Air Filter-enheder, herunder Nonwoven masker af Electrospun Rekombinante edderkoppesilkeproteiner

Summary

Edderkoppesilkeproteiner fibre vise ekstraordinære mekaniske egenskaber. Udviklet

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

1.. Spinning Dope Forberedelse

1. Tag lyofiliseret eADF4 (C16)-protein.
2. Afvejes 20 mg eADF4 (C16) i en 1 ml reaktionsbeholder ved hjælp af en høj præcision skala.
3. Tilsæt 200 ul hexafluorisopropanol (HFIP), og forsegle beholderen med Parafilm.
   Note: HFIP er meget svingende og skadelige. Da det kan forårsage skade i luftvejene spor, arbejde under en sikkerheds hætte, pipette forsigtigt, og Cap røret.
4. Vortex suspensionen i 1 min og videre ryst den for at rydde løsningen. For at sikre, at hele mængden af ​​protein er fuldstændig opløst, vent natten over.

2.. Electrospinning

1. Forbered electrospinning enhed (figur 1): sted filtermaterialet på toppen af tælleren elektrode og preset spændingen for både elektrode (-22,5 kV) og tælleren elektrode (+2,5 kV). Indstil volumenstrømmen til 315 gl / time.
   Bemærk: while electrospinning, giftigt HFIP vil blive fordampet. Sørg for at din electrospinning enheden er tilsluttet en emhætte.
2. Tag en kommercielt tilgængelig 20 G nål og slibe skarp spids med en hånd mølle til en tilbageværende længde på 30 mm. Slut nålen til en 1 ml sprøjte.
   Bemærk: Et fly kanylespidsen er nødvendig for at frembringe en veldefineret Taylor kegle.
3. Indlæse hele spinding dope (200 ul) i sprøjten. Overlejrer dope med 100 ul luft, således at den fuldstændige løsning skal ekstruderes under spindeprocessen.
   Bemærk: For at undgå tilstopning af nålen, så sørg for, at der ikke er nogen partikler (aggregater eller urenheder) i spinning dope. Arbejdet under en emhætte!
4. Fastgør den fyldte injektionssprøjte til sprøjtepumpen af ​​electrospinning enheden og forsigtigt trykke stemplet på sprøjten, indtil en dråbe til syne for enden af ​​nålen. Lås stemplet.
5. Indstil afstandenmellem spidsen af ​​nålen, og modelektroden til 8-20 cm.
6. Start sprøjtepumpen og fjern (normalt tørret ud) dråbe fra åbningen af ​​nålen. Aktivere alle sikkerhedsinstallationer i electrospinning enheden med det samme, og start den høje spænding kilde, så snart en ny dråbe frem. Electrospinning af spinning dope vil starte senere. Brug et stopur til at styre spinning varighed.
   Bemærk: For at undgå udtørring af opløsningen og dermed tilstopning af nålen, er det nødvendigt straks at starte udspinding efter fjernelse af tørrede dråben.
7. Siden electrospinning af rekombinante edderkoppesilkeproteiner afhænger fugtighed og temperatur, kan en tilpasning af procesparametre til individuelle lab betingelser være nødvendig (figur 2).
   Bemærk: For at forhindre dråben tørrer (Figur 2B) muliggøre en tilstrækkelig flow. Hvis der er en lav luftbefugterty i den omgivende atmosfære, justere den relative fugtighed eller hæve flowet. Sænk spændingen indtil en ordentlig Taylor kegle forekommer (figur 2A). Når der ikke er nogen løsning på spidsen (figur 2C), hæve flowet og sænke spændingen indtil en dråbe opstår. Derefter justere spændingen for at etablere en regelmæssig og stabil Taylor Cone (figur 2A).
8. Efter 30 sek / 60 sek / 90 sek electrospinning slukker sprøjtepumpen. For at undgå faldende dråber, vent 10 sek før du slukker den høje spænding kilde til at frigive det resterende tryk i sprøjten.
9. Trin 6 til 8 kan udføres på forskellige typer af filtermaterialer, såsom polyamid, polypropylen og polyester vævede masker, samt sort papir til sammenligning.
10. For at producere et nonwoven maske for efterfølgende stabilitet eksperimenter bruge sort papir i stedet for filtermateriale og udføre trin 5 til 7. Efter 5 min af electrospinning, stopfremgangsmåden som beskrevet i trin 8..

