Summary
マイクロ流体回転再生絹フィブロイン モノフィラメントの微細構造キャラクタリゼーションのためのプロトコルが表示されます。
Abstract
プロトコルは、カイコの回転プロセスを模倣するためのメソッドを示します。ネイティブ紡糸契約紡績ダクトは小型・せん断・伸長力によって順序付けられた絹蛋白質を使用できます。ここでは、生体模倣マイクロ流路は、カイコの回転管の特定の形状を模倣するように設計されました。高濃度ドープした再生絹フィブロイン (RSF) 回転は周囲温度および圧力でドライ スピン繊維マイクロ チャネルを通じて押し出されます。ポスト処理プロセスでとして紡糸繊維が描画され、エタノール水溶液に保存されています。シンクロトロン放射光 (SR 広角) 広角 x 線回折技術は、国境なき記者団の光軸を通常の x 線マイクロビームでサンプル ホルダーに固定された単一の RSF 繊維の微細構造を調査に使用されました。結晶、結晶子サイズと繊維の配向性は、広角のデータから計算されました。広角の 2次元パターンの赤道付近の回折円弧は、ポスト処理の RSF 繊維が高配向度を持っていることを示します。
Introduction
蜘蛛や蚕は、周囲温度と圧力で水溶液中のタンパク質溶液から卓越した絹繊維を作り出すことができます。せん断と伸張流れは絹糸腺1液晶テクスチャの形成を誘導することができます。近年、高強度人工繊維を生成するためにスパイダーの回転プロセスを模倣することに大きな関心があった。ただし、効率的かつ経済的には共食いによりクモを農業でクモ絹タンパク質の大量の作成ができません。家蚕絹のかなりの量は、農耕によって簡単に取得できます。そうでなければ、カイコとクモと同様回転プロセスとアミノ酸組成があります。したがって、カイコ絹フィブロインは多くの研究者によって動物の人工シルクをスピンする代替として選択されます。
クモとカイコは、空気中の繊維に彼らの回転の管を通して蛋白質の解決を押し出します。最も可能性の高い回転管に沿って発生した高い応力力より拡張された構造2絹フィブロイン分子をストレッチします。人工シルクの繊維は、従来の湿式紡糸とドライ回転プロセス3,4を考慮していないを使用してスピンされているアカウント回転ダクト内流体力。
まず、マイクロのアプローチは、シルクプロテイン5,6のアセンブリを調査する使用されました。国境なき記者団のマイクロ加工をせん断と引張りの力7、8をモデリングによって調べた。ヤング係数と国境なき記者団繊維の繊維径をマイクロ湿式紡糸で調整できますが、描かれた繊維の引張強度は未満 100 MPa7。最後に、国境なき記者団の高強度繊維をマイクロ ドライ回転法を用いた正常に調製が繊維の径は 2 μ m8でだけ。最近では、マイクロ流体湿式紡糸は正常に高強度組換えスパイダー シルク繊維の生産で使用されました。人工繊維9の表面および内部欠陥を改善空気の後回転描画します。
この研究では、国境なき記者団繊維の紡糸改良されたマイクロが登場です。それは家蚕絹、せん断力、及びドライ紡糸紡績ドープを含むの回転プロセスを模倣するように目指しています。この回転メソッドは、高強度人工シルク繊維を作り出すことができるだけでなく、繊維の直径を調整することができますも。まず、ドープを回転国境なき記者団はせん断され第 2 順序の指数関数的減衰で biomimic チャンネルで細長い。第二に、マイクロ ドライ回転プロセス10繊維形態と性質に及ぼす相対湿度 (RH) の影響を調べた。従来回転スピナレットと比較して、マイクロ流体システムは非常に模倣と湿式紡糸法または乾燥による周囲温度でのソリューションから高強度繊維を生成する使用ことができます。
高解像度、高輝度、高エネルギー放射光マイクロ x 線のため直径数 μ m4,11の単一繊維の微細構造の特性評価に使用することができます。,12,13,14します。 ここでは、SR 広角技術は、結晶、結晶子サイズと RSF 線維の配向性の計算に使用されました。
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Protocol
警告: 使用前にすべての関連の製品安全データシートを参照してください。成形品の準備に使用される化学物質のいくつかは、急性毒性です。個人用保護具 (保護メガネ、手袋、白衣、フルの長さのズボン、閉じてつま先の靴) を使用してください
。1 マイクロ RSF 回転水溶液
