Name: air filter devices including nonwoven meshes of electrospun recombinant spider silk proteins
Uploaded: 2013-05-08T13:00:00
Duration: 9 min 51 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Air Filter Devices Including Nonwoven Meshes of Electrospun Recombinant Spider Silk Proteins at JoVE.com

Vi tackar den tekniskt och vetenskapligt stöd för Anja Lauterbach (Lehrstuhl Biomaterialien), Lorenz Summa (Sandler AG) och Armin Boeck (B / S / H / G). SEM-avbildning utfördes av Johannes Diehl (Lehrstuhl Biomaterialien). Medel härleddes från BMBF (01RB0710).

Ett. Spinnvätska Framställning <ol><li> Ta lyofiliseras eADF4 (C16)-proteinet. </li><li> Väg upp 20 mg eADF4 (C16) i en 1 ml reaktionskärl genom att använda en hög precision skala. </li><li> Tillsätt 200 l av hexafluoroisopropanol (HFIP) och täta kärlet med Parafilm. Anmärkning: HFIP är mycket flyktigt och skadlig. Eftersom det kan orsaka skada på andningsvägarna, arbeta under en skyddshuv, pipett noggrant, och mössa röret. </li><li> Vortex suspension 1 min och ytterligare skaka den för att rensa lösningen. För att säkerställa att hela mängden protein är fullständigt upplöst, vänta över natten. </li></ol> 2. Electrospinning <ol><li> Förbered electrospinning anordning (Figur 1): plats filtermaterialet ovanpå motelektroden och den förinställda spänningen hos både elektroden (-22,5 kV) och motelektroden (2,5 kV). Ställ in volymen flödet till 315 l / tim. Obs: while electrospinning, giftiga HFIP kommer att avdunsta. Se till att din electrospinning enheten är ansluten till ett dragskåp. </li><li> Ta en kommersiellt tillgänglig 20 G nål och mala den vassa spetsen med en handslipmaskin till en återstående längd av 30 mm. Anslut nålen till en 1 ml spruta. Obs: Ett plan nålspetsen krävs för att generera en väldefinierad Taylor-konen. </li><li> Ladda hela spinnvätskan (200 | il) i sprutan. Overlay spinnlösningen med 100 | il av luft, för att möjliggöra en komplett lösning som skall strängsprutas under spinnprocessen. OBS: För att undvika igensättning av nålen, se till att inga partiklar (aggregat eller föroreningar) i spinnvätskan. Arbete under en huv! </li><li> Fäst den fyllda sprutan till sprutpumpen av electrospinning enheten och tryck försiktigt på kolven på sprutan tills en droppe syns vid nålspetsen. Lås kolven. </li><li> Ställ in avståndetmellan nålspetsen och motelektroden till 8-20 cm. </li><li> Starta sprutpumpen och ta bort den (oftast torkade ut) droppe från öppningen av nålen. Aktivera alla säkerhetsanordningar i electrospinning enheten omedelbart och starta högspänningskällan så snart en ny droppe syns. Elektrospinning av spinnvätskan startar därefter. Använd ett stoppur för att styra spinning varaktighet. Notera: För att undvika uttorkning av lösningen och därigenom igensättning av nålen, är det nödvändigt att omedelbart starta trycksvarvningsprocessen efter avlägsnande av den torkade droppen. </li><li> Sedan electrospinning av rekombinanta spindelsilke proteiner beror på luftfuktighet och temperatur, kan en anpassning av processparametrar mot enskilda laboratorievillkor vara nödvändigt (figur 2). OBS: För att förhindra droppen torkar (Figur 2B) möjliggöra en tillräcklig flödeshastighet. Om det finns en låg befuktningty i den omgivande atmosfären, justera den relativa fuktigheten eller höja flödeshastigheten. Sänk spänningen tills en ordentlig Taylor-kon inträffar (Figur 2A). När det inte finns någon lösning på spetsen (figur 2C), höja flödeshastigheten och sänka spänningen tills en droppe inträffar. Sedan justera spänningen i syfte att upprätta en regelbunden och stabil Taylor Cone (Figur 2A). </li><li> Efter 30 sek / 60 sek / 90 sek för electrospinning avstängning sprutpumpen. För att undvika fallande droppar, vänta 10 sekunder innan du stänger av högspänningen källan för att frigöra det resterande trycket i sprutan. </li><li> Steg 6 till 8 kan