3.. Post-behandling af Silk Nonwoven masker

1. Forvarm en ovn til 60 ° C.
2. Placer filteret substrater med eADF4 (C16) vævede masker lodret og med en afstand på mindst 2 cm i et aflåseligt glasbeholder. Beholderen skal have to åbninger, der vil blive anvendt til efterfølgende at indføre ethanol og vand.
   Bemærk: Ved fastsættelsen af filtermaterialer, sørg for, at området er nødvendig for permeabilitet eksperimenter ikke beskadiges af klemmerne.
3. Forbind to 60 ml sprøjter, den ene fyldt med ethanol og en fyldt med vand, med siliconeslanger peger ind i det indre bund efterbehandlingsbeholderen (Figur 3).
   Bemærk: For at være i stand til at fjerne væske fra beholderen efter behandlingen, placere åbningerne i rørene så tæt som muligt til bunden.
4. Placer efterbehandlingen container i ovOr. og tilsættes 60 ml ethanol ved ekstrudering af sprøjten. Brug et stopur til at styre behandlingen varighed.
5. Efter 90 min af ethanol dampe behandling, fjernes ethanolen med sprøjten fra glasset, og tilsæt 60 ml vand fra den anden sprøjte.
6. Vente endnu 90 min, og derefter fjerne vandet og sluk for ovnen. For at undgå dråber af kondens forlader beholderen i ovnen, indtil den er helt afkølet.

4.. Analyse af edderkoppespind Nonwoven masker

1. Forbered silke vævede masker for stabilitetstests på sort papir eller andre flytbare støtte. Skær to frames af pap og justere dobbelt-klæbende tape. Tryk én ramme på silke vævet maske deponeret på sort papir og bruge en skalpel til at afskære den overskydende silkefibre (holde overskydende fibre til efterfølgende SEM-billeddannelse). Fjern forsigtigt karmen for at frigøre det ikke-vævede fra papiret. Gentag dette trin med den anden ramme(Figur 4).
2. Praktisk dip test: Skær et stykke (1 ^cm2) af hver, post-behandlede og ubehandlede silke nonwoven mesh og dyppe den i demineraliseret vand. Den ikke-behandlede silke vævet maske vil opløses straks, hvorimod det behandlede vævede maske vil være stabil (figur 5). Efter dypning, tørre dyppede prøven og forberede den til SEM billeddannelse.
3. Fourier transformation infrarød spektroskopi (FTIR)-måling og efterfølgende Fourier selv deconvolution (FSD): For at få oplysninger om de strukturelle ændringer af silke proteiner upon post-behandling af ikke-vævede masker, kan FTIR påføres ved hjælp af parametrene: Transmittans -mode, scan fra 800 til 4.000 cm ^-1, er 60 ophobninger måles og gennemsnittet for hvert spektrum er den ene henvisning målt per spektrum. Til kvantitativ analyse af de data, kan FSD være ansat (Figur 6 og figur 7). Derved bliver kurverne reduceret til data ARea mellem 1.590 og 1.705 cm ^-1 og en baseline korrektion udføres. En lokal mindste kvadraters fit beregnes efter spidspositionerne taget fra tidligere undersøgelser (1611 1619 1624 1630 1640, 1650, 1659, 1666 1680, 1691 1698 cm ^{-1) 22.}
4. SEM billeddannelse: SEM kan anvendes til at undersøge fiberdiametre og morfologi af silke fibre på forskellige filtertyper substrater og analysere indflydelsen af efterbehandlingen på fiberen morfologi (fig. 8). Brug forstørrelser på 5.000 x til 25.000 x for at få tilstrækkeligt detaljerede billeder.

5.. Bestemmelse af Luftpermeabilitet

1. Placer en korrekt montage del af filteret materiale på måle område af et Akustron luftgennemtrængelighed enhed. Bemærk :: Hvis du bruger en anden type luftgennemtrængelighed enhed, sørg for at den opfylder kravene i DIN 53 887, DIN 53 120, ISO 9237 og ASTM D 737-96 standarder.
2. Ansætte en Akustron luftgennemtrængelighed enhed (eller enhver anden som afbildet i 5.1). Hvis det er nødvendigt beregne normerede data [l / (m ² x sek)].
3. Gentag trin 1 og 2, mindst 10 gange med forskellige dele af din prøve og beregne gennemsnittet midten (figur 9).
   Bemærk: Måling luftgennemtrængelighed kræver kontakt mellem enheden og vævede mesh. Således er en omhyggelig håndtering af prøverne er afgørende for at forhindre brud på den fine silke nonwoven mesh.

6.. Bestemmelse af Filter Efficiency

1. Brug en egnet maskine med trykregulering og partikeltæller, såsom en Universal Particle Sizer (Palas GmbH, Karlsruhe, Tyskland).
2. Placer filteret prøver i enheden og foranstaltning partikelretention (Figur 10). Aerosol: Di-ethyl-hexyl-sebacat (Dehs) partikelstørrelse: 0,3-3 um, varighed: 30 sek, flydende hastighed: 2.350 cm / sek, air flow: 3.400 m ³ / time.
   Bemærk: Håndter prøven med omhu og ikke røre ved overfladen for at forhindre ødelæggelse af ikke-vævede maske og undgå enhver forurening. Vær sikker på at oprette nok prøver af samme kvalitet til måling af ydelse.