- 水溶液のドープを回転の RSF の準備 4 , 15 , 16。
- Degumming カイコの 30 分ごとに、100 ° C で
- Degum Na 2 CO 3 水溶液 (水 0.5 wt %) で 2 回 カイコ が繭を繭し、削除する脱イオン水でシルクを洗う、セリシン 。
- ガム繭の解消
- 乾燥空気でガム繭シルク; 1:10 (w/v) 40 ° C で 2 時間の比率は 9.0 M 臭化リチウム水溶液中でガム繭シルクを解散。たとえば、1 グラム絹 ( 図 1 a) あたり 10 mL 臭化リチウムを追加します 。
- Centrifuging とフィルタ リング
- 脱イオン水による 1.5 倍 RSF 溶液を希釈します。遠心分離機、不純物を除去するためのフィルター。1,234.8 x g に 10 分間遠心 4 ° C で 250 mL ボトルで RSF ソリューションは、20 μ m フィルターと真空ポンプを用いた RSF ソリューションをフィルター処理します。ダブル フィルター ペーパー ベッド実験効果を考慮したをお勧めします 。
- Dialyzing
- セルロースの半透膜を利用した 3 日間の 5 ° C で脱イオン水で RSF ソリューションを Dialyze (MWCO: 14,000 ± 2,000)。国境なき記者団のソリューションの容量は約 1 L、4 透析バッグに読み込まれています。これらの透析袋をバケツに入れて、10 L の逆浸透 (RO) で満ちている脱イオン水
。 注: 脱イオン水の pH 値は濃度プロセス中にゲル化を避けるためには、6 より高くなければなりません。脱イオン水の pH がこのプロトコルの調整を必要としない 。
- セルロースの半透膜を利用した 3 日間の 5 ° C で脱イオン水で RSF ソリューションを Dialyze (MWCO: 14,000 ± 2,000)。国境なき記者団のソリューションの容量は約 1 L、4 透析バッグに読み込まれています。これらの透析袋をバケツに入れて、10 L の逆浸透 (RO) で満ちている脱イオン水
- 集中
- 1.0 ミリ モル/g Ca 2 + 最終濃度; 国境なき記者団の解決策に 5 ° c. を追加 3 M CaCl 2 水溶液で強制換気によって 20 wt % 水溶液 RSF を凝縮し、強制空気で集中38 47 wt % へのフロー 。
- スライド ガラスに一滴 RSF ソリューションの重量を量るし、105 のオーブンで 2 時間乾燥 ° C
注: 重量パーセント、残りの固体蛋白質および CaCl 2 の濃度は、乾燥する前にドロップの重量と比較して。国境なき記者団の濃度は、CaCl 2 の質量を控除後派生します。少なくとも 4 繰り返し測定を行った。以前, Ca 2 + 濃度は、レオロジー特性と国境なき記者団の水溶液の曳糸性に大きく影響します。一方、Ca 2 + 添加では、β シートの限定の形成と国境なき記者団 17 凝集を求めるメッセージが表示。ネイティブの回転ドープ CaCl 2 回転前にゲル化を避けるために麻薬を回転の貯蔵の間に重要な役割を果たすことと見なされます。 18
- Degumming カイコの 30 分ごとに、100 ° C で
- マイクロ流体チップの準備 8 , 19
- フォトマスクを準備する
- のマイクロ チャンネルを設計、CAD プログラム。 19 高解像度の透明性を生成する CAD ファイルを印刷します 。
- 金型の準備
- スライド ガラスをクリーニング
- 化学フードで濃硫酸の混合液で 30 巻 % 過酸化水素溶液 (10:1) 20 分間ホット プレート上のガラス スライドを沸騰します
。 注意: 硫酸と過酸化水素蒸気は非常に有毒な 。
- 化学フードで濃硫酸の混合液で 30 巻 % 過酸化水素溶液 (10:1) 20 分間ホット プレート上のガラス スライドを沸騰します
- スライド ガラスを洗う
- 脱イオン水を使用してスライド ガラスを洗浄し、高純度窒素ブローします 。
- 塗膜
- コート コーティング バーの下面とガラスの上面間 100 μ m ギャップでの特注コーティング装置でスライド ガラス上の SU 8 フォトレジスト 。
- スピン コーティング
- 30 40.3 x g でスピン塗布装置を使用して均一な膜を形成するガラス スライド上のフォトレジストを広める s。均一な膜の厚さは約 85 μ m.
