Wir danken für die technische und wissenschaftliche Unterstützung von Anja Lauterbach (Lehrstuhl Biomaterialien), Lorenz Summa (Sandler AG) und Armin Boeck (B / S / H / G). SEM-Imaging wurde von Johannes Diehl (Lehrstuhl Biomaterialien) durchgeführt. Die Finanzierung wurde von BMBF (01RB0710) abgeleitet.

1. Spinning Dope Vorbereitung <ol><li> Nehmen lyophilisiert eADF4 (C16)-Protein. </li><li> Wiegen 20 mg eADF4 (C16) in eine 1 ml-Reaktionsgefäß unter Verwendung einer Präzisionswaage. </li><li> In 200 ul Hexafluorisopropanol (HFIP) und verschließen das Gefäß mit Parafilm. Hinweis: HFIP ist sehr volatil und schädlich. Wie kann es Schaden in der Atemwege, verursachen Arbeit unter einer Schutzhaube, Pipette vorsichtig und verschließen das Rohr. </li><li> Vortex die Suspension für 1 min und weiter schütteln Sie sie, um die Lösung zu löschen. Um sicherzustellen, dass die gesamte Menge an Protein vollständig gelöst ist, warten, über Nacht. </li></ol> 2. Electrospinning <ol><li> Bereiten Sie die Elektrospinnvorrichtung (Abbildung 1): Ort das Filtermaterial auf der Oberseite der Gegenelektrode und voreingestellte Spannung sowohl der Elektrode (-22.5 kV) und der Gegenelektrode (+2,5 kV). Stellen Sie den Volumenstrom bis 315 ul / hr. Hinweis: während Elektrospinning, giftig HFIP wird verdampft werden. Stellen Sie sicher, Elektrospinnvorrichtung zu einem Abzug verbunden ist. </li><li> Werfen Sie einen im Handel erhältlichen 20 G Nadel und schleifen die scharfe Spitze mit einem Handschleifer auf einen Rest von 30 mm. Schließen Sie die Nadel in einer 1 ml Spritze. Hinweis: Eine Ebene Nadelspitze ist erforderlich, um eine wohldefinierte Taylor-Konus zu erzeugen. </li><li> Laden Sie die gesamte Spinnlösung (200 ul) in die Spritze. Überlagern der Spinnlösung mit 100 ul Luft, um damit die vollständige Lösung extrudiert werden während des Spinnprozesses. Hinweis: Um zu verhindern, Verstopfung der Nadel, stellen Sie sicher, dass sich keine Partikel (Aggregate oder Verunreinigungen) in der Spinnmasse. Arbeiten unter einer Abzugshaube! </li><li> Bringen Sie die gefüllte Spritze an der Spritze Pumpe des Elektrospinnvorrichtung und vorsichtig drücken den Kolben auf die Spritze, bis ein Tropfen erscheint an der Spitze der Nadel. Verriegeln Sie den Kolben. </li><li> Stellen Sie den Abstandzwischen der Spitze der Nadel und der Gegenelektrode 8-20 cm. </li><li> Starten Sie die Spritzenpumpe und entfernen Sie die (in der Regel ausgetrocknet) Tropfen aus der Öffnung der Nadel. Aktivieren Sie alle Sicherheitseinrichtungen des Elektrospinnvorrichtung sofort und starten Sie die Quelle hoher Spannung, sobald ein neuer Tropfen erscheint. Elektrospinnen der Spinnlösung wird anschließend gestartet. Verwenden Sie eine Stoppuhr, um Spinnen Dauer steuern. Hinweis: Um zu verhindern das Austrocknen der Lösung und damit ein Verstopfen der Nadel, ist es notwendig, sofort die Spinnverfahren nach dem Entfernen des getrockneten Tropfens. </li><li> Seit Elektrospinnverfahren von rekombinanten Spinnenseidenproteine ​​hängt von Luftfeuchtigkeit und Temperatur, kann eine Anpassung der Prozessparameter auf die individuellen Laborbedingungen notwendig sein (Abbildung 2). Hinweis: Um die Tröpfchen aus dem Trocknen (2B) ermöglichen einen ausreichenden Durchfluss zu verhindern. Wenn es eine niedrige Feuchtigkeitsquerproty in der umgebenden Atmosphäre, die relative Luftfeuchtigkeit oder erhöhen die Fließgeschwindigkeit. Senken Sie die Spannung, bis eine ordnungsgemäße Taylor-Konus auftritt (Abbildung 2A). Wenn es keine Lösung an der Spitze (2C), erhöhen die Fließgeschwindigkeit und Absenken der Spannung, bis ein Tröpfchen auftritt. Dann stellen Sie Spannung, um eine stabile und regelmäßige Taylor Cone (2A) zu etablieren. </li><li> Nach 30 sec / 60 sec / 90 sec von Elektrospinnverfahren Abschaltung der Spritzenpumpe. Um fallenden Tropfen zu vermeiden, warten Sie 10 Sekunden vor dem Ausschalten des hohen Spannungsquelle, um den restlichen Druck in der Spritze lösen. </li><li> Schritt 6 bis 8 kann auf verschiedenen Arten von Filtermaterialien, wie Polyamid, Polypropylen und Polyester gewebten Maschen sowie schwarzem Papier zum Vergleich durchgeführt werden. </li><li> Um eine Gittervlieses für nachfolgende Experimente Stabilität herzustellen, verwenden schwarzem Papier anstelle von Filtermaterial und führen Sie die Schritte 5-7. Nach 5 min Elektroverspinnen stoppenVerfahren nach Schritt 8 beschrieben. </li></ol> 3. Nachbehandlung von Silk Vlies Meshes <ol><li> Vorheizen Backofen auf 60 ° C </li><li> Setzen Sie die Filter-Substrate mit eADF4 (C16) Vlies Maschen vertikal und mit einem Abstand von mindestens 2 cm in einem verschließbaren Glasbehälter. Der Behälter müssen zwei Öffnungen, die verwendet werden, um anschließend vorstellen Ethanol und Wasser werden. Hinweis: Bei der Festsetzung der Filtermaterialien, stellen Sie sicher, dass die Fläche, die für Durchlässigkeit