生物衍生材料拥有的关键属性, 超出了合成材料的范围, 使复杂结构的制造具有改进的性质。生物材料是由活的有机体或曾经活着的生物体创造或产生的物质。这些材料, 如丝绸, 通常经过各种加工步骤, 以达到可用和可控的状态。经过处理的生物材料可以用来形成特定的结构, 如纤维垫、水凝胶和薄膜。本视频将介绍蚕茧丝绸的加工, 其次是静电纺丝的加工材料形成纤维毡。

蚕丝是由各种昆虫 (如蜘蛛) 纺成纤维的蛋白质聚合物。然而, 在生物工程中使用的丝绸最常见的来源是蚕种的幼虫, 俗称桑蚕, 几十年来一直用于医疗缝合。蚕丝材料是从茧中提取的, 由丝胶外衣包裹的丝素蛋白组成。丝胶是一种像胶水一样的蛋白质, 能把茧粘在一起。丝素蛋白的特征是高度重复的氨基酸序列, 其优势是丙氨酸、甘氨酸和丝氨酸残留, 这反过来又导致蛋白质的二级结构的均一性。蚕丝丝素陈列重复的 beta 板料结构, 是侧向地连接的股形成一个折叠的板料。这些结构使高分子蛋白具有高结晶性, 这与它的疏水性相结合, 提供了难以置信的强度和韧性。例如, 丝绸的抗拉强度, 它承受的能力, 通过伸长, 可高达四倍的骨头。在生物工程应用之前, 蚕丝通常被加工成聚合物溶液。首先, 丝胶从纤维中移除, 然后是丝素的增溶。蚕丝溶液没有二次结构, 因此降低了机械性能。然而, 用甲醇处理会导致β片结构的部分恢复。丝绸解决方案可以使用一种叫做静电纺丝的技术进行处理, 在这里, 在收集面和注射器针之间应用高压。注射器针慢慢地分发生物材料溶液。静电力使生物材料的水滴延伸成纤维。这些纤维随机收集收藏家, 创建一个纳米垫。现在, 丝绸丝素加工的基础已经概述, 让我们来看看丝绸加工程序, 看看它是如何被用来创建超细纤维毡通过静电纺丝。

从家蚕中制备蚕丝素溶液, 先将茧切成小块, 然后丢弃蠕虫和其他昆虫碎屑。接下来, 在碳酸钠溶液中煮出茧片以除去丝胶。煮沸后, 蚕丝丝素被从溶液中除去, 然后用清水洗几次。其次, 丝绸纤维被烘干隔夜。然后将干丝纤维溶解在溴化锂溶液中, 以60度四小时。一旦丝绸溶解, 解决方案转移到透析盒和透析对水。必须经常更换水, 以确保溴化锂的去除。透析后, 水丝溶液转移到管和离心, 以消除任何剩余的丝素蛋白颗粒。丝绸溶液以四度的温度储存, 直到需要。

为了开始静电纺丝, 生物材料溶液被装进注射器和注射器泵上。高压源连接到注射器针尖, 称为喷。汇集来源, 经常一条箔, 被安置在对面喷并且被着陆。喷和光源之间的距离被调整到预先确定的距离。如果距离太小, 纤维在沉积之前可能没有时间凝固, 形成不一致的丝带。然而, 如果距离太高, 纤维可能成为成群或不均匀。设置了注射器泵的流量, 并打开了高压电源。随着电压的增加, 静电力抵消了溶液的表面张力。半月板被绘制成一个锥, 称为裁缝锥, 然后最终进入一个高电压的流体射流。然后在箔表面收集纤维在一个随机地被安排的席子。还可以使用旋转的收集面来获得对齐的纤维垫。

有许多不同类型的生物材料用于生物工程应用, 从组织植入物到生物和传感。纺垫的丝绸和其他生物材料通常用于创建组织支架, 这提供了结构的人工组织。细胞直接在这些结构上播种, 从而形成三维组织。组织支架的设计, 以促进良好的细胞相互作用, 从而模仿的结构和功能的真实组织。它们也被设计成具有特定组织所需的特性。例如, 设计成像肌肉的脚手架必须拥有更多的对齐的纤维, 而不是那些被设计成像皮肤那样的行为。虽然蚕丝通常来源于蚕, 但蜘蛛丝经常被使用, 因为它提供了更高的机械强度。由于蜘蛛不易耕种, 因此该材料是利用生物技术综合生产的。在这个例子中, 重组丝蛋白被纺到过滤装置上。这种丝网的加入过滤器大大提高了效率, 因为孔径大小明显小于制造过滤器, 从而使他们保留较小的颗粒。最后, 生物材料通常是由己和聚乳酸等人制造的聚合物制备的。这些材料是在实验室合成的, 用于模拟生物衍生材料, 因为它们是可生物降解和生物相容的。这些材料的特性可以很容易地用制造技术来量身定做, 为生物分子的组装创建生物相容的表面, 或者创建疏水性的表面, 如本例所示。

你刚刚看了朱庇特的丝绸生物材料的介绍。你现在应该了解如何丝绸准备和纺到垫子, 以及如何在生物工程领域使用其他生物材料。谢谢收看