- 凝固
- プログラムを制御する温度でオーブンでフォトレジストを固めます。温度を室温から 65 ° C 2 ° C/分に昇格させる 65 ° C 2 分続行で熱 65 の ° C から 95 ° C からを押しながら部屋に自然を 95 ° C 15 分ターン オーブンとクールで押しオーブンで温度 。
- 紫外線露光
- ガラスの側面に 12 の紫外線フォトレジストとスライド公開フォトマスクとして透明度を用いたフォトリソグラフィ 19 s
。 注: 紫外光の波数は 365 nm と照射エネルギー量は 273.6 mJ/cm 2.
注意: はオーブンや紫外線で作業しながら適切な安全措置を取ます 。
- ガラスの側面に 12 の紫外線フォトレジストとスライド公開フォトマスクとして透明度を用いたフォトリソグラフィ 19 s
- 1.2.2.5 の手順で説明するように、フォトレジストを固めるです 。
- 開発途上
- 開発者向け 30 s. 洗浄イソプロパノールおよび開発者は、2 つは、スライド ガラス上の沈殿物がなくなるまで交互にスライド ガラスの超音波フォトレジストをきれいします 。
- プログラムを制御する温度でオーブンでフォトレジストを固めます。温度を常温から 170 ° C で 2 ° C/分に昇格させる押し 30 分ターン オーブンとクールな 170 ° C で当然オーブンで部屋の温度にします 。
- スライド ガラスをクリーニング
- ソフト ・ リソグラフィー
- 金型と 65 ° C で 30 分間の治療上 8.8 g 液体ポリジメチルシロキサン (PDMS) 前ポリマーを注ぎ、80 ° c. 液体 PDMS 前ポリマーで 15 分は、PDMS と硬化剤 (通常は 10:1 (w/w) で構成されています 。
- パンチ
- ドリルによって、チャネルの先頭に PDMS レプリカに穴をパンチします。ドリルの直径は 1.2 mm です 。
- シール
- 2 つの PDMS 層表面に酸素プラズマ処理によるパターンがないフラット PDMS 層へのチャネルに PDMS レプリカをシールします
。 注: チップの準備プロセス全体は約 72 h
- 2 つの PDMS 層表面に酸素プラズマ処理によるパターンがないフラット PDMS 層へのチャネルに PDMS レプリカをシールします
- フォトマスクを準備する
- 作製の RSF 繊維
- 回転して麻薬の注射
- 注入シリンジ ポンプで 2 μ L/分でマイクロに麻薬を回転 RSF 。
- 環境規制
- 40 ± 5 に相対湿度を調整する RH % または 50 ± 5 %rh の加湿器を使います。常温 40 ± 5% として紡糸繊維凝固に比べ 50 ± 5 %rh 。
- 国境なき記者団の生産繊維
- マイクロ流路の出口にピンポイントで RSF ドロップをタッチ、空気中に RSF 繊維を描画し、その後 ( 図 1b 3 cm/秒の速度で 10 cm エアー ギャップをローラーの上にリール).
