Edderkoppesilkeproteiner fibre vise ekstraordinære mekaniske egenskaber. Udviklet<em> Araneus diadematus</em> Fibroin 4 (eADF4) kan forarbejdes til ikke-vævede masker ved hjælp electrospinning. Her er de eADF4 vævede masker bruges til at forbedre ydeevnen af luft filtrering enheder.
Baseret på den naturlige sekvens af Araneus diadematus fibroin 4 (ADF'en 4), det rekombinante edderkoppesilkeprotein eADF4 (C16) er blevet manipuleret. Dette højrepetitivt protein har en molekylvægt på 48kDa og er opløselig i forskellige opløsningsmidler (hexafluorisopropanol (HFIP), myresyre og vandige puffere). eADF4 (C16) giver et stort potentiale for forskellige tekniske programmer, når forarbejdet til morfologier såsom film, kapsler, partikler, hydrogeler, belægninger, fibre og ikke-vævede masker. På grund af deres kemiske stabilitet og kontrolleret morfologi, kan sidstnævnte anvendes til at forbedre filtermaterialer. I denne protokol, præsenterer vi en procedure for at øge effektiviteten af de forskellige luftfilter enheder ved udfældning af ikke-vævede masker af Electrospun rekombinante edderkoppesilkeproteiner. Electrospinning af eADF4 (C16) opløst i HFIP resultater i glatte fibre. Variation af proteinkoncentration (5-25% w / v) resulterer i forskellige fiberdiametre (80-1,100 nm) ogdermed porestørrelser i det ikke-vævede net.
Efterbehandlingen af eADF4 (C16) Electrospun fra HFIP er nødvendig, fordi proteinet viser en overvejende α-helix sekundær struktur i frisk spundne fibre, og derfor fibrene er vandopløselige. Efterfølgende behandling med ethanol damp inducerer dannelsen af vandfast, stabile β-sheet strukturer, bevare morfologi silke fibre og masker. Sekundær struktur analyse blev udført ved anvendelse af Fourier-transformation infrarød spektroskopi (FTIR) og efterfølgende Fourier selvstændige udfoldning (FSD).
Det primære mål var at forbedre filteret effektivitet af eksisterende filter substrater ved tilsætning silke nonwoven lag oven. At vurdere indflydelsen electrospinning varighed og dermed nonwoven lagtykkelse på filteret effektivitet, udførte vi luftpermeabilitetsværdier test i kombination med aflejring målinger. Eksperimenterne blev udført i henhold til standardprotokoller.
På grund af deres kombination af styrke og udvidelsesmuligheder, kan spider silke fibre absorberer mere kinetisk energi end de fleste andre naturlige eller syntetiske fibre 1. I modsætning til de fleste syntetiske polymere materialer silke materialer er ugiftige og biokompatible og forårsage nogen allergisk reaktion, når de indgår 2,3. Formodede sundhedsrisici kan forebygges ved hjælp af edderkop silke. Disse funktioner gør edderkoppespind særdeles attraktivt for en række medicinske og tekniske anvendelser. Da edderkopper ikke kan dyrkes på grund af deres kannibalistiske adfærd har bioteknologiske metoder er blevet udviklet til at producere edderkoppesilkeproteiner både cost-effektivt og i tilstrækkelige mængder 4..
Det rekombinante silkeprotein eADF4 (C16) er blevet manipuleret baseret på den naturlige sekvens af Araneus diadematus fibroin 4 (ADF'en 4). eADF4 (C16) har en molekylvægt på 48kDa 5 og er opløselig i forskellige opløsningsmidler (hexafluoroisopropanol (HFIP) 6, myresyre 7 og vandige buffere) 8.. eADF4 (C16) kan forarbejdes til forskellige morfologier såsom film 9, kapsler 8, partikler 10, hydrogeler 11, belægninger 7, fibre 12 og nonwoven masker 6.. På grund af deres kemiske stabilitet, sidstnævnte giver et stort potentiale i filter applikationer.
Her præsenterer vi en protokol til at fabrikere luftfilter enheder, herunder et ikke-vævet maske af Electrospun rekombinante edderkoppesilkeproteiner. Electrospinning eller elektrostatiske spinning er en teknik der typisk anvendes til fremstilling af polymerfibre med diametre i intervallet fra 10 nm -10 um 13, og ikke-vævede masker er allerede blevet undersøgt for filteranvendelser 14. I fortiden, har electrospinning været anvendt med succes til behandling af regenereret 15 samt rekombinant producerede 16 edderkoppespindproteiner. Typisk en høj elektrisk spænding (5-30 kV) påføres en sprøjte og en modelektrode (0-20 kV) anbringes i en afstand af 8-20 cm. Den stærke elektrostatiske felt inducerer frastødende kræfter inden for det afgiftsbelagte løsning. Hvis overfladespændingen overskrides, en Taylor-kegle dannet, og en tynd stråle bryder fra spidsen 17,18. Efter dannelse forekommer bøjning ustabiliteter inden jet forårsager yderligere strækning som opløsningsmidlet fordamper, og en fast fiber er dannet. Endelig er fiberen tilfældigt aflejret på modelektroden som et vævet net 19. Fiber egenskaber som diameter og overflade topologi (glat, porøs), er primært afhængig af opløsning parametre såsom koncentration, viskositet, overflade fri energi og opløsningsmidlet iboende elektrisk ledningsevne og permeabilitet 20.. Electrospinning af eADF4 (C16) opløst i HFIP resultater i glatte fibre med diametre fra 80-1,100 nm afhængigt af proteinkoncentrationen i opløsningen.eADF4 (C16) Electrospun fra HFIP viser en overvejende α-helix sekundær struktur og fibrene er vandopløselige 6.. For at stabilisere silkefibrene, β-arkstrukturer skal induceres ved efterfølgende behandling med ethanol. I modsætning til tidligere fastsatte efter behandlingsmetoder 21, har i denne undersøgelse eADF4 (C16) fiberdug blevet behandlet med ethanol damp for at bevare morfologi silkefibrene. Sekundær struktur analyse blev udført ved anvendelse af Fourier-transformation infrarød spektroskopi (FTIR) og efterfølgende Fourier selvstændige udfoldning (FSD) som beskrevet i litteraturen 22. FSD er et signal-processing værktøj, der giver opløsning på FTIR spektre bestående af flere overlappende bands. Derved kan de utydelige bånd af den brede midt I region blive indsnævret ved hjælp af en high pass filter til at modtage en deconvoluted spektrum med forbedrede peak resolutioner.
For at vurdere efficiency af filter substrater suppleret med silke nonwoven masker blev luftpermeabilitetsværdier tests udføres med en Akustron ifølge standardprotokoller. Depositionen blev målt ved hjælp af en Palas universal Particle Sizer.
Nyt filter enheder bør tillade sænke det samlede energiforbrug i luftfiltrering ved konstante eller højere filter effektivitetsgevinster. Her blev sådanne anordninger skabt ved hjælp af nonwovens lavet af edderkoppespind. På grund af sin lave overfladespænding og høj flygtighed, har HFIP blevet valgt som et egnet opløsningsmiddel til electrospinning proces. Endvidere har vandige opløsninger silke blevet testet i tidligere forsøg, men ingen fibre kunne genereres. Her vil det være afgørende at anvende additiver for at nedsætte overfladespændingen og derved forbedre de roterende egenskaber opløsningen. Det mest kritiske skridt er at justere de betingelser og det anvendte materiale koncentration og opløsningsmiddel af spinning løsningen, spinning højde, spænding og ekstrudering hastighed. Under udførelsen, kan for eksempel tilstopning af spidsen forhindres ved at levere nålespidsen med fugt i form af vanddamp, men enhver form for tilføjelser i electrospinning opsætningen senere vil forstyrreden følsom proces og elektrisk felt. Væsentlige procesparametre (koncentration, spænding, afstand, fugtighed) blev individuelt bestemt udfører særskilt eksperimentelle serie (data ikke vist). Under alle parametre i betragtning, er det afgørende at tage sig af en kontinuerlig taylor kegle og spinding proces for at skabe ensartede fibre.
Filteret effektivitet er et af de vigtigste parametre for filtermaterialer. Denne parameter er hovedsageligt påvirket af strukturen af filtermaterialet. Vævede arver ensartede pore størrelser og efterfølgende konsekvent luftgennemtrængelighed. Det er afgørende at skabe homogene vævede masker på disse skabelon materialer til at fylde porerne og skabe en nul-fejl filter. Filteret effektivitet i vores filtre viser en direkte afhængighed af spinding varighed (af silke proteiner), og dermed af antallet af ikke-vævede mesh lag. Forskellene mellem enkelte fibre er konsekvent fyldt, så opbevaring of mindre partikler.
I dette arbejde har vi introduceret en metode til at producere en hidtil ukendt filtermateriale med edderkoppesilkeproteiner vævede masker, der viser høj filter effektivitet. Derfor er disse filtre er lovende kandidater til fremtidig brug i luftfiltreringssystemer.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker for teknisk og videnskabelig støtte for Anja Lauterbach (Lehrstuhl Biomaterialien), Lorenz Summa (Sandler AG) og Armin Boeck (B / S / H / G). SEM-imaging blev udført af Johannes Diehl (Lehrstuhl Biomaterialien). Finansieringen blev afledt fra BMBF (01RB0710).