Edderkopp silke fiber vise ekstraordinære mekaniske egenskaper. Konstruert<em> Araneus diadematus</em> Fibroin 4 (eADF4) kan bli behandlet i vevde masker ved hjelp electrospinning. Her er de eADF4 vevde masker brukes til å forbedre ytelsen til luft filtrering enheter.
Basert på den naturlige rekkefølgen av Araneus diadematus fibroin 4 (ADF4), den rekombinant edderkopp silke protein eADF4 (C16) har blitt utviklet. Denne svært repetitive protein har en molekylvekt på 48kDa og er oppløselig i forskjellige løsemidler (heksafluorisopropanol (HFIP), maursyre og vandige buffere). eADF4 (C16) gir et stort potensial for ulike tekniske programmer når behandles i morfologi som filmer, kapsler, partikler, hydrogeler, belegg, fiber og vevde maskene. På grunn av deres kjemiske stabilitet og kontrollert morfologi, kan sistnevnte anvendes for å forbedre filtermaterialer. I denne protokollen, presenterer vi en prosedyre for å effektivisere ulike luftfilter enheter, ved deponering av vevde masker av elektrospunnede rekombinante edderkopp silke proteiner. Electrospinning av eADF4 (C16) oppløst i HFIP bidrar til en jevnere fibre. Variasjon av proteinkonsentrasjonen (5-25% w / v) resulterer i ulike fiberdiametre (80-1,100 nm) ogsåledes porestørrelser av den ikke-vevede maske.
Etter-behandling av eADF4 (C16) elektrospunnede fra HFIP er nødvendig siden proteinet viser en overveiende α-helisk sekundær struktur i fersk spunnet fiber, og således at fibrene er vannløselige. Påfølgende behandling med etanol damp induserer dannelsen av vannavstøtende, stabile β-sheet strukturer, bevare morfologi av silke fiber og maskene. Sekundær struktur-analyse ble utført ved hjelp av Fourier-transform infrarød (FTIR) og påfølgende Fourier selv-dekonvolusjon (FSD).
Det primære målet var å forbedre filteret effektiviteten av eksisterende filter underlag ved å legge silke vevde lag på toppen. Til å vurdere påvirkningen av electrospinning varighet og dermed vevde tykkelse på filteret effektivitet, utførte vi luft permeabilitet tester i kombinasjon med partikkel deponering målinger. Forsøkene ble utført i henhold til standardprotokoller.
På grunn av deres kombinasjon av styrke og tøyelighet, kan edderkopp silke fibre absorberer mer kinetisk energi enn de fleste andre naturlige eller syntetiske fibre en. Videre, i motsetning til de fleste syntetiske polymere materialer silke materiale er ikke giftig og biokompatibel og ikke forårsaker allergiske reaksjoner når de er inkorporert 2,3. Antatte helserisikoer kan forebygges ved hjelp av edderkopp silke. Disse egenskapene gjør edderkopp silke meget attraktive for en rekke medisinske og tekniske anvendelser. Siden edderkopper ikke kan være oppdrettsfisk på grunn av deres kannibalistiske atferd, har bioteknologiske metoder er utviklet for å produsere edderkopp silke proteiner, både kostnads-effektivt og i tilstrekkelige mengder fire.
Den rekombinant silke protein eADF4 (C16) har blitt utviklet basert på naturlig sekvens av Araneus diadematus fibroin 4 (ADF4). eADF4 (C16) har en molekylvekt på 48kDa 5 og er oppløselig i forskjellige løsningsmidler (hexafluoroisopropanol (HFIP) 6, maursyre 7 og vannholdige buffere) 8. eADF4 (C16) kan behandles i forskjellige morfologier eksempel 9 filmer, kapsler 8, partikler 10, 11 hydrogeler, belegg 7, 12 fibre og ikke-vevede nett 6. På grunn av deres kjemiske stabilitet, sistnevnte gir høyt potensial i filteranvendelser.