- 24 時間の密封されたデシケータで RSF 繊維を格納
- 繊維後処理
- に描画として紡糸繊維 4 回 80 vol % エタノで 0.9 mm s -1特注マシンと描かれた繊維を見続ける l ソリューションは固定、1 h のためのソリューションで繊維を浸します。この治療のため、繊維の長さは当初 15 mm から 60 mm に変更されました 。
- 特性評価用サンプルを準備する
- 紙フレームに 10 mm ゲージ長さでポスト処理繊維を固定します。少なくとも 20 の繊維は、引張試験、SEM、FTIR、広角でを含む測定の必要性です。 図 1 は、10 μ m に 5 から後描かれた繊維の範囲の直径は、繊維の生産および広角の特性の概略図を示しています。国境なき記者団繊維の機械的性質は、材料試験装置 (25 ± 2) ° C と (45 ± 5) % 相対湿度によって検討しました。拡張レートし、ゲージ長 2 mm/分と 1 cm であった 。
- 回転して麻薬の注射
2。放射特性の結晶構造の RSF 繊維
- 放射特性 4 , 13 , 17
- ビームライン
- の調整は、それぞれ波長 x 線と 0.07746 の nm と 3 x 2 μ m 2、スポット サイズを調整します
。 メモ: プロトコルは上海のシンクロトロン放射光施設で BL15U1 ビームラインを使用して実行されます 。
- の調整は、それぞれ波長 x 線と 0.07746 の nm と 3 x 2 μ m 2、スポット サイズを調整します
- X 線のスポットの場所
- x 線のスポットの場所を検索します
。 注: シンクロトロン放射光施設で検査技師による x 線のスポットの位置を調節します 。
- x 線のスポットの場所を検索します
- 標準試料の評価: 二酸化セリウム (CeO 2)
- 標準サンプル CeO 2 粉末をテストします。円の中心およびサンプルから検出器までの距離を計算する特徴付けられた CeO 2 粉 。
- 試料調製
- 紙フレームに互いと並行して 10 mm ゲージと RSF フィラメントを修正します。テスト段階で紙フレームに接着します
。 注: は、繊維を水平に保ちます 。
- 紙フレームに互いと並行して 10 mm ゲージと RSF フィラメントを修正します。テスト段階で紙フレームに接着します
- SR 広角のテスト
- シャッターを開く
- 部屋で人がないことを確認した後共用ビーム ステーションのドアを閉じます。X 線ビーム源のシャッターを開く 。
- 中心
- 少しがフォーカスされるまでの繊維を移動します。X、y、z 方向 ( 図 1 c) ソフトウェアを介してリモートに沿って光ファイバーの位置を調整します 。
- 露出のサンプル
- 上下繊維リモート ソフトウェアを介してそれは x 線のスポットまで。20 x 線ビームラインに繊維を公開するソフトウェアのスタート ボタンを押します ( 図 1 c) s.
- 回折の背景
- ソフトウェアを介してリモートで 20 s. 移動 x 線のスポットから繊維の露光時間と空気背景の回折をテストします。プレス、" 開始 " に x 線ビームラインを公開するソフトウェアのボタン " 空気中 " 20 の s.
