Summary
פרוטוקול microfluidic ספינינג, מיקרו אפיון מחדש fibroin משי monofilament מוצג.
Abstract
הפרוטוקול מדגימה שיטה לחקות את תהליך ספינינג silkworm. בתהליך ספינינג מקורית, צינור ספינינג קבלנות מאפשר את החלבונים משי להיות קומפקטי, שהוזמנו על ידי הטיית וכוחות התארכות. כאן, ערוץ microfluidic הביוני תוכנן כדי לחקות את הגיאומטריה ספציפי של ההדבקה ספינינג של ה-silkworm. Fibroin משי מחדש (RSF) מסתובב מסטול עם הריכוז הגבוה, היה extruded דרך microchannel כדי יבש-ספין סיבים-טמפרטורת החדר ובלחץ. בתהליך שלאחר טיפול, הסיבים שמשמיע כמו היו נמשכים ומאוחסנים בתמיסה המימית אתנול. סינכרוטרון קרינת רנטגן רחבת זווית עקיפה (SR-WAXD) טכנולוגיה שימש לחקור את מיקרו של סיבי RSF יחיד, אשר היו קבוע כדי בעל מדגם עם הציר סיבים RSF נורמלי microbeam צילומי הרנטגן. Crystallinity, crystallite הגודל והכיוון הגבישי של סיבי חושבו מתוך הנתונים WAXD. הקשתות עקיפה בסמוך לקו המשווה של התבנית WAXD דו-ממדית מציינים כי סיבים RSF שלאחר טיפול יש תואר אוריינטציה גבוהה.
Introduction
עכביש, silkworm יכול לייצר סיבי משי מצטיין מהפתרון חלבון מימית-טמפרטורת החדר ובלחץ. ההטיה, הארכת זרימה יכול לגרום להיווצרות של גביש נוזלי מרקם בלוטת משי1. בשנים האחרונות חלה התעניינות רבה מחקה את התהליך ספינינג של העכביש על מנת לייצר סיבים מלאכותיים חוזק גבוה. עם זאת, כמויות גדולות של חלבוני משי עכביש לא יכול להיות מיוצר יעילות וחיסכון על ידי חקלאות עכבישים עקב אכילת בשר אדם. כמויות ניכרות של משי silkworm ניתן להשיג בקלות על ידי חקלאות. אחרת, silkworm עכביש יש דומה ספינינג תהליך ושל חומצות אמינו קומפוזיציה. לכן, fibroin משי silkworm נבחר כתחליף לסובב משי מלאכותי בבעלי חיים על ידי חוקרים רבים.
עכביש, silkworm הבלטת חלבון פתרון באמצעות צינור ספינינג שלהם לתוך סיב באוויר. כוחות לחץ נפשי שנוצר לאורך התעלה ספינינג סביר למתוח מולקולות fibroin משי קונפורמציה מורחב יותר2. משי מלאכותי סיבי נטוו באמצעות המסתובבים הרגילים רטוב יבש-ספינינג תהליכים3,4, אשר לא עשה חשבון כוחות נוזל שנוצר בצינור ספינינג.
ראשית, גישות microfluidic שימשו כדי לחקור את מכלול של חלבוני משי5,6. לאחר מכן, ייצור microfluidic של RSF נחקר באמצעות מידול את ההטיה, הארכת כוחות7,8. מודולוס של יאנג וקוטר RSF סיבים ניתן לכוונן לפי ספינינג רטוב microfluidic, אך חוזק מתיחה של סיבים מצוירות MPa פחות מ-1007. לבסוף, חוזק גבוה RSF סיבי הוכנו בהצלחה באמצעות השיטה יבש-ספינינג microfluidic, אבל הקוטר של סיבי הוא רק 2 מיקרומטר8. לאחרונה, ספינינג רטוב microfluidic שימש בהצלחה בייצור של סיבי משי עכביש רקומביננטי חוזק גבוה. הציור ספינינג שלאחר באוויר משופרת על פגמיו משטח ופנימיים של סיבים מלאכותיים9.
