İpek Biyomalzemelerinin Elektrospinning

Biyolojik olarak türetilmiş malzemeler, sentetik malzemelerin ulaşamayacağı temel özelliklere sahiptir ve gelişmiş özelliklere sahip karmaşık yapıların üretilmesini sağlar. Biyomalzemeler, canlı veya bir zamanlar yaşayan organizmalardan oluşturulan veya üretilen malzemelerdir. İpek gibi bu malzemeler, kullanılabilir ve kontrol edilebilir bir duruma ulaşmak için tipik olarak çeşitli işlem aşamalarından geçer. İşlenmiş biyomateryal daha sonra lifli paspaslar, hidrojeller ve filmler gibi spesifik yapılar oluşturmak için kullanılabilir. Bu video, ipekböceği kozalarından ipeğin işlenmesini ve ardından lifli paspaslar oluşturmak için işlenmiş malzemenin elektrospinning işlemini tanıtacaktır.

İpekler, örümcekler gibi çeşitli böcekler tarafından liflere dönüştürülen protein polimerleridir. Bununla birlikte, biyomühendislikte kullanılan ipek, en yaygın olarak, yaygın olarak ipekböceği olarak adlandırılan ipek güvesi türü Bombyx mori'nin larvalarından elde edilir ve onlarca yıldır tıbbi sütürler için ticari olarak kullanılmaktadır. B. mori ipek malzemesi, bir serisin tabakası içine yerleştirilmiş fibroin proteininden oluşan kozadan ekstrakte edilir. Serisin, kozayı bir arada tutan tutkal benzeri bir proteindir. Fibroin proteini, alanin, glisin ve serin kalıntılarının baskın olduğu oldukça tekrarlayan bir amino asit dizisi ile karakterize edilir ve bu da proteinin ikincil yapısında homojenliğe yol açar. İpek fibroin, kıvrımlı bir tabaka oluşturan yanal olarak bağlı iplikler olan tekrarlayan beta tabaka yapıları sergiler. Bu yapılar, polimer proteininin oldukça kristal olmasına neden olur, bu da hidrofobikliği ile birlikte inanılmaz derecede güç ve tokluk sağlar. Örneğin, ipeğin gerilme mukavemeti, uzama yoluyla yüklere dayanma kapasitesi, kemiğin dört katına kadar çıkabilir. İpek tipik olarak biyomühendislik uygulamalarından önce bir polimer çözeltisine işlenir. İlk olarak, serisin liflerden uzaklaştırılır, ardından fibroinin çözündürülmesi takip edilir. İpek çözeltisinin ikincil bir yapısı yoktur ve bu nedenle mekanik özellikleri azalmıştır. Bununla birlikte, metanol ile muamele, beta tabaka yapılarının kısmen geri kazanılmasına neden olabilir. İpek çözeltisi, bir toplama yüzeyi ile bir şırınga iğnesi arasına yüksek bir voltajın uygulandığı elektrospinning adı verilen bir teknik kullanılarak işlenebilir. Şırınga iğnesi biyomateryal çözeltisini yavaşça dağıtır. Elektrostatik kuvvetler, biyomateryal damlacıklarının liflere gerilmesine neden olur. Bu lifler kollektör üzerinde rastgele toplanarak nanofiber bir mat oluşturur. Artık ipek fibroin işlemenin temelleri ana hatlarıyla belirtildiğine göre, ipek işleme prosedürüne bir göz atalım ve elektrospinning yoluyla mikrofiber paspaslar oluşturmak için nasıl kullanıldığını görelim.

Bombyx mori'den ipek fibroin çözeltisi hazırlamak için, kozalar önce küçük parçalar halinde kesilir ve solucan ve diğer böcek kalıntıları atılır. Daha sonra, serisini çıkarmak için koza parçaları bir sodyum karbonat çözeltisi içinde kaynatılır. Kaynattıktan sonra, ipek fibroin çözeltiden çıkarılır ve birkaç kez temiz su ile yıkanır. Daha sonra ipek lifleri gece boyunca kurutulur. Kurutulmuş ipek lifleri daha sonra dört saat boyunca 60 derecede bir lityum bromür çözeltisi içinde çözülür. İpek çözündürüldükten sonra, çözelti bir diyaliz kasetine aktarılır ve suya karşı diyalize edilir. Lityum bromürün uzaklaştırılmasını sağlamak için su sık sık değiştirilmelidir. Diyalizden sonra, sulu ipek çözeltisi tüplere aktarılır ve kalan ipek fibroin partiküllerini uzaklaştırmak için santrifüjlenir. İpek çözeltisi ihtiyaç duyulana kadar dört derecede saklanır.

