Microfluidic seco-fiação e caracterização de fibras regeneradas da fibroína de seda

Resumo

Um protocolo para a fiação microfluidic e caracterização da microestrutura do monofilamento da fibroína seda regenerada é apresentado.

Resumo

O protocolo demonstra um método para imitar o processo de fiação do bicho da seda. No processo de fiação nativo, o duto de fiação contratantes permite que as proteínas de seda ser compacto e ordenada pelas forças de cisalhamento e alongamento. Aqui, um canal de microfluidic biomimetic foi projetado para imitar a geometria específica do duto de fiação do bicho da seda. Fiação da fibroína seda regenerada (RSF) dopada com alta concentração, foi expulso através da microchannel para fibras de spin e seco à temperatura e pressão. No processo de pós-Tratado, as fibras como-fiado foram desenhadas e armazenadas em solução aquosa de etanol. Radiação síncrotron difração de raios x de grande angular (SR-WAXD) tecnologia foi usada para investigar a microestrutura do única fibras RSF, que foram fixados a um suporte de amostra com o eixo de fibra RSF normal para o microbeam de raio-x. A cristalinidade, tamanho do cristalite e orientação cristalina da fibra foram calculadas a partir dos dados WAXD. Os arcos de difração perto do Equador do padrão bidimensional WAXD indicam que a fibra RSF pós-Tratado tem um grau elevado de orientação.

Introdução

Aranha e bicho da seda podem produzir fibra de seda pendente de solução aquosa de proteína à temperatura e pressão. Fluxo de cisalhamento e extensional pode induzir a formação de cristais líquidos textura na glândula de seda¹. Nos últimos anos, tem havido um grande interesse em imitar o processo de fiação da aranha para produzir fibras artificiais de alta resistência. No entanto, grandes quantidades de proteína de seda de aranha não podem ser produzidas com eficiência e economicamente pela agricultura aranhas devido ao canibalismo. Quantidades substanciais de seda do bicho da seda podem ser obtidas facilmente pela agricultura. Caso contrário, o bicho da seda e a aranha tem uma composição semelhante de processo e aminoácido de fiação. Portanto, seda fibroin bicho da seda é selecionado como um substituto para fiam seda artificial de animais por muitos pesquisadores.

Aranha e bicho-da-extrude solução da proteína através de seu duto de fiação em fibra no ar. As forças de alto estresse geradas ao longo do duto de fiação mais provável Estiquem as moléculas da fibroína de seda para um mais alargado de conformação². Seda artificial fibras têm sido giradas usando fiação convencional de molhado e seco-fiação processos^3,4, que não levam em conta as forças fluidas geradas no duto de fiação.

Primeiro, microfluidic abordagens foram usadas para investigar o conjunto de proteínas de seda^5,6. Então, estudou-se através do corte e extensional forças^7,8de modelagem microfluidic fabricação da RSF. Módulo de Young e diâmetro das fibras RSF podem ser sintonizados por microfluidic girando molhado, mas a resistência à tração da fibra desenhada foi inferior a 100 MPa⁷. Finalmente, fibras de alta resistência RSF foram preparadas com sucesso usando o método de fiação seca microfluídicos, mas o diâmetro da fibra é apenas de 2 µm⁸. Recentemente, girando molhado microfluidic foi utilizado com sucesso na produção de fibra de seda de aranha recombinante alta resistência. O desenho pós-girando no ar melhorou os defeitos superficiais e internos de fibra artificial⁹.

Neste estudo, é introduzido o melhorado microfluidic girando o processo para a fibra da RSF. Destina-se a imitar o processo de fiação de seda do bicho da seda, incluindo a droga de fiação, corte as forças e processo de fiação seca. Este método de fiação não só pode produzir a fibra de seda artificial de alta resistência, mas também pode ajustar o diâmetro da fibra. Em primeiro lugar, a RSF girando a droga foi cortado e alongado em um canal de biomimic com um decaimento exponencial de ordem segundo. Em segundo lugar, as influências de umidade relativa (RH) sobre a morfologia das fibras e propriedades foram estudadas no processo seco-fiação microfluidic¹⁰. Em comparação com a fieira de fiação convencional, nosso sistema microfluídicos é altamente biomimetic e pode ser usado para produzir fibra de alta resistência de soluções à temperatura ambiente pelo seco ou molhado, girando o método.