במחקר זה, הוא הציג את microfluidic משופר ספינינג תהליך סיבים RSF. הוא שואף לחקות את תהליך ספינינג silkworm משי, כולל ספינינג, הסמים, הטיית הכוחות ותהליך יבש-ספינינג. שיטה זו ספינינג לא רק יכול לייצר סיבי משי מלאכותי חוזק גבוה, אלא גם יכול להתאים הקוטר של הסיבים. ראשית, RSF ספינינג סמים לכסנתם, מוארך בערוץ biomimic עם דעיכה מעריכית הסדר השני. שנית, השפעותיהם של לחות יחסית (RH) על מורפולוגיה סיבים ועל מאפייני נחקרו על תהליך יבש-ספינינג microfluidic10. בהשוואה ל- spinneret המסתובבים הרגילים, שלנו microfluidic המערכת מאוד ביונים, יכול לשמש כדי לייצר סיבי חוזק גבוהה מפתרונות בטמפרטורת הסביבה על ידי בסאונה היבשה או רטוב ספינינג בשיטה.
עקב ברזולוציה גבוהה, בהירות, אנרגיה גבוהה של microfocus סינכרוטרון קרינת רנטגן, זה יכול לשמש כדי לאפיין את מיקרו של סיבים יחיד בקוטר של מיקרומטר מספר4,11 , 12 , 13 , 14. כאן, SR-WAXD טכניקה השתמשו כדי לחשב את crystallinity, crystallite גודל וכיוון הגבישי של סיבי RSF.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
אזהרה: נא עיין גליונות נתונים בטיחות חומרים רלוונטיים כל לפני השימוש. כמה מן הכימיקלים שמשתמשים בהם בהכנת המכייר רעילים בחריפות. נא להשתמש ציוד מגן אישי (בטיחות משקפיים, כפפות, חלוק המעבדה, באורך מלא מכנסיים ונעליים סגורות).
1-Microfluidic ספינינג של RSF תמיסה מימית
- הכנה של RSF מימית ספינינג סמים 4 , 15 , 16
- Degumming של silkworm קוקון
- Degum טוואי המשי הפקעות פעמיים ב נה 2 CO 3 מימית פתרונות (0.5% wt במים) ב 100 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות, ולאחר מכן לשטוף את המשי עם מים יונים כדי להסיר sericin.
- Dissolving של קוקון silkworm degummed גסה
- לייבש את הבדים קוקון degummed גסה באוויר; ואז לפזר את הבדים קוקון degummed גסה ב תמיסה מימית LiBr 9.0 מ' עם יחס של 1:10 (w/v) ב 40 מעלות צלזיוס במשך שעתיים. לדוגמה, הוסף 10 מ"ל LiBr לכל 1 גרם משי ( איור 1 א').
- Centrifuging וסינון
- לדלל את הפתרון RSF פי 1.5 על ידי מים יונים. צנטריפוגה וסינון כדי להסיר זיהומים. צנטריפוגה הפתרון RSF בבקבוקי 250 מ ל- 4 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות ב ג x 1,234.8 לסנן את הפתרון RSF באמצעות מסנן 20 מיקרומטר משאבת ואקום. מיטה נייר סינון כפול עדיפה בהתחשב באפקט ניסויים.
- Dialyzing
- Dialyze הפתרון RSF במים יונים ב 5 מעלות צלזיוס במשך 3 ימים באמצעות ממברנה חדירה תאית (MWCO: 14,000 ± 2,000). הנפח הכולל של פתרון RSF הוא כ- 1 ליטר, נטען ב- 4 שקיות הדיאליזה. שימו את התיקים דיאליזה אלה בדלי, אשר מלא 10 L אוסמוזה הפוכה (RO) יונים מים.
הערה: ערך ה-pH של מים יונים צריך להיות גבוה יותר מאשר 6, כדי להימנע gelation במהלך תהליך ריכוז. ה-pH של מים יונים לא מחייבים התאמה עבור פרוטוקול זה.
- Dialyze הפתרון RSF במים יונים ב 5 מעלות צלזיוס במשך 3 ימים באמצעות ממברנה חדירה תאית (MWCO: 14,000 ± 2,000). הנפח הכולל של פתרון RSF הוא כ- 1 ליטר, נטען ב- 4 שקיות הדיאליזה. שימו את התיקים דיאליזה אלה בדלי, אשר מלא 10 L אוסמוזה הפוכה (RO) יונים מים.
- Concentrating
- להתרכז על ידי אוויר מאולץ אז צופף הפתרון מימית RSF כדי 20 wt % זרימת אוויר מאולץ-תמיסה מימית של 5 ° C. להוסיף 3 מ' CaCl 2 לתוך הפתרון RSF כדי 1.0 mmol/g Ca 2 + ריכוז סופי; זרימה wt 38-47%.
- שוקלת טיפה אחת של פתרון RSF על משטח זכוכית, ואז לייבש אותו כבר שעתיים בתנור 105 מעלות צלזיוס
הערה: משקל האחוזים הנותרים מוצק לעומת המשקל של הירידה לפני הייבוש הוא ריכוז מוחלט של חלבון ו- CaCl 2. ריכוז RSF נגזר לאחר ניכוי של המסה של CaCl 2. לפחות ארבעה חזר מדידות בוצעו. שלנו מחקרים קודמים הראו כי הריכוז של Ca 2 + השפיעה מאוד את מאפייני rheological ואת spinnability של פתרונות מימית RSF. בינתיים, התוספת של Ca 2 + גרם להיווצרות מוגבלת של β-גיליון והן הצבירה של RSF 17. סם ספינינג מקורית, נחשב CaCl 2 כדי לשחק תפקיד חשוב במהלך האחסון של ספינינג סמים כדי להימנע gelation לפני ספינינג. 18
- Degumming של silkworm קוקון
- הכנת צ'יפס microfluidic 8 , 19
- הכנת photomask
- עיצוב המיקרו-הערוץ ב התיב ם. להדפיס קובץ CAD לייצר שקיפות ברזולוציה גבוהה 19.
- מכינים את התבנית
- ניקוי השקופית זכוכית
- בשכונה כימי, מרתיחים את השקופית זכוכית הפתרון מעורבות של חומצה גופרתית מרוכזת, 30 vol % מימן על-חמצני פתרון (10:1) במשך 20 דקות על פלטה חמה.
התראה: חומצה גופרתית, חמצן ואדים רעילים מאוד.
- בשכונה כימי, מרתיחים את השקופית זכוכית הפתרון מעורבות של חומצה גופרתית מרוכזת, 30 vol % מימן על-חמצני פתרון (10:1) במשך 20 דקות על פלטה חמה.
- לרחוץ את השקופית זכוכית
- לרחוץ את השקופית זכוכית באמצעות מים יונים, ולפוצץ יבש עם חנקן טוהר גבוהה.
- הסרט ציפוי
- להרגיע את photoresist SU-8 על השקופית זכוכית על-ידי התקן שהותקן ציפוי עם פער של 100 מיקרומטר בין המשטח התחתון של הבר ציפוי המשטח העליון של זכוכית-
- ספין ציפוי
- להפיץ את photoresist על השקופית זכוכית כדי ליצור סרט אחיד באמצעות coater ספין ב 40.3 x g עבור 30 s. העובי של הסרט אחיד הוא כ-85 מיקרומטר.
- התמצקות
- לחזק את photoresist בתוך תנור עם חום שליטה התוכנית. לרומם את הטמפרטורה בטמפרטורת החדר עד 65 ° C-2 ° C/min ו- 65 ° C עבור 2 דק המשך לחום מ- 65 ° C עד 95° C ולאחוז ב 95 מעלות צלזיוס במשך 15 דקות להפוך התנור, מגניב באופן טבעי לחדר הטמפרטורה בתנור.
- סגול בהיר חשיפה
- וחושפים הצד של זכוכית להחליק עם photoresist האור האולטרה סגול 12 s באמצעות השקיפות כפי photomask על ידי פוטוליתוגרפיה 19.
הערה: מספר גל של האור האולטרה סגול הוא 365 nm והאנרגיה החשיפה היא mJ/ס מ 273.6 2.
התראה: לקחת אמצעי בטיחות נאותים בעת עבודה עם אור UV ואת התנור.
- וחושפים הצד של זכוכית להחליק עם photoresist האור האולטרה סגול 12 s באמצעות השקיפות כפי photomask על ידי פוטוליתוגרפיה 19.
- לחזק את photoresist כפי שמתואר בשלב 1.2.2.5.
- מתפתחות
- לנקות את photoresist ultrasonically בתמיסה מפתח עבור 30 ס' לשטוף השקופית זכוכית על-ידי אלכוהול איזופרופיל ומפתח, לסירוגין בין השניים, עד שיש אין משקעים בשקופית זכוכית-
- לחזק את photoresist בתוך תנור עם חום שליטה התוכנית. לרומם את הטמפרטורה בטמפרטורת החדר עד 170 ° C ב- 2 ° C/דקה והחזק ב 170 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות להפוך התנור, מגניב טבעי לטמפרטורת החדר בתנור.
- ניקוי השקופית זכוכית
- ליתוגרפיה רך
- שופכים 8.8 g פולימר נוזלי polydimethylsiloxane (PDMS) מראש העובש ואת התרופה למשך 30 דקות ב 65 ° C, ו- 15 דקות ב- 80 ° C. PDMS נוזלי קדם פולימר מורכב PDMS וסוכן ריפוי (בדרך כלל 10:1 (w/w)).
- החבטות
- אגרוף חור המשוכפל PDMS בהתחלה של הערוץ לפי הנוהל. הקוטר של התרגיל הוא 1.2 מ מ.
- איטום
- לאטום את העותק המשוכפל של PDMS עם הערוץ לשכבת PDMS שטוח ללא תבנית על-ידי טיפול פלזמה חמצן על המשטחים של שתי השכבות PDMS.
הערה: תהליך הכנה הכוללת של השבב לוקח בערך 72 ה'
- לאטום את העותק המשוכפל של PDMS עם הערוץ לשכבת PDMS שטוח ללא תבנית על-ידי טיפול פלזמה חמצן על המשטחים של שתי השכבות PDMS.
- הכנת photomask
- פבריקציה נוספת של RSF סיבים
- הזרקה של ספינינג סמים
- להזריק את RSF ספינינג סמים לתוך microchannel ב µL 2/דקה על ידי מזרק משאבה.
- הסביבה תקנה
- להתאים את הלחות היחסית כדי 40 ± 5% לחות יחסית או 50 ± 5% לחות יחסית באמצעות מכשיר לחות. ב- 40 RH ± 5%, כמו שמשמיע סיבים פני השטח למוצק במהירות רבה יותר מאשר 50 ± 5 RH %-
- הפקה של RSF סיבים
- לגעת הירידה RSF על ידי מדויק משקע החשמל של הערוץ microfluidic לצייר RSF סיבים לאוויר, אז תגלגל אותו על גלגלת דרך פרצה ס מ-10 אוויר במהירות של 3 ס"מ/s ( איור 1b ).
- אחסן הסיבים RSF desiccator חתומה על ה 24
- סיבים שלאחר הטיפול
- לצייר את הסיבים שמשמיע כמו 4 פעמים ב s מ מ -1 ב- 80 vol % ethano פתרון על-ידי המכונה לפי הזמנה ולאחר מכן לשמור סיבים מצוירות קבוע, לטבול את הסיבים בפתרון מאובטח. בגלל טיפול זה, אורך הסיבים מ"כיכר במקור 15 מ מ 60 מ מ.
- הכנת המדגם אפיון
- לתקן את הסיבים שלאחר שטופלו על מסגרת נייר באורך 10-מ מ מד. סיבי לפחות 20 הם הצורך המדידה, כולל בדיקת מתיחה, SEM, FTIR ו WAXS. הקוטר של הטווח סיבים שלאחר נמשך בין 5 ל- 10 מיקרומטר. איור 1 מראה התרשים של סיבים ייצור ואפיון WAXD. תכונות מכניות של הסיבים RSF נבחנו על-ידי מערכת בדיקות גשמי-(25 ± 2) ° C (45 ± 5) % לחות יחסית. הסיומת לדרג ולהערכת אורך היו 2 מ"מ/min ו- 1 ס מ, בהתאמה.
- הזרקה של ספינינג סמים
2. סינכרוטרון קרינה אפיון של גבישי מבנה של RSF סיבים
- קרינה סינכרוטרון אפיון 4 , 13 , 17
- ההתאמה של הפרעות לקרן החלקיקים
- להתאים את אורך הגל של צילומי רנטגן, בגודל נקודה 0.07746 ננומטר, 3 x 2 מיקרומטר 2, בהתאמה.
הערה: הפרוטוקול מתבצעת באמצעות הפרעות לקרן החלקיקים של BL15U1 במתקן קרינה סינכרוטרון שנגחאי.
- להתאים את אורך הגל של צילומי רנטגן, בגודל נקודה 0.07746 ננומטר, 3 x 2 מיקרומטר 2, בהתאמה.
- המיקום של נקודת צילום רנטגן
- למצוא את המיקום של הנקודה רנטגן.
הערה: המיקום של הנקודה רנטגן מכוון על ידי הטכנאי במעבדה במתקן קרינה סינכרוטרון.
- למצוא את המיקום של הנקודה רנטגן.
- בדיקה של מדגם רגיל: דו תחמוצת Cerium (מנכ ל 2)
- מבחן אבקה 2 מנכ ל מדגם רגיל. האבקה 2 מנכ ל התאפיינה לחישוב למרכז המעגל ואת המרחק הדגימה הגלאי.
- לטעום הכנה
- לתקן את חוטים RSF במקביל אחד עם השני על המסגרת נייר באורך מד 10 מ מ. הדבק את המסגרת נייר על הבמה בדיקות.
הערה: לשמור על הסיבים אופקיים.
- לתקן את חוטים RSF במקביל אחד עם השני על המסגרת נייר באורך מד 10 מ מ. הדבק את המסגרת נייר על הבמה בדיקות.
- SR-WAXD בדיקת
- לפתוח את התריס
- לסגור את הדלת של התחנה הפרעות לקרן החלקיקים לאחר בדיקה שאין אין אנשים בחדר. לפתוח את התריס של מקור קרן רנטגן.
- התמקדות
- להעביר סיבים מעט עד בפוקוס. להתאים את המיקום של סיבים לאורך x, y, z כיוון מרחוק באמצעות תוכנה ( איור 1 ג).
- לטעום חשיפה
- להזיז הסיבים למעלה ולמטה מרחוק באמצעות תוכנה, עד שזה על המקום רנטגן. לחצו על לחצן start על התוכנה כדי לחשוף את סיבים הפרעות לקרן הרנטגן החלקיקים 20 s ( איור 1 ג).
- רקע עקיפה
- בדיקה עקיפה של רקע אוויר עם הזמן חשיפה של המהלך ס' 20 הסיבים מן המקום רנטגן מרחוק באמצעות תוכנה. הקש " התחלה " לחצן על התוכנה כדי לחשוף את הפרעות לקרן החלקיקים רנטגן כדי " אוויר בינוני " עבור 20 ס
- לפתוח את התריס
- ההתאמה של הפרעות לקרן החלקיקים
- עיבוד נתונים SR-WAXD 13
- תוכנת כיול
- לעבד נתונים WAXD באמצעות FIT2D (V12.077). לכייל את מרכז המעגל ולמרחק של הדגימה כדי-הגלאי באמצעות הנתונים עקיפה של האבקה 2 מנכ ל.
- תבנית עקיפה 2-D
- להחסיר את הרקע אוויר מהרשימה תבנית עקיפה של סיבים באמצעות FIT2D (V12.077).
- Crystallinity וגודל crystallite
- לשלב את עוצמת עקיפה כפונקציה של פיזור זווית 2θ. לבצע deconvolution של שילוב עוצמת-שיא אוטומטיות ההפרדה התוכנה (גירסה 4.12) 12. מידת crystallinity, x, c, היה מוערך מן היחס:
, איפה אני c הוא הסכום של עוצמות משולב של הפסגות גבישי ואני זה את העוצמה משולב של הילה אמורפי 4 , 11. השילוב של הדפוסים WAXD הראה את רוחב שיא [200], [020], השתקפויות [002]. FWHM הפסגות הללו שימשו כדי לקבוע את גודלו crystallite לאורך a, b ו- c צירים באמצעות Scherrer ' s נוסחה 4.
- לשלב את עוצמת עקיפה כפונקציה של פיזור זווית 2θ. לבצע deconvolution של שילוב עוצמת-שיא אוטומטיות ההפרדה התוכנה (גירסה 4.12) 12. מידת crystallinity, x, c, היה מוערך מן היחס:
- קביעה של אוריינטציות crystallite
- לחשב את כיווני של crystallite ואת אמורפי לפי שילובי azimuthal של (020) (210) פסגות 11. ניתן לחשב את הכיוון גבישי באופן כמותי על-פי הרמן ' s התמצאות. הנה, שני (020) (210) פסגות היו מצויד עם שתי פונקציות לפי עקומת גאוס. הצרה היא לאוריינטציה גבישי והוא השני רחבה עבור חומרים אמורפיים 13 מונחה. . הנה, הכיוונים crystallite RSF סיבים הושוו באמצעות לכל רוחב חצי מקסימום (FWHM) של פסגות azimuthal שילובים (002).
- תוכנת כיול
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
חוזק גבוה RSF סיבי יוצרו בהצלחה באמצעות microfluidic של ספינינג בשיטה. עקומות לחץ-זן תמונות SEM של סיבי RSF מתוח C44R40 מוצגים באיור2. סיבי לפחות 10 נמדדו בבדיקת מתיחה. מתח-זן עקומות נבחרו לפי הערך הממוצע של שבירת לחץ ומתח של סיבים. הנתונים WAXD של סיבי מוצגים באיור3. Crystallinity וכיוון גבישי חושבו על-פי הנתונים WAXD. עבור מדגם ייעוד, אנו משתמשים C ו- R כדי להציג את ריכוז RSF הסם סחרור, והלחות היחסית, בהתאמה. לדוגמה, הסיבים טוו מ 44 wt % RSF ספינינג סמים ב 40 ± 5% לחות יחסית ומופיע C44R40, אשר צוייר שלאחר ביחס צייר של 4. סיבים אחרים שונה כמו C44R50, C47R40, C47R50 על פי אותו תיאור.
איור 1: סכמטי של סיבים ייצור ומבנה האפיון. microfluidic () הכנה של RSF פתרון, (b) מסתובב תהליך של סיבי RSF, הגדרת הניסוי סינכרוטרון קרינה (c) של סיב יחיד RSF. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2: עקומות לחץ-זן של סיבי RSF שטופלו פוסט- הוספה מציגה תמונת SEM של C44R40. סרגל קנה מידה = 10 מיקרומטר. איור זה השתנה מ-10. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3: SR-WAXD נתונים של סיבי RSF שטופלו פוסט- (א) שני מימדים WAXD דפוסי RSF שלאחר טיפול יחיד סיבים: () C44R40, (b) C44R50, (ג) C47R40, (ד) C47R50, ו- (B) degummed גסה מורי דרב משי; (ג) אחד הנתונים WAXD תלת-ממדי של פוסט-סיבים RSF ובא degummed גסה מורי דרב משי, אשר נערך בשיא deconvolution (D). איור זה השתנה בין התייחסות10. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
במהלך הדיאליזה של הפתרון RSF, ערך pH הוא קריטי עבור תהליך ריכוז הבא. אם ערך ה-pH של המים יונים הוא קטן יותר מאשר 6, הפתרון RSF יהיה קל יותר להתחבר במהלך תהליך ריכוז. כדי להימנע gelation, CaCl2 נוסף הפתרון RSF. ריכוז CaCl2 הוא mmol 1 לכל כובד RSF.
העבודות הקודמות שלנו הוכיח את האפשרות של microfluidic יבש-ספינינג של תמיסה מימית RSF8. הגיאומטריה של תעלת microfluidic היה פונקציה מעריכית פשוטה יחיד בשלב. ' עכביש ' silkworm, ספינינג המפגרים הורדו לצייר באמצעות צינור ספינינג רגרסיה מעריכי בשני שלבים לפני סיבים היווצרות1,20 . הנה, הגיאומטריה של תעלת microfluidic תוכנן על ידי מחקה הסדר השני דעיכה מעריכית הפונקציה silkworm ספינינג צינור1. רוחב התעלה microfluidic מקטין מ רוחב הראשונית מיקרומטר 2,065 רוחב מסוף של 265 מיקרומטר, אורך התעלה התארכות 21.5 מ מ. במאמר הקודם, היה הקוטר של סיבים RSF נמשך 2 מיקרומטר. לפיכך, צרור של חוטי RSF היה צריך לשמש כדי להפוך את הבדיקה מכני אפיון מבנה8.
הניסוי מראה כי ריכוז RSF והלחות היחסית להשפיע על קוטר ועל מיקרו של סיבי RSF בתהליך ספינינג יבש. סיבים RSF טוו ב 40% RH מראה בקוטר גדול יותר מבנים גבישיים יותר סיבים טוו ב- 50% לחות. אולם, סיבים טוו ב- 50% לחות יש כיוון גבישי גבוה יותר מזה טוו ב 40% לחות. התוצאות קשורות המחירים אידוי של מים על humidities שונים. שיעור גבוה יותר של אידוי של מים על 40% RH משפר את האינטראקציות התפלגות ומקל על מעבר פאזה מהיר של משי fibroin של סול-ג'ל כדי מוצק סיבי משי. קצב אידוי נמוך יותר של מים ב- 50% לחות מוביל התוכן גבוה יותר שאריות במים סיבים הקרושה. כחומר סיכה מולקולרי קטן, המים מקלה את כיוון fibroin משי ו סיבים הקרושה חלקית כדי למתוח את סיבי עדינה יותר. תהליך זה מסייע לנו להבין כיצד המים משפיע על היווצרות של סיבי משי בתהליך ספינינג מקורית.
התכונות המכאניות של סיבי RSF שלאחר טיפול טובים יותר מאלה של בדי משי degummed גסה4. לאחר שלאחר הטיפול, crystallinities של סיבי היו עלה באופן דרסטי. FWHM של סיבי RSF פוסט-שטופלו הוא קטן יותר מזה של שמשמיע כמו סיבים. הוא מציין שכי שלאחר הטיפול משפר את הכיוון של וגידולו לאורך הציר סיבים. עם זאת, המורכבות של התהליך שלאחר הטיפול מגביל את הייצור ההמוני של RSF סיבים בעלי חוזק גבוה.
בהשוואה של spinneret המקובלת, ערוץ microfluidic הוא גם מתאים כדי לחקות את הגיאומטריה של בלוטה משי טבעי. בינתיים, הסיבוב microfluidic שימש להפקת משי עכביש רקומביננטי עם תכונות מכניות מצטיינים9. ההטיה של elongational מקטעי שולבו בתוך השבב ספינינג microfluidic לזירוז הרכבה וכיוון של מולקולות חלבון, הסיבים. לכן, הסיבוב microfluidic הוא מבטיח לייצור בדי משי בעלי ביצועים גבוהים, כמו גם סיבים סינטטיים אחרים מהפתרון. עם זאת, microfluidic ספינינג שיטה רק לייצר חוטים יחיד, הוא לא יכול להרשות לעצמו ייצור גבוה של סיבים מלאכותיים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו ממומנת על ידי את נבחרת מדעי הטבע קרן של סין (21674018), המחקר מפתח הלאומי, תוכנית פיתוח של סין (2016YFA0201702 /2016YFA0201700), את "תוכנית Shuguang" נתמך על ידי פיתוח החינוך שנגחאי קרן, שנגחאי העירוני ועדת החינוך (15SG30), ד'ו להבחין פרופסור צעיר התוכנית (A201302), קרנות מחקר בסיסי האוניברסיטאות המרכזי, והפרוייקט 111 (No.111-2-04).
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
- Asakura, T., et al. Some observations on the structure and function of the spinning apparatus in the silkworm Bombyx mori. Biomacromolecules. 8 (1), 175-181 (2007).
- Vollrath, F., Knight, D. P. Liquid crystalline spinning of spider silk. Nature. 410 (6828), 541-548 (2001).
- Zhou, G. Q., Shao, Z. Z., Knight, D. P., Yan, J. P., Chen, X. Silk Fibers Extruded Artificially from Aqueous Solutions of Regenerated Bombyx mori Silk Fibroin are Tougher than their Natural Counterparts. Adv Mater. 21 (3), 366-370 (2009).
- Sun, M. J., Zhang, Y. P., Zhao, Y. M., Shao, H. L., Hu, X. C. The structure-property relationships of artificial silk fabricated by dry-spinning process. J Mater Chem. 22 (35), 18372-18379 (2012).
- Martel, A., et al. Silk Fiber Assembly Studied by Synchrotron Radiation SAXS/WAXS and Raman Spectroscopy. J Am Chem Soc. 130 (50), 17070-17074 (2008).
- Rammensee, S., Slotta, U., Scheibel, T., Bausch, A. R. Assembly mechanism of recombinant spider silk proteins. P Natl Acad Sci USA. 105 (18), 6590-6595 (2008).
- Kinahan, M. E., et al. Tunable silk: using microfluidics to fabricate silk fibers with controllable properties. Biomacromolecules. 12 (5), 1504-1511 (2011).
- Luo, J., et al. Tough silk fibers prepared in air using a biomimetic microfluidic chip. Int J Biol Macromol. 66, 319-324 (2014).
- Peng, Q. F., et al. Recombinant spider silk from aqueous solutions via a bio-inspired microfluidic chip. Sci Rep. 6, (2016).
- Peng, Q. F., Shao, H. L., Hu, X. C., Zhang, Y. P. Role of humidity on the structures and properties of regenerated silk fibers. Prog Nat Sci-Matter. 25 (5), 430-436 (2015).
- Sampath, S., et al. X-ray diffraction study of nanocrystalline and amorphous structure within major and minor ampullate dragline spider silks. Soft Matter. 8 (25), 6713-6722 (2012).
- Martel, A., Burghammer, M., Davies, R. J., Riekel, C. Thermal Behavior of Bombyx mori silk: Evolution of crystalline parameters, molecular structure, and mechanical properties. Biomacromolecules. 8 (11), 3548-3556 (2007).
- Pan, H., et al. Nanoconfined crystallites toughen artificial silk. J Matter Chem B. 2 (10), 1408-1414 (2014).
- Zhang, C., et al. Microstructural evolution of regenerated silk fibroin/graphene oxide hybrid fibers under tensile deformation. Rsc Adv. 7 (6), 3108-3116 (2017).
- Wei, W., et al. Bio-inspired capillary dry spinning of regenerated silk fibroin aqueous solution. Mat Sci Eng C-Mater. 31 (7), 1602-1608 (2011).
- Jin, Y., Zhang, Y. P., Hang, Y. C., Shao, H. L., Hu, X. C. A simple process for dry spinning of regenerated silk fibroin aqueous solution. J Mater Res. 28 (20), 2897-2902 (2013).
- Jin, Y., Hang, Y. C., Zhang, Y. P., Shao, H. L., Hu, X. C. Role of Ca2+ on structures and properties of regenerated silk fibroin aqueous solutions and fibres. Mater Res Innov. 18, 113-116 (2014).
- Koh, L. D., et al. Structures, mechanical properties and applications of silk fibroin materials. Prog Polym Sci. 46, 86-110 (2015).
- McDonald, J. C., Whitesides, G. M. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic devices. Accounts Chem Res. 35 (7), 491-499 (2002).
- Knight, D. P., Vollrath, F. Liquid crystals and flow elongation in a spider's silk production line. P Roy Soc B-Biol Sci. 266 (1418), 519-523 (1999).
