Spider silke fibrer visar extraordinära mekaniska egenskaper. Engineered<em> Araneusdiadematus</em> Fibroin 4 (eADF4) kan bearbetas till nonwoven maskor med electrospinning. Här är de eADF4 nonwoven maskor som används för att förbättra prestanda för luftfiltrering enheter.
Baserat på den naturliga sekvensen av Araneusdiadematus fibroin 4 (ADF4), den rekombinanta spindelsilke protein eADF4 (C16) har utvecklats. Denna mycket repetitiva protein har en molekylvikt av 48kDa och är löslig i olika lösningsmedel (hexafluoroisopropanol (HFIP), myrsyra och vattenbaserade buffertar). eADF4 (C16) ger en stor potential för olika tekniska tillämpningar då bearbetas till morfologier såsom filmer, kapslar, partiklar, hydrogeler, beläggningar, fibrer och icke-vävda maskor. På grund av deras kemiska stabilitet och kontrollerad morfologi kan den senare användas för att förbättra filtermaterial. I detta protokoll, presenterar vi ett förfarande för att öka effektiviteten av olika luftfilter enheter, genom deponering av icke vävda maskor electrospun rekombinanta proteiner spindelsilke. Elektrospinning av eADF4 (C16) upplöst i HFIP resulterar i släta fibrer. Variation av proteinkoncentrationen (5-25% vikt / volym) resulterar i olika fiberdiametrar (80-1,100 nm) ochdärmed porstorlekar av den icke-vävda nät.
Efterbehandling av eADF4 (C16) electrospun från HFIP är nödvändig eftersom proteinet uppvisar en övervägande α-helikal sekundär struktur i färskt spunna fibrer, och därför fibrerna är vattenlösliga. Efterföljande behandling med etanolånga inducerar bildandet av vattenresistent, stabila β-arkstrukturer, bevara morfologi silke fibrer och maskor. Sekundär struktur analys utfördes med användning av Fourier-transform infraröd spektroskopi (FTIR) och efterföljande Fourier själv-dekonvolution (FSD).
Det primära målet var att förbättra filtret effektivisera befintliga filter substrat genom att lägga silke nonwoven skikt ovanpå. För att utvärdera inverkan av electrospinning varaktighet och sålunda ovävda skikt tjocklek på filtret effektivitet, utförde vi täthetstest i kombination med mätningar partikelavsättning. Experimenten utfördes enligt standardprotokoll.
Tack vare sin kombination av styrka och töjbarhet, kan spindelsilke fibrer absorberar mer kinetisk energi än de flesta andra naturliga eller syntetiska fibrer 1. Dessutom, till skillnad från de flesta syntetiska polymera material siden material är ogiftiga och biokompatibla och orsakar ingen allergisk reaktion när de inkorporeras 2,3. Förmodade hälsorisker kan förebyggas med hjälp av spindelnät. Dessa funktioner gör spindelsilke mycket attraktiv för en mängd olika medicinska och tekniska tillämpningar. Eftersom spindlar inte kan odlas på grund av sitt kannibalistiska beteende, har biotekniska metoder utvecklats för att producera spindeltråd proteiner, både kostnads-effektivt och i tillräcklig mängd 4.
Den rekombinanta silkesprotein eADF4 (C16) har konstruerats utifrån den naturliga sekvensen av Araneusdiadematus fibroin 4 (ADF4). eADF4 (C16) har en molekylvikt av 48kDa 5 och är löslig i olika lösningsmedel (hexafluoroisopropanol (HFIP) 6, myrsyra 7 och vattenbaserade buffertar) 8. eADF4 (C16) kan bearbetas till olika morfologier såsom filmer 9, kapslar 8, partiklar 10, hydrogeler 11, beläggningar 7, fibrer 12 och nonwoven maskor 6. På grund av sin kemiska stabilitet, den senare ger hög potential i filterapplikationer.
Här presenterar vi ett protokoll för att tillverka luftfilter enheter, inklusive en icke-vävd mesh av electrospun rekombinanta proteiner spindelsilke. Elektrospinning eller elektrostatisk spinning är en teknik som typiskt används för att producera polymera fibrer med diametrar i området av 10 nm -10 | im 13, och icke-vävda maskor har redan undersökts för filtertillämpningar 14. I det förflutna har electrospinning framgång använts för behandling av regenererad 15 samt rekombinant producerat 16 spindelsilkeproteiner. Vanligtvis en hög elektrisk spänning (5-30 kV) appliceras på en spruta och en motelektrod (0-20 kV) placerad på ett avstånd av 8-20 cm. Den starka elektrostatiska fält inducerar frånstötande krafter inom laddade lösningen. Om ytspänningen överskrids en Taylor-konen bildas, och en tunn stråle får utbrott från spetsen 17,18. Efter bildning, bockning instabiliteter uppstår inom jet orsakar ytterligare sträckning som lösningsmedlet avdunstar, och en fast fiber bildas. Slutligen är fibern slumpmässigt avsatt på motelektroden såsom ett nonwoven-nät 19. Fiber egenskaper som diameter och yta topologi (slät, porös) är främst beroende lösning parametrar som koncentration, viskositet, yta fri energi och lösningsmedlet inneboende elektrisk ledningsförmåga och permeabilitet 20. Elektrospinning av eADF4 (C16) upplöst i HFIP resulterar i släta fibrer med diametrar från 80-1,100 nm beroende på proteinkoncentrationen i lösningen.eADF4 (C16) electrospun från HFIP visar en övervägande α-helikal sekundär struktur och fibrerna är vattenlösliga 6. För att stabilisera de silke fibrer, β-arkstrukturer måste induceras genom efterföljande behandling med etanol. I motsats till tidigare fastställda efter behandlingsmetoder 21, har i denna studie eADF4 (C16) bondad duk som behandlats med etanolånga för att bevara morfologin hos silke fibrer. Sekundär struktur analys utfördes med användning av Fourier-transform infraröd spektroskopi (FTIR) och efterföljande Fourier själv-dekonvolution (FSD) såsom beskrivits i litteraturen 22. FSD är en signal-bearbetning verktyg som möjliggör upplösning av FTIR spektra består av flera överlappande band. Därvid kan otydliga band av den breda amid I-regionen endast utgörs användning ett högpassfilter för att ta emot en deconvoluted spektrum med förbättrade topp upplösningar.
För att utvärdera efficiency av filterelement substrat kompletterat med silke ovävda maskor, var luft permeabilitet tester utfördes med användning av en Akustron anordning enligt standardprotokoll. Avsättningshastigheter mättes med användning av en universell Palas Particle Sizer.
Nya filter enheter bör tillåta att sänka den totala energiförbrukningen inom luftfiltrering vid konstant eller högre filter effektivitetsvinster. Här, var sådana anordningar skapas med fiberdukar tillverkade av spindelsilk. Tack vare sin låga ytspänning och hög volatilitet, har HFIP valts som ett lämpligt lösningsmedel för electrospinning processen. Dessutom har vattenhaltiga lösningar silke testats i tidigare experiment, men inga fibrer skulle kunna genereras. Här skulle det vara viktigt att använda tillsatser för att sänka ytspänningen och därigenom förbättra de snurrande egenskaperna hos lösningen. Det mest kritiska steget är att justera de villkor och det använda materialet koncentration och lösningsmedel i spinningslösningen, spinning höjd, spänning och extrudering hastighet. Under prestanda kan till exempel igensättning av spetsen förhindras genom tillförsel av nålspetsen med fukt i form av vattenånga, men någon form av tillägg i electrospinning installationen senare kan störaden känsliga processen och elektriskt fält. Viktiga processparametrar (koncentration, spänning, distans, fuktighet) individuellt bestämdes genomför separata experimentella serier (data visas ej). Med alla parametrar i beaktande är det viktigt att ta hand om en kontinuerlig taylor kon och spinning process för att skapa enhetliga fibrer.
Filtret effektivitet är en av de viktigaste parametrarna för filtermaterial. Denna parameter påverkas främst av strukturen av filtermaterialet. Woven ärva enhetliga porstorlekar och därefter konsekvent luft permeabilitet. Det är viktigt att skapa homogena nonwoven maskor på dessa mall material för att fylla porerna och skapa en felfri filter. Filtret effektivitet i våra filter visar en direkt beroende av den snurrande varaktighet (av silke proteiner), och, därför, om antalet icke-vävda mesh skikt. Mellanrummen mellan enskilda fibrerna konsekvent fyllda, möjliggör lagring of mindre partiklar.
I detta arbete har vi infört en metod för att producera ett nytt filtermaterial med spindel maskor silke nonwoven, visar hög avskiljningsgrad. Därför är dessa filter är lovande kandidater för framtida användning i luftfiltreringssystem.
The authors have nothing to disclose.
Vi tackar den tekniskt och vetenskapligt stöd för Anja Lauterbach (Lehrstuhl Biomaterialien), Lorenz Summa (Sandler AG) och Armin Boeck (B / S / H / G). SEM-avbildning utfördes av Johannes Diehl (Lehrstuhl Biomaterialien). Medel härleddes från BMBF (01RB0710).