空气过滤设备,包括非织造网格静电重组蜘蛛丝蛋白

Bioengineering
 

Summary

蜘蛛丝纤维显示出非凡的机械性能。工程

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Lang, G., Jokisch, S., Scheibel, T. Air Filter Devices Including Nonwoven Meshes of Electrospun Recombinant Spider Silk Proteins. J. Vis. Exp. (75), e50492, doi:10.3791/50492 (2013).

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Abstract

基于蛛diadematus素4(ADF4),重组蜘蛛丝蛋白eADF4的自然顺序(C16)已经设计好了。此高度重复的蛋白的分子量为48kDa,并在不同的溶剂中是可溶的(六氟异丙醇(HFIP),甲酸和水相缓冲液)。 eADF4(C16)加工成的形态,如片,胶囊,颗粒,水凝胶,涂料,纤维和无纺网格时各种技术应用提供了一个高电位。由于它们的化学稳定性和可控形态,后者可以被使用,以提高过滤材料。在这个协议中,我们提出了一个程序,提高效率不同的空气过滤装置,织造网格静电重组蜘蛛丝蛋白的沉积。静电eADF4(C16)在HFIP结果顺利纤维溶解。变异的蛋白质浓度(5-25%w / v的)的结果,在不同的纤维直径(80-1,100纳米)和因此,非织造网眼孔径。

从HFIP后处理eADF4(C16)静电是必要的,因为该蛋白显示在刚纺纤维的二级结构主要是α-螺旋的,因此纤维是水溶性的。随后用乙醇蒸汽诱导形成防水的,稳定的β-折叠结构,保持形态的纤​​维丝啮合。二级结构分析,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和随后的Fourier自去卷积(FSD)。

加入真丝无纺布层之上的首要目标是改善现有的过​​滤器基板过滤效率。为了评价电持续时间的影响,并在过滤器上的效率的这样的非织造层的厚度,进行透气性测试与测量颗粒物沉积的组合。进行了实验,根据标准的协议。

Introduction

蜘蛛丝纤维由于其组合的强度和可扩展性,可以吸收更多的动能比大多数其他天然或合成纤维1。此外,与大多数合成的高分子材料,丝绸材料无毒,生物相容性,不会引起过敏性反应时并入2,3。公认的健康风险是可以预防的,用蜘蛛丝。这些特点使得蜘蛛丝非常有吸引力的各种医疗和技术的应用程序。由于蜘蛛不能养殖,由于他们的吃人的行为,已经开发了生物技术方法生产蜘蛛丝蛋白,无论是成本效率和足够的数量4。

该重组丝蛋白eADF4的(C16)已经设计根据自然顺序蛛diadematus素蛋白的4(ADF4)。图eADF4(C16)的分子量为48kDa 5,在各种溶剂中是可溶的(hexafluoroisopropanol异丙醇(HFIP)7 6,甲酸和水相缓冲液)8。 eADF4(C16),可以加工成不同的形态,如膜9 8,胶囊剂,颗粒10,11水凝胶,涂料7,纤维12和非织造的网格6。后者由于其化学稳定性,在过滤器的应用提供高电位。

在这里,我们提出了一个协议,以制造空气过滤器设备,包括非织造网眼的静电重组蜘蛛丝蛋白。静电纺丝或静电纺丝是一种技术,通常采用的制造聚合物纤维的直径在10纳米-10微米的13和非织造啮合的范围内,已被研究了过滤器应用程序14。静电纺丝在过去,已成功地应用于处理再生15以及重组产生的16蜘蛛丝蛋白质。通常情况下,高电电压(5-30千伏)被施加到注射器和8-20厘米的距离放置在反电极(0-20千伏)。强大的静电场诱导内充电解决方案的排斥力。如果被超过时,表面张力形成的泰勒锥,一个薄的射流从前端17,18爆发。形成后,发生弯曲的不稳定性,射流内造成进一步的拉伸作为溶剂的蒸发,形成了坚实的纤维。最后,该纤维随机地沉积作为非织造网眼19的对置电极上。类似直径和表面的拓扑结构(光滑,多孔的)纤维的性能主要依赖于溶液的参数,如浓度,粘度,表面自由能和溶剂的本征导电率和磁导率20。静电纺丝的eADF4(C16)在光滑的纤维直径从80-1,100纳米,这取决于在溶液中的蛋白质浓度溶解在六氟异丙醇的结果。eADF4(C16)从HFIP静电显示主要是α-螺旋二级结构的纤维是水溶性的6。为了稳定的丝纤维,β-折叠结构具有诱导随后用乙醇处理。在先前建立的后处理方法(21)相反,在本研究中eADF4(C16),非织造布已与乙醇蒸汽处理,以保持丝纤维的形态。使用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和随后的Fourier自去卷积(FSD)的文献[22]中所描述的二级结构进行分析。 消防处是信号处理工具,它允许几个重叠的频段,包括红外光谱分辨率。由此,I区域中的广泛的模糊的条带,可以使用一个高通滤波器,接收与改进的峰值分辨率的解卷积的频谱变窄。