Elektroeğirmeye başlamak için, biyomateryal çözeltisi bir şırıngaya ve bir şırınga pompasına yüklenir. Yüksek voltaj kaynağı, spinneret adı verilen şırınga iğne ucuna bağlanır. Genellikle bir folyo şeridi olan toplama kaynağı, iplikçikin karşısına yerleştirilir ve topraklanır. Eğirme ve kaynak arasındaki mesafe önceden belirlenmiş bir mesafeye ayarlanır. Mesafe çok küçükse, liflerin birikmeden önce katılaşması için zaman olmayabilir ve bu da tutarsız şeritler oluşturur. Bununla birlikte, mesafe çok yüksekse, lifler topaklanabilir veya homojen hale gelebilir. Şırınga pompası akış hızı ayarlanır ve yüksek voltaj kaynağı açılır. Voltaj arttıkça, elektrostatik kuvvetler çözeltinin yüzey gerilimini dengeler. Menisküs, terzi konisi adı verilen bir koniye ve daha sonra daha yüksek voltajlı bir sıvı jetine çekilir. Lifler daha sonra rastgele düzenlenmiş bir matta folyo yüzeyinde toplanır. Hizalanmış fiber paspaslar elde etmek için dönen bir toplama yüzeyi de kullanılabilir.

Biyomühendislik uygulamalarında kullanılan, doku implantlarından biyoelektronik ve biyoalgılamaya kadar birçok farklı biyomalzeme türü vardır. İpek ve diğer biyomalzemelerden oluşan elektro eğrilmiş paspaslar genellikle yapay bir dokuya yapı sağlayan doku iskeleleri oluşturmak için kullanılır. Hücreler doğrudan bu yapıların üzerine ekilir ve üç boyutlu doku oluşumu sağlanır. Doku iskeleleri, uygun hücre etkileşimlerini teşvik etmek için tasarlanmıştır, böylece gerçek dokunun yapısını ve işlevini taklit eder. Ayrıca, belirli bir dokunun istenen özelliklerine sahip olacak şekilde tasarlanırlar. Örneğin, kas gibi davranmak üzere tasarlanmış iskeleler, deri gibi davranmak üzere tasarlanmış olanlardan daha fazla hizalanmış liflere sahip olmalıdır. İpek yaygın olarak ipek böceğinden elde edilse de, daha yüksek mekanik mukavemet sağladığı için örümcek ipeği sıklıkla kullanılır. Örümcekler kolayca yetiştirilemediğinden, materyal biyoteknoloji kullanılarak sentetik olarak üretilir. Bu örnekte, rekombinant ipek proteini filtre cihazlarına elektrospun ile birleştirilmiştir. Bu ipek ağın filtreye eklenmesi, gözenek boyutları üretilen filtreden önemli ölçüde daha küçük olduğu için verimliliği büyük ölçüde artırdı ve böylece daha küçük parçacıkların tutulmasını sağladı. Son olarak, biyomalzemeler genellikle polikaprolakton ve polilaktik asit gibi insan yapımı polimerlerden hazırlanır. Malzemeler laboratuvarda sentezlenir ve biyolojik olarak parçalanabilir ve biyo-uyumlu oldukları için biyo-türetilmiş malzemeleri taklit etmek için kullanılır. Malzemelerin özellikleri, biyo-moleküllerin montajı için biyo-uyumlu yüzeyler oluşturmak veya bu örnekte gösterildiği gibi hidrofobik yüzeyler oluşturmak için imalat teknikleri kullanılarak kolayca uyarlanabilir.

JoVE'nin İpek Biyomalzemelerine Giriş kitabını yeni izlediniz. Artık ipeğin nasıl hazırlandığını ve paspaslara nasıl elektroeğrildiğini ve biyomühendislik alanında diğer biyomalzemelerin nasıl kullanıldığını anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.