует раствор биоматериала. Электростатические силы заставляют капли биоматериала растягиваться в волокна. Эти волокна случайным образом собираются на коллекторе, создавая коврик из нановолокна. Теперь, когда мы разобрались с основами обработки фиброина шелка, давайте рассмотрим процедуру обработки шелка и посмотрим, как она используется для создания ковриков из микрофибры с помощью электропрядения.

Чтобы приготовить раствор фиброина шелка из Bombyx mori, коконы сначала разрезают на мелкие кусочки, а червя и другие остатки насекомых выбрасывают. Далее кусочки кокона отвариваются в растворе карбоната натрия для того, чтобы удалить серицин. После закипания шелковый фиброин удаляют из раствора и несколько раз промывают чистой водой. Далее шелковые волокна сушат в течение ночи. Затем высушенные шелковые волокна растворяют в растворе бромида лития при температуре 60 градусов в течение четырех часов. После того, как шелк растворяется, раствор переносят в диализную кассету и диализуют против воды. Воду необходимо часто менять, чтобы обеспечить удаление бромида лития. После диализа водный раствор шелка переливают в пробирки и центрифугируют для удаления любых оставшихся частиц фиброина шелка. Шелковый раствор хранится при четырех градусах до тех пор, пока он не понадобится.

Чтобы начать электроспиннинг, раствор биоматериала загружают в шприц и на шприцевой насос. Высоковольтный источник подключается к наконечнику иглы шприца, называемому фильерой. Источник сбора, часто полоска фольги, помещают напротив прядильной машины и заземляют. Расстояние между блесной установкой и источником регулируется с точностью до заданного расстояния. Если расстояние будет слишком маленьким, волокна могут не успеть застыть до осаждения, образуя неоднородные ленты. Однако, если расстояние слишком велико, волокна могут стать комковатыми или неоднородными. Устанавливается расход шприцевого насоса и включается высоковольтный источник. По мере увеличения напряжения электростатические силы противодействуют поверхностному натяжению раствора. Мениск втягивается в конус, называемый конусом портного, а затем, в конечном итоге, в струю жидкости с более высоким напряжением. Затем волокна собираются на поверхности фольги в произвольно расположенный коврик. Вращающаяся поверхность сбора также может быть использована для получения выровненных волокнистых матов.

Существует множество различных типов биоматериалов, которые используются в биоинженерии, начиная от тканевых имплантатов и заканчивая биоэлектроникой и биосенсорикой. Электропрядущие коврики из шелка и других биоматериалов часто используются для создания тканевых каркасов, которые придают структуру искусственной ткани. Клетки засеваются непосредственно на эти структуры, что позволяет формировать трехмерную ткань. Тканевые каркасы предназначены для содействия благоприятным клеточным взаимодействиям, тем самым имитируя структуру и функцию реальной ткани. Они также спроектированы таким образом, чтобы обладать желаемыми свойствами определенной ткани. Например, каркасы, предназначенные для ведения себя как мышцы, должны иметь больше выровненных волокон, чем те, которые предназначены для ведения себя как кожа. Хотя шелк обычно получают из шелкопряда, часто используется паучий шелк, поскольку он обеспечивает более высокую механическую прочность. Поскольку пауков нелегко вырастить, материал производится синтетическим путем с использованием биотехнологий. В этом примере рекомбинантный белок шелка был подвергнут электропрядению на фильтрующих устройствах. Добавление этой шелковой сетки в фильтр значительно повысило эффективность, так как размеры пор были значительно меньше, чем у изготовленного фильтра, что позволило удерживать более мелкие частицы. Наконец, биоматериалы часто получают из искусственных полимеров, таких как поликапролактон и полимолочная кислота. Материалы синтезируются в лаборатории и используются для имитации материалов биологического происхождения, поскольку они биоразлагаемы и биосовместимы. Свойства материалов могут быть легко адаптированы с помощью технологий изготовления для создания биосовместимых поверхностей для сборки биомолекул или для создания гидрофобных поверхностей, как показано в этом примере.

Вы только что посмотрели статью JoVE «Введение в биоматериалы шелка». Теперь вы должны понять, как получают шелк и превращают его в маты и как другие биоматериалы используются в области биоинженерии. Спасибо за просмотр.