חומרים שמקורם ביולוגית הם בעלי תכונות מפתח שאינן בהישג ידם של חומרים סינתטיים, המאפשרים ייצור של מבנים מורכבים עם תכונות משופרות. ביו-חומרים הם חומרים הנוצרים או מיוצרים מאורגניזמים חיים או חיים פעם. חומרים אלה, כגון משי, עוברים בדרך כלל שלבי עיבוד שונים כדי להגיע למצב שמיש וניתן לשליטה. לאחר מכן ניתן להשתמש בביו-חומרים המעובדים כדי ליצור מבנים ספציפיים כגון מחצלות סיביות, הידרוג'ל וסרטים. וידאו זה יציג את עיבוד המשי מפקעי תולעי משי, ואחריו אלקטרוספין של החומר המעובד כדי ליצור מחצלות סיביות.

משי הם פולימרים חלבוניים המסתובבים לסיבים על ידי חרקים שונים, כגון עכבישים. עם זאת, המשי המשמש ביו-הנדסה נגזר בדרך כלל מן הזחלים של מינים עש משי Bombyx מורי, המכונה בדרך כלל תולעת המשי, והוא שימש מסחרית עבור תפרים רפואיים במשך עשרות שנים. חומר המשי B. mori מופק מהפקעת, המורכבת מחלבון פיברון עטוף במעיל סיריצין. Sericin הוא חלבון דמוי דבק שמחזיק את הגופק יחד. חלבון הפיברון מאופיין ברצף חומצות אמינו חוזרות ונשנות ביותר, עם שלטה של שאריות אלנין, גליצין וסרין, אשר בתורו מוביל הומוגניות במבנה המשני של החלבון. פיברון משי מציג מבנים חוזרים ונשנים של יריעות בטא, שהם גדילים המחוברים לרוחב היוצרים גיליון קפלים. מבנים אלה גורמים חלבון פולימר להיות גבישי מאוד, אשר בשילוב עם הידרופוביה שלה, מספק כוח וקשיחות להפליא. לדוגמה, חוזק מתיחה של משי, יכולתו לעמוד בעומסים באמצעות התארכות, יכול להיות עד פי ארבעה מזה של העצם. משי מעובד בדרך כלל לתמיסת פולימר לפני היישומים שלו בהנדסה ביולוגית. ראשית, סריצין מוסר מן הסיבים, ואחריו solubilization של פיברון. פתרון משי אין מבנה משני, ולכן יש תכונות מכניות מופחתות. עם זאת, טיפול עם מתנול יכול לגרום להתאוששות חלקית של מבני גיליון ביתא. פתרון המשי יכול להיות מעובד באמצעות טכניקה הנקראת electrospinning, שבו מתח גבוה מוחל בין משטח אוסף מחט מזרק. מחט המזרק מוותרת לאט על התמיסה הביו-חומרית. הכוחות האלקטרוסטטיים גורמים לטיפה הביו-חומרית להימתח לתוך סיבים. סיבים אלה אוספים באופן אקראי על האספן, יצירת מחצלת nanofiber. כעת, לאחר שהיסודות של עיבוד פיברון משי תוארו, בואו נסתכל על הליך עיבוד המשי ונראה כיצד הוא משמש ליצירת מחצלות מיקרופייבר באמצעות אלקטרוספין.

כדי להכין תמיסת פיברון משי מבומביקס מורי, הגפקים נחתכים תחילה לחתיכות קטנות, והתולעת ושאר פסולת החרקים מושלכים. לאחר מכן, חתיכות הגוקו מבושלים בתמיסת נתרן קרבונט על מנת להסיר את הסריצין. לאחר הרתיחה, פיברון המשי מוסר מהתמיסה ונשטף מספר פעמים במים נקיים. לאחר מכן, סיבי המשי מיובשים בן לילה. סיבי המשי היבשים מומסים בתמיסת ליתיום ברומיד ב-60 מעלות למשך ארבע שעות. ברגע שהמשי עובר תרסיס, הפתרון מועבר לקלטת דיאליזה ועובר דיאליזה למים. יש להחליף את המים לעתים קרובות כדי להבטיח הסרה של ברומיד ליתיום. לאחר הדיאליזה, תמיסת המשי הממית מועברת לצינורות וצנטריפוגה כדי להסיר את כל חלקיקי פיברון המשי הנותרים. תמיסת המשי מאוחסנת בארבע מעלות עד הצורך.

