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.
Шелковые волокна веками обрабатывались и использовались для создания тканей и нитей. Однако солюбилизация шелковых волокон, тем самым превращая их в у…
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.
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.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is silk fibroin and why is it used in bioengineering?
Silk fibroin is a protein polymer extracted from silkworm cocoons, characterized by repetitive beta-sheet structures that provide exceptional strength and toughness. Its tensile strength can be up to four times that of bone, making it ideal for bioengineering applications. Silk has been used commercially for medical sutures for decades and offers biocompatibility and controllable mechanical properties for tissue engineering and regenerative medicine.
Q2: How is silk fibroin extracted and processed from cocoons?
Silk cocoons are cut into pieces and boiled in sodium carbonate solution to remove sericin, a glue-like protein. The fibroin is then washed, dried, and dissolved in lithium bromide solution at 60 degrees. The solution undergoes dialysis to remove lithium bromide, followed by centrifugation to eliminate particulates. The resulting aqueous silk solution is stored at four degrees until use.
Q3: What happens during the electrospinning process?
Electrospinning applies high voltage between a syringe needle (spinneret) and a grounded collection surface. Electrostatic forces overcome surface tension, drawing the silk solution into a Taylor cone and then a fluid jet. The fibers solidify and collect randomly on the collector, forming a nanofiber mat. Distance between spinneret and collector must be optimized to ensure proper fiber formation and uniformity.
Q4: Why does silk solution lose mechanical properties and how is it recovered?
When silk fibroin is solubilized, it loses its secondary beta-sheet structure, diminishing mechanical properties. Treatment with methanol can induce partial recovery of these critical beta-sheet structures, restoring strength and toughness. This recovery is essential before electrospinning to ensure the resulting fiber mats possess desired mechanical characteristics for bioengineering applications.
Q5: How are electrospun silk mats used in tissue engineering?
Electrospun silk mats serve as tissue scaffolds, providing structural support for three-dimensional tissue formation. Cells are seeded directly onto these fiber structures, which mimic natural tissue architecture and function. Scaffold design varies by application; muscle tissue scaffolds require more aligned fibers than skin scaffolds. These structures promote favorable cell interactions while maintaining biocompatibility and biodegradation properties.
Q6: What other biomaterials can be electrospun besides silk?
Spider silk, produced synthetically using biotechnology, offers higher mechanical strength than silkworm silk and is electrospun for applications like filtration devices. Man-made polymers such as polycaprolactone and polylactic acid are also electrospun because they are biodegradable and biocompatible. These synthetic materials allow precise tailoring of properties to create hydrophobic or hydrophilic surfaces for specific bioengineering applications.
Q7: What factors affect the quality of electrospun fiber mats?
The distance between spinneret and collection surface critically affects fiber quality. If too small, fibers lack time to solidify, forming inconsistent ribbons. If too large, fibers become clumped or non-uniform. Syringe pump flow rate and voltage settings also influence fiber formation. Using a rotating collection surface enables production of aligned fiber mats instead of randomly arranged ones, depending on application requirements.
Chapters in this video
0:06
Overview
0:54
Principles of Silk Materials
3:21
Solubilizing Silk Fibroin from Bombyx mori
4:26
Creating a Fibrous Structure via Electrospinning
5:40
Applications
7:37
Summary
Videos from this collection: