蚕丝生物材料的静电纺丝

Bioengineering

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Summary

丝绸纤维已被加工, 并用于创建织物和线程几个世纪。然而, 蚕丝纤维的磷, 从而把它变成一个多功能的预聚合物解决方案是一个更新技术。 溶解丝可以用多种不同的方法加工成具有可控机械性能的生物相容材料。

本视频介绍了丝虫茧丝绸的加工工艺, 并说明了蚕丝溶液如何通过静电纺丝来制造纤维毡。 该技术的一些应用, 如它作为结构材料在工程组织支架的使用, 然后介绍。

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JoVE Science Education Database. 生物工程. 蚕丝生物材料的静电纺丝. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

生物衍生材料拥有的关键属性, 超出了合成材料的范围, 使复杂结构的制造具有改进的性质。生物材料是由活的有机体或曾经活着的生物体创造或产生的物质。这些材料, 如丝绸, 通常经过各种加工步骤, 以达到可用和可控的状态。经过处理的生物材料可以用来形成特定的结构, 如纤维垫、水凝胶和薄膜。本视频将介绍蚕茧丝绸的加工, 其次是静电纺丝的加工材料形成纤维毡。

蚕丝是由各种昆虫 (如蜘蛛) 纺成纤维的蛋白质聚合物。然而, 在生物工程中使用的丝绸最常见的来源是蚕种的幼虫, 俗称桑蚕, 几十年来一直用于医疗缝合。蚕丝材料是从茧中提取的, 由丝胶外衣包裹的丝素蛋白组成。丝胶是一种像胶水一样的蛋白质, 能把茧粘在一起。丝素蛋白的特征是高度重复的氨基酸序列, 其优势是丙氨酸、甘氨酸和丝氨酸残留, 这反过来又导致蛋白质的二级结构的均一性。蚕丝丝素陈列重复的 beta 板料结构, 是侧向地连接的股形成一个折叠的板料。这些结构使高分子蛋白具有高结晶性, 这与它的疏水性相结合, 提供了难以置信的强度和韧性。例如, 丝绸的抗拉强度, 它承受的能力, 通过伸长, 可高达四倍的骨头。在生物工程应用之前, 蚕丝通常被加工成聚合物溶液。首先, 丝胶从纤维中移除, 然后是丝素的增溶。蚕丝溶液没有二次结构, 因此降低了机械性能。然而, 用甲醇处理会导致β片结构的部分恢复。丝绸解决方案可以使用一种叫做静电纺丝的技术进行处理, 在这里, 在收集面和注射器针之间应用高压。注射器针慢慢地分发生物材料溶液。静电力使生物材料的水滴延伸成纤维。这些纤维随机收集收藏家, 创建一个纳米垫。现在, 丝绸丝素加工的基础已经概述, 让我们来看看丝绸加工程序, 看看它是如何被用来创建超细纤维毡通过静电纺丝。

从家蚕中制备蚕丝素溶液, 先将茧切成小块, 然后丢弃蠕虫和其他昆虫碎屑。接下来, 在碳酸钠溶液中煮出茧片以除去丝胶。煮沸后, 蚕丝丝素被从溶液中除去, 然后用清水洗几次。其次, 丝绸纤维被烘干隔夜。然后将干丝纤维溶解在溴化锂溶液中, 以60度四小时。一旦丝绸溶解, 解决方案转移到透析盒和透析对水。必须经常更换水, 以确保溴化锂的去除。透析后, 水丝溶液转移到管和离心, 以消除任何剩余的丝素蛋白颗粒。丝绸溶液以四度的温度储存, 直到需要。

为了开始静电纺丝, 生物材料溶液被装进注射器和注射器泵上。高压源连接到注射器针尖, 称为喷。汇集来源, 经常一条箔, 被安置在对面喷并且被着陆。喷和光源之间的距离被调整到预先确定的距离。如果距离太小, 纤维在沉积之前可能没有时间凝固, 形成不一致的丝带。然而, 如果距离太高, 纤维可能成为成群或不均匀。设置了注射器泵的流量, 并打开了高压电源。随着电压的增加, 静电力抵消了溶液的表面张力。半月板被绘制成一个锥, 称为裁缝锥, 然后最终进入一个高电压的流体射流。然后在箔表面收集纤维在一个随机地被安排的席子。还可以使用旋转的收集面来获得对齐的纤维垫。

有许多不同类型的生物材料用于生物工程应用, 从组织植入物到生物和传感。纺垫的丝绸和其他生物材料通常用于创建组织支架, 这提供了结构的人工组织。细胞直接在这些结构上播种, 从而形成三维组织。组织支架的设计, 以促进良好的细胞相互作用, 从而模仿的结构和功能的真实组织。它们也被设计成具有特定组织所需的特性。例如, 设计成像肌肉的脚手架必须拥有更多的对齐的纤维, 而不是那些被设计成像皮肤那样的行为。虽然蚕丝通常来源于蚕, 但蜘蛛丝经常被使用, 因为它提供了更高的机械强度。由于蜘蛛不易耕种, 因此该材料是利用生物技术综合生产的。在这个例子中, 重组丝蛋白被纺到过滤装置上。这种丝网的加入过滤器大大提高了效率, 因为孔径大小明显小于制造过滤器, 从而使他们保留较小的颗粒。最后, 生物材料通常是由己和聚乳酸等人制造的聚合物制备的。这些材料是在实验室合成的, 用于模拟生物衍生材料, 因为它们是可生物降解和生物相容的。这些材料的特性可以很容易地用制造技术来量身定做, 为生物分子的组装创建生物相容的表面, 或者创建疏水性的表面, 如本例所示。

你刚刚看了朱庇特的丝绸生物材料的介绍。你现在应该了解如何丝绸准备和纺到垫子, 以及如何在生物工程领域使用其他生物材料。谢谢收看

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