כדי להתחיל אלקטרוספין, הפתרון הביו-חומריםי נטען למזרק ועל משאבת מזרק. מקור המתח הגבוה מחובר לקצה מחט המזרק, הנקרא ספינרט. מקור האוסף, לעתים קרובות רצועה של רדיד אלומיניום, ממוקם מול ספינרט מקורקע. המרחק בין הספינרט למקור מותאם למרחק שנקבע מראש. אם המרחק קטן מדי, ייתכן שלסיבים לא יהיה זמן להתגבש לפני התצהיר, ויוצרים סרטים לא עקביים. עם זאת, אם המרחק גבוה מדי, סיבים עשויים להיות מגושמים או לא אחידים. קצב זרימת משאבת המזרק מוגדר ומקור המתח הגבוה מופעל. ככל שהמתח עולה, הכוחות האלקטרוסטטים מנטרלים את מתח פני השטח של הפתרון. המניסקוס נמשך לקונוס, הנקרא חרוט החייט, ובסופו של דבר לתוך סילון נוזלים עם מתח גבוה יותר. הסיבים נאספים לאחר מכן על משטח נייר הכסף במחצלת מסודרת באופן אקראי. משטח אוסף מסתובב יכול לשמש גם על מנת להשיג מחצלות סיבים מיושרים.

ישנם סוגים רבים ושונים של ביו-חומרים המשמשים ביישומי ביו-הנדסה, החל משתלי רקמות ועד ביו-קטרוניה וחוש ביולוגי. מחצלות אלקטרו-ספון של משי וביו-חומרים אחרים משמשות לעתים קרובות ליצירת פיגומים רקמה, המספקים מבנה לרקמה מלאכותית. תאים נזרעים ישירות על מבנים אלה, המאפשר היווצרות של רקמה תלת ממדית. פיגומי רקמות נועדו לקדם אינטראקציות תאים חיוביות, ובכך לחקות את המבנה והתפקוד של רקמה אמיתית. הם גם מהונדסים להחזיק את המאפיינים הרצויים של רקמה ספציפית. לדוגמה, פיגומים שנועדו להתנהג כמו שריר חייבים להחזיק סיבים מיושרים יותר מאלה שנועדו להתנהג כמו העור. למרות משי נגזר בדרך כלל תולעת המשי, משי עכביש משמש לעתים קרובות, כפי שהוא מספק כוח מכני גבוה יותר. מאז עכבישים לא ניתן לעבד בקלות, החומר מיוצר באופן סינתטי באמצעות ביוטכנולוגיה. בדוגמה זו, חלבון המשי רקומביננטי היה אלקטרו-ספון על מכשירי סינון. התוספת של רשת משי זו למסנן שיפרה מאוד את היעילות, שכן גדלי הנקבוביות היו קטנים משמעותית מהמסנן המיוצר, ובכך אפשרו את שימורם של חלקיקים קטנים יותר. לבסוף, ביו-חומרים מוכנים לעתים קרובות מפולימרים מעשה ידי אדם כגון פוליפקלקטון וחומצה פולילקטית. החומרים מסונתזים במעבדה ומשמשים לחיקוי חומרים ביו-נגזרים מכיוון שהם מתכלים ותואמים ביולוגית. המאפיינים של החומרים ניתן להתאים בקלות באמצעות טכניקות ייצור כדי ליצור משטחים תואמים ביולוגית עבור הרכבה של ביו מולקולות או כדי ליצור משטחים הידרופוביים כפי שמוצג בדוגמה זו.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לביו-חומרים משי. עכשיו אתה צריך להבין איך משי מוכן אלקטרוספלון לתוך מחצלות וכיצד ביו-חומרים אחרים משמשים בתחום הביו-הנדסה. תודה שצפיתם.