Representative Results

Electrospinning af rekombinante edderkoppesilkeproteiner opløsninger med koncentrationer på 10% w / v fra HFIP resulterede i glatte fibre med diametre fra 80 til 120 Nm, tillader dannelsen af ​​ikke-vævede masker. Post-behandling med ethanol damp førte ikke til iøjnefaldende morfologiske ændringer, som var derfor etableret som en ordentlig måde silke nonwoven post-behandling (Figur 8). Strukturelle ændringer blev påvist ved hjælp af FT-IR og efterfølgende FSD af midt jeg bånd blev udført for at analysere en enkelt bidrag toppe (figur 6). Det kunne påvises, at post-behandling fører til en stigning i β-ark strukturer, mens indholdet af α-spiralformede und tilfældige coil strukturer aftager (figur 7). Dette resultat kan anvendes i praksis bevist ved at dyppe en efterbehandlet vævet i vand (figur 5). Selv efter en uge, vil opløsningen af ​​det ikke-vævede maske forekomme.

Den spinning duration er den vigtigste parameter vedrørende anvendelsen af ​​silke fiberdug filtermaterialer på grund af trykfald baseret på den stigende tæthed af Electrospun fibre. Udvidet spinning varigheder und således et større antal fibre lag resulterer i en eksponentiel nedgang i luftgennemtrængelighed. Denne virkning kunne påvises for alle de forskellige filter substratmaterialer før og efter efterbehandling (figur 9). Ligeledes filtrering effektiviteten af de silke-holdige filtermaterialer af sub-mikrometer partikler stiger (figur 10). Mens korte spinning varigheder (30 sek) vinde lave filter effektivitet, højere spinning varigheder (90 sek) føre til højere effektivitet.

Figur 1.. Høj elektrisk spænding (0-30 kV) i s påføres en sprøjte fyldt med en silke opløsning, og en modelektrode (0-20 kV) anbringes i en afstand af 8-20 cm. Denne opsætning fører til et stærkt elektrostatisk felt, overtalelse frastødende kræfter inden for det afgiftsbelagte løsning. Hvis overfladespændingen overskrides, en Taylor-kegle dannet, og en tynd stråle bryder fra spidsen. 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 i form af en vævet maske.

Figur 2. Fotografier af en regelmæssig Taylor kegle (A), en tørret dråbe (B), og opsætningen uden dråbe (C).

iles/ftp_upload/50492/50492fig3highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50492/50492fig3.jpg "/>
Figur 3.. Skematisk procedure under damp efter behandling. I det første trin, er kammeret fyldes med ethanol, og prøven er dampet ved 60 ° C i 90 min. For at blødgøre nonwoven masker for efterfølgende håndtering er ethanolen fjernet, og fibrene er dampet med vanddamp i 90 minutter ved 60 ° C. Klik her for at se større figur .

Figur 4.. Fotografi af en pap ramme med vedhæftede silke vævede masker, der skal bruges til efterbehandlingen.

Figur 5. Electrospun og derefter efterbehandlet vævet i tør tilstand (A), og under vand (B).

Figur 6.. Fourier selvstændige deconvoluted absorbansspektret af et amid I bånd af en ubehandlet (A) og en efterbehandlet (B) edderkoppespind vævet maske. Den fuldt optrukne linie viser absorbansbånd følge af det indre bidrag toppe (stiplede linjer), som udledes efter deconvolution. Tildelingen af de respektive kurver var baseret på tidligere publicerede værdier fra litteraturen ^22.. Klik her for at se større figur .

t-width = "5in" fo: src = "/ files/ftp_upload/50492/50492fig7highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/50492/50492fig7.jpg" />
Figur 7.. Sekundær struktur indholdet af ikke-behandlede og efterbehandlet eADF4 (C16) vævede masker.

. Figur 8 SEM billeder af Electrospun eADF4 (C16)-fibre på forskellige filter substrater: polyamid (PA), polyester (PE), polypropylen (PP) og ren eADF4 (C16) fibre før (S1) og efter (S2) post- behandling med ethanol damp. Klik her for at se større figur .

/ Ftp_upload/50492/50492fig9.jpg "/>
Figur 9.. Luftgennemtrængelighed tests, før (A) og efter efterbehandlingen (B) af silke vævede masker med ethanol damp stigende spinning tider føre til flere ikke-vævede lag efterfølgende sænke luft permeabilitet.

Figur 10.. Filter effektivitet di-ethyl-hexyl-sebacat aerosol på Electrospun edderkoppesilkeproteiner vævede masker på polyamid filtermaterialer på forskellige spinning varigheder, påvirker silke lag mængde, efter efterbehandling med ethanol.

Discussion

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.