Her presenterer vi en protokoll for å dikte luftfilter enheter, inkludert en vevet netting av elektrospunnede rekombinante edderkopp silke proteiner. Electrospinning eller elektrostatisk sentrifugering er en teknikk som vanligvis anvendes for fremstilling av polymerfibre med diametre innen området fra 10 nm -10 um 13, og ikke-vevede nett har allerede blitt undersøkt for 14 filteranvendelser. I det siste har electrospinning blitt brukt for behandling av regenerert 15 samt rekombinant produsert 16 edderkopp silkeproteiner. Typisk vil en høy elektrisk spenning (5-30 kV) tilføres til en sprøyte og en motelektrode (0-20 kV) plassert i en avstand på 8-20 cm. Den sterke elektrostatiske feltet induserer frastøtende kreftene innenfor belastes løsning. Hvis overflatespenningen overskrides tilsettes et Taylor-kjegle dannet, og en tynn stråle bryter ut fra spissen 17,18. Etter dannelsen, bøying ustabiliteter oppstå i dysen noe som ytterligere strekker seg så løsningsmiddelet fordamper, og en fast fiber er dannet. Til slutt blir den fiber tilfeldig avsettes på motelektroden som et ikke-vevet maske 19.. Fiber egenskaper som diameter og overflaten topologi (glatt, porøs) er i hovedsak avhengig løsning parametere som konsentrasjon, viskositet, overflate fri energi og løsemiddel iboende elektrisk ledningsevne og permeabilitet 20. Electrospinning av eADF4 (C16) oppløst i HFIP bidrar til en jevnere fibre med diameter fra 80-1,100 nm avhengig av proteinkonsentrasjonen i løsningen.eADF4 (C16) elektrospunnede fra HFIP viser en overveiende α-helisk sekundær struktur og fibrene er vannløselige 6.. For å stabilisere de silke fibre, β arks strukturer må bli indusert ved etterfølgende behandling med etanol. I motsetning til tidligere etablerte post-behandlingsmetoder 21, har i denne studien eADF4 (C16)-vevde tekstiler vært behandlet med etanol damp for å bevare morfologien av silke fibre. Sekundær struktur-analyse ble utført ved hjelp av Fourier-transform infrarød (FTIR) og påfølgende Fourier selv-dekonvolusjon (FSD), som beskrevet i litteraturen 22. FSD er en signalprosesseringsenhet verktøy som tillater oppløsning av FTIR spektra bestående av flere overlappende band. Dermed kan de utydelige band av den brede seg blant jeg region begrenses ved hjelp av et high pass filter for å motta en deconvoluted spektrum med forbedrede peak resolusjoner.
For å vurdere efficiency av filter underlag supplert med silke vevde masker, ble luft permeabilitet tester utført ved hjelp av en Akustron enhet i henhold til standard protokoller. Deponering priser ble målt ved hjelp av en Palas universell partikkel sizer.
Nye filter enheter bør tillate å senke det totale energiforbruket i luft filtrering i faste eller høyere filter effektivitet. Her ble slike enheter laget med fiberduk laget av edderkopp silke. På grunn av den lave overflatespenning og høy flyktighet, HFIP har blitt valgt som et passende oppløsningsmiddel for elektrospinningen. Videre har vannholdige silke løsninger er testet i tidligere forsøk, men ingen fibre kan genereres. Her vil det være avgjørende å bruke tilsetningsstoffer for å senke overflatespenningen og derved forbedre den roterende egenskapene til løsningen. Den mest kritiske trinnet er å justere betingelsene og den brukte materiale konsentrasjon og oppløsningsmiddel av den spinnende løsning, spinning høyde, spenning og hastighet ekstrudering. Under ytelse, kan for eksempel tilstopping av tuppen forhindres ved å forsyne nålespissen med fuktighet i form av vanndamp, men enhver form for tilsetninger i elektrospinningen konfigurasjonen kan deretter forstyrreden følsomme prosessen og elektrisk felt. Flyktige prosessparametre (konsentrasjon, spenning, avstand, fuktighet) ble individuelt bestemt utførelse av separate forsøksperiodene serie (data ikke vist). Tar alle parametere i betraktning er det viktig å ta vare på en kontinuerlig taylor kjegle og spinning prosess for å skape ensartede fibre.
Filteret effektivitet er en av de viktigste parametere av filtermaterialer. Denne parameteren blir i hovedsak påvirket av strukturen av filtermaterialet. Wovens arve uniform pore størrelser og senere konsekvent luft permeabilitet. Det er avgjørende å skape homogene ikke-vevde masker på disse mal-materialer for å fylle porene og å generere en null-feil-filteret. Filteret effektivitet i våre filtre viser en direkte avhengighet av den spinnende varighet (av silke proteiner), og derfor, på antall nonwoven mesh sjikt. Gapene mellom de enkelte fibre er jevnt fylt, slik at retensjonen of mindre partikler.
I dette arbeidet innførte vi en fremgangsmåte for å produsere en ny filtermateriale med edderkopp silke Ikke-vevet nett, som viser høy filtereffektivitet. Derfor er disse filtrene er lovende kandidater for fremtidig bruk i luftfiltreringssystemene.
The authors have nothing to disclose.
Vi ønsker å takke for den tekniske og vitenskapelige støtte fra Anja Lauterbach (Lehrstuhl Biomaterialien), Lorenz Summa (Sandler AG) og Armin Boeck (B / S / H / G). SEM-imaging ble utført av Johannes Diehl (Lehrstuhl Biomaterialien). Finansieringen ble avledet fra BMBF (01RB0710).