تصفية الهواء بما فى ذلك الأجهزة تنسجم محبوكة من Electrospun المؤتلف بروتينات حرير العنكبوت
Summary
ألياف حرير العنكبوت عرض خصائص ميكانيكية استثنائية. هندستها<em> عنكبوتية diadematus</em> الفبرويين 4 (eADF4) يمكن معالجتها في تنسجم محبوكة باستخدام electrospinning. هنا، يتم استخدام eADF4 تنسجم محبوكة لتحسين أداء أجهزة تصفية الهواء.
Abstract
على أساس تسلسل الطبيعي للعنكبوتية diadematus الفبرويين 4 (ADF4)، والمؤتلف العنكبوت بروتين الحرير eADF4 (C16) وقد تم تصميم. هذا البروتين المتكررة للغاية لديه الوزن الجزيئي لل48kDa وقابل للذوبان في المذيبات المختلفة (hexafluoroisopropanol (HFIP)، حمض الفورميك ومخازن مائي). eADF4 (C16) يوفر قدرة عالية على التطبيقات التقنية المختلفة عندما معالجتها في الأشكال التضاريسية مثل الأفلام، وكبسولات، والجسيمات، الهلاميات المائية، والطلاء والألياف وتنسجم محبوكة. بسبب استقرارها الكيميائي والتشكل للرقابة، وهذه الأخيرة يمكن استخدامها لتحسين مواد التصفية. في هذا البروتوكول، ونحن تقديم إجراء لتعزيز كفاءة مختلف أجهزة تصفية الجو، عن طريق ترسب تنسجم محبوكة من electrospun المؤتلف بروتينات حرير العنكبوت. Electrospinning من eADF4 (C16) الذائب في نتائج HFIP في ألياف ناعمة. الاختلاف في تركيز البروتين (5-25٪ ث / ت) النتائج في أقطار مختلفة من الألياف (80-1،100 نانومتر) ووبالتالي أحجام المسام من شبكة محبوكة.
آخر معاملة eADF4 (C16) electrospun من HFIP ضروري لأن البروتين يعرض هيكل الثانوي في الغالب α-حلزونية في نسج الألياف طازجة، وبالتالي فإن الألياف هي للذوبان في الماء. معالجة لاحقة مع الإيثانول بخار يدفع تشكيل مقاومة للماء، والهياكل β ورقة مستقرة، والحفاظ على التشكل من ألياف الحرير وتنسجم. تم إجراء تحليل هيكل الثانوية باستخدام تحويل فورييه الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (FTIR) واللاحقة فورييه deconvolution النفس (FSD).
وكان الهدف الأساسي لتحسين كفاءة مرشح من ركائز مرشح القائمة عن طريق إضافة طبقات محبوكة الحرير على القمة. لتقييم تأثير electrospinning المدة وبالتالي محبوكة سماكة طبقة على كفاءة المرشح، أجرينا اختبارات نفاذية الهواء في تركيبة مع القياسات ترسب الجسيمات. وأجريت التجارب طبقا للمواصفة القياسيةالبروتوكولات.
Introduction
بسبب الجمع بينهما من القوة والتمدد، يمكن أن ألياف حرير العنكبوت استيعاب المزيد من الطاقة الحركية من معظم الألياف الطبيعية أو الاصطناعية الأخرى 1. وعلاوة على ذلك، على عكس المواد البوليمرية معظم المواد الاصطناعية الحرير هي غير سامة وحيويا ويسبب أي رد فعل حساسية عندما تدمج 2،3. المخاطر الصحية المفترضة يمكن منعها باستخدام حرير العنكبوت. هذه الميزات تجعل حرير العنكبوت جذابة للغاية لمجموعة متنوعة من التطبيقات الطبية والتقنية. منذ العناكب لا يمكن أن تكون تربيتها بسبب سلوكهم أكل لحوم البشر، وقد تم تطوير أساليب التكنولوجيا الحيوية لإنتاج البروتينات حرير العنكبوت، سواء من حيث التكلفة بكفاءة وبكميات كافية 4.