为了评估EFF器基板,并与丝无纺网格iciency,透气性测试采用根据标准方案的Akustron装置。使用一个帕拉斯通用的粒度仪测量沉积速率。

Protocol

1。纺丝原液的制备

  1. 以冻干eADF4蛋白(C16)。
  2. 通过使用高的精度为1毫升的反应容器中称取20毫克共eADF4(C16)。
  3. 加入200μl的六氟异丙醇,并用封口膜密封的容器。
    注意事项: 六氟异丙醇是高挥发性和有害的。因为它可以造成伤害下呼吸跟踪,工作的安全罩,吸管仔细,并加盖管。
  4. 涡暂停1分钟,并进一步动摇它清除解决方案。为了确保整个量的蛋白质完全溶解,等待过晚。

2。静电

  1. 准备的静电纺丝装置( 图1):将过滤材料上的对置电极的顶部和预先设定的电压的两个电极(-22.5千伏)和反电极(2.5千伏)。将315微升/小时的体积流量。
    注:W虽然静电,无毒HFIP将被蒸发。请确保您的静电纺丝装置连接到通风柜。
  2. 以市售的20 G针,并用一只手研磨机研磨锐利尖端的剩余长度为30mm。将1 ml注射器的针。
    注:A面的针尖是必需的,以便产生一个明确的泰勒锥。
  3. 入注射器装入整个纺丝液(200微升)。叠加,用100μl的空气,纺丝原液,以允许完整的解决方案,在纺丝过程中被挤出。
    注:为了避免针头堵塞,确保不存在任何颗粒(骨料或杂质)在纺丝原液。在通风橱!
  4. 将填充注射器的电纺丝装置的注射器泵,并小心地按下活塞在注射器上的液滴,直到出现上面的针尖。锁定活塞。
  5. 设置的距离针尖和反电极为8-20厘米之间。
  6. 注射器泵启动和移除的针从开口(通常是干燥的)液滴。激活所有电设备的安全装置立即启动高压源,尽快出现一个新的液滴。静电纺丝原液,随后将开始。使用一个秒表来控制纺纱期限。
    注意:为了避免晒出的解决方案,从而针的阻塞,有必要立即开始纺纱过程中取出后,将干燥的液滴。
  7. 由于静电的重组蜘蛛丝蛋白依赖于湿度和温度,对单独的实验室条件下的一个适应的工艺参数可能是必要的( 图2)。
    注意:为了防止液滴干燥( 图2B),使能以足够的流量。如果有一个低湿度性在周围气氛中,调整相对湿度或提高流速。降低电压,直至适当的泰勒锥时( 图2A)。当不存在溶液的前端( 图2C),提高的流率,并降低电压,直到微滴发生。然后调整电压,以建立定期和稳定的泰勒锥( 图2A)。
  8. 经过30秒/ 60秒/ 90秒的注射泵电关掉。为了避免水滴下降,等待10秒才关闭高电压源,以释放注射器中的残余压力。
  9. 不同类型的过滤材料,如聚酰胺,聚丙烯和聚酯的非织造网格,以及用于比较的黑纸,可以执行步骤6至8。
  10. 为了产生一个非织造网眼为后续的稳定性实验,用黑色的纸,而不是过滤材料,执行步骤5至7。静电5分钟后,停止在步骤8中所描述的过程。

3。处理后的丝绸无纺布网格

  1. 一个烤箱预热至60℃。
  2. 将过滤器基板与eADF4(C16)垂直无纺网格使用封闭的玻璃容器中的最小距离为2厘米。该容器应该有两个开口,将用于随后引入乙醇和水。
    注:在固定过滤材料时,确保渗透性实验所需的面积不被损坏夹具。
  3. 连接两个60毫升的注射器,一个充满用乙醇,水满的,用硅胶管指向的后处理容器内底部( 图3)。
    注意:为了能够在处理后从容器中除去液体,将尽可能接近底部的管道的开口。
  4. 将处理后的容器中的OVen,并加到60毫升乙醇中,挤出注射器。使用秒表来控制治疗时间。
  5. 乙醇蒸汽处理90分钟后,用注射器从玻璃中除去乙醇,加60毫升水,从第二注射器。
  6. 等待90分钟,然后取出水,然后关掉烤箱。为了避免通过冷凝的液滴,离开容器的烘箱中,直到它已完全冷却。