Experimente nicht durch die Klemmen beschädigt. </li><li> Verbinden Sie zwei 60 ml Spritzen, eine mit Ethanol gefüllt und ein mit Wasser gefüllt, mit Silikon-Schläuchen zeigt in das Innere Unterseite des Nachbehandlungsbehälter (Abbildung 3). Hinweis: Um in der Lage sein, die Flüssigkeit aus dem Behälter nach der Behandlung zu entfernen, positionieren die Öffnungen der Rohre so nahe wie möglich an der Unterseite. </li><li> Legen Sie die Nachbehandlungsbehälter in der oven und 60 ml Ethanol durch Extrudieren der Spritze. Verwenden Sie eine Stoppuhr, um die Behandlungsdauer zu steuern. </li><li> Nach 90 min Ethanol Dampfbehandlung das Ethanol mit der Spritze aus dem Glas, und 60 ml Wasser aus der zweiten Spritze. </li><li> Warten Sie weitere 90 min, dann entfernen Sie das Wasser und den Backofen ausschalten. Um Tröpfchen durch Kondensation zu vermeiden, lassen Sie den Behälter in den Ofen, bis sie vollständig abgekühlt ist. </li></ol> 4. Analysis of Spider Silk Vlies Meshes <ol><li> Bereiten Sie die Seide gewebten Maschen für Stabilitätstests auf schwarzem Papier oder einem anderen entfernbaren Träger. Schneiden Sie zwei Rahmen aus Karton und stellen Doppel-sticky Klebeband. Drücken Sie einen Rahmen auf der Seide Gittervlieses abgeschieden auf schwarzem Papier und mit einem Skalpell abzuschneiden den Überschuss an Seidenfäden (halten die überschüssigen Fasern für nachfolgende SEM-Imaging). Entfernen Sie vorsichtig den Rahmen, um das Vlies aus dem Papier lösen. Wiederholen Sie diesen Schritt mit dem zweiten Rahmen(Abbildung 4). </li><li> Praktische dip Test: Schneiden Sie ein Stück (1 cm 2) eines jeden, der post-behandelten und nicht-behandelten Seide gewebten Mesh und tauchen sie in deionisiertem Wasser. Die nicht behandelten Seide Gittervlieses sofort auflösen, während die zu behandelnde Gittervlieses wird stabil (Abbildung 5). Nach dem Eintauchen, trocknen die Probe getaucht und bereiten sie für SEM Bildgebung. </li><li> Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR)-Messung und anschließende Fourier Selbst-Entfaltung (FSD): Um Informationen über die strukturellen Veränderungen der Seidenproteine ​​beim Nachbehandlung der Vliesstoff Maschen zu gewinnen, FTIR lassen sich mit den Parametern: Transmission -Modus-Scan von 800 bis 4.000 cm -1, 60 Ansammlungen gemessen und gemittelt werden für jedes Spektrum, ist eine Referenz pro Spektrum gemessen. Für die quantitative Analyse der Daten können FSD eingesetzt (Abbildung 6 und Abbildung 7). Dadurch werden die Kurven der Daten ar reduziertea zwischen 1.590 und 1.705 cm -1 und eine Baseline-Korrektur durchgeführt wird. Eine lokale least square fit ist nach den Peak-Positionen aus früheren Studien gemacht (1611, 1619, 1624, 1630, 1640, 1650, 1659, 1666, 1680, 1691, 1698 cm -1) 22 berechnet. </li><li> SEM imaging: SEM angewendet werden, um Faserdurchmesser und die Morphologie der Seidenfasern auf verschiedenen Substraten Filter zu untersuchen und den Einfluss der Nachbehandlung auf der Faser Morphologie (Fig. 8) zu analysieren. Mit einer Vergrößerung von 5.000 x 25.000 x um ausreichend detaillierte Bilder zu bekommen. </li></ol> 5. Bestimmung der Luftdurchlässigkeit <ol><li> Legen Sie einen gut passenden Teil des Filtermaterials auf der Messbereich eines Akustron Luftdurchlässigkeit Gerät. Hinweis :: Wenn Sie eine andere Art der Luftdurchlässigkeit Gerät verwenden, stellen Sie sicher, dass es die Anforderungen der DIN 53 887, DIN 53 120, ISO erfüllt 9237 und ASTM D 737-96 Standards. </li><li>Verwenden einen Akustron Luftdurchlässigkeit Vorrichtung (oder eine andere als in 5.1 dargestellt). Gegebenenfalls Berechnung der normierten Daten [l / (m 2 x sec)]. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 1 und 2 mindestens 10 Mal mit verschiedenen Teilen Ihrer Probe und berechnen den arithmetischen Mittelwert (Abbildung 9). Hinweis: Measuring Luftdurchlässigkeit erfordert Kontakt des Gerätes und die Gittervlieses. Somit ist eine sorgfältige Handhabung der Proben wesentlich zum Bruch der empfindlichen Seide Gittervlieses verhindern. </li></ol> 6. Bestimmung der Filter-Effizienz <ol><li> Verwenden Sie eine geeignete Maschine mit Druckregelung und Partikelzähler, wie ein Universal Particle Sizer (Palas GmbH, Karlsruhe, Deutschland). </li><li> Setzen Sie die Filter-Proben in das Gerät und messen Partikelrückhaltung (Abbildung 10). Aerosol: Di-Ethyl-Hexyl-sebacat (DEHS); Partikelgrößen: 0,3-3 um; Dauer: 30 sec; Flüssigkeitsgeschwindigkeit: 2,350 cm / sec; Luftstrom: 3.400 m 3 / hr. <br/&gt; Hinweis: Behandeln Sie die Probe mit Sorgfalt und berühren Sie nicht die Oberfläche zu einer Zerstörung des Gittervlieses verhindern und vermeiden Sie jegliche Verschmutzung. Achten Sie darauf, genügend Proben von gleicher Qualität für Performance-Messungen zu erstellen. </li></ol>

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Wir haben nichts zu offenbaren.