فقد تم تصميمها على بروتين الحرير المؤتلف eADF4 (C16) على أساس التسلسل الطبيعي للعنكبوتية diadematus الفبرويين 4 (ADF4). eADF4 (C16) لديه الوزن الجزيئي لل48kDa 5 وقابل للذوبان في المذيبات المختلفة (hexafluoroisopropanol (HFIP) 6، حمض الفورميك 7 و مخازن مائي) 8. eADF4 (C16) يمكن معالجتها في الأشكال التضاريسية مختلفة مثل الأفلام 9، 8 كبسولات، والجسيمات 10، 11 الهلاميات المائية، طلاء 7، ألياف 12 و تنسجم محبوكة 6. بسبب استقرارها الكيميائي، وهذه الأخيرة توفير إمكانات عالية في تطبيقات مرشح.
هنا، نقدم بروتوكول لصنع أجهزة فلتر الهواء بما في ذلك شبكة محبوكة من electrospun المؤتلف بروتينات حرير العنكبوت. الغزل Electrospinning أو كهرباء هي تقنية تستخدم عادة لإنتاج ألياف البوليمر بأقطار في حدود 10 نانومتر -10 ميكرومتر 13، وتنسجم محبوكة وقد تم بالفعل التحقيق لتطبيقات فلتر 14. في الماضي، وقد electrospinning تم تطبيقها بنجاح لمعالجة مجدد 15 وكذلك أنتجت recombinantly 16 حرير العنكبوتالبروتينات. عادة يتم تطبيق الجهد الكهربائي العالي (5-30 كيلو فولت) إلى حقنة والقطب المضاد (0-20 كيلو فولت) وضعت في مسافة 8-20 سم. الحقل الكهربائي قوي يدفع قوى التنافر داخل حل مشحونة. إذا تم تجاوز التوتر السطحي، ويتكون مخروط تايلور، وطائرة رقيقة يثور من طرف 17،18. بعد تشكيل، تحدث عدم الاستقرار الانحناء داخل الطائرة مما تسبب في مزيد تمتد كما يتبخر المذيب، ويتم تشكيل الألياف الصلبة. وأخيرا، وتودع الألياف عشوائيا على القطب المضاد باعتبارها محبوكة شبكة 19. خصائص الألياف مثل قطر وسطح طوبولوجيا (نحو سلس، والتي يسهل اختراقها) تعتمد بشكل أساسي على معلمات حل مثل التركيز، واللزوجة، سطح الطاقة الحرة والموصلية الكهربائية الجوهرية المذيب ونفاذية 20. Electrospinning من eADF4 (C16) الذائب في نتائج HFIP في ألياف ناعمة بأقطار من 80-1،100 نانومتر اعتمادا على تركيز البروتين في المحلول.eADF4 (C16) electrospun من HFIP يعرض هيكل الثانوي في الغالب α-حلزونية والألياف هي للذوبان في الماء 6. من أجل تحقيق الاستقرار في ألياف الحرير، والهياكل β ورقة يتعين الناجمة عن معالجة لاحقة مع الايثانول. وعلى النقيض من أساليب المعالجة اللاحقة المحددة سابقا 21، في هذه الدراسة eADF4 (C16) منسوجات تم التعامل مع بخار الإيثانول من أجل الحفاظ على التشكل من ألياف الحرير. تم إجراء تحليل هيكل الثانوية باستخدام تحويل فورييه الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (FTIR) واللاحقة فورييه deconvolution النفس (FSD) كما هو موضح في الأدب 22. FSD هو أداة معالجة الإشارات التي تسمح قرار من FTIR أطياف تتكون من عدة نطاقات متداخلة. وبالتالي، فإن نطاقات غير واضحة من واسع وسط المنطقة أنا يمكن تضييق باستخدام فلتر تمريرة عالية للحصول على الطيف deconvoluted مع تحسين القرارات الذروة.
