Microfluidique sec-spinning et caractérisation des fibres régénérées fibroïne de soie

Résumé

Un protocole pour la filature de microfluidique et la caractérisation de la microstructure de monofilament de fibroïne de soie régénérée est présenté.

Résumé

Le protocole montre une méthode pour imiter le filage vers à soie. Dans le processus de filature native, l’adjudicateur conduit filature permet les protéines de soie être compact et ordonné par les forces de cisaillement et de l’allongement. Ici, un canal de microfluidique biomimétique a été conçu pour imiter la géométrie spécifique de la gaine de la filature du ver à soie. Filature de fibroïne de soie régénérée (RSF) dopé à forte concentration, a été extrudé à travers le microcanaux aux fibres sèches-spin à température et pression ambiantes. Dans le processus des traités, les fibres filées comme tirés et stockées dans une solution aqueuse d’éthanol. Technologie de diffraction des rayons x grand angle (SR-WAXD) de rayonnement synchrotron a permis d’étudier la microstructure des fibres isolées de RSF, qui ont été fixés à un porte-échantillon avec l’axe de fibre RSF normal le microfaisceaux des rayons x. La cristallinité, la taille des cristallites et orientation cristalline de la fibre ont été calculés d’après les données WAXD. Les arcs de diffraction près de l’Équateur du modèle bidimensionnel WAXD indiquent que la fibre après traitée de RSF a un degré élevé d’orientation.

Introduction

Araignée et le ver à soie peuvent produire exceptionnelle fibre de soie de la solution aqueuse de protéine à température et pression ambiantes. Flux de cisaillement et extensionnel peut induire la formation de cristaux liquides texture dans la glande de soie¹. Ces dernières années, il y a eu un grand intérêt en imitant le filage de l’araignée afin de produire des fibres artificielles de haute résistance. Cependant, de grandes quantités de protéine de soie araignée ne peut pas être issues efficacement et économiquement de l’agriculture araignées en raison de cannibalisme. Des quantités substantielles de soie du ver à soie peuvent être obtenues facilement par l’agriculture. Dans le cas contraire, le ver à soie et l’araignée ont une composition similaire de processus et d’acides aminés du filage. Par conséquent, fibroïne de soie silkworm est sélectionné comme un substitut à filer la soie animale artificielle par de nombreux chercheurs.

Araignée et le ver à soie extruder une solution protéique par le biais de leur gaine de filature en fibres dans l’air. Les forces de contraintes élevées produites le long de la gaine de filature probablement s’étendent les molécules de fibroïne de soie pour une plus longue de la conformation². Soie artificielle des fibres ont été filés en utilisant conventionnel filage humide et sec-filage procédés^3,4, qui ne prennent pas en compte les forces fluides générés dans le conduit de la filature.

Tout d’abord, microfluidique approches ont été utilisées pour étudier l’Assemblée de la protéine de soie^5,6. Puis, fabrication de microfluidique de RSF a été étudiée par modélisation en traction et de cisaillement forces^7,8. Module Young et le diamètre des fibres RSF peuvent être affinés en microfluidique filage humide, mais la résistance à la traction de fibre dessiné était inférieur à 100 MPa⁷. Enfin, les fibres RSF haute résistance ont été préparés avec succès en utilisant la méthode de filage sec microfluidique, mais le diamètre de la fibre est seulement 2 µm⁸. Récemment, microfluidique filage humide a été utilisé avec succès dans la production de fibres de soie haute résistance araignée recombinante. Le dessin d’après rotation dans l’air amélioré les défauts internes et surfaces de fibre artificielle⁹.

Dans cette étude, la microfluidique améliorée tourne PROCEDE de fibre de RSF est introduit. Il a pour but d’imiter le processus de filature de soie de ver à soie, y compris la dope de filature, forces et sec-filage de cisaillement. Cette méthode de rotation non seulement peut produire des fibres de soie artificielle haute résistance, mais également peut ajuster le diamètre de la fibre. Tout d’abord, le FSR filature dope a été cisaillé et allongé dans un canal de biomimic avec une décroissance exponentielle de deuxième ordre. Deuxièmement, l’influence de l’humidité relative (HR) sur la morphologie de la fibre et les propriétés ont été étudiées dans la microfluidique sec-filature processus¹⁰. Par rapport à la filière de la filature conventionnelle, notre système microfluidique est hautement biomimétique et peut être utilisé pour produire des fibres de haute résistance de solutions à la température ambiante par la sec ou humide méthode de filature.