Neuer Filter Geräte ermöglichen sollten Absenken des gesamten Energieverbrauchs in der Luft Filtration bei konstantem oder höher Filter Wirkungsgrade. Hier wurden solche Geräte unter Verwendung von Vliesstoffen Spinnenseide. Aufgrund seiner geringen Oberflächenspannung und eine hohe Volatilität hat HFIP als geeignetes Lösungsmittel für die Elektrospinnverfahren gewählt worden. Darüber hinaus wurden wässrige Lösungen Seide in früheren Experimenten getestet, aber keine Fasern erzeugt werden konnte. Hier wäre es von entscheidender Bedeutung sein, Additive zu verwenden, um die Oberflächenspannung zu verringern und dadurch die Eigenschaften Spinnen der Lösung. Der wichtigste Schritt ist, um die Bedingungen und das verwendete Material Konzentration und Lösungsmittel der Spinnerei Lösung einzustellen, Spinning Höhe, Spannung und Geschwindigkeit Extrusion. Während des Spiels können zum Beispiel Verstopfung der Spitze durch die Versorgung der Nadelspitze mit Feuchtigkeit in Form von Wasserdampf verhindert werden, aber jede Art von Ergänzungen in dem Elektrospinnverfahren Setup könnte anschließend störender empfindliche Verfahren und des elektrischen Feldes. Wesentliche Prozessparameter (Konzentration, Spannung, Entfernung, Feuchtigkeit) einzeln bestimmt Durchführung separaten Versuchsreihe (Daten nicht gezeigt). Nimmt man alle Parameter berücksichtigen ist es entscheidend, die Pflege eines kontinuierlichen Taylor-Konus und Spinnverfahren, um eine gleichmäßige Fasern erstellen zu nehmen. Die Filterleistung ist einer der wichtigsten Parameter der Filtermaterialien. Dieser Parameter wird in erster Linie durch die Struktur des Filtermaterials beeinflusst. Wovens erben einheitlichen Porengrößen und anschließend konsequent Luftdurchlässigkeit. Es ist entscheidend, um eine homogene Vlies Maschen auf dieser Vorlage Materialien zu erstellen, um die Poren zu füllen und eine Null-Fehler-Filter zu erzeugen. Der Filter Effizienz in unserem Filter zeigt eine direkte Abhängigkeit von der Dauer der Spinnerei (der Seidenproteine), und damit von der Anzahl der Gittervlieses Schichten. Die Lücken zwischen den einzelnen Fasern sind durchweg gefüllt, so dass die Beibehaltung of kleinere Partikel. In dieser Arbeit haben wir eine Methode, um ein neues Filtermaterial mit Spinnenseide Vlies Maschen produzieren, die eine hohe Filterleistung. Daher sind diese Filter vielversprechende Kandidaten für die künftige Nutzung in Luftfiltrationssysteme.

Aufgrund ihrer Kombination aus Festigkeit und Dehnbarkeit, kann Spinnenseidefäden mehr kinetische Energie als die meisten anderen natürlichen oder synthetischen Fasern 1 absorbieren. Außerdem, im Gegensatz zu den meisten synthetischen polymeren Materialien Seide Materialien sind ungiftig und biologisch verträglich und verursachen keine allergischen Reaktionen bei 2,3 eingearbeitet. Vermeintliche Gesundheitsrisiken kann mit Spinnenseide verhindert werden. Diese Eigenschaften machen Spinnenseide sehr attraktiv für eine Vielzahl von medizinischen und technischen Anwendungen. Da Spinnen kann nicht bewirtschaftet aufgrund ihrer kannibalischen Verhaltens haben biotechnologische Methoden wurden entwickelt, um Proteine ​​zu produzieren Spinnenseide, sowohl kostengünstig und in ausreichenden Mengen 4. Das rekombinante Seidenproteine ​​eADF4 (C16) wurde auf der Grundlage der natürlichen Sequenz von Araneus diadematus Fibroin 4 (ADF4) konstruiert worden. eADF4 (C16) ein Molekulargewicht von 48kDa 5 und ist in verschiedenen Lösungsmitteln löslich (hexafluoroisopropanol (HFIP) 6, 7 und Ameisensäure wässrigen Puffern) 8. eADF4 (C16) in unterschiedliche Morphologien wie Folien 9, Kapseln 8, Teilchen 10, Hydrogele 11, Beschichtungen 7, 12 Fasern und gewebten Maschen 6 verarbeitet werden. Aufgrund ihrer chemischen Stabilität, bieten diese ein hohes Potenzial für Filter-Applikationen. Hier präsentieren wir ein Protokoll zum Luftfilter Geräte einschließlich einer Gittervlieses elektrogesponnener rekombinanten Spinnenseidenproteine ​​herzustellen. Elektrospinnen oder elektrostatisches Spinnen ist eine Technik, in der Regel zur Herstellung von Polymerfasern mit einem Durchmesser im Bereich von 10 nm um 13 -10 und gewebten Maschen verwendet wurden bereits für Filteranwendungen 14 untersucht. In der Vergangenheit hat Elektrospinnen erfolgreich zur Verarbeitung regenerierter 15 sowie rekombinant hergestelltes 16 Spinnenseide angewendetProteine. Typischerweise wird eine hohe elektrische Spannung (5-30 kV) mit einer Spritze und einer Gegenelektrode (0-20 kV) in einem Abstand von 8-20 cm gelegt wird. Die starken elektrostatischen Feld induziert abstoßenden Kräfte innerhalb der geladenen Lösung. Wenn die Oberflächenspannung überschritten, wird eine Taylor-Konus ausgebildet, und ein dünner Strahl bricht aus der Spitze 17,18. Nach der Bildung auftreten Biegen Instabilitäten innerhalb des Strahls verursacht weitere Strecken als das Lösungsmittel verdampft, und eine feste Faser gebildet. Schließlich wird die Faser nach dem Zufallsprinzip auf der Gegenelektrode als Gittervlieses 19 abgeschieden. Fiber Eigenschaften wie Durchmesser und Oberflächentopologie (glatt, porös) sind vor allem abhängig von Lösung Parametern wie Konzentration, Viskosität, freie Oberflächenenergie und des Lösungsmittels intrinsische elektrische Leitfähigkeit und Durchlässigkeit 20. Electrospinning von eADF4 (C16) in HFIP Ergebnisse in glatte Fasern mit Durchmessern von 80-1,100 nm in Abhängigkeit von der Protein-Konzentration in der Lösung gelöst.eADF4 (C16) Elektrospinnen von HFIP zeigt ein überwiegend α-helikale Sekundärstruktur und die Fasern sind wasserlöslich 6. Um die Seidenfasern zu stabilisieren, haben β-Faltblatt-Strukturen durch anschließende Behandlung mit Ethanol induziert werden. Im Gegensatz zu den vorher festgelegten Nachbehandlungsverfahren 21 haben in dieser Studie eADF4 (C16) Vliese mit Ethanol Dampf behandelt, um die Morphologie der Seidenfasern zu erhalten. Sekundäre Struktur-Analyse wurde durchgeführt unter Verwendung der Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) und anschließende Fourier Selbst-Entfaltung (FSD), wie in der Literatur beschrieben 22. FSD ist ein Signal-Processing-Tool, Auflösung von FTIR-Spektren aus mehreren überlappenden Bändern ermöglicht. Dadurch können die unscharfe Banden des breiten Amid I verengt mit einem Hochpassfilter einen entfalteten Spektrums mit verbesserten Peak Auflösungen erhalten werden. Um zu beurteilen, die effizienz der Filterträger mit Seide gewebten Maschen ergänzt wurden Luftdurchlässigkeit Tests unter Verwendung eines Akustron nach Standardprotokollen. Abscheidegeschwindigkeiten wurden unter Verwendung eines universellen Palas Partikel-Sizer.

air filter devices including nonwoven meshes of electrospun recombinant spider silk proteins

Basierend auf der natürlichen Sequenz von Araneus diadematus Fibroin 4 (ADF4), das rekombinante Spinnenseidenprotein eADF4 (C16) wurde entwickelt. Diese stark repetitiven Protein ein Molekulargewicht von 48kDa und in verschiedenen Lösungsmitteln löslich (Hexafluorisopropanol (HFIP), Ameisensäure und wässrigem Puffer). eADF4 (C16) bietet ein hohes Potenzial für verschiedene technische Anwendungen, wenn sie in Morphologien wie Folien, Kapseln, Teilchen, Hydrogele, Beschichtungen, Fasern und Vlies Maschen verarbeitet. Aufgrund ihrer chemischen Stabilität und kontrollierte Morphologie, kann diese verwendet werden, um Filtermaterialien zu verbessern. In diesem Protokoll, präsentieren wir ein Verfahren, um die Effizienz verschiedener Luftfilter Geräte erweitern, die durch die Ablagerung von nicht gewebten Maschen elektrogesponnenen rekombinanten Spinnenseidenproteine. Electrospinning von eADF4 (C16) in HFIP Ergebnisse in glatte Fasern gelöst. Variation der Proteinkonzentration (5-25% w / v) zu unterschiedlichen Faserdurchmesser (80-1,100 nm) undso Porengrößen des Vliesstoffes mesh. Nachbehandlung von eADF4 (C16) elektrogesponnenen von HFIP ist notwendig, da das Protein zeigt eine überwiegend α-Helix-Sekundärstruktur in frisch gesponnenen Fasern und damit die Fasern sind wasserlöslich. Die anschließende Behandlung mit Ethanol Dampf induziert die Bildung von Wasser-beständigen, stabilen β-Faltblatt-Strukturen, die Erhaltung der Morphologie der Seidenfasern und kämmt. Sekundäre Struktur-Analyse wurde durchgeführt unter Verwendung der Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) und anschließende Fourier Selbst-Entfaltung (FSD). Das primäre Ziel war es, die Effizienz der bestehenden Filter Filter Substrate durch Zugabe von Seide gewebte Schichten übereinander zu verbessern. Um den Einfluss von Elektrospinnen Dauer und somit Vlieslage Dicke auf der Filtereffizienz zu bewerten, führten wir Luftdurchlässigkeit Tests in Kombination mit Partikelabscheidung Messungen. Die Versuche wurden nach Standardverfahren durchgeführtProtokolle.

Elektrospinnen von rekombinanten Spinnenseide-Lösungen mit Konzentrationen von 10% w / v von HFIP Folge glatte Fasern mit Durchmessern im Bereich von 80 bis 120 nm, die die Bildung von nicht gewebten Maschen. Post-Behandlung mit Ethanol Dampf nicht zu auffälligen morphologischen Veränderungen, die war es daher, gegründet als eine richtige Art und Weise aus Seide gewebten Nachbehandlung (Abbildung 8) führen. Strukturelle Veränderungen wurden unter Verwendung von FT-IR und anschließende FSD von Amid I Banden wurde durchgeführt, um einzelne Beitrag Peaks (Abbildung 6) zu analysieren. Es konnte gezeigt werden, dass nach der Behandlung zu einer Erhöhung der β-Faltblatt-Strukturen führt, während der Gehalt an α-Helix-und Random-Coil-Strukturen verringert (Abbildung 7). Dieses Ergebnis kann praktisch durch Eintauchen eines nachbehandelt in Wasser (Abbildung 5) Vlies nachgewiesen werden. Selbst nach einer Woche werden keine Auflösung des Gittervlieses auftreten. Die Spinnerei duration ist der wichtigste Parameter zur Anwendung der Seide Vliesstoffe in Filtermaterialien durch den Druckabfall auf der zunehmende Dichte elektrogesponnener Fasern. Erweiterte drehenden Laufzeiten und damit eine höhere Anzahl von Faserschichten führen zu einer exponentiellen Abnahme der Luftdurchlässigkeit. Dieser Effekt konnte für alle anderen Filter Trägermaterialien vor und nach einer Nachbehandlung (Abbildung 9) nachgewiesen werden. Ebenso ist die Filterleistung der Seide enthaltenden Filtermaterialien von Sub-Mikrometer-Partikel zunimmt (Abbildung 10). Während Kurzspinnen Laufzeiten (30 sec) gewinnen niedrigen Filter Wirkungsgrade, höhere Spinnerei Dauern (90 sec) führen zu höheren Wirkungsgraden. <img alt="Abbildung 1" fo:content-width="5.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig1.jpg" /> Abbildung 1. Hohe elektrische Spannung (0-30 kV) i<html> s, die auf eine Spritze mit einer Lösung gefüllt Seide, und eine Gegenelektrode (0-20 kV) in einem Abstand von 8-20 cm gelegt. Dieser Aufbau führt zu einer starken elektrostatischen Feld, induziert Abstoßungskräfte innerhalb der geladenen Lösung. Wenn die Oberflächenspannung überschritten, wird eine Taylor-Konus ausgebildet, und ein dünner Strahl bricht aus der Spitze. Nach der Bildung auftreten Biegen Instabilitäten innerhalb des Strahls verursacht weitere Strecken als das Lösungsmittel verdampft, und eine feste Faser gebildet. Schließlich wird die Faser nach dem Zufallsprinzip auf der Gegenelektrode in Form eines Gittervlieses abgeschieden. <img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig2.jpg" /> 2. Fotografien eines regelmäßigen Taylor-Konus (A), einem getrockneten Tröpfchens (B) und der Einrichtung ohne Tröpfchen (C). iles/ftp_upload/50492/50492fig3highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50492/50492fig3.jpg &quot;/&gt; Abbildung 3. Schematische Vorgehensweise bei der Dampf-Nachbehandlung. Im ersten Schritt wird die Kammer mit Ethanol gefüllt, und die Probe wird bei 60 ° C für 90 Minuten mit Dampf behandelt. Um die gewebten Maschen zur anschließenden Bearbeitung erweichen, Ethanol entfernt wird und die Fasern werden mit Wasserdampf gedämpft für 90 min bei 60 ° C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50492/50492fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . <img alt="Fig. 4" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig4.jpg" /> Abbildung 4. Fotografie eines Papprahmen mit angeschlossenem Seide gewebten Maschen zur Nachbehandlung verwendet werden. <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig5.jpg" /> Abbildung 5. Electrospun und anschließend nachbehandelt im trockenen Zustand (A) und unter Wasser (B) Vlies. <img alt="Abbildung 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig6.jpg" /> 6. Fourier selbst entfalteten Absorptionsspektrum eines Amid-I-Bande einer unbehandelten (A) und einem nachbehandelten (B) Spinnenseide-gewebte Maschen. Die durchgezogene Linie zeigt die Absorptionsbande, die aus den einzelnen Beitrag Spitzen (gestrichelte Linien) und nach Entfaltung abgeleitet. Die Zuordnung der jeweiligen Kurven wurde bisher veröffentlichten Werte aus der Literatur 22 basiert. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50492/50492fig6large.jpg" target="_blank">Klicke hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . <img alt="Abbildung 7" fo:conten<html> t-width = &quot;5in&quot; fo: src = &quot;/ files/ftp_upload/50492/50492fig7highres.jpg&quot; src = &quot;/ files/ftp_upload/50492/50492fig7.jpg&quot; /&gt; 7. Sekundärstruktur Gehalt an nicht-behandelten und nachbehandelten eADF4 (C16) Vlies kämmt. <img alt="Fig. 8" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig8.jpg" /> . Abbildung 8 REM-Aufnahmen von elektrogesponnenen eADF4 (C16)-Fasern auf verschiedenen Substraten Filter: Polyamid (PA), Polyester (PE), Polypropylen (PP) und reines eADF4 (C16) Fasern vor (S1) und nach (S2) post- Behandlung mit Ethanol Dampf. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50492/50492fig8large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . / Ftp_upload/50492/50492fig9.jpg &quot;/&gt; Abbildung 9. Luftdurchlässigkeit Tests vor (A) und nach einer Nachbehandlung (B) der Seide gewebten Maschen mit Ethanoldampf, zunehmende Spinnen mal mehr Vliesstoffschichten anschließend Absenken der Luftdurchlässigkeit führen. <img alt="Abbildung 10" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig10highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig10.jpg" /> Abbildung 10. Filterleistung von Di-Ethyl-Hexyl-sebacat Aerosols auf elektrogesponnenen Spinnenseide gewebten Maschen auf Polyamid Filtermaterialien bei unterschiedlichen Laufzeiten Spinnerei, Beeinflussung der Seide Schicht Menge, nach der Nachbehandlung mit Ethanol.

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Air Filter Devices Including Nonwoven Meshes of Electrospun Recombinant Spider Silk Proteins

Spinnenseide Fasern zeigen außergewöhnliche mechanische Eigenschaften. Engineered<em&gt; Araneus diadematus</em&gt; Fibroin 4 (eADF4) in Maschen mit Vlies Elektrospinning verarbeitet werden. Hier werden die eADF4 Vlies Maschen verwendet, um die Leistung der Luft filtern Geräte zu verbessern.

Luftfilter Devices Inklusive Vlies Meshes of Elektrogesponnene Rekombinante Spinnenseidenproteine

Based on the natural sequence of Araneus diadematus Fibroin 4 (ADF4), the recombinant spider silk protein eADF4(C16) has been engineered. This highly ...

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

16.1K Aufrufe.  University of Bayreuth. Spinnenseide Fasern zeigen außergewöhnliche mechanische Eigenschaften. Engineered Araneus diadematus Fibroin 4 (eADF4) in Maschen mit Vlies Elektrospinning verarbeitet werden. Hier werden die eADF4 Vlies Maschen verwendet, um die Leistung der Luft filtern Geräte zu verbessern.

Serie: Air Filter Devices Including Nonwoven Meshes of Electrospun Recombinant Spider Silk Proteins

Postproduction Processing of Electrospun Fibres for Tissue Engineering

Electrospinning is a commonly used and versatile method to produce scaffolds (often biodegradable) for 3D tissue engineering.1, 2, 3 Many tissues in vivo undergo biaxial distension to varying extents such as skin, bladder, pelvic floor and even the hard palate as children grow. In producing scaffolds for these purposes there is a need to develop scaffolds of appropriate biomechanical properties (whether achieved without or with cells) and which are sterile for clinical use. The focus of this paper is not how to establish basic electrospinning parameters (as there is extensive literature on electrospinning) but on how to modify spun scaffolds post production to make them fit for tissue engineering purposes - here thickness, mechanical properties and sterilisation (required for clinical use) are considered and we also describe how cells can be cultured on scaffolds and subjected to biaxial strain to condition them for specific applications.
Electrospinning tends to produce thin sheets; as the electrospinning collector becomes coated with insulating fibres it becomes a poor conductor such that fibres no longer deposit on it. Hence we describe approaches to produce thicker structures by heat or vapour annealing increasing the strength of scaffolds but not necessarily the elasticity. Sequential spinning of scaffolds of different polymers to achieve complex scaffolds is also described. Sterilisation methodologies can adversely affect strength and elasticity of scaffolds. We compare three methods for their effects on the biomechanical properties on electrospun scaffolds of poly lactic-co-glycolic acid (PLGA).
Imaging of cells on scaffolds and assessment of production of extracellular matrix (ECM) proteins by cells on scaffolds is described. Culturing cells on scaffolds in vitro can improve scaffold strength and elasticity but the tissue engineering literature shows that cells often fail to produce appropriate ECM when cultured under static conditions. There are few commercial systems available that allow one to culture cells on scaffolds under dynamic conditioning regimes - one example is the Bose Electroforce 3100 which can be used to exert a conditioning programme on cells in scaffolds held using mechanical grips within a media filled chamber.4 An approach to a budget cell culture bioreactor for controlled distortion in 2 dimensions is described. We show that cells can be induced to produce elastin under these conditions. Finally assessment of the biomechanical properties of processed scaffolds cultured with or without cells is described.

Electrospun scaffolds can be processed post production for tissue engineering applications. Here we describe methods for spinning complex scaffolds (by consecutive spinning), for making thicker scaffolds (by multi-layering using heat or vapour annealing), for achieving sterility (aseptic production or sterilisation post production) and for achieving appropriate biomechanical properties.

Postproduction Verarbeitung von Elektrogesponnene Fasern für Tissue Engineering

Electrospinning is a commonly used and versatile method to produce  scaffolds (often biodegradable) for 3D tissue engineering.1, 2, 3 Many tissues in vivo ...

Forschung

Biotechnik

Synthetic Spider Silk Production on a Laboratory Scale

As society progresses and resources become scarcer, it is becoming increasingly important to cultivate new technologies that engineer next generation biomaterials with high performance properties. The development of these new structural materials must be rapid, cost-efficient and involve processing methodologies and products that are environmentally friendly and sustainable. Spiders spin a multitude of different fiber types with diverse mechanical properties, offering a rich source of next generation engineering materials for biomimicry that rival the best manmade and natural materials. Since the collection of large quantities of natural spider silk is impractical, synthetic silk production has the ability to provide scientists with access to an unlimited supply of threads. Therefore, if the spinning process can be streamlined and perfected, artificial spider fibers have the potential use for a broad range of applications ranging from body armor, surgical sutures, ropes and cables, tires, strings for musical instruments, and composites for aviation and aerospace technology. In order to advance the synthetic silk production process and to yield fibers that display low variance in their material properties from spin to spin, we developed a wet-spinning protocol that integrates expression of recombinant spider silk proteins in bacteria, purification and concentration of the proteins, followed by fiber extrusion and a mechanical post-spin treatment. This is the first visual representation that reveals a step-by-step process to spin and analyze artificial silk fibers on a laboratory scale. It also provides details to minimize the introduction of variability among fibers spun from the same spinning dope. Collectively, these methods will propel the process of artificial silk production, leading to higher quality fibers that surpass natural spider silks.

Despite the outstanding mechanical and biochemical properties of spider silks, this material cannot be harvested in large quantities by conventional means. Here we describe an efficient strategy to spin artificial spider silk fibers, which is an important process for investigators studying spider silk production and their use as next-generation biomaterials.

Synthetische Spinnenseide Produktion im Labormaßstab

As society progresses and resources become scarcer, it is becoming increasingly important to cultivate new technologies that engineer next generation ...

Biosensor for Detection of Antibiotic Resistant Staphylococcus Bacteria

A structurally transformed lytic bacteriophage having a broad host range of Staphylococcus aureus strains and a penicillin-binding protein (PBP 2a) antibody conjugated latex beads have been utilized to create a biosensor designed for discrimination of methicillin resistant (MRSA) and sensitive (MSSA) S. aureus species 1,2. The lytic phages have been converted into phage spheroids by contact with water-chloroform interface. Phage spheroid monolayers have been moved onto a biosensor surface by Langmuir-Blodgett (LB) technique 3. The created biosensors have been examined by a quartz crystal microbalance with dissipation tracking (QCM-D) to evaluate bacteria-phage interactions. Bacteria-spheroid interactions led to reduced resonance frequency and a rise in dissipation energy for both MRSA and MSSA strains. After the bacterial binding, these sensors have been further exposed to the penicillin-binding protein antibody latex beads. Sensors analyzed with MRSA responded to PBP 2a antibody beads; although sensors inspected with MSSA gave no response. This experimental distinction determines an unambiguous discrimination between methicillin resistant and sensitive S. aureus strains. Equally bound and unbound bacteriophages suppress bacterial growth on surfaces and in water suspensions. Once lytic phages are changed into spheroids, they retain their strong lytic activity and show high bacterial capture capability. The phage and phage spheroids can be utilized for testing and sterilization of antibiotic resistant microorganisms. Other applications may include use in bacteriophage therapy and antimicrobial surfaces.

Lytic phage biosensors and antibody beads are able to discriminate between methicillin resistant (MRSA) and sensitive staphylococcus bacteria. The phages were immobilized by a Langmuir-Blodgett method onto a surface of a quartz crystal microbalance sensor and worked as broad range staphylococcus probes. Antibody beads recognize MRSA.

Biosensor zum Nachweis von Antibiotika-resistenten Staphylococcus Bakterien

A structurally transformed lytic bacteriophage having a broad host range of Staphylococcus aureus strains and a penicillin-binding protein (PBP 2a) ...

Designing Silk-silk Protein Alloy Materials for Biomedical Applications

Fibrous proteins display different sequences and structures that have been used for various applications in biomedical fields such as biosensors, nanomedicine, tissue regeneration, and drug delivery. Designing materials based on the molecular-scale interactions between these proteins will help generate new multifunctional protein alloy biomaterials with tunable properties. Such alloy material systems also provide advantages in comparison to traditional synthetic polymers due to the materials biodegradability, biocompatibility, and tenability in the body. This article used the protein blends of wild tussah silk (Antheraea pernyi) and domestic mulberry silk (Bombyx mori) as an example to provide useful protocols regarding these topics, including how to predict protein-protein interactions by computational methods, how to produce protein alloy solutions, how to verify alloy systems by thermal analysis, and how to fabricate variable alloy materials including optical materials with diffraction gratings, electric materials with circuits coatings, and pharmaceutical materials for drug release and delivery. These methods can provide important information for designing the next generation multifunctional biomaterials based on different protein alloys.

Blending is an efficient approach to generate biomaterials with a broad range of properties and combined features. By predicting the molecular interactions between different natural silk proteins, new silk-silk protein alloy platforms with tunable mechanical resiliency, electrical response, optical transparency, chemical processability, biodegradability, or thermal stability can be designed.

Gestaltung Silk-Seidenprotein-Legierungen für biomedizinische Anwendungen

Fibrous proteins display different sequences and structures that have been used for various applications in biomedical fields such as biosensors, ...

Electrospun Fibrous Scaffolds of Poly(glycerol-dodecanedioate) for Engineering Neural Tissues From Mouse Embryonic Stem Cells

For tissue engineering applications, the preparation of biodegradable and biocompatible scaffolds is the most desirable but challenging task. &#160;Among the various fabrication methods, electrospinning is the most attractive one due to its simplicity and versatility. Additionally, electrospun nanofibers mimic the size of natural extracellular matrix ensuring additional support for cell survival and growth. This study showed the viability of the fabrication of long fibers spanning a larger deposit area for a novel biodegradable and biocompatible polymer named&#160;poly(glycerol-dodecanoate) (PGD)1 by using a newly designed collector for electrospinning. PGD exhibits unique elastic properties with similar mechanical properties to nerve tissues, thus it is suitable for neural tissue engineering applications. The synthesis and fabrication set-up for making fibrous scaffolding materials was simple, highly reproducible, and inexpensive. In biocompatibility testing, cells derived from mouse embryonic stem cells could adhere to and grow on the electrospun PGD fibers. In summary, this protocol provided a versatile fabrication method for making PGD electrospun fibers to support the growth of mouse embryonic stem cell derived neural lineage cells.

Electrospun Fibrous Scaffolds of Polyglycerol-dodecanedioate for Engineering Neural Tissues From Mouse Embryonic Stem Cells

Synthesis and fabrication of electrospun long fibers spanning a larger deposit area via a newly designed collector from a novel biodegradable polymer named poly(glycerol-dodecanoate) (PGD) was reported. The fibers were able to support the growth of cells derived from mouse pluripotent stem cells.

Elektro Faser-Gerüste von Poly (Glycerin-dodecandioat) für Ingenieurnervengewebe aus embryonalen Stammzellen der Maus

For tissue engineering applications, the preparation of biodegradable and biocompatible scaffolds is the most desirable but challenging task. &#160;Among ...

Optimizing Attachment of Human Mesenchymal Stem Cells on Poly(&#949;-caprolactone) Electrospun Yarns

Research into biomaterials and tissue engineering often includes cell-based in vitro investigations, which require initial knowledge of the starting cell number. While researchers commonly reference their seeding density this does not necessarily indicate the actual number of cells that have adhered to the material in question. This is particularly the case for materials, or scaffolds, that do not cover the base of standard cell culture well plates. This study investigates the initial attachment of human mesenchymal stem cells seeded at a known number onto electrospun poly(&#949;-caprolactone) yarn after 4 hr in culture. Electrospun yarns were held within several different set-ups, including bioreactor vessels rotating at 9 rpm, cell culture inserts positioned in low binding well plates and polytetrafluoroethylene (PTFE) troughs placed within petri dishes. The latter two were subjected to either static conditions or positioned on a shaker plate (30 rpm). After 4 hr incubation at 37&#160;oC, 5% CO2, the location of seeded cells was determined by cell DNA assay. Scaffolds were removed from their containers and placed in lysis buffer. The media fraction was similarly removed and centrifuged &#8211; the supernatant discarded and pellet broken up with lysis buffer. Lysis buffer was added to each receptacle, or well, and scraped to free any cells that may be present. The cell DNA assay determined the percentage of cells present within the scaffold, media and well fractions. Cell attachment was low for all experimental set-ups, with greatest attachment (30%) for yarns held within cell culture inserts and subjected to shaking motion. This study raises awareness to the actual number of cells attaching to scaffolds irrespective of the stated cell seeding density.

This article describes a range of set-ups for seeding human mesenchymal stem cells onto materials, in this case electrospun yarns, that do not cover the base of standard culture well plates in order to maximize and quantify the number of cells that initially attach compared to the known seeding density.

Optimierung der Befestigung der humanen mesenchymalen Stammzellen auf Poly (ε-caprolacton) Elektrogesponnene Garne

Research into biomaterials and tissue engineering often includes cell-based in vitro investigations, which require initial knowledge of the starting cell ...

Electrospun Nanofiber Scaffolds with Gradations in Fiber Organization

The goal of this protocol is to report a simple method for generating nanofiber scaffolds with gradations in fiber organization and test their possible applications in controlling cell morphology/orientation. Nanofiber organization is controlled with a new fabrication apparatus that enables the gradual decrease of fiber organization in a scaffold. Changing the alignment of fibers is achieved through decreasing deposition time of random electrospun fibers on a uniaxially aligned fiber mat. By covering the collector with a moving barrier/mask, along the same axis as fiber deposition, the organizational structure is easily controlled. For tissue engineering purposes, adipose-derived stem cells can be seeded to these scaffolds. Stem cells undergo morphological changes as a result of their position on the varied organizational structure, and can potentially differentiate into different cell types depending on their locations. Additionally, the graded organization of fibers enhances the biomimicry of nanofiber scaffolds so they more closely resemble the natural orientations of collagen nanofibers at tendon-to-bone insertion site compared to traditional scaffolds. Through nanoencapsulation, the gradated fibers also afford the possibility to construct chemical gradients in fiber scaffolds, and thereby further strengthen their potential applications in fast screening of cell-materials interaction and interfacial tissue regeneration. This technique enables the production of continuous gradient scaffolds, but it also can potentially produce fibers in discrete steps by controlling the movement of the moving barrier/mask in a discrete fashion.

Here, we present a protocol to fabricate electrospun nanofiber scaffolds with gradated organization of fibers and explore their applications in regulating cell morphology/orientation. Gradients with regard to physical and chemical properties of the nanofiber scaffolds offer a wide variety of applications in the biomedical field.

Elektronanofasergerüste mit Abstufungen in Fiber-Organisation

The goal of this protocol is to report a simple method for generating nanofiber scaffolds with gradations in fiber organization and test their possible ...

Engineered 3D Silk-collagen-based Model of Polarized Neural Tissue

Despite huge efforts to decipher the anatomy, composition and function of the brain, it remains the least understood organ of the human body. To gain a deeper comprehension of the neural system scientists aim to simplistically reconstruct the tissue by assembling it in vitro from basic building blocks using a tissue engineering approach. Our group developed a tissue-engineered silk and collagen-based 3D brain-like model resembling the white and gray matter of the cortex. The model consists of silk porous sponge, which is pre-seeded with rat brain-derived neurons, immersed in soft collagen matrix. Polarized neuronal outgrowth and network formation is observed with separate axonal and cell body localization. This compartmental architecture allows for the unique development of niches mimicking native neural tissue, thus enabling research on neuronal network assembly, axonal guidance, cell-cell and cell-matrix interactions and electrical functions.

Insight into the complex actions of the brain requires advanced research tools. Here we demonstrate a novel silk-collagen-based 3D engineered model of neural tissue resembling brain-like architecture. The model can be used to study neuronal network assembly, axonal guidance, cell-cell interactions and electrical activity.

Engineered 3D Silk-Kollagen-basierten Modell von polarisiertem Neural Tissue

Despite huge efforts to decipher the anatomy, composition and function of the brain, it remains the least understood organ of the human body. To gain a ...

Fabricating Cotton Analytical Devices

A robust, low-cost analytical device should be user-friendly, rapid, and affordable. Such devices should also be able to operate with scarce samples and provide information for follow-up treatment. Here, we demonstrate the development of a cotton-based urinalysis (i.e., nitrite, total protein, and urobilinogen assays) analytical device that employs a lateral flow-based format, and is inexpensive, easily fabricated, rapid, and can be used to conduct multiple tests without cross-contamination worries. Cotton is composed of cellulose fibers with natural absorptive properties that can be leveraged for flow-based analysis. The simple but elegant fabrication process of our cotton-based analytical device is described in this study. The arrangement of the cotton structure and test pad takes advantage of the hydrophobicity and absorptive strength of each material. Because of these physical characteristics, colorimetric results can persistently adhere to the test pad. This device enables physicians to receive clinical information in a timely manner and shows great potential as a tool for early intervention.

To investigate simple fabrication approaches for multiple assay needs, we created a fluid-absorbing channel system made of cotton material. This device was used to establish a multiple detection platform, and solve contamination issues that commonly affect lateral flow-based biomedical devices, for clinical urinalysis of nitrite, total protein, and urobilinogen.

Die Herstellung von Baumwolle Analytische Geräte

A robust, low-cost analytical device should be user-friendly, rapid, and affordable. Such devices should also be able to operate with scarce samples and ...

High-throughput Identification of Bacteria Repellent Polymers for Medical Devices

Medical devices are often associated with hospital-acquired infections, which place enormous strain on patients and the healthcare system as well as contributing to antimicrobial resistance. One possible avenue for the reduction of device-associated infections is the identification of bacteria-repellent polymer coatings for these devices, which would prevent bacterial binding at the initial attachment step. A method for the identification of such repellent polymers, based on the parallel screening of hundreds of polymers using a microarray, is described here. This high-throughput method resulted in the identification of a range of promising polymers that resisted binding of various clinically relevant bacterial species individually and also as multi-species communities. One polymer, PA13 (poly(methylmethacrylate-co-dimethylacrylamide)), demonstrated significant reduction in attachment of a number of hospital isolates when coated onto two commercially available central venous catheters. The method described could be applied to identify polymers for a wide range of applications in which modification of bacterial attachment is important.

A high-throughput microarray method for the identification of polymers which reduce bacterial surface binding on medical devices is described.

Hochdurchsatz-Identifizierung von Bakterien abstoßenden Polymere für medizinische Geräte

Medical devices are often associated with hospital-acquired infections, which place enormous strain on patients and the healthcare system as well as ...