utföras på olika typer av filtermaterial, såsom polyamid, polypropen och polyester maskor nonwoven, samt svart papper för jämförelse. </li><li> För att producera en icke-vävd mesh för efterföljande stabilitet experiment, använda svart papper i stället för filtermaterial och utför steg 5 till 7. Efter 5 min av electrospinning, slutaden process som beskrivs i steg 8. </li></ol> Tre. Efterbehandling av Silk Ovävda Meshes <ol><li> Förvärm en ugn till 60 ° C. </li><li> Placera filtret substrat med eADF4 (C16) nonwoven maskor vertikalt och med ett minsta avstånd på 2 cm i ett låsbart glasbehållare. Behållaren bör ha två öppningar som kommer att användas för att senare införa etanol och vatten. Obs: När man fastställer filtermaterial, se till att den areal som krävs för permeabilitet experiment inte skadas av klämmorna. </li><li> Anslut två 60 ml sprutor, en fylld med etanol och en fylld med vatten, med silikon slangar som pekar in i det inre botten av efterbehandling behållare (Figur 3). Notera: För att kunna ta bort vätska från behållaren efter behandlingen, placera öppningarna i rören så nära som möjligt till botten. </li><li> Placera efterbehandling behållare i ovsv och tillsätt 60 ml etanol genom strängsprutning av sprutan. Använd ett stoppur för att styra behandlingstiden. </li><li> Efter 90 min av etanolånga behandling, avlägsna etanolen med sprutan från glaset, och tillsätt 60 ml vatten från den andra sprutan. </li><li> Vänta ytterligare 90 minuter, ta sedan bort vattnet och stäng av ugnen. För att undvika droppar av kondens, lämnar behållaren i ugnen tills den har svalnat helt. </li></ol> 4. Analys av spindeltråd Nonwoven maskor <ol><li> Förbered siden vävda maskor för stabilitet tester på svart papper eller någon annan flyttbar stöd. Skär två ramar av kartong och justera dubbel-klibbig tejp. Tryck på en bildruta på siden nonwoven mesh deponeras på svart papper och använd en skalpell för att skära bort överskottet av silke fibrer (hålla överskottet fibrer för efterföljande SEM-imaging). Ta försiktigt bort ramen för att lossa nonwoven från papperet. Upprepa detta steg med den andra ramen(Figur 4). </li><li> Praktiskt dopp test: Klipp en bit (1 cm 2) av varje, den efterbehandlade och icke behandlade siden nonwoven mesh och doppa den i avjoniserat vatten. Den icke-behandlade icke-vävda siden mesh kommer omedelbart lösas upp, medan det behandlade icke-vävda nät kommer att vara stabil (Figur 5). Efter doppning, torka doppade provet och förbereda den för SEM avbildning. </li><li> Fouriertransform infraröd spektroskopi (FTIR)-mätning och efterföljande Fourier själv deconvolution (FSD): För att få information om de strukturella förändringar i silke proteiner vid efterbehandling av de icke-vävda maskor, kan FTIR appliceras med hjälp av parametrarna: Transmittans -läget, skanna från 800 till 4000 cm -1, är 60 ansamlingar mäts och medelvärdet för varje spektrum, är en referens mäts per spektrum. För kvantitativ analys av datan, kan FSD användas (figur 6 och figur 7). Därigenom är de kurvor reduceras till uppgifter ARea mellan 1,590 och 1,705 cm -1 och en baslinje korrigering utförs. En lokal minsta kvadratanpassning beräknas enligt de toppositionerna tagna från tidigare studier (1611, 1619, 1624, 1630, 1640, 1650, 1659, 1666, 1680, 1691, 1698 cm -1) 22. </li><li> SEM avbildning: SEM kan användas för att undersöka fiberdiametrarna och morfologin av silke fibrer på olika filter substrat och att analysera inverkan av efterbehandling på fibermorfologi (Figur 8). Använd förstoringar av 5.000 x till 25.000 x för att få tillräckligt detaljerade bilder. </li></ol> Fem. Fastställande av Luftgenomsläpplighet <ol><li> Placera en korrekt montering del av filtermaterialet på mätning av området en Akustron luftpermeabilitet enhet. Obs :: Om du använder en annan typ av luft permeabilitet enhet, se till att den uppfyller kraven i DIN 53 887, DIN 53 120, ISO 9237 och ASTM D 737-96 standarder. </li><li>Anställ en Akustron enhet luft permeabilitet (eller något annat som skildras i 5.1). Vid behov beräkna normerade uppgifter [l / (m 2 x sek)]. </li><li> Upprepa steg 1 och 2 minst 10 gånger med olika delar av ditt prov och beräkna det aritmetiska mitten (figur 9). Obs: Measuring luftpermeabilitet kräver kontakt av anordningen och den icke-vävda nät. Således är en noggrann hantering av proverna nödvändig för att förebygga brott i den känsliga siden nonwoven mesh. </li></ol> 6. Fastställande av avskiljningsgrad <ol><li> Använd en riktig maskin med tryckreglering och partikelräknare, t.ex. en Universal partikel sizer (Palas GmbH, Karlsruhe, Tyskland). </li><li> Placera filtret prov i enheten och mät partikelkvarhållande (Figur 10). Aerosol: Di-etylhexyl-sebacat (DEHS), partikelstorlekar: 0,3-3 um, längd: 30 sek; vätskehastighet: 2,350 cm / sek; luftflöde: 3400 m 3 / tim. <br/&gt; Obs: Hantera provet med omsorg och inte röra vid ytan för att förhindra förstörelse av nonwoven mesh och undvika förorening. Var noga med att skapa tillräckligt många prover av samma kvalitet för att mäta prestanda. </li></ol>

<ol>
	<li>Gosline, J. M., Guerette, P. A., Ortlepp, C. S., Savage, K. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+mechanical+design+of+spider+silks:+From+fibroin+sequence+to+mechanical+function.">The mechanical design of spider silks: From fibroin sequence to mechanical function.</a> J. Exp. Biol. 202, 3295-3303 (1999).</li><li>Vollrath, F., Basedow, A. B. P., Engstr&#246;m, W., List, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Local+tolerance+to+spider+silks+and+protein+polymers+in+vivo.">Local tolerance to spider silks and protein polymers in vivo.</a> In Vivo. 16, 229-234 (2002).</li><li>Allmeling, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spider+silk+fibres+in+artificial+nerve+constructs+promote+peripheral+nerve+regeneration.">Spider silk fibres in artificial nerve constructs promote peripheral nerve regeneration.</a> Cell Prolif. 41, 408-420 (2008).</li><li>Huemmerich, D., Helsen, C. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Primary+structure+elements+of+spider+dragline+silks+and+their+contribution+to+protein+solubility.">Primary structure elements of spider dragline silks and their contribution to protein solubility.</a> Biochemistry. 43, 13604-13612 (2004).</li><li>Huemmerich, D., Slotta, U., Scheibel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Processing+and+modification+of+films+made+from+recombinant+spider+silk+proteins.">Processing and modification of films made from recombinant spider silk proteins.</a> Appl. Phys. a-Mater. 82, 219-222 (2006).</li><li>Leal-Egana, A., Lang, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interactions+of+Fibroblasts+with+Different+Morphologies+Made+of+an+Engineered+Spider+Silk+Protein.">Interactions of Fibroblasts with Different Morphologies Made of an Engineered Spider Silk Protein.</a> Adv. Eng. Mater. 14, 67-75 (2012).</li><li>Wohlrab, S., Spiess, K., Scheibel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Varying+surface+hydrophobicities+of+coatings+made+of+recombinant+spider+silk+proteins.">Varying surface hydrophobicities of coatings made of recombinant spider silk proteins.</a> J. Mater. Chem. 22, 22050-22054 (2012).</li><li>Hermanson, K. D., Huemmerich, D., Scheibel, T., Bausch, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineered+microcapsules+fabricated+from+reconstituted+spider+silk.">Engineered microcapsules fabricated from reconstituted spider silk.</a> Adv. Mater. 19, 1810-1815 (2007).</li><li>Spiess, K., Wohlrab, S., Scheibel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+characterization+and+functionalization+of+engineered+spider+silk+films.">Structural characterization and functionalization of engineered spider silk films.