Nous sommes reconnaissants de l&#39;appui technique et scientifique de Anja Lauterbach (Lehrstuhl Biomaterialien), Lorenz Summa (Sandler AG) et Armin Boeck (B / S / H / G). SEM-imagerie a été réalisée par Johannes Diehl (Lehrstuhl Biomaterialien). Le financement provient de BMBF (01RB0710).

1. Filage de préparation <ol><li> Prenez lyophilisé eADF4 (C16) protéines. </li><li> Peser 20 mg de eADF4 (C16) dans un récipient de réaction de 1 ml à l&#39;aide d&#39;une balance de haute précision. </li><li> Ajouter 200 pi de hexafluoroisopropanol (HFIP) et sceller le récipient avec du Parafilm. Remarque: HFIP est très volatile et délétère. Comme il peut causer des dommages dans les voies respiratoires, travailler sous une hotte de sécurité, pipette soigneusement et hermétiquement le tube. </li><li> Vortex la suspension pendant 1 min et encore secouer pour effacer la solution. Pour s&#39;assurer que la totalité du montant de la protéine est complètement dissous, attendez au lendemain. </li></ol> 2. Electrospinning <ol><li> Préparez l&#39;appareil electrospinning (Figure 1): placer le matériau filtrant au-dessus de la contre-électrode et le préréglage de la tension à la fois de l&#39;électrode (-22.5 kV) et la contre-électrode (+2,5 kV). Réglez le débit à 315 pl / h. Note: wien que electrospinning, HFIP toxique sera évaporée. Assurez-vous que votre appareil est connecté à électrofilature une hotte. </li><li> Prenez disponible dans le commerce 20 G aiguille et moudre le bout pointu avec un moulin à main à une longueur résiduelle de 30 mm. Branchez l&#39;aiguille à une seringue de 1 ml. Remarque: Une extrémité de l&#39;aiguille d&#39;avion est nécessaire, afin de générer un cône de Taylor bien définie. </li><li> Chargez l&#39;ensemble filer (200 pi) dans la seringue. Superposer la dope avec 100 ul d&#39;air, afin de permettre à la solution complète à extruder au cours du processus de filage. Note: Afin d&#39;éviter le colmatage de l&#39;aiguille, assurez-vous qu&#39;il n&#39;y a pas de particules (agrégats ou des impuretés) dans la solution de filage. Travailler sous une hotte! </li><li> Fixer la seringue remplie à la pompe de seringue du dispositif et presser électrofilage avec soin sur le piston de la seringue jusqu&#39;à ce qu&#39;une goutte apparaisse à la pointe de l&#39;aiguille. Verrouiller le piston. </li><li> Réglez la distanceentre la pointe de l&#39;aiguille et la contre-électrode à 8-20 cm. </li><li> Démarrer la pompe de la seringue et retirer la gouttelette (habituellement séché) de l&#39;ouverture de l&#39;aiguille. Activer toutes les installations de sécurité du dispositif électrofilature immédiatement et commencer à la source de haute tension dès qu&#39;une nouvelle goutte apparaît. Electrospinning de la solution de filage va commencer postérieurement. Utiliser un chronomètre pour contrôler la durée de rotation. Note: Afin d&#39;éviter le dessèchement de la solution et ainsi obstruer de l&#39;aiguille, il est nécessaire de commencer immédiatement le processus de filage après avoir enlevé la goutte séché. </li><li> Depuis électrofilature de protéines de soie d&#39;araignée recombinante dépend de l&#39;humidité et de la température, une adaptation des paramètres du processus vers des conditions individuelles de laboratoire peut être nécessaire (Figure 2). Remarque: Pour éviter la gouttelette de séchage (figure 2B) permettre un débit suffisant. Si il ya une faible humidificationté dans l&#39;atmosphère environnante, ajuster l&#39;humidité relative ou augmenter le débit. Abaisser la tension jusqu&#39;à un cône approprié Taylor se produit (figure 2A). Quand il n&#39;y a pas de solution à la pointe (figure 2C), augmenter le débit et réduire la tension jusqu&#39;à une goutte survient. Ensuite, ajuster la tension en vue d&#39;établir un cône de Taylor régulière et stable (figure 2A). </li><li> Après 30 sec / 60 sec / 90 sec de l&#39;interrupteur de la pompe de la seringue électrofilature. Afin d&#39;éviter la chute des gouttelettes, attendre 10 secondes avant d&#39;éteindre la source de haute tension pour relâcher la pression résiduelle dans la seringue. </li><li> Les étapes 6 à 8 peuvent être effectuées sur différents types de matériaux de filtration, tels que le polyamide, le polypropylène et des mailles non tissé de polyester, ainsi que de papier noir pour la comparaison. </li><li> Pour produire un maillage tissé pour des expériences de stabilité ultérieures, utilisez du papier noir à la place de matériau filtrant et effectuez les étapes 5 à 7. Après 5 min de electrospinning, arrêterle procédé tel que décrit à l&#39;étape 8. </li></ol> 3. Post-traitement des maillages non-tissés de soie <ol><li> Préchauffer un four à 60 ° C. </li><li> Placer les supports de filtres avec eADF4 (C16) mailles non tissées verticalement et avec une distance minimale de 2 cm dans un récipient en verre verrouillable. Le récipient doit avoir deux ouvertures qui seront utilisés pour introduire ensuite l&#39;éthanol et de l&#39;eau. Note: Lors de la fixation des matériaux filtrants, assurez-vous que la surface nécessaire pour les expériences de perméabilité n&#39;est pas endommagé par les pinces. </li><li> Connectez deux 60 seringues ml, l&#39;un rempli avec de l&#39;éthanol et un rempli avec de l&#39;eau, avec des tubes de silicone pointant dans le fond intérieur du récipient post-traitement (figure 3). Remarque: Dans le but de pouvoir enlever le liquide du récipient, après le traitement, placer les ouvertures des tubes le plus près possible du fond. </li><li> Placez le récipient post-traitement dans la VOfr et ajouter 60 ml d&#39;éthanol par extrusion de la seringue. Utiliser un chronomètre pour contrôler la durée du traitement. </li><li> Après 90 min de traitement à la vapeur d&#39;éthanol, éliminer l&#39;éthanol avec la seringue à partir de la vitre, et ajouter 60 ml d&#39;eau à partir de la seconde seringue. </li><li> Attendez encore 90 min, puis retirez l&#39;eau et éteindre le four. Afin d&#39;éviter les gouttelettes de condensation, laissez le récipient dans le four jusqu&#39;à ce qu&#39;il soit complètement refroidi. </li></ol> 4. Analyse de la soie d&#39;araignée non-tissés Meshes <ol><li> Préparer les mailles de soie tissés des essais de stabilité sur papier noir ou tout autre support amovible. Coupez deux cadres en carton et d&#39;ajuster la bande adhésive double-collante. Appuyez sur un cadre sur la soie maille tissée déposée sur papier noir et utiliser un scalpel pour couper l&#39;excédent de fibres de soie (garder les excès de fibres pour la suite SEM-imagerie). Retirez délicatement le châssis afin de détacher le non-tissé du papier. Répétez cette étape avec le deuxième cadre(Figure 4). </li><li> Test de trempage pratique: Couper un morceau (1 cm 2) de chacun, la soie maille tissée post-traité et non traité et le tremper dans de l&#39;eau déminéralisée. Le maillage de la soie non-tissé non traité se dissoudre immédiatement, tandis que la maille non tissée traitée sera stable (figure 5). Après le trempage, sécher l&#39;échantillon de croisement et le préparer pour l&#39;imagerie SEM. </li><li> Transformée de Fourier spectroscopie infrarouge (FTIR)-mesure et suivant Fourier auto-déconvolution (FSD): Transmission: Afin d&#39;obtenir des informations sur les changements de structure des protéines de soie sur un post-traitement des maillages non-tissés, FTIR peut être appliquée en utilisant les paramètres -mode, balayage de 800 à 4000 cm -1, 60 accumulations sont mesurés et moyenne pour chaque spectre, une référence est mesurée par spectre. Pour l&#39;analyse quantitative des données, FSD peut être utilisé (Figure 6 et Figure 7). Ainsi, les courbes sont réduits au ar donnéesch entre 1,590 et 1,705 cm -1 et une correction de base est effectuée. Un ajustement des moindres carrés locale est calculé en fonction des positions de pointe tirées d&#39;études précédentes (1611, 1619, 1624, 1630, 1640, 1650, 1659, 1666, 1680, 1691, 1698 cm -1) 22. </li><li> Imagerie SEM: SEM peut être utilisée pour étudier diamètre des fibres et de la morphologie des fibres de soie sur les différents supports de filtres et d&#39;analyser l&#39;influence du post-traitement sur ​​la morphologie de la fibre (figure 8). Utilisez des grossissements de 5.000 x 25.000 x pour obtenir des images suffisamment détaillées. </li></ol> 5. Détermination de la perméabilité à l&#39;air <ol><li> Placez une pièce de fixation adéquate du matériau filtrant sur ​​la zone de mesure d&#39;un dispositif de perméabilité à l&#39;air Akustron. Remarque :: Si vous utilisez un autre type de dispositif de perméabilité à l&#39;air, assurez-vous qu&#39;il répond aux exigences de la norme DIN 53 887, DIN 53 120, ISO 9237 et ASTM D 737-96. </li><li>Employer un dispositif de perméabilité à l&#39;air Akustron (ou tout autre comme représenté en 5.1). Si nécessaire calculer les données normés [l / (m 2 x s)]. </li><li> Répétez les étapes 1 et 2 au moins 10 fois avec différentes parties de votre échantillon et calculer la moyenne arithmétique (Figure 9). Remarque: la perméabilité à l&#39;air de mesure nécessite un contact du dispositif et la maille non tissée. Ainsi, une manipulation soigneuse des échantillons est essentielle pour éviter la rupture de la soie délicate maille tissée. </li></ol> 6. Détermination de l&#39;efficacité Filter <ol><li> Utilisation d&#39;une machine appropriée avec commande de pression et de compteur de particules, par exemple un granulomètre universel (Palas GmbH, Karlsruhe, Allemagne). </li><li> Placer les échantillons de filtre dans le dispositif de rétention de particules et mesure (figure 10). Aérosol: Di-éthyl-hexyl-sebacat (DEHS); tailles de particules: 0,3-3 um, durée: 30 sec; la vitesse du liquide: 2,350 cm / s; Débit d&#39;air: 3.400 m 3 / h. <br/&gt; Note: Manipuler l&#39;échantillon avec soin et ne pas toucher la surface pour empêcher la destruction de la maille tissée et éviter toute pollution. Veillez à créer suffisamment d&#39;échantillons de qualité égale pour les mesures de performance. </li></ol>

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Nous n&#39;avons rien à révéler.

Nouveaux dispositifs de filtrage devraient permettre l&#39;abaissement de la consommation énergétique globale en matière de filtration d&#39;air avec une efficacité constante du filtre ou supérieur. Ici, ces dispositifs ont été créés en utilisant des non-tissés de soie d&#39;araignée. Grâce à sa faible tension de surface et une forte volatilité, HFIP a été choisi comme un solvant approprié pour le processus électrofilature. En outre, les solutions aqueuses de soie ont été testés dans les expériences précédentes, mais pas de fibres pourraient être générés. Ici, il serait crucial d&#39;utiliser des additifs afin d&#39;abaisser la tension de surface et ainsi d&#39;améliorer les propriétés de filage de la solution. L&#39;étape la plus critique est d&#39;ajuster les conditions et la concentration de la matière utilisée et le solvant de la solution de filage, filature hauteur, la tension et la vitesse d&#39;extrusion. Au cours de la performance, par exemple le colmatage de la pointe peut être évitée en fournissant à l&#39;extrémité de l&#39;aiguille avec l&#39;humidité sous forme de vapeur d&#39;eau, mais tout type d&#39;ajouts dans la configuration électrofilage pourrait perturber la suitele processus sensible et champ électrique. Paramètres de processus essentiels (concentration, la tension, la distance, humidité) ont été déterminées individuellement réalisation séries expérimentales séparé (données non présentées). Compte tenu de tous les paramètres en considération, il est essentiel de prendre soin d&#39;un cône de Taylor continue et procédé de filage pour créer des fibres uniformes. L&#39;efficacité du filtre est un des paramètres les plus importants de matériaux filtrants. Ce paramètre est essentiellement influencée par la structure de la matière filtrante. Wovens héritent des tailles de pores uniformes et de perméabilité à l&#39;air suite cohérente. Il est crucial de créer des maillages non-tissés homogènes sur ces matériaux de modèle pour remplir les pores et à générer un filtre zéro défaut. L&#39;efficacité du filtre dans nos filtres montre une dépendance directe sur la durée de rotation (des protéines de soie), et, par conséquent, le nombre de couches de mailles non tissées. Les écarts entre les fibres individuelles sont constamment remplis, permettant la rétention of particules plus petites. Dans ce travail, nous avons introduit une méthode pour produire un matériau nouveau filtre avec la soie d&#39;araignée mailles non tissées, montrant l&#39;efficacité du filtre élevée. Par conséquent, ces filtres sont des candidats prometteurs pour une utilisation future dans les systèmes de filtration d&#39;air.

En raison de leur combinaison de la force et de l&#39;extensibilité, de fibres de soie d&#39;araignée peuvent absorber plus d&#39;énergie cinétique que la plupart des autres fibres naturelles ou synthétiques 1. En outre, contrairement à la plupart des matériaux polymères synthétiques tissus de soie sont non toxiques et biocompatibles et ne causent aucune réaction allergique lorsqu&#39;elles sont incorporées 2,3. Risques pour la santé putatifs peuvent être évités en utilisant la soie d&#39;araignée. Ces caractéristiques font de la soie d&#39;araignée très attrayant pour une variété d&#39;applications médicales et techniques. Depuis araignées ne peuvent pas être cultivées en raison de leur comportement cannibale, méthodes biotechnologiques ont été développés pour produire des protéines de soie d&#39;araignée, à la fois rentable et en quantité suffisante 4. La protéine de soie recombinant eADF4 (C16) a été conçu sur la base de la séquence naturelle d&#39;Araneus diadematus Fibroïne 4 (ADF4). eADF4 (C16) a un poids moléculaire de 48kDa 5 et est soluble dans divers solvants (hexafluoroisopropanol (HFIP) 6, l&#39;acide formique 7 et tampons aqueux) 8. eADF4 (C16) peuvent être transformés en différentes morphologies tels que les films 9, 8 capsules, les particules 10, 11 hydrogels, les revêtements 7, 12 et fibres non tissées 6 mailles. En raison de leur stabilité chimique, ces derniers accordent un fort potentiel dans les applications de filtrage. Ici, nous présentons un protocole pour fabriquer des dispositifs de filtration de l&#39;air, y compris un maillage tissé de électrofilées protéines de soie d&#39;araignée recombinantes. Électrofilage de filage ou électrostatique est une technique généralement utilisée pour la production de fibres de polymère ayant des diamètres dans la gamme de 10 nm -10 pm 13, et des maillages non tissées ont déjà été étudiées pour des applications de filtrage 14. Dans le passé, electrospinning a été appliquée avec succès pour le traitement des régénérée 15 ainsi que produite par recombinaison 16 soie d&#39;araignéeprotéines. Typiquement, une tension électrique élevée (5-30 kV) est appliquée à une seringue et d&#39;une contre-électrode (0-20 kV) placé dans une distance de 8-20 cm. Le fort champ électrostatique induit des forces répulsives au sein de la solution chargée. Si la tension de surface est dépassé, un cône de Taylor est formée, et un mince jet jaillit de l&#39;extrémité 17,18. Après formation, les instabilités de flexion se produisent à l&#39;intérieur du jet provoquant étirement en outre que le solvant s&#39;évapore, et une fibre solide est formé. Enfin, la fibre est déposé au hasard sur la contre-électrode en tant que mailles non tissé 19. Propriétés de la fibre comme le diamètre et la surface de topologie (lisse, poreux) sont principalement dépendante de paramètres de la solution tels que la concentration, la viscosité, l&#39;énergie libre de surface et la conductivité électrique intrinsèque du solvant et de la perméabilité 20. Electrospinning de eADF4 (C16) en solution dans HFIP résultats dans les fibres lisses d&#39;un diamètre de 80-1,100 nm en fonction de la concentration de protéine dans la solution.eADF4 (C16) électrofilées de HFIP affiche une structure principalement α-hélicoïdal secondaire, et les fibres sont solubles 6 eau. Afin de stabiliser les fibres de soie, les structures β-feuilles doivent être induite par un traitement ultérieur avec de l&#39;éthanol. Contrairement aux méthodes précédemment établies de post-traitement 21, dans cette étude eADF4 (C16) non-tissés ayant été traitée avec de la vapeur d&#39;éthanol, afin de préserver la morphologie des fibres de soie. Analyse de la structure secondaire a été réalisée en utilisant la transformée de Fourier spectroscopie infrarouge (FTIR) et Fourier subséquente auto-déconvolution (FSD), comme décrit dans la littérature 22. FSD est un outil de traitement du signal qui permet la résolution des spectres FTIR composé de plusieurs bandes qui se chevauchent. Ainsi, les bandes indistinctes du large au milieu, je région peut être réduit en utilisant un filtre passe-haut pour recevoir un spectre déconvolué avec l&#39;amélioration des résolutions de pointe. Afin d&#39;évaluer l&#39;efficiency de substrats filtrants complétés avec des mailles de soie tissés, des tests de perméabilité à l&#39;air ont été effectuées en utilisant un dispositif de Akustron selon des protocoles standards. Les taux de dépôt ont été mesurées en utilisant un universel granulomètre Palas.

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

Sur la base de la séquence naturelle d&#39;Araneus diadematus Fibroïne 4 (ADF4), la protéine de soie d&#39;araignée recombinante eADF4 (C16) a été conçu. Cette protéine hautement répétitif a un poids moléculaire de 48kDa et qui est soluble dans différents solvants (hexafluoroisopropanol (HFIP), l&#39;acide formique et des tampons aqueux). eADF4 (C16) offre un fort potentiel pour des applications diverses techniques lors transformé en morphologies telles que des films, des capsules, des particules, des hydrogels, des revêtements, des fibres et des maillages non-tissés. En raison de leur stabilité chimique et une morphologie contrôlée, celle-ci peut être utilisé pour améliorer des matériaux filtrants. Dans ce protocole, nous présentons une procédure visant à améliorer l&#39;efficacité des différents dispositifs de filtration de l&#39;air, par dépôt de mailles non tissées de électrofilées protéines de soie d&#39;araignée recombinantes. Electrospinning de eADF4 (C16) dissous dans les résultats HFIP en fibres lisses. Variation de la concentration en protéine (de 5 à 25% p / v) donne lieu à différents diamètres de fibres (80-1,100 nm) etpar conséquent, les tailles des pores de la maille non tissée. Post-traitement de eADF4 (C16) électrofilées de HFIP est nécessaire étant donné que la protéine présente une structure principalement α-hélicoïdale secondaire dans les fibres fraîchement filées, et donc les fibres sont solubles dans l&#39;eau. Un traitement ultérieur avec de la vapeur d&#39;éthanol induit la formation d&#39;eau d&#39;étanchéité, les structures β-feuille stables, en conservant la morphologie des fibres de soie et des maillages. Analyse de la structure secondaire a été réalisée en utilisant la transformée de Fourier spectroscopie infrarouge (FTIR) et Fourier subséquente auto-déconvolution (FSD). L&#39;objectif principal était d&#39;améliorer l&#39;efficacité du filtre de supports de filtres existants en ajoutant des couches non tissées de soie sur le dessus. Pour évaluer l&#39;influence de électrofilature durée et l&#39;épaisseur de la couche ainsi tissé sur l&#39;efficacité du filtre, nous avons réalisé des tests de perméabilité à l&#39;air en combinaison avec les mesures des dépôts de particules. Les expériences ont été effectuées conformément à la normeprotocoles.

Electrospinning de solutions de soie d&#39;araignée recombinante avec des concentrations de 10% p / v de HFIP entraîné fibres lisses avec des diamètres allant de 80 à 120 nm, ce qui permet la formation de mailles non tissées. Post-traitement avec de la vapeur d&#39;éthanol n&#39;a pas conduit à des changements morphologiques visibles, ce qui était donc établie comme une bonne façon de soie tissée post-traitement (Figure 8). Les changements structurels ont été détectés par FT-IR et FSD ultérieure de milieu I bandes a été effectuée pour analyser les pics de contribution unique (Figure 6). Il a pu être démontré que le post-traitement conduit à une augmentation des structures β-feuille, tandis que la teneur und structures de bobines aléatoires α-hélice diminue (figure 7). Ce résultat peut être pratiquement prouvé par trempage d&#39;un post-traité non-tissé dans l&#39;eau (figure 5). Même après une semaine, sans dissolution de la maille non tissée se produira. La filature duration est le paramètre le plus important concernant l&#39;application des non-tissés de soie dans les matériaux filtrants en raison de la chute de pression en fonction de la densité croissante de fibres électrofilées. Etendue de filage durées und ainsi un plus grand nombre de couches de fibres se traduisent par une décroissance exponentielle de la perméabilité à l&#39;air. Cet effet a pu être détectée pour les différents matériaux de substrat de filtre avant et après post-traitement (figure 9). De même, l&#39;efficacité de filtrage des matériaux filtrants soie contenant des particules sub-micrométriques augmente (figure 10). Alors que des durées de filage court (30 sec) gagnent en efficacité filtre passe-bas, les durées de filage plus élevées (90 sec) conduisent à des rendements plus élevés. <img alt="Figure 1" fo:content-width="5.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig1.jpg" /> Figure 1. Tension électrique élevée (0-30 kV) i<html> s appliqué à une seringue remplie d&#39;une solution de la soie, et une contre-électrode (0-20 kV) est placé dans une distance de 8-20 cm. Cette configuration conduit à un fort champ électrostatique, ce qui induit des forces répulsives au sein de la solution chargée. Si la tension de surface est dépassé, un cône de Taylor est formée, et un mince jet jaillit de la pointe. Après formation, les instabilités de flexion se produisent à l&#39;intérieur du jet provoquant étirement en outre que le solvant s&#39;évapore, et une fibre solide est formé. Enfin, la fibre est déposé au hasard sur la contre-électrode sous la forme d&#39;une maille non tissée. <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig2.jpg" /> Figure 2. Photographies d&#39;un cône de Taylor régulier (A), une gouttelette séchée (B), et l&#39;installation sans gouttelette (C). iles/ftp_upload/50492/50492fig3highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50492/50492fig3.jpg &quot;/&gt; Figure 3. Procédure schématique lors vapeur post-traitement. Dans la première étape, la chambre est remplie avec de l&#39;éthanol, et l&#39;échantillon est à la vapeur à 60 ° C pendant 90 min. Afin d&#39;adoucir les mailles non tissés pour la manipulation, l&#39;éthanol est éliminé et les fibres sont cuits à la vapeur avec la vapeur d&#39;eau pendant 90 min à 60 ° C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50492/50492fig3large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour agrandir la figure</a> . <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig4.jpg" /> Figure 4. Photographie d&#39;un cadre en carton avec joints mailles non tissées de soie à être utilisés pour le post-traitement. <img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig5.jpg" /> Figure 5. Electrospun et ensuite post-traitées à l&#39;état sec non-tissé (A) et sous l&#39;eau (B). <img alt="Figure 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig6.jpg" /> La figure 6. Fourier du spectre d&#39;absorbance d&#39;auto-déconvolué d&#39;une bande d&#39;un I non traité (A) et un post-traité (B) la soie d&#39;araignée maille non tissée amide. La ligne continue indique la bande d&#39;absorbance résultant des pics de contribution unique (lignes en pointillés) comme dérivé après déconvolution. L&#39;affectation des courbes respectives se fonde sur des valeurs déjà publiées dans la littérature 22. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50492/50492fig6large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour agrandir la figure</a> . <img alt="Figure 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; Figure 7. Du contenu de la structure secondaire de mailles non tissées non-traités et post-traité eADF4 (C16). <img alt="Figure 8" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig8.jpg" /> . Figure 8 images MEB de électrofilé eADF4 (C16)-fibres sur différents substrats filtrants: polyamide (PA), Polyester (PE), polypropylène (PP) et pure eADF4 (C16) fibres avant (S1) et après (S2) Post- traitement avec de la vapeur d&#39;éthanol. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50492/50492fig8large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour agrandir la figure</a> . / Ftp_upload/50492/50492fig9.jpg &quot;/&gt; Figure 9. Tests de perméabilité à l&#39;air, avant (A) et après post-traitement (B) de la soie mailles tissés avec de la vapeur d&#39;éthanol, ce qui augmente les temps de filature conduisent à des couches plus non tissés abaissant ensuite la perméabilité à l&#39;air. <img alt="Figure 10" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig10highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig10.jpg" /> La figure 10. D&#39;efficacité du filtre de l&#39;aérosol de di-éthyl-hexyl-sebacat sur ​​électrofilées soie d&#39;araignée mailles non tissées de polyamide matériaux de filtre à différentes durées de filage, agissant sur ​​la quantité de couche de soie, après un post-traitement avec de l&#39;éthanol.

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

Fibres de soie d&#39;araignée présentent des propriétés mécaniques exceptionnelles. Conçu<em&gt; Araneus diadematus</em&gt; Fibroïne 4 (eADF4) peut être transformé en mailles nontissés par electrospinning. Ici, les eADF4 maillages non-tissés sont utilisés pour améliorer les performances des dispositifs de filtrage d&#39;air.

Filtre à air dispositifs, y compris maillages non tissé de électrofilées protéines recombinantes de soie d&#39;araignée

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

16.0K vues.  University of Bayreuth. Fibres de soie d'araignée présentent des propriétés mécaniques exceptionnelles. Conçu Araneus diadematus Fibroïne 4 (eADF4) peut être transformé en mailles nontissés par electrospinning. Ici, les eADF4 maillages non-tissés sont utilisés pour améliorer les performances des dispositifs de filtrage d'air.

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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.

Traitement post-production des fibres électrofilées de génie tissulaire

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

Recherche

Bio-ingénierie

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.

Synthétique de la production soie d&#39;araignée sur l&#39;échelle du laboratoire

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.

Biocapteurs pour la détection de bactéries aux antibiotiques de staphylocoques résistants

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.

Concevoir protéines de soie soie Matériaux alliage pour applications biomédicales

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

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.

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

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.

Optimisation Fixation des mésenchymateuses humaines cellules souches sur Poly (ε-caprolactone) électrofilées Yarns

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.

Électrofilées nanofibres échafaudages avec des gradations dans l&#39;organisation fibre

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.

Modèle de polarisée Neural Tissue base-Silk-collagène ingénierie 3D

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.

Fabrication de dispositifs d&#39;analyse de coton

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 ...

Manufacture and Drug Delivery Applications of Silk Nanoparticles

Silk is a promising biopolymer for biomedical and pharmaceutical applications due to its outstanding mechanical properties, biocompatibility and biodegradability, as well its ability to protect and subsequently release its payload in response to a trigger. While silk can be formulated into various material formats, silk nanoparticles are emerging as promising drug delivery systems. Therefore, this article covers the procedures for reverse engineering silk cocoons to yield a regenerated silk solution that can be used to generate stable silk nanoparticles. These nanoparticles are subsequently characterized, drug loaded and explored as a potential anticancer drug delivery system. Briefly, silk cocoons are reverse engineered first by degumming the cocoons, followed by silk dissolution and clean up, to yield an aqueous silk solution. Next, the regenerated silk solution is subjected to nanoprecipitation to yield silk nanoparticles &#8211; a simple but powerful method that generates uniform nanoparticles. The silk nanoparticles are characterized according to their size, zeta potential, morphology and stability in aqueous media, as well as their ability to entrap a chemotherapeutic payload and kill human breast cancer cells. Overall, the described methodology yields uniform silk nanoparticles that can be readily explored for a myriad of applications, including their use as a potential nanomedicine.

Nanoparticles are emerging as promising drug delivery systems for a broad range of indications. Here, we describe a simple yet powerful method to manufacture silk nanoparticles using reverse engineered Bombyx mori silk. These silk nanoparticles can be readily loaded with a therapeutic payload and subsequently explored for drug delivery applications.

Fabrication and Drug Delivery Applications de soie Nanoparticules

Silk is a promising biopolymer for biomedical and pharmaceutical applications due to its outstanding mechanical properties, biocompatibility and ...

Material Formation of Recombinant Spider Silks through Aqueous Solvation using Heat and Pressure

Many spiders produce seven types of silks. Six of the silks are fiber in form when produced by the spiders. These fibers are not water soluble. In order to reproduce the remarkable mechanical properties of spider silks, they must be produced in heterologous hosts as spiders are both territorial and cannibalistic. The synthetic analogs of spider silk also tend to be insoluble in aqueous solutions. Thus, a large percentage of research in recombinant spider silks rely upon organic solvents that are detrimental to large scale production of materials. Our group&#8217;s method forces the solvation of these recombinant spider silks into water. Remarkably, when these proteins are prepared using this method of heat and pressure, a wide range of material forms can be prepared from the same solution of recombinant spider silk proteins (rSSp) including: films, fibers, sponge, hydrogel, lyogel, and adhesives. This article demonstrates the production of the solvated rSSp and material forms in a manner that is more easily understood than from written materials and methods alone.

Here, we present a protocol to produce water soluble recombinant spider silk protein solutions and the material forms that can be formed from those solutions.

Formation matérielle de soies d’araignée recombinantes par solvatation aqueuse utilisant la chaleur et la pression

Many spiders produce seven types of silks. Six of the silks are fiber in form when produced by the spiders. These fibers are not water soluble. In order ...