Devido a alta resolução, alto brilho e alta energia do radiação síncrotron microfoco raio-x, ele pode ser usado para caracterizar a microestrutura de uma única fibra com um diâmetro de vários micrômetros^{4,11 , 12 , 13 , 14}. aqui, SR-WAXD técnica foi usada para calcular a cristalinidade, tamanho do cristalite e orientação cristalina das fibras da RSF.

Protocolo

atenção: favor consultar todas as fichas de dados de segurança relevantes antes do uso. Vários dos produtos químicos utilizados na preparação do molde são extremamente tóxicos. Por favor, use equipamento de proteção individual (óculos de segurança, luvas, jaleco, calça comprida e sapatos fechados).

1. Microfluidic fiação de RSF solução aquosa

1. Preparação de RSF aquoso girando droga ^{4 , 15 , 16}
   1. Decruagem do bicho da seda casulo
      1. Degum o Bombyx mori casulos duas vezes em soluções de aquosa (0,5% em peso em água) ₃ CO ₂ de at a 100 ° C por 30 min cada e em seguida, lave a seda com água desionizada para remover o sericin.
   2. Dissolving do casulo do bicho da seda degomado
      1. secar as sedas do casulo degomado em ar; em seguida, dissolver as sedas do casulo degomado em solução aquosa de 9,0 M LiBr com uma proporção de 01:10 (p/v) a 40 ° C durante 2 h. Por exemplo, adicionar 10 mL de LiBr por 1 grama seda ( Figura 1a).
   3. Centrifuging e filtragem
      1. diluir a solução RSF 1,5 vezes por água desionizada. Centrífuga e filtro para remover as impurezas. Centrifugar a solução RSF em frascos de 250 mL a 4 ° C por 10 min a 1,234.8 g. x filtrar a solução RSF usando um filtro de 20 µm e uma bomba de vácuo. Cama de papel de filtro duplo é preferível considerar o efeito de experimentação.
   4. Dialyzing
      1. Dialize a solução RSF em água deionizada a 5 ° C por 3 dias usando uma membrana semipermeável de celulose (MWCO: 14.000 ± 2.000). O volume total da solução RSF é cerca de 1 L, carregado em 4 sacos de diálise. Coloque estes sacos de diálise no balde, que é preenchido com osmose reversa 10L (RO) deionizada.
         Nota: O valor de pH de água desionizada deve ser superior a 6, para evitar a gelificação durante o processo de concentração. O pH da água desionizada não requer ajuste para esse protocolo.
   5. Concentrating
      1. condensar a solução aquosa de RSF para 20% em peso, pelo fluxo de ar forçado em solução aquosa de 5 ° C. adicionar 3 M CaCl ₂ para a solução RSF para 1,0 mmol/g concentração Ca ^{2 +} final; em seguida, concentrar-se por ar forçado fluxo para 38-47% wt.
      2. Pesar uma gota de solução RSF sobre uma lâmina de vidro e em seguida, seque-o por 2 h em estufa a 105 ° C.
         Nota: O peso por cento dos restantes sólidos em relação ao peso da gota antes de secagem é a concentração total de proteína e de CaCl ₂. A concentração de RSF é derivada após dedução da massa de CaCl ₂. Pelo menos quatro repetidas medições foram realizadas. Nossos estudos anteriores mostraram que a concentração de Ca ^{2 +} grandemente afetado as propriedades reológicas e spinnability das soluções aquosas RSF. Entretanto, a adição de Ca ^{2 +} solicitado a formação limitada de β-folha e a agregação dos RSF ¹⁷. Em uma droga de fiação nativo, CaCl ₂ é considerado para desempenhar um papel importante durante o armazenamento da droga para evitar gelificação antes de girar a girar. ¹⁸
2. preparação do chip microfluidic ^{8 , 19}
   1. preparando Fotomáscara
      1. Design do micro-channel em um Programa de CAD. Imprimir o arquivo CAD para produzir uma transparência de alta resolução ¹⁹.
   2. Preparando o molde
      1. limpeza da lâmina de vidro
         1. em uma capa de química, ferver a lâmina de vidro em solução de ácido sulfúrico concentrado misturada e 30 vol % peróxido de hidrogênio solução (10:1) por 20 min em uma chapa quente.
            Cuidado: vapores de ácido sulfúrico e peróxido de hidrogênio são extremamente tóxicos.
      2. Lavar a lâmina de vidro
         1. lave a lâmina de vidro com água desionizada e assoprar seque com nitrogênio de alta pureza.
      3. Filme de revestimento