</a> Soft Matter. 6, 4168-4174 (2010).</li><li>Slotta, U. K., Rammensee, S., Gorb, S., Scheibel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+engineered+spider+silk+protein+forms+microspheres.">An engineered spider silk protein forms microspheres.</a> Angew. Chem.-Int. Edit. 47, 4592-4594 (2008).</li><li>Schacht, K., Scheibel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+hydrogel+formation+of+a+recombinant+spider+silk+protein.">Controlled hydrogel formation of a recombinant spider silk protein.</a> Biomacromolecules. 12, 2488-2495 (2011).</li><li>Exler, J. H., Hummerich, D., Scheibel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+amphiphilic+properties+of+spider+silks+are+important+for+spinning.">The amphiphilic properties of spider silks are important for spinning.</a> Angew. Chem.-Int. Edit. 46, 3559-3562 (2007).</li><li>Sundaray, B., Subramanian, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrospinning+of+continuous+aligned+polymer+fibers.">Electrospinning of continuous aligned polymer fibers.</a> Appl. Phys. Lett. 84, 1222 (2004).</li><li>Van Hulle, S. W. H., Bjorge, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+assessment+of+electrospun+nanofibers+for+filter+applications.">Performance assessment of electrospun nanofibers for filter applications.</a> Desalination. 249, 942-948 (2009).</li><li>Zhou, S. B., Peng, H. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+and+characterization+of+a+novel+electrospun+spider+silk+fibroin/poly(D,L-lactide)+composite+fiber.">Preparation and characterization of a novel electrospun spider silk fibroin/poly(D,L-lactide) composite fiber.</a> J. Phys. Chem. B. 112, 11209-11216 (2008).</li><li>Stephens, J. S., Fahnestock, S. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+electrospinning+and+solution+casting+protocols+on+the+secondary+structure+of+a+genetically+engineered+dragline+spider+silk+analogue+investigated+via+fourier+transform+Raman+spectroscopy.">Effects of electrospinning and solution casting protocols on the secondary structure of a genetically engineered dragline spider silk analogue investigated via fourier transform Raman spectroscopy.</a> Biomacromolecules. 6, 1405-1413 (2005).</li><li>Greiner, A., Wendorff, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrospinning:+a+fascinating+method+for+the+preparation+of+ultrathin+fibers.">Electrospinning: a fascinating method for the preparation of ultrathin fibers.</a> Angew. Chem.-Int. Edit. 46, 5670-5703 (2007).</li><li>Smit, E., Buttner, U., Sanderson, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+yarns+from+electrospun+fibers.">Continuous yarns from electrospun fibers.</a> Polymer. 46, 2419-2442 (2005).</li><li>Teo, W. E., Ramakrishna, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+on+electrospinning+design+and+nanofibre+assemblies.">A review on electrospinning design and nanofibre assemblies.</a> Nanotechnology. 17, 89-106 (2006).</li><li>Greiner, A., Wendorff, J. H., Yarin, A. L., Zussman, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biohybrid+nanosystems+with+polymer+nanofibers+and+nanotubes.">Biohybrid nanosystems with polymer nanofibers and nanotubes.</a> Appl. Microbiol. Biotechnol. 71, 387-393 (2006).</li><li>Spiess, K., Lammel, A., Scheibel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recombinant+spider+silk+proteins+for+applications+in+biomaterials.">Recombinant spider silk proteins for applications in biomaterials.</a> Macromolecular Biosciences. 10, 998-1007 (2010).</li><li>Hu, X., Kaplan, D., Cebe, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determining+beta-sheet+crystallinity+in+fibrous+proteins+by+thermal+analysis+and+infrared-+spectroscopy.">Determining beta-sheet crystallinity in fibrous proteins by thermal analysis and infrared- spectroscopy.</a> Macromolecules. 39, 6161-6170 (2006).</li></ol>

Vi har inget att lämna ut.

