Microfluidic tørr-spinning og karakterisering av gjenfødte silke Fibroin fiber
Summary
En protokoll for microfluidic spinning og mikrostruktur karakteristikk av gjenfødte silke fibroin monofilament presenteres.
Abstract
Protokoll viser en metode for å etterligne spinning prosessen med silkworm. I native spinning prosessen kan kontraherende spinning røret silke proteiner være kompakt og sortert etter klipping og forlengelse styrker. Her designet en biomimetic mikrovæskekanalen for å etterligne bestemt geometri spinning ledningskanalen av silkworm. Spartments silke fibroin (RSF) spinning dopet med høy konsentrasjon, var ekstrudert gjennom microchannel til tørr-spinn fiber Omgivelses temperatur og trykk. I post behandlet prosessen, var som spunnet fibrene trukket og lagret i etanol vandig løsning. Synchrotron stråling vidvinkel X-ray Diffraksjon (SR-WAXD) teknologien ble brukt til å undersøke mikrostrukturen enkelt RSF fibre, som var festet til en prøve holder med RSF fiber aksen vinkelrett microbeam av X-ray. Crystallinity, crystallite størrelse og krystallinsk retningen på fiber ble beregnet fra WAXD data. De Diffraksjon buer nær ekvator av todimensjonal WAXD mønster angir at etter behandlet RSF fiber har høy orientering.
Introduction
Edderkopp og silkworm kan produsere enestående silke fiber fra vandig protein løsning på Omgivelses temperatur og trykk. Klipping og extensional kan indusere dannelsen av flytende krystall tekstur i silke kjertel1. I de senere årene har det vært en stor interesse for å etterligne spinning prosessen av edderkoppen for å produsere høy styrke kunstige fibre. Men store mengder edderkopp silke protein kan ikke produseres effektivt og økonomisk av jordbruk edderkopper på grunn av kannibalisme. Betydelige mengder silkworm silke kan hentes lett ved oppdrett. Ellers har silkworm og edderkopp en lignende spinning prosessen og aminosyre komposisjon. Derfor er silkworm silke fibroin valgt som innbytter å spinne kunstig dyr silke av mange forskere.
Edderkopp og silkworm Ekstruder protein løsning gjennom sine spinning rør i fiber i luften. Høyt stress styrker generert på spinning røret sannsynligvis strekke silke fibroin molekyler til en mer utvidet konformasjon2. Kunstig silke fiber har vært spunnet med konvensjonelle våt spinning og tørr-spinning prosesser3,4, som ikke tar hensyn til konto væske styrkene generert i spinning røret.
Først ble microfluidic tilnærminger brukt til å undersøke montering av silke protein5,6. Deretter ble microfluidic fabrikasjon av RSF studert via modellering de klippe og extensional styrker7,8. Youngs modul og diameter RSF Fibre kan stilles inn ved microfluidic våt spinning, men strekkfasthet trukket fiber var mindre enn 100 MPa7. Til slutt, høy styrke RSF fibrene var er forberedt med metoden microfluidic tørr-spinning, men diameteren på fiber er bare 2 µm8. Nylig ble microfluidic våt spinning brukt i produksjon av høy styrke rekombinant edderkopp silke fiber. Etter spinning tegning i luften forbedret overflate og intern feil av kunstige fiber9.
I denne studien er den forbedrede microfluidic spinning prosessen for RSF fiber innført. Formålet er å etterligne spinning prosessen med silkworm silke, inkludert spinning dop, klippe styrkene, og tørr-spinning prosessen. Denne spinning metoden ikke bare kan produsere høy styrke kunstig silke fiber, men kan også justere diameteren på fiber. Først ble RSF spinning dop skåret og langstrakte i en biomimic kanal med en andre ordre eksponensiell decay. For det andre, påvirker av relativ luftfuktighet (RH) på fiber morfologi og egenskaper ble studert i microfluidic tørr-spinning prosessen10. Sammenlignet med vanlige, spinnende spinneret, microfluidic systemet er svært biomimetic og kan brukes til å produsere høy styrke fiber fra løsninger ved omgivelsestemperatur av tørre eller våte spinning metoden.
I høy oppløsning, høy lysstyrke og høy energi av synchrotron stråling microfocus X-ray, kan den brukes å karakterisere mikrostruktur en enkelt fiber med en diameter på flere mikrometer4,11 , 12 , 13 , 14. her, SR-WAXD teknikk ble brukt til å beregne crystallinity, crystallite størrelsen og krystallinsk retningen av RSF fibre.
Protocol
Representative Results
Discussion
Under dialyse RSF løsningen er pH-verdi avgjørende for følgende konsentrasjon prosess. PH verdien av deionisert vann er mindre enn 6, RSF løsningen vil være enklere å gel under konsentrasjon prosessen. For å unngå gelation, legges CaCl2 RSF løsningen. Konsentrasjonen av CaCl2 er 1 mmol per vekt av RSF.
Våre tidligere arbeid vist at microfluidic tørr-spinning av RSF vannoppløsning8. Geometrien i mikrovæskekanalen var en forenklet ett-tr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet er sponset av den National Natural Science Foundation i Kina (21674018), National nøkkelen forskning og utvikling Program i Kina (2016YFA0201702 /2016YFA0201700) og “Shuguang Program” støttes av Shanghai utdanning Development Foundation og Shanghai kommunale utdanning provisjon (15SG30), DHU utmerket unge Professor Program (A201302), grunnleggende forskning midlene sentral universiteter og 111 prosjektet (No.111-2-04).
Materials
| 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).