         1. revestir o fotorresiste SU-8 sobre a lâmina de vidro por um dispositivo de revestimento Custom-Built com um intervalo de 100 µm entre a superfície inferior da barra de revestimento e a superfície superior do vidro.
      4. Spin revestimento
         1. espalhar o fotorresiste sobre a lâmina de vidro para formar um filme uniforme usando um aplicador girar a 40,3 x g por 30 s. A espessura do filme uniforme é cerca de 85 µm.
      5. Solidificação
         1. solidificar o fotorresiste em um forno com uma programa de controlo da temperatura. Elevar a temperatura de temperatura de 65 ° C, em 2 ° C/min e segurar a 65 ° C por 2 min. Continue ao calor de 65 ° C e 95° C e mantenha a 95 ° C durante 15 min. volta fora do forno e cool naturalmente para o quarto temperatura no forno.
      6. Ultravioleta luz exposição
         1. expor do lado do vidro deslize com o fotorresiste à luz ultravioleta para 12 s usando a transparência como uma Fotomáscara por fotolitografia ¹⁹.
            Nota: O número de onda da luz ultravioleta é 365 nm e a energia de exposição é 273.6 mJ/cm ².
            Atenção: Tomar medidas apropriadas de segurança enquanto estiver trabalhando com luz UV e o forno.
      7. Solidificar o fotorresiste conforme descrito na etapa 1.2.2.5.
      8. Em desenvolvimento
         1. limpar o fotorresiste ultrassonicamente em solução de desenvolvedor para 30 s. Lave a lâmina de vidro por isopropanol e desenvolvedor, alternando entre os dois, até que não haja nenhuma precipitação sobre a lâmina de vidro.
      9. Solidificar o fotorresiste em um forno com uma programa de controlo da temperatura. Elevar a temperatura de temperatura para 170 ° C a 2 ° C/min e segure a 170 ° C por 30 min. volta fora do forno e cool naturalmente à temperatura no forno.
   3. Litografia macia
      1. despeje 8.8 pre-polímero líquido polydimethylsiloxane (PDMS) de g sobre o molde e cura por 30 min a 65 ° C, e 15 min a 80 discos pré-polímero de ° C. líquido PDMS consiste de PDMS e agente de cura (tipicamente de 10:1 (w/w)).
   4. Pancadas
      1. um buraco através da réplica PDMS no início do canal pela broca. O diâmetro da broca é de 1,2 mm.
   5. Selagem
      1. selar a réplica PDMS com o canal para uma camada lisa de PDMS sem padrão por um tratamento de plasma de oxigênio nas superfícies das duas camadas PDMS.
         Nota: O processo de preparação geral do chip leva cerca de 72 h.
3. Fibra fabricação de RSF
   1. injeção de droga de giro
      1. injetar o RSF girando a droga para o microchannel 2 µ l/min por uma bomba de seringa.
   2. Regulamento do ambiente
      1. ajustar a umidade relativa de 40 ± 5% RH ou 50 ± 5% de ur usando um umidificador. Em 40 RH ± 5%, como-girado fibra solidificou-se mais rapidamente do que 50 ± 5% RH.
   3. Fibra de produção da RSF
      1. toque a gota RSF por um ponto na saída do canal microfluídicos, desenhar fibra RSF no ar e então puxe para um cilindro através de uma abertura de 10 cm de ar a uma velocidade de 3 cm/s ( Figura 1b ).
   4. Armazenar as fibras RSF em um dessecador selado por 24 h.
   5. Pós-tratamento de fibra
      1. desenha as fibras como-fiado 4 vezes em 0,9 mm s ^-1 em 80 vol % ethanol solução por uma máquina Custom-Built e depois manter a fibra desenhada fixo e mergulhe as fibras na solução por 1h. Devido a este tratamento, o comprimento da fibra foi mudado de originalmente de 15 mm a 60 mm.
   6. Preparação da amostra para a caracterização
      1. corrigir as fibras pós-tratado em um frame de papel com um calibre de 10mm de comprimento. Pelo menos 20 fibras são necessidade de medição, incluindo o ensaio de tracção, SEM, FTIR e WAXS. Os diâmetros das fibras pós-desenhada variam 5 a 10 µm. a Figura 1 mostra o diagrama esquemático da produção de fibra e caracterização de WAXD. As propriedades mecânicas das fibras RSF foram examinadas por um sistema de testes de material (25 ± 2) ° C e (45 ± 5) % de umidade relativa. A extensão de avaliar e medir o comprimento foram 2 mm/min e 1 cm, respectivamente.

2. Radiação síncrotron caracterização do cristalino estrutura de RSF fibra

1. caracterização de radiação síncrotron ^{4 , 13 , 17}
   1. ajuste da trajetória
      1. ajustar o comprimento de onda dos raios-x e tamanho de ponto de 0,07746 nm e 3 x 2 µm ², respectivamente.
         Nota: O protocolo é executado usando a trajetória de BL15U1 na instalação de radiação síncrotron de Shanghai.
   2. Localização do ponto x-ray
      1. encontrar a localização do ponto x.
         Nota: A localização do ponto x é ajustada pelo laboratorista na instalação de radiação síncrotron.
   3. Teste de amostra-padrão: dióxido de cério (CeO ₂)
      1. testar um pó de ₂ do CeO de amostra-padrão. O pó de ₂ CeO foi caracterizado para calcular o centro do círculo e a distância entre a amostra para o detector.
   4. Preparação da amostra
      1. corrigir os filamentos RSF em paralelo com o outro no quadro de papel com um calibre de 10 mm de comprimento. Cole a moldura de papel na fase de testes.
         Nota: Manter a fibra horizontal.
   5. SR-WAXD testes
      1. abrir o obturador
         1. fechar a porta da estação beamline depois de se assegurar que não há nenhuma pessoa na sala. Abrir o obturador da fonte do feixe de raios-x.
      2. Focusing
         1. mover a fibra ligeiramente até em foco. Ajustar a localização da fibra ao longo de x, y, z direção remotamente através de um software ( Figura 1C).
      3. Exposição da amostra
         1. mover a fibra remotamente através de um software, até que seja in loco o raio-x. Pressione o botão iniciar no software para expor a fibra para a trajetória de raios-x por 20 s ( Figura 1C).
      4. Fundo difração
         1. a difração de fundo o ar com o tempo de exposição de 20 s. mover a fibra longe a ponto de raio-x remotamente através de um software de teste. Imprensa o " iniciar " botão no software para expor a trajetória de raio-x para " médio de ar " por 20 s.
2. De processamento de dados de SR-WAXD ¹³
   1. calibração Software
      1. processar os dados WAXD usando FIT2D (V12.077). Calibrar o centro do círculo e a distância de amostra-para-detector usando os dados de difração do CeO em pó ₂.
   2. Padrão de difração 2-D
      1. subtrair o fundo do ar no padrão de difração de fibra usando FIT2D (V12.077).
   3. Tamanho de cristalinidade e do cristalite
      1. integrar a intensidade de difração em função do espalhamento ângulo 2 θ. Execute deconvolução da integração intensidade pico automatizado separação software (versão 4.12) ¹². O grau de cristalinidade, x, _c, foi estimado a partir da relação:
         
         , onde eu _c é a soma das intensidades integradas de picos de cristalina e eu _um é a intensidade integrada do amorfo halo ^{4 , 11}. A integração dos padrões de WAXD mostrou a largura do pico do [200], [020], [002] reflexões. A FWHM desses picos foram usados para determinar o tamanho do cristalite junto a um, b e c eixos usando Scherrer ' s fórmula ⁴.
   4. Determinação das orientações do cristalite
      1. calcular as orientações do cristalite e amorfo de acordo com integrações azimutal de (020) e (210) picos ¹¹. A orientação cristalina pode ser calculada quantitativamente de acordo com Herman ' orientação s. Aqui, os dois (020) e picos (210) foram equipados com duas funções Gaussian. O mais estreito é para orientação cristalina e o outro mais amplo é para o material amorfo orientado ¹³. Aqui, as orientações do cristalite das fibras RSF foram comparadas usando a largura total no máximo meia (FWHM) dos picos de integrações azimutal (002).

Resultados

Fibras de alta resistência RSF foram produzidas com êxito usando o microfluidic girando o método. As curvas tensão-deformação e imagens SEM das fibras esticadas RSF C44R40 são mostradas na Figura 2. Pelo menos 10 fibras foram medidas no teste de tração. Curvas tensão-deformação foram escolhidas de acordo com o valor médio da quebra de tensão e deformação das fibras. Os dados WAXD das fibras são mostrados na Figura 3

Discussão

Durante a diálise da solução RSF, o valor de pH é essencial para o processo de concentração a seguir. Se o valor de pH da água deionizada é menor que 6, a solução RSF será mais fácil do gel durante o processo de concentração. Para evitar a gelificação, CaCl₂ é adicionado à solução RSF. A concentração de CaCl₂ é 1 mmol / peso da RSF.

Nosso trabalho anterior demonstrou a possibilidade de microfluidic seco-fiação de uma solução aquosa de RSF

Materiais

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