- シャッターを開く
- ビームライン
- SR 広角データ処理 13
- ソフトウェアのキャリブレーション
- FIT2D (V12.077) を用いた広角データを処理します。円の中心とのサンプル-検出 CeO 2 粉末回折データを用いた距離調整します 。
- 2 D 回折パターン
- FIT2D (V12.077) を使用して繊維の回折パターンから空気背景を減算します 。
- 結晶化度と結晶子サイズ
- 散乱角 2 θ の関数としての回折強度を統合します。自動ピーク分離ソフトウェア (バージョン 4.12) 12 強度統合のデコンボリューションを実行します。C、x、結晶化度の関係から推定された:
、どこで私 c は結晶のピークの積分強度の合計 アモルファス ヘイロー 4 , 11 の統合の強さです。広角パターンの統合 [200] のピーク幅を示した、[020] [002] 反射。これらのピークの半値幅は、に沿って結晶子サイズを決定に使用された、b、および c 軸シェラーを使用して ' s 式 4 。
- 散乱角 2 θ の関数としての回折強度を統合します。自動ピーク分離ソフトウェア (バージョン 4.12) 12 強度統合のデコンボリューションを実行します。C、x、結晶化度の関係から推定された:
- 、配向の測定
- 、結晶の向きを計算して、ピーク 11 (020) の方位角の統合および (210) によると非晶質。ハーマンによると結晶の配向性を定量的計算できます ' s 向き。ここでは、両方の (020) (210) のピークは、2 つのガウス機能装備があったとします。狭いものは、結晶方位と指向の非晶質材料 13 他のより広範なもの。ここでは、RSF 繊維の結晶方位は方位統合 (002) ピークの半値幅の全幅を使用して比較した 。
- ソフトウェアのキャリブレーション
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Representative Results
国境なき記者団の高強度繊維は、紡糸法マイクロを使用して正常に生産されました。応力-ひずみ曲線と伸ばされた国境なき記者団繊維 C44R40 の SEM 像は図 2のとおりです。少なくとも 10 の繊維は、引張試験で測定しました。応力-ひずみ曲線は、繊維の破断応力の平均値によると選ばれました。繊維の広角データは図 3のとおりです。広角のデータによると結晶性と配向性を求めた。サンプル指定回転ドープと相対湿度 (RSF) の濃度をそれぞれ提示する C と R を用いてください。たとえば、繊維 40 ± 5 %rh に指定された C44R40 は、抽選割合 4 で描かれた後で 44 wt %rsf 回転ドープから紡いだ他の繊維は、同じ説明によると C44R50、C47R40、C47R50 と変更されました。
図 1:繊維の生産と構造特性のスケマティック。(、) 国境なき記者団の準備ソリューション、(b) のマイクロ流体紡糸過程 RSF 繊維、国境なき記者団単繊維 (c) シンクロトロン放射光実験のセットアップ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2:処理後の国境なき記者団繊維の応力-ひずみ曲線です。挿入は、C44R40 の SEM 像を示しています。スケール バー = 10 μ m。この図は、10から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: 処理後の国境なき記者団繊維の SR 広角データ。(A) 2 次元広角パターン処理後の RSF の単一繊維: (、) C44R40、C44R50、C47R40、C47R50、(d) (c) (b) と (B) ガムB. 森絹;(C) 1 次元広角データの RSF 繊維をポスト処理し、ガムB. 森のシルクは、ピーク ・ デコンボリューション (D) で行われました。この図は、参照10から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
RSF ソリューションの透析中に pH 値は次の濃度処理にとって重要です。脱イオン水の pH 値が 6 よりも小さい場合、RSF ソリューションはゲル濃度プロセスの間に容易になります。ゲル化を避けるためには、CaCl2は、国境なき記者団のソリューションに追加されます。CaCl2の濃度は、国境なき記者団の重量あたり 1 モルです。
我々 の以前の仕事は、国境なき記者団水溶液8マイクロ ドライ回転の可能性を示した。マイクロ流路の形状はシンプルな単段指数関数だった。蜘蛛や蚕、回転 dopes 下ろされていた描画繊維形成1,20の前に、2 段指数回帰回転ダクトを通じてここでは、マイクロ流路の形状はカイコ回転ダクト1の 2 番目の順序指数関数的減衰関数を模倣して設計されました。Microfluidic チャネルの幅は 265 μ m のターミナルの幅に 2,065 μ m の幅の初期値から減少し、伸長チャネルの長さは 21.5 mm。前回の記事で描かれた国境なき記者団繊維の径は 2 μ m だったしたがって、国境なき記者団のスレッドの束は、機械試験、構造解析8使用されなければならなかった。