4。蜘蛛丝无纺布网格分析

  1. 准备蚕丝无纺网格黑纸或任何其他可移动的支持的稳定性测试。切出的纸板和两帧调整双粘性胶带。按一帧到丝绸织造网眼黑纸存放和使用手术刀切断多余的蚕丝纤维(随后SEM成像保持多余的纤维)。为了从纸张分离的非织造布,小心地取出帧。重复此步骤与第二帧( 图4)。
  2. 实用浸渍试验:剪下一块(1厘米2),后处理和非处理的丝绸织造网眼浸入去离子水。未处理的丝非织造网眼将立即溶解,而处理过的非织造网眼将是稳定的( 图5)。浸渍后,晾干浸样品,并准备进行扫描电镜成像。
  3. 傅里叶变换红外光谱(FTIR)计量和后续Fourier自去卷积(FSD):为了获得信息后处理的非织造网格后的丝蛋白的结构变化,红外光谱可以应用于使用参数:透光率模式下,扫描800〜4000厘米-1,60的累积为每个谱的测量和平均光谱测定,每一个参考。消防处的数据进行定量分析,可以采用( 图6图7)。由此,曲线减少数据芳件1590和1705厘米-1,基线校正之间进行。本地最小二乘拟合计算峰值位置从以往的研究(1611,1619,1624,1630,1640,1650,1659,1666,1680,1691,1698厘米-1)22。
  4. 扫描电镜成像:扫描电镜可以应用于调查纤维的直径和不同的过滤器基体上的丝纤维的形态上的纤维形态的分析后处理的影响( 图8)。使用放大倍数为5000倍的为25,000 x为了得到足够详细的图像。

5。透气性的测定

  1. 放置一个合适的过滤材料一个Akustron透气性装置的测量面积。 注::如果你使用另一种类型的透气性设备,确保它符合DIN 53 887,DIN 53 120,ISO的要求9237和ASTM D 737-96标准。
  2. ,运用Akustron的透气性设备(或任何其它5.1所描述的)。如果有必要计算范的数据[L /(M 2 X 秒)]。
  3. 重复步骤1和2与样品的不同部分的至少10倍,计算算术运算的中间( 图9)。
    注意:测量透气性要求的设备的接触和非织造网眼。因此,认真处理的样本是必要的,以防止破裂的细腻丝绸织造网眼。

6。过滤效率的测定

  1. 使用合适的机器,压力控制和粒子计数器,如通用粒度仪(帕拉斯联系,卡尔斯鲁厄,德国)。
  2. 将过滤器的样品中的移动设备和测量颗粒的滞留( 图10)。气雾剂:迪-乙基己基sebacat(DEHS);粒径0.3-3微米,持续时间:30秒;液体速度:2,350厘米/秒,空气流量:3,400 立方米 /小时。
    注意:小心,不要触摸表面,防止破坏的非织造网格和避免任何污染处理样品。要确保创造足够的样品同等质量,性能测量。

Representative Results

静电从HFIP与浓度为10%w / v的重组蜘蛛丝的解决方案导致在光滑的纤维直径为80〜120nm的,使形成的非织造网格。与乙醇蒸汽处理后并没有导致明显的形态学变化,因此,作为一个适当的方式建立的丝绸织造后处理( 图8)。结构变化,采用FT-IR和随后的FSD中我单的贡献峰( 图6)频段进行分析检测。这可能是表明,治疗后导致在β-折叠结构中增加,而α-螺旋和无规线圈结构,内容的降低( 图7)。实际上这个结果可以证明,通过浸渍后的处理过的无纺入水( 图5)。即使一周后,不溶解的非织造网眼会发生。

纺杜配给关于丝非织造布中的应用在过滤材料由于基于电纺纤维密度的增加的压力降是最重要的参数。扩展纺丝持续时间达科较高数目的纤维层的结果以指数下降的透气性。这种效应可检测到的所有不同的过滤器之前和之后的后处理的衬底材料( 图9)。同样地,丝含有亚微米颗粒的增加( 图10)的过滤材料的过滤效率。虽然纺纱持续时间短(30秒)获得低通滤波器的效率,更高的纺纱持续时间(90秒)导致更高的效率。

图1
图1。高电压(0-30千伏)小号应用与丝溶液填充到注射器中,并为8-20厘米的距离放置在反电极(0-20千伏)。这种设置导致强静电场,感应带电的溶液内的排斥力。如果被超过时,表面张力形成的泰勒锥,一个薄的射流从前端爆发。形成后,发生弯曲的不稳定性,射流内造成进一步的拉伸作为溶剂的蒸发,形成了坚实的纤维。最后,该纤维随机地沉积在非织造网眼形式的对置电极上。

图2
一个普通的泰勒锥(A),(B)干液滴,液滴(C)的设定,不需图2。照片。

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图3。原理程序在蒸汽后处理。在第一步骤中,腔室被填充有乙醇,并将样品在60℃下蒸90分钟。以减轻后续处理的非织造网格,乙醇去除纤维与水蒸汽蒸90分钟,在60°C 点击这里查看大图

图4
图4。一个纸板框架连接的丝被用于后处理的非织造网的照片。

图5
图5。Electrosp联合国和随后在干燥状态(A)(B)水无纺布后处理。

图6
图6。Fourier自去卷积的酰胺I带未处理的(A)(B)的处理后的蜘蛛丝非织造网眼的吸收光谱。实线显示来自卷积后产生单贡献峰(虚线)的吸收带。分配各自的曲线是基于先前公布的数值从文献22。 点击此处查看大图

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图7。二级结构含量的非处理和处理后的eADF4(C16)的非织造网格。

图8
图8的 SEM图像静电eADF4(C16)纤维对不同的过滤器基板:聚酰胺(PA),聚酯(PE),聚丙烯(PP)和纯eADF4(C16)纤维前(S1)和(S2)职位治疗用乙醇蒸汽。 点击这里查看大图

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图9。透气度测试之前,(A)和后处理后的(B)的丝绸无纺布与乙醇蒸汽啮合,增加纺丝时间导致更多个非织造层,其后降低的透气性。

图10
图10。静电蜘蛛丝无纺网格聚酰胺纺丝的持续时间在不同的过滤材料,影响丝层的数量后,进行后处理,用乙醇,二乙基-己基- sebacat气溶胶的过滤效率。

Discussion

新的过滤装置应允许在空气过滤在恒定或更高的过滤效率,降低整体能源消耗。在这里,这种装置使用蜘蛛丝制成的非织造布。由于其低的表面张力和高挥发性,HFIP中已被选择作为合适的溶剂静电纺丝过程。此外,丝水溶液已在以前的实验测试,但可产生任何纤维。在这里,使用的添加剂,为了降低表面张力的溶液的可纺性,从而改善将是至关重要的。最关键的步骤是调整的条件和所使用的材料浓度和溶剂的纺丝溶液,纺纱机的高度,电压和挤出速度。期间的性能,例如堵塞的前端,可以防止与水分以水蒸汽的形式供给针尖,但随后可能会扰乱静电设置任何种类的增加在敏感的过程和电场。基本工艺参数(浓度,电压,湿度,距离)单独决定进行独立的实验系列(数据未显示)。以考虑所有参数连续的泰勒锥和创建统一纤维的纺纱工艺的关键是要照顾。

该过滤器的效率是过滤材料的最重要的参数之一。此参数主要是由该过滤材料的结构的影响。织造布继承均匀的孔径和其后一致的透气性。这是至关重要的创建这些模板材料的均匀的非织造网眼上,以填充孔,并生成一个零缺陷滤波器的。示出了在我们的过滤器的过滤效率直接依赖于纺丝持续时间(丝蛋白),并且,因此,非织造网眼层的数量。单纤维之间的差距始终充满,使的保留f更小的颗粒。

在这项工作中,我们介绍了一个方法来产生蜘蛛丝无纺布网的一种新型过滤材料,过滤效率高。因此,这些过滤器的空气过滤系统,有希望的候选人,以供日后使用。

Disclosures

我们什么都没有透露。

Acknowledgments

我们非常感谢安雅·劳特巴赫(Lehrstuhl Biomaterialien)的,洛伦兹大全(桑德勒AG)和Armin BOECK的(B / S / H / G)的技术和科学支持。 SEM成像由约翰内斯·迪尔(Lehrstuhl Biomaterialien)。资金来自BMBF(01RB0710)。

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Comments

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