蜘蛛丝纤维显示出非凡的机械性能。工程<em>蛛diadematus</em>素4(eADF4)可以被加工成非织造网格,使用静电纺丝。在这里,的eADF4无纺网格用于提高性能的空气过滤装置。
基于蛛diadematus素4(ADF4),重组蜘蛛丝蛋白eADF4的自然顺序(C16)已经设计好了。此高度重复的蛋白的分子量为48kDa,并在不同的溶剂中是可溶的(六氟异丙醇(HFIP),甲酸和水相缓冲液)。 eADF4(C16)加工成的形态,如片,胶囊,颗粒,水凝胶,涂料,纤维和无纺网格时各种技术应用提供了一个高电位。由于它们的化学稳定性和可控形态,后者可以被使用,以提高过滤材料。在这个协议中,我们提出了一个程序,提高效率不同的空气过滤装置,织造网格静电重组蜘蛛丝蛋白的沉积。静电eADF4(C16)在HFIP结果顺利纤维溶解。变异的蛋白质浓度(5-25%w / v的)的结果,在不同的纤维直径(80-1,100纳米)和因此,非织造网眼孔径。
从HFIP后处理eADF4(C16)静电是必要的,因为该蛋白显示在刚纺纤维的二级结构主要是α-螺旋的,因此纤维是水溶性的。随后用乙醇蒸汽诱导形成防水的,稳定的β-折叠结构,保持形态的纤维丝啮合。二级结构分析,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和随后的Fourier自去卷积(FSD)。
加入真丝无纺布层之上的首要目标是改善现有的过滤器基板过滤效率。为了评价电持续时间的影响,并在过滤器上的效率的这样的非织造层的厚度,进行透气性测试与测量颗粒物沉积的组合。进行了实验,根据标准的协议。
蜘蛛丝纤维由于其组合的强度和可扩展性,可以吸收更多的动能比大多数其他天然或合成纤维1。此外,与大多数合成的高分子材料,丝绸材料无毒,生物相容性,不会引起过敏性反应时并入2,3。公认的健康风险是可以预防的,用蜘蛛丝。这些特点使得蜘蛛丝非常有吸引力的各种医疗和技术的应用程序。由于蜘蛛不能养殖,由于他们的吃人的行为,已经开发了生物技术方法生产蜘蛛丝蛋白,无论是成本效率和足够的数量4。
该重组丝蛋白eADF4的(C16)已经设计根据自然顺序蛛diadematus素蛋白的4(ADF4)。图eADF4(C16)的分子量为48kDa 5,在各种溶剂中是可溶的(hexafluoroisopropanol异丙醇(HFIP)7 6,甲酸和水相缓冲液)8。 eADF4(C16),可以加工成不同的形态,如膜9 8,胶囊剂,颗粒10,11水凝胶,涂料7,纤维12和非织造的网格6。后者由于其化学稳定性,在过滤器的应用提供高电位。
在这里,我们提出了一个协议,以制造空气过滤器设备,包括非织造网眼的静电重组蜘蛛丝蛋白。静电纺丝或静电纺丝是一种技术,通常采用的制造聚合物纤维的直径在10纳米-10微米的13和非织造啮合的范围内,已被研究了过滤器应用程序14。静电纺丝在过去,已成功地应用于处理再生15以及重组产生的16蜘蛛丝蛋白质。通常情况下,高电电压(5-30千伏)被施加到注射器和8-20厘米的距离放置在反电极(0-20千伏)。强大的静电场诱导内充电解决方案的排斥力。如果被超过时,表面张力形成的泰勒锥,一个薄的射流从前端17,18爆发。形成后,发生弯曲的不稳定性,射流内造成进一步的拉伸作为溶剂的蒸发,形成了坚实的纤维。最后,该纤维随机地沉积作为非织造网眼19的对置电极上。类似直径和表面的拓扑结构(光滑,多孔的)纤维的性能主要依赖于溶液的参数,如浓度,粘度,表面自由能和溶剂的本征导电率和磁导率20。静电纺丝的eADF4(C16)在光滑的纤维直径从80-1,100纳米,这取决于在溶液中的蛋白质浓度溶解在六氟异丙醇的结果。eADF4(C16)从HFIP静电显示主要是α-螺旋二级结构的纤维是水溶性的6。为了稳定的丝纤维,β-折叠结构具有诱导随后用乙醇处理。在先前建立的后处理方法(21)相反,在本研究中eADF4(C16),非织造布已与乙醇蒸汽处理,以保持丝纤维的形态。使用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和随后的Fourier自去卷积(FSD)的文献[22]中所描述的二级结构进行分析。 消防处是信号处理工具,它允许几个重叠的频段,包括红外光谱分辨率。由此,I区域中的广泛的模糊的条带,可以使用一个高通滤波器,接收与改进的峰值分辨率的解卷积的频谱变窄。
为了评估EFF器基板,并与丝无纺网格iciency,透气性测试采用根据标准方案的Akustron装置。使用一个帕拉斯通用的粒度仪测量沉积速率。
新的过滤装置应允许在空气过滤在恒定或更高的过滤效率,降低整体能源消耗。在这里,这种装置使用蜘蛛丝制成的非织造布。由于其低的表面张力和高挥发性,HFIP中已被选择作为合适的溶剂静电纺丝过程。此外,丝水溶液已在以前的实验测试,但可产生任何纤维。在这里,使用的添加剂,为了降低表面张力的溶液的可纺性,从而改善将是至关重要的。最关键的步骤是调整的条件和所使用的材料浓度和溶剂的纺丝溶液,纺纱机的高度,电压和挤出速度。期间的性能,例如堵塞的前端,可以防止与水分以水蒸汽的形式供给针尖,但随后可能会扰乱静电设置任何种类的增加在敏感的过程和电场。基本工艺参数(浓度,电压,湿度,距离)单独决定进行独立的实验系列(数据未显示)。以考虑所有参数连续的泰勒锥和创建统一纤维的纺纱工艺的关键是要照顾。
该过滤器的效率是过滤材料的最重要的参数之一。此参数主要是由该过滤材料的结构的影响。织造布继承均匀的孔径和其后一致的透气性。这是至关重要的创建这些模板材料的均匀的非织造网眼上,以填充孔,并生成一个零缺陷滤波器的。示出了在我们的过滤器的过滤效率直接依赖于纺丝持续时间(丝蛋白),并且,因此,非织造网眼层的数量。单纤维之间的差距始终充满,使的保留f更小的颗粒。
在这项工作中,我们介绍了一个方法来产生蜘蛛丝无纺布网的一种新型过滤材料,过滤效率高。因此,这些过滤器的空气过滤系统,有希望的候选人,以供日后使用。
The authors have nothing to disclose.
我们非常感谢安雅·劳特巴赫(Lehrstuhl Biomaterialien)的,洛伦兹大全(桑德勒AG)和Armin BOECK的(B / S / H / G)的技术和科学支持。 SEM成像由约翰内斯·迪尔(Lehrstuhl Biomaterialien)。资金来自BMBF(01RB0710)。