実験は、国境なき記者団濃度と相対湿度影響直径と乾式紡糸プロセスにおける RSF 線維の微細構造を示しています。相対湿度 40% でスピン RSF 繊維はより大きな直径と繊維 50 %rh でスピンよりもより多くの結晶構造を示しています。ただし、繊維 50 %rh でスピン、40 %RH でスピンより高い結晶方位です。結果は、異なる湿度での水の蒸発速度に関連する可能性があります。40 %RH での水の蒸発率が高い分子間相互作用が向上し、固体の絹繊維にゾル-ゲルから絹フィブロインの高速相転移を容易に。相対湿度 50% での水のより低い蒸発速度は凝固の繊維に残留水のより高い内容につながります。小さな分子潤滑油として水絹フィブロインの向きを容易と細かい繊維に引き伸ばされて部分的に凝固の繊維になります。このプロセスは、ネイティブの紡績過程における絹繊維の形成に影響を与える水を理解するのに役立ちます。
処理後の国境なき記者団繊維の機械的性質は、ガム シルク4のそれらより優れています。治療後の後繊維の結晶性は大幅に増加しました。処理後の国境なき記者団繊維の半値幅として紡糸繊維のより小さいです。それは、その後治療向上光軸方向の結晶の向きを示します。しかし、後処理プロセスの複雑さは、国境なき記者団高強度繊維の大量生産を制限します。
従来スピナレットと比較して、マイクロ流路は自然の絹糸腺の形状を模倣する最適です。一方、マイクロ流体回転は優れた機械的性質9組換えクモの糸の生成に使用されました。せん断と伸張のセクションは、アセンブリとタンパク質分子と線維の方向を誘導するためにマイクロ流体回転チップに統合されていた。したがって、マイクロ流体回転ソリューションから他の合成繊維と同様に、パフォーマンスの高い動物の絹の生産に有望であります。紡糸法マイクロ フィラメントを作り出すことができるしかし、人工繊維の高生産をできることができません。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
この作品は中国の国家自然科学基金 (21674018)、キー研究と開発中国プログラム (2016YFA0201702/2016YFA0201700) と上海教育開発でサポートされている「曙光プログラム」主催財団と上海市教育委員会 (15SG30)、デュ区別若い教授プログラム (A201302)、中央大学と 111 プロジェクト (No.111-2-04) のための基礎的研究資金です。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| B. mori Cocoons | Farmer in Tongxiang, Zhejiang Province, China | ||
| Sodium carbonate, anhydrous, 99.8% | Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co., Ltd., China | Analytically Pure | |
| Lithium bromide, 99.1% | Shanghai China Lithium Industrial Co., Ltd., China | Analytically Pure | |
| Calcium chloride, anhydrous, 96.0% | Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co., Ltd., China | Analytically Pure | |
| Ethanol, anhydrous, 99.7% | Sinopharm Group Chemical Reagent Co.,Ltd., China | 10009218 | Analytically Pure |
| SU-8 photoresist | MicroChem Corp., USA | ||
| Developing solution | MicroChem Corp., USA | ||
| Sylgard 184 | Dow Corning, USA | ||
| Isopropanol | Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co., Ltd., China | Analytically Pure | |
| Concentrated sulfuric acid | Pinghu Chemical Reagent Factory, China | Analytically Pure | |
| 30 vol% hydrogen peroxide | Shanghai Jinlu Chemical reagent Co., Ltd., China | Analytically Pure | |
| Acetone | Shanghai Zhengxing Chemical Reagent Factory, China | Analytically Pure | |
| Oxygen plasma treatment | DT-01, Suzhou Omega Machinery Electronic Technology Co., Ltd., China | ||
| Syringe pump | KD Scientific, USA | KDS 200P | |
| Humidifier | SEN electric | ||
| Driller | Hangzhou Bo Yang Machinery Co., Ltd., China | bench drilling machine Z406c | |
| Material testing system | Instron, USA | Model: 5565 | |
| PeakFit | Systat Software, Inc., USA | Version 4.12 |
References
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