En raison de la haute résolution, haute luminosité et haute énergie de la microfocus de rayonnement synchrotron aux rayons x, il peut être utilisé pour caractériser la microstructure d’une fibre unique avec un diamètre de plusieurs micromètres^{4,11 , 12 , 13 , 14}. ici, SR-WAXD technique a été utilisée pour calculer la cristallinité, la taille des cristallites et l’orientation cristalline des fibres RSF.

Protocole

attention : veuillez consulter tous les fiches signalétiques avant utilisation. Plusieurs des produits chimiques utilisés dans la préparation de la moulure présentent une toxicité aiguë. S’il vous plaît utiliser les équipements de protection individuelle (lunettes, gants, blouse, pleine longueur pantalons et chaussures fermées).

1. microfluidique filature de RSF Solution aqueuse

1. Préparation de RSF aqueuse filature dope ^{4 , 15 , 16}
   1. Degumming vers à soie cocoon
      1. dégommer le Bombyx mori cocons deux fois en Na ₂ CO ₃ des solutions aqueuses (0,5 % en poids dans l’eau) à 100 ° C pendant 30 min chacun et puis laver la soie avec l’eau déminéralisée pour éliminer les séricine.
   2. Dissolving du cocon de ver à soie dégommée
      1. sécher les soies dégommée cocon dans l’air, puis dissoudre les soies dégommée cocon dans une solution aqueuse LiBr 9,0 M avec un ratio de 01:10 (p/v) à 40 ° C pendant 2 h. Par exemple, ajoutez 10 mL LiBr pour 1 gramme de soie ( Figure 1 a).
   3. Centrifugation et filtration
      1. diluer la solution RSF 1,5 fois de l’eau désionisée. Centrifugeuse et filtre pour éliminer les impuretés. Centrifuger la solution RSF en bouteilles de 250 mL à 4 ° C pendant 10 min à 1,234.8 x g. filtrer la solution RSF à l’aide d’un filtre à 20 µm et une pompe à vide. Double lit de papier filtre est préférable compte tenu de l’effet de l’expérimentation.
   4. Dialyzing
      1. dialyser la solution RSF dans l’eau désionisée à 5 ° C pendant 3 jours à l’aide d’une membrane semi-perméable de cellulose (MWCO : 14 000 ± 2 000). Le volume total de solution RSF est environ de 1 L, chargé dans 4 sacs de dialyse. Mettre ces sacs de dialyse dans le seau, qui est rempli de l’osmose inverse (RO) de 10 L d’eau déionisée.
         Remarque : La valeur du pH de l’eau désionisée devrait être supérieure à 6, afin d’éviter la gélification au cours du processus de concentration. Le pH de l’eau déminéralisée ne nécessitait pas de réglage pour ce protocole.
   5. Concentration
      1. condenser la solution aqueuse de RSF à 20 % en poids par circulation d’air forcée à une solution aqueuse de 5 ° C. Ajouter 3 M CaCl ₂ dans la solution RSF à 1,0 mmol/g ; concentration finale ^{2 +} Ca puis concentré par air pulsé débit de 38 à 47 % en poids.
      2. Peser une goutte de solution RSF sur une lame de verre et sécher pendant 2 h dans une étuve à 105 ° C.
         NOTE : Pourcentage massique du reste solid par rapport au poids de la goutte avant séchage est la concentration totale de protéine et CaCl ₂. La concentration de RSF est calculée après déduction de la masse de CaCl ₂. Au moins quatre répétée des mesures ont été effectuées. Nos études précédentes ont montré que la concentration de Ca ^{2 +} grandement affecté les propriétés rhéologiques et filage des solutions aqueuses de RSF. Pendant ce temps, l’ajout de Ca ^{2 +} a incité la formation limitée de feuillet β et l’agrégation de RSF ¹⁷. Dans Datura natif de filature, CaCl ₂ est considéré comme jouer un rôle important lors du stockage de la filature dope pour éviter la congélation avant de filer. ¹⁸
2. préparation de puce microfluidique ^{8 , 19}
   1. préparation photomask
      1. concevoir la micro-channel dans un Programme de CAO. Imprimer le fichier CAO pour produire une transparence haute résolution ¹⁹.
   2. Préparer le moule
      1. nettoyage de la lame de verre
         1. dans une hotte chimique, faire bouillir la lame de verre dans la mélange de la solution d’acide sulfurique concentré et 30 vol % peroxyde d’hydrogène (10:1) pendant 20 min sur une plaque chauffante.
            ATTENTION : les vapeurs d’acide sulfurique et d’eau oxygénée sont extrêmement toxiques.
      2. Laver la lame de verre
         1. laver la lame de verre à l’aide de l’eau déminéralisée et sécher avec de l’azote de haute pureté.
      3. Film de revêtement
         1. enrober la résine SU-8 photosensible sur la lame de verre entre la surface inférieure de la barre de revêtement et la surface supérieure du verre par un dispositif de revêtement sur mesure avec un écart de 100 µm.
      4. Spin revêtement
         1. répandre la résine photosensible sur la lame de verre pour former un film uniform à l’aide d’une coucheuse spin à 40,3 x g pendant 30 s. L’épaisseur du film uniform est environ 85 µm.
      5. Solidification
         1. solidifie la résine photosensible dans un four avec une programme de régulation de la température. Élever la température à 65 ° C à 2 ° C/min température ambiante et contenir à 65 ° C pendant 2 min. de continuer à la chaleur jusqu'à 65 ° c à 95° C et maintenez à 95 ° C pendant 15 min. tour hors du four et refroidir naturellement à la chambre température dans le four.
      6. UV lumière exposition
         1. exposer la face du verre slide avec la résine photosensible à la lumière ultraviolette pour 12 s en utilisant la transparence comme un photomasque par photolithographie ¹⁹.
            Remarque : Le nombre d’onde de la lumière ultraviolette est 365 nm et l’exposition à l’énergie est 273,6 mJ/cm ².
            ATTENTION : Prendre les mesures de sécurité appropriées tout en travaillant avec la lumière UV et le four.
      7. Solidifie la résine photosensible, tel que décrit à l’étape 1.2.2.5.
      8. En développement
         1. nettoyer la résine photosensible par ultrasons dans solution de développeur pendant 30 s. laver la lame de verre par isopropanol et développeur, alternant entre les deux, jusqu'à ce qu’il n’y a aucune précipitation sur la lame de verre.
      9. Solidifie la résine photosensible dans un four avec une programme de régulation de la température. Élever la température à 170 ° C à 2 ° C/min température ambiante et maintenez à 170 ° C pendant 30 min. tour hors du four et refroidir naturellement à température ambiante dans le four.
   3. Soft Lithographie
      1. verser 8,8 prépolymère g liquide polydiméthylsiloxane (PDMS) sur le moule et la guérison pendant 30 min à 65 ° C, et 15 min à 80 prépolymère ° c liquide PDMS se compose de PDMS et de salaison (généralement à 10:1 (w/w)).
   4. Boxe
      1. percer un trou à travers la réplique PDMS au début du canal de forage. Le diamètre du foret est de 1,2 mm.
   5. D’étanchéité
      1. sceller la réplique PDMS avec le canal d’une couche plane de PDMS sans motif par un traitement au plasma oxygène sur les surfaces des deux couches PDMS.
         Remarque : Le processus global de préparation de la puce prend environ 72 h.
3. Fabrication de RSF fibre
   1. Injection de filature dope
      1. injecter le RSF filature dope dans le microcanaux à 2 µL/min par un pousse-seringue.
   2. Règlement d’environnement
      1. ajuster l’humidité relative de 40 ± 5 % HR ou 50 ± 5 % HR à l’aide d’un humidificateur. À 40 HR ± 5 %, comme filature fibres solidifiés plus rapidement que 50 ± 5 % HR.
   3. Fibre de production de RSF
      1. toucher la goutte RSF par un pinpoint à la sortie du canal microfluidique, dessiner fibre RSF dans l’air et ensuite il reel sur un rouleau par un espace d’air de 10 cm à une vitesse de 3 cm/s ( Figure 1 b ).
   4. Stocker les fibres RSF dans un dessicateur scellé pendant 24 h.
   5. Après le traitement fibre
      1. tirer les fibres filées comme 4 fois à 0,9 mm s ^-1 en 80 vol % éthanol de solution par une machine sur mesure et puis garder la fibre dessinée fixes et immerger les fibres dans la solution pendant 1 h. À cause de ce traitement, la longueur de la fibre est passée à l’origine de 15 mm à 60 mm.
   6. Préparation de l’échantillon pour la caractérisation
      1. Difficulté les fibres post traitées sur un châssis de papier avec une longueur de 10mm de calibre. Au moins 20 fibres sont nécessaire pour la mesure, notamment dans l’essai de traction, SEM, FTIR et Encrassage. Les diamètres de la gamme de fibres post-tiré de 5 à 10 µm. la Figure 1 montre le schéma de la production de fibres et de la caractérisation de la WAXD. Les propriétés mécaniques des fibres RSF ont été examinées par un système d’essai matériel (25 ± 2) ° C (45 ± 5) % d’humidité relative. L’extension note et mesurer la longueur est respectivement de 2 mm/min et 1 cm,.

2. Rayonnement synchrotron caractérisation du cristallin Structure de RSF fibre

1. caractérisation du rayonnement Synchrotron ^{4 , 13 , 17}
   1. réglage du faisceau
      1. ajuster la longueur d’onde des rayons x et taille du spot à 0,07746 nm et ² de 3 x 2 µm, respectivement.
         Remarque : Le protocole est effectué à l’aide de la ligne de faisceau de BL15U1 à la Shanghai Synchrotron Radiation Facility.
   2. Emplacement de la place de x-ray
      1. trouver l’emplacement de la place de rayons x.
         Remarque : L’emplacement de la place de rayons x est réglée par le technicien de laboratoire à l’usine de rayonnement Synchrotron.
   3. Essai d’échantillon standard : dioxyde de cérium (CeO ₂)
      1. tester une échantillon standard PDG ₂ en poudre. Le chef de la direction ₂ poudre a été caractérisée pour calculer le centre du cercle et la distance entre l’échantillon et le détecteur de.
   4. Préparation de l’échantillon
      1. Difficulté les filaments RSF en parallèle avec l’autre sur le châssis de papier avec une longueur de calibre 10 mm. Coller l’image de papier sur la phase de test.
         Remarque : Assurez-vous que la fibre est horizontal.
   5. SR-WAXD test
      1. ouvrir l’obturateur
         1. Fermer la porte de la station de la ligne de faisceau après s’être assuré qu’il n’y a aucune personne dans la chambre. Ouvrir l’obturateur de la source de faisceau de rayons x.
      2. Mise au point
         1. passer la fibre légèrement jusqu'à ce qu’en bref. Régler la position de la fibre dans le x, y, z à distance via un logiciel ( Figure 1C).
      3. Goûter exposition
         1. fibre de la monter et descendre à distance via un logiciel, jusqu'à ce qu’elle soit sur place aux rayons x. Appuyez sur le bouton start sur le logiciel pour exposer la fibre pour le faisceau de rayons x pendant 20 s ( Figure 1C).
      4. Diffraction de fond
         1. la diffraction de l’arrière-plan de l’air du temps d’exposition de 20 s. déplacer la fibre loin de l’endroit de rayons x à distance via un logiciel d’essai. Presse le " début " bouton sur le logiciel pour exposer le faisceau de rayons x à " moyen de l’air " pendant 20 s.
2. SR-WAXD informatique ¹³
   1. calibration Software
      1. traiter les données WAXD à l’aide de FIT2D (V12.077). Calibrer le centre du cercle et la distance d’échantillon-à-détecteur en utilisant les données de diffraction de poudre ₂ PDG.
   2. Schéma de diffraction 2D
      1. soustraire le fond de l’air du patron de diffraction de fibre à l’aide de FIT2D (V12.077).
   3. Cristallinité et cristallites taille
      1. intégrer l’intensité de diffraction en fonction de l’angle 2θ de diffusion. Effectuer déconvolution de l’intégration de l’intensité de crête automatisé séparation logiciel (Version 4.12) ¹². Le degré de cristallinité, x _c, a été estimé à partir de la relation :
         
         , où j’ai _c est la somme des intensités intégrées de sommets cristallins et j’ai _un est l’intensité intégrée de l’amorphe halo ^{4 , 11}. L’intégration des modèles WAXD a montré la largeur du pic de le [200], [020], [002] réflexions. La FWHM de ces pics ont été utilisées pour déterminer la taille de cristallites le long de l’a, b et c axes à l’aide de Scherrer ' s formule ⁴.
   4. Détermination des orientations cristallites
      1. calculer les orientations de la cristallites et amorphe selon les intégrations azimutales de (020) et (210) pics ¹¹. L’orientation cristalline peut être calculée quantitativement selon Herman ' orientation de s. Ici, les deux (020) et pics (210) étaient munies de deux fonctions gaussiennes. Le plus étroit est à orientation cristalline et l’autre plus large est pour l’orienté matière amorphe ¹³. Ici, les orientations de cristallites de fibres RSF ont été comparées en utilisant toute la largeur à mi-hauteur (FWHM) des pics d’intégrations azimutale (002).

Résultats

Fibres de haute résistance RSF ont réussi à produire à l’aide de la microfluidique filature méthode. Les courbes contrainte-déformation et les images de la SEM des fibres étirées RSF C44R40 sont indiquées à la Figure 2. Au moins 10 fibres ont été mesurés dans l’essai de traction. Les courbes effort-déformation ont été choisis selon la valeur moyenne de la contrainte et la déformation rupture de fibres. Les données WAXD des fibres sont in...

Discussion

Au cours de la dialyse de la solution RSF, la valeur du pH est essentielle pour la suite du processus de concentration. Si la valeur du pH de l’eau désionisée est inférieure à 6, la solution RSF sera plus facile de gel au cours du processus de concentration. Pour éviter la gélification, CaCl₂ est ajouté à la solution RSF. La concentration de CaCl₂ est de 1 mmol / poids de RSF.

Nos travaux antérieurs a démontré la possibilité de microfluidique sec-rotation d?...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
B. mori Cocoons	Farmer in Tongxiang, Zhejiang Province, China
Sodium carbonate, anhydrous, 99.8%	Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co., Ltd., China		Analytically Pure
Lithium bromide, 99.1%	Shanghai China Lithium Industrial Co., Ltd., China		Analytically Pure
Calcium chloride, anhydrous, 96.0%	Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co., Ltd., China		Analytically Pure
Ethanol, anhydrous, 99.7%	Sinopharm Group Chemical Reagent Co.,Ltd., China	10009218	Analytically Pure
SU-8 photoresist	MicroChem Corp., USA
Developing solution	MicroChem Corp., USA
Sylgard 184	Dow Corning, USA
Isopropanol	Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co., Ltd., China		Analytically Pure
Concentrated sulfuric acid	Pinghu Chemical Reagent Factory, China		Analytically Pure
30 vol% hydrogen peroxide	Shanghai Jinlu Chemical reagent Co., Ltd., China		Analytically Pure
Acetone	Shanghai Zhengxing Chemical Reagent Factory, China		Analytically Pure
Oxygen plasma treatment	DT-01, Suzhou Omega Machinery Electronic Technology Co., Ltd., China
Syringe pump	KD Scientific, USA		KDS 200P
Humidifier	SEN electric
Driller	Hangzhou Bo Yang Machinery Co., Ltd., China		bench drilling machine Z406c
Material testing system	Instron, USA		Model: 5565
PeakFit	Systat Software, Inc., USA		Version 4.12