התקנים כוללים מסנן אוויר משתלב לא ארוג של חלבונים קורי עכביש רקומביננטי electrospun
Summary
סיבי משי עכביש להציג תכונות מכאניות יוצאות דופן. תכנון הנדסי<em> Araneus diadematus</emיכול להיות מעובד> fibroin 4 (eADF4) למשתלב ארוגים באמצעות electrospinning. הנה, את eADF4 משתלב ארוגים המשמשים כדי לשפר את הביצועים של מכשירי סינון אוויר.
Abstract
המבוסס על הרצף הטבעי של Araneus diadematus fibroin 4 (ADF4), חלבון משי עכביש רקומביננטי eADF4 (C16) תוכנן. יש חלבון זה חוזר על עצמו מאוד במשקל מולקולרי של 48kDa והוא מסיס בממסים שונים (hexafluoroisopropanol (HFIP), חומצה פורמית ומאגרים מימיים). eADF4 (C16) מספק פוטנציאל גבוה עבור יישומים טכניים שונים כאשר מעובד למורפולוגיות כגון סרטים, כמוסות, חלקיקים, הידרוג, ציפויים, סיבים ורשתות ארוגים. בשל יציבותם הכימית ומורפולוגיה מבוקרת, ניתן להשתמש באפשרות השנייה כדי לשפר את חומרי סינון. בפרוטוקול זה, אנו מציגים הליך כדי לשפר את היעילות של מכשירי סינון אוויר שונים, על ידי תצהיר של משתלב ארוגים של חלבוני משי עכביש רקומביננטי electrospun. Electrospinning של eADF4 (C16) מומס בתוצאות HFIP בסיבים חלקים. וריאציה של ריכוז החלבון (5-25% w / v) תוצאות בקטרי סיבים שונים (80-1,100 ננומטר) וכך גדלים נקבוביות של הרשת ארוג.
לאחר הטיפול של eADF4 (C16) electrospun מHFIP הוא הכרחי שכן החלבון מציג מבנה המשני בעיקר α-סליל בסיבים טרי הסתובבו, ולכן את הסיבים הם מסיסים במים. טיפול שלאחר מכן עם אתנול אדים גורם להיווצרות עמידה במים, מבני β גיליונות יציבים, שמירה על המורפולוגיה של סיבי משי ורשתות. ניתוח מבנה המשני בוצע באמצעות התמרת אינפרא אדום ספקטרוסקופיה (FTIR) ופורה שלאחר מכן deconvolution עצמי (FSD).
המטרה העיקרית הייתה לשפר את יעילות הסינון של מצעי מסנן קיים על ידי הוספת שכבות לא ארוגות משי על העליונה. כדי להעריך את ההשפעה של electrospinning משך ועובי שכבת ארוגים וכך על יעילות הסינון, ביצענו בדיקות חדירות אוויר בשילוב עם מדידות בתצהיר של חלקיקים. הניסויים בוצעו על פי תקןפרוטוקולים.
Introduction
בשל השילוב של כוח ויכולת הרחבה שלהם, סיבי משי עכביש יכולים לספוג אנרגיה קינטית יותר ממה שרוב הסיבים טבעיים או סינטטיים 1 אחרים. יתר על כן, בניגוד לחומרים פולימריים הסינתטיים ביותר חומרים רעילים ומשי הם ביולוגית ולא לגרום לתגובה אלרגית כאשר שולבו 2,3. ניתן למנוע סיכונים בריאותיים המשוערת על ידי שימוש בקורי עכביש. תכונות אלו הופכות את קורי עכביש אטרקטיבי ביותר עבור מגוון רחב של יישומים רפואיים וטכניים. מאז עכבישים אינם יכולים להיות מעובדים בשל התנהגות הקניבלית שלהם, שיטות ביוטכנולוגיות פותחו כדי לייצר חלבוני משי עכביש, הן עלות ביעילות ובכמויות מספיקות 4.
חלבון רקומביננטי משי eADF4 (C16) תוכנן על בסיס הרצף הטבעי של Araneus diadematus fibroin 4 (ADF4). eADF4 (C16) יש משקל מולקולרי של 5 48kDa והוא מסיס בממסים שונים (hexafluoroisopropanol (HFIP) 6, חומצה פורמית 7 ומאגרים מימיים) 8. eADF4 (C16) יכול להיות מעובד לתוך מורפולוגיות שונות כגון 9 סרטים, כמוסות 8, חלקיקים 10, 11 הידרוג, ציפויי 7, 12 סיבים ארוגים ומשתלב 6. בשל היציבות הכימית שלהם, שהאחרון לספק פוטנציאל גבוה ביישומי סינון.
כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי להמציא מכשירי סינון אוויר, כולל רשת ארוג של חלבוני משי עכביש רקומביננטי electrospun. ספינינג electrospinning או אלקטרוסטטי הוא טכניקה מועסקות בדרך כלל לייצור סיבים פולימריים בקטרים בטווח של 10 ננומטר -10 מיקרומטר 13, ומשתלב ארוגים כבר נחקר ליישומי סינון -14. בעבר, electrospinning יושמה בהצלחה לעיבוד של 15 מחדש, כמו גם הפיק recombinantly קורי עכביש 16 כחלבונים. בדרך כלל מתח חשמלי גבוה (ק 5-30) מוחל על מזרק והאלקטרודה נגדית (0-20 קילו וולט) ממוקמת במרחק של 8-20 ס"מ. השדה אלקטרוסטטי החזק גורם לכוחות דחייה בתוך פתרון העמלה. אם מתח הפנים חריגה, קונוס טיילור נוצר, וסילון דק מתפרץ מהקצה 17,18. לאחר היווצרות, אי יציבות כיפוף להתרחש בתוך המטוס גורם למתיחה נוספת כמו מתאדה הממס, וסיבים מוצקים נוצר. לבסוף, הסיבים מופקדים באופן אקראי על האלקטרודה הנגדית כמו רשת לא ארוג 19. מאפייני סיבים כמו קוטר והמשטח טופולוגיה (חלק, נקבובי) הם בעיקר תלויים בפרמטרי פתרון כגון ריכוז, צמיגות, אנרגיה חופשית פני השטח ומוליכות החשמלית הפנימית של הממס וחדירות 20. Electrospinning של eADF4 (C16) מומס בתוצאות HFIP בסיבים חלקים עם קטרים מ80-1,100 ננומטר, בהתאם לריכוז החלבון בתמיסה.eADF4 electrospun (C16) מHFIP מציג מבנה המשני בעיקר α-סליל ואת הסיבים הם מסיסים במים 6. על מנת לייצב את סיבי משי, מבני β גיליונות צריכים להיגרם על ידי טיפול שלאחר מכן עם אתנול. בניגוד לשיטות שנקבעו בעבר שלאחר טיפול 21, במחקר זה eADF4 (C16) בדים לא ארוגים טופלו עם אדי אתנול במטרה לשמר את המורפולוגיה של סיבי משי. ניתוח מבנה המשני בוצע באמצעות התמרת אינפרא אדום ספקטרוסקופיה (FTIR) ופורה שלאחר מכן deconvolution עצמי (FSD) כפי שמתואר בספרות 22. FSD הוא כלי עיבוד אותות המאפשר רזולוציה של FTIR ספקטרום בהיקף של כמה להקות חופפות. ובכך, ניתן לצמצם את הלהקות המטושטשות שלי רחב בתוך האזור באמצעות לעבור סינון גבוה כדי לקבל ספקטרום deconvoluted עם החלטות שיא משופרות.
על מנת להעריך את EFFiciency של מצעי סינון השלימו עם משתלב ארוגים משי, בדיקות חדירות האוויר בוצעו באמצעות מכשיר Akustron פי פרוטוקולים סטנדרטיים. שיעורים בתצהיר נמדדו באמצעות סייזר חלקיק אוניברסלי Palas.
Protocol
Representative Results
Discussion
מכשירי סינון חדשים אמורים לאפשר הפחתת צריכת האנרגיה הכוללת בסינון אוויר ביעילות סינון קבוע או גבוהה יותר. הנה, מכשירים כאלה נוצרו באמצעות בדים לא ארוגים עשויים קורי עכביש. בשל מתח הפנים הנמוך שלה ותנודתיות גבוהה, HFIP נבחר כממיס מתאים לתהליך electrospinning. יתר על כן, פתרונות משי מימיים נבדקו בניסויים קודמים, אך לא סיבים יכולים להיות שנוצרו. הנה, זה יהיה חיוני לשימוש תוספים על מנת להוריד את מתח פנים ובכך לשפר את מאפייני ספינינג של הפתרון. השלב הקריטי ביותר הוא להתאים את התנאים ואת ריכוז החומר המשמש וממס של פתרון ספינינג, ספינינג גובה, מתח ומהירות שחול. במהלך הופעה, למשל סתימה של הקצה ניתן למנוע על ידי אספקת קצה המחט עם לחות בצורה של אדי מים, אך כל סוג של תוספות בהתקנת electrospinning עלול להפריע בהמשךתהליך רגיש ושדה חשמלי. תהליך פרמטרים חיוניים (ריכוז, מתח, מרחק, לחות) בנפרד נקבעו ביצוע סדרת ניסויים נפרד (מידע לא מוצג). אם ניקח את כל הפרמטרים בחשבון זה הוא חיוני כדי לטפל בקונוס טיילור רציף ותהליך ספינינג כדי ליצור סיבים אחידים.
יעילות המסנן היא אחד הפרמטרים החשובים ביותר של חומרי סינון. פרמטר זה מושפע בעיקר מהמבנה של החומר המסנן. Wovens יירש גודל נקבובית אחיד וחדירות אוויר לאחר מכן עולות בקנה אחד. זה חיוני כדי ליצור משתלב ארוגים הומוגניות על חומרי תבניות אלה כדי למלא את הנקבוביות וליצור מסנן אפס פגם. יעילות המסנן במסננים שלנו מציגה את תלות ישירה על משך ספינינג (של חלבוני המשי), ולכן, במספר שכבות רשת ארוגים. הפערים בין סיבים בודדים מלאים באופן עקבי, מה שמאפשר השמירה of חלקיקים קטנים יותר.
בעבודה זו אנו הצגנו שיטה לייצור חומר מסנן רומן עם משתלב לא ארוגים קורי העכביש, המציגים את יעילות סינון גבוהה. לכן, מסננים אלה הם מועמדים מבטיחים לשימוש בעתיד במערכות סינון אוויר.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו בתודה להכיר תמיכה הטכנית ומדעית של אניה לאוטרבך (Lehrstuhl Biomaterialien), לורנץ Summa (סנדלר AG) וארמין Boeck (B / S / H / G). SEM-ההדמיה בוצעה על ידי יוהנס דיהל (Lehrstuhl Biomaterialien). מימון נבע מBMBF (01RB0710).
References
- 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. Biochemistry. 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).