من أجل تقييم EFFiciency من ركائز مرشح تستكمل مع تنسجم محبوكة الحرير، وأجريت اختبارات نفاذية الهواء باستخدام جهاز Akustron وفقا لبروتوكولات القياسية. تم قياس معدلات ترسيب باستخدام بالاس عالمي بحجم الجسيمات.
Protocol
Representative Results
Discussion
أجهزة تصفية جديد يجب أن يسمح خفض استهلاك الطاقة عموما في تنقية الهواء في الكفاءة مرشح ثابت، أو ما يفوقها. هنا، تم إنشاء مثل هذه الأجهزة التي تستخدم منسوجات مصنوعة من حرير العنكبوت. بسبب التوتر سطحه المنخفضة وارتفاع في معدل التذبذب، وقد تم اختيار HFIP كمذيب مناسبة لعملية electrospinning. وعلاوة على ذلك، تم اختبار حلول الحرير المائي في التجارب السابقة، ولكن يمكن إنشاء أية ألياف. هنا، سيكون من الأهمية بمكان استخدام مواد مضافة من أجل خفض التوتر السطحي وبالتالي تحسين خصائص الغزل من الحل. الخطوة الأكثر أهمية هو لضبط الأوضاع وتركيز المواد المستخدمة والمذيبات من الحل الغزل، والغزل ارتفاع، والجهد وسرعة قذف. أثناء الأداء، على سبيل المثال انسداد طرف يمكن منعها من خلال تزويد طرف الإبرة مع الرطوبة في شكل بخار الماء، ولكن أي نوع من الإضافات في إعداد electrospinning قد تخل في وقت لاحقعملية حساسة والحقل الكهربائي. تم المعلمات عملية أساسية (تركيز، والجهد، وبعد المسافة، الرطوبة) تحدد بشكل فردي تنفيذ سلسلة تجريبية منفصلة (لا تظهر البيانات). مع الأخذ بعين الاعتبار جميع المعلمات من الأهمية بمكان أن تأخذ الرعاية من تايلور مخروط الغزل المستمر وعملية لإنشاء ألياف موحدة.
كفاءة المرشح هو واحد من أهم المعايير للمواد التصفية. ويتأثر هذه المعلمة أساسا من هيكل من المواد التصفية. فينس ترث أحجام المسام موحدة ونفاذية الهواء احقا التي تتماشى. ومن الأهمية بمكان خلق تنسجم محبوكة متجانسة على هذه المواد قالب لملء المسام وتوليد مرشح صفر من العيوب. كفاءة المرشح في المرشحات لدينا يظهر الاعتماد المباشر على مدة الغزل (من بروتينات الحرير)، وبالتالي، على عدد من طبقات شبكة محبوكة. يتم ملء الفجوات بين الألياف واحد باستمرار، وتمكن من الاحتفاظ Oو جسيمات أصغر.
في هذا العمل الذي نقوم بعرض طريقة لإنتاج مواد المرشحات رواية تنسجم مع العنكبوت محبوكة الحرير، والتي تبين كفاءة فلتر عالية. لذلك، هذه الفلاتر هي المرشحين واعدة للاستخدام في المستقبل في أنظمة تنقية الهواء.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نحن امتنانهم للدعم التقني والعلمي لانجا في Lauterbach (Lehrstuhl Biomaterialien)، لورينز الخلاصه (ساندلر AG) وارمين بيك (B / S / H / G). تم تنفيذ SEM-التصوير من قبل يوهانس ديل (Lehrstuhl Biomaterialien). وقد اشتق التمويل من BMBF (01RB0710).
Referências
- Gosline, J. M., Guerette, P. A., Ortlepp, C. S., Savage, K. N. The mechanical design of spider silks: From fibroin sequence to mechanical function. J. Exp. Biol. 202, 3295-3303 (1999).
- Vollrath, F., Basedow, A. B. P., Engström, W., List, H. Local tolerance to spider silks and protein polymers in vivo. In Vivo. 16, 229-234 (2002).
- Allmeling, C., et al. Spider silk fibres in artificial nerve constructs promote peripheral nerve regeneration. Cell Prolif. 41, 408-420 (2008).
- Huemmerich, D., Helsen, C. W., et al. Primary structure elements of spider dragline silks and their contribution to protein solubility. Bioquímica. 43, 13604-13612 (2004).
- Huemmerich, D., Slotta, U., Scheibel, T. Processing and modification of films made from recombinant spider silk proteins. Appl. Phys. a-Mater. 82, 219-222 (2006).
- Leal-Egana, A., Lang, G., et al. Interactions of Fibroblasts with Different Morphologies Made of an Engineered Spider Silk Protein. Adv. Eng. Mater. 14, 67-75 (2012).
- Wohlrab, S., Spiess, K., Scheibel, T. Varying surface hydrophobicities of coatings made of recombinant spider silk proteins. J. Mater. Chem. 22, 22050-22054 (2012).
- Hermanson, K. D., Huemmerich, D., Scheibel, T., Bausch, A. R. Engineered microcapsules fabricated from reconstituted spider silk. Adv. Mater. 19, 1810-1815 (2007).
- Spiess, K., Wohlrab, S., Scheibel, T. Structural characterization and functionalization of engineered spider silk films. Soft Matter. 6, 4168-4174 (2010).
- Slotta, U. K., Rammensee, S., Gorb, S., Scheibel, T. An engineered spider silk protein forms microspheres. Angew. Chem.-Int. Edit. 47, 4592-4594 (2008).
- Schacht, K., Scheibel, T. Controlled hydrogel formation of a recombinant spider silk protein. Biomacromolecules. 12, 2488-2495 (2011).
- Exler, J. H., Hummerich, D., Scheibel, T. The amphiphilic properties of spider silks are important for spinning. Angew. Chem.-Int. Edit. 46, 3559-3562 (2007).
- Sundaray, B., Subramanian, V., et al. Electrospinning of continuous aligned polymer fibers. Appl. Phys. Lett. 84, 1222 (2004).
- Van Hulle, S. W. H., Bjorge, D., et al. Performance assessment of electrospun nanofibers for filter applications. Desalination. 249, 942-948 (2009).
- Zhou, S. B., Peng, H. S., et al. Preparation and characterization of a novel electrospun spider silk fibroin/poly(D,L-lactide) composite fiber. J. Phys. Chem. B. 112, 11209-11216 (2008).
- Stephens, J. S., Fahnestock, S. R., et al. Effects of electrospinning and solution casting protocols on the secondary structure of a genetically engineered dragline spider silk analogue investigated via fourier transform Raman spectroscopy. Biomacromolecules. 6, 1405-1413 (2005).
- Greiner, A., Wendorff, J. H. Electrospinning: a fascinating method for the preparation of ultrathin fibers. Angew. Chem.-Int. Edit. 46, 5670-5703 (2007).
- Smit, E., Buttner, U., Sanderson, R. D. Continuous yarns from electrospun fibers. Polymer. 46, 2419-2442 (2005).
- Teo, W. E., Ramakrishna, S. A review on electrospinning design and nanofibre assemblies. Nanotechnology. 17, 89-106 (2006).
- Greiner, A., Wendorff, J. H., Yarin, A. L., Zussman, E. Biohybrid nanosystems with polymer nanofibers and nanotubes. Appl. Microbiol. Biotechnol. 71, 387-393 (2006).
- Spiess, K., Lammel, A., Scheibel, T. Recombinant spider silk proteins for applications in biomaterials. Macromolecular Biosciences. 10, 998-1007 (2010).
- Hu, X., Kaplan, D., Cebe, P. Determining beta-sheet crystallinity in fibrous proteins by thermal analysis and infrared- spectroscopy. Macromolecules. 39, 6161-6170 (2006).