Nya filter enheter bör tillåta att sänka den totala energiförbrukningen inom luftfiltrering vid konstant eller högre filter effektivitetsvinster. Här, var sådana anordningar skapas med fiberdukar tillverkade av spindelsilk. Tack vare sin låga ytspänning och hög volatilitet, har HFIP valts som ett lämpligt lösningsmedel för electrospinning processen. Dessutom har vattenhaltiga lösningar silke testats i tidigare experiment, men inga fibrer skulle kunna genereras. Här skulle det vara viktigt att använda tillsatser för att sänka ytspänningen och därigenom förbättra de snurrande egenskaperna hos lösningen. Det mest kritiska steget är att justera de villkor och det använda materialet koncentration och lösningsmedel i spinningslösningen, spinning höjd, spänning och extrudering hastighet. Under prestanda kan till exempel igensättning av spetsen förhindras genom tillförsel av nålspetsen med fukt i form av vattenånga, men någon form av tillägg i electrospinning installationen senare kan störaden känsliga processen och elektriskt fält. Viktiga processparametrar (koncentration, spänning, distans, fuktighet) individuellt bestämdes genomför separata experimentella serier (data visas ej). Med alla parametrar i beaktande är det viktigt att ta hand om en kontinuerlig taylor kon och spinning process för att skapa enhetliga fibrer. Filtret effektivitet är en av de viktigaste parametrarna för filtermaterial. Denna parameter påverkas främst av strukturen av filtermaterialet. Woven ärva enhetliga porstorlekar och därefter konsekvent luft permeabilitet. Det är viktigt att skapa homogena nonwoven maskor på dessa mall material för att fylla porerna och skapa en felfri filter. Filtret effektivitet i våra filter visar en direkt beroende av den snurrande varaktighet (av silke proteiner), och, därför, om antalet icke-vävda mesh skikt. Mellanrummen mellan enskilda fibrerna konsekvent fyllda, möjliggör lagring of mindre partiklar. I detta arbete har vi infört en metod för att producera ett nytt filtermaterial med spindel maskor silke nonwoven, visar hög avskiljningsgrad. Därför är dessa filter är lovande kandidater för framtida användning i luftfiltreringssystem.

Tack vare sin kombination av styrka och töjbarhet, kan spindelsilke fibrer absorberar mer kinetisk energi än de flesta andra naturliga eller syntetiska fibrer 1. Dessutom, till skillnad från de flesta syntetiska polymera material siden material är ogiftiga och biokompatibla och orsakar ingen allergisk reaktion när de inkorporeras 2,3. Förmodade hälsorisker kan förebyggas med hjälp av spindelnät. Dessa funktioner gör spindelsilke mycket attraktiv för en mängd olika medicinska och tekniska tillämpningar. Eftersom spindlar inte kan odlas på grund av sitt kannibalistiska beteende, har biotekniska metoder utvecklats för att producera spindeltråd proteiner, både kostnads-effektivt och i tillräcklig mängd 4. Den rekombinanta silkesprotein eADF4 (C16) har konstruerats utifrån den naturliga sekvensen av Araneusdiadematus fibroin 4 (ADF4). eADF4 (C16) har en molekylvikt av 48kDa 5 och är löslig i olika lösningsmedel (hexafluoroisopropanol (HFIP) 6, myrsyra 7 och vattenbaserade buffertar) 8. eADF4 (C16) kan bearbetas till olika morfologier såsom filmer 9, kapslar 8, partiklar 10, hydrogeler 11, beläggningar 7, fibrer 12 och nonwoven maskor 6. På grund av sin kemiska stabilitet, den senare ger hög potential i filterapplikationer. Här presenterar vi ett protokoll för att tillverka luftfilter enheter, inklusive en icke-vävd mesh av electrospun rekombinanta proteiner spindelsilke. Elektrospinning eller elektrostatisk spinning är en teknik som typiskt används för att producera polymera fibrer med diametrar i området av 10 nm -10 | im 13, och icke-vävda maskor har redan undersökts för filtertillämpningar 14. I det förflutna har electrospinning framgång använts för behandling av regenererad 15 samt rekombinant producerat 16 spindelsilkeproteiner. Vanligtvis en hög elektrisk spänning (5-30 kV) appliceras på en spruta och en motelektrod (0-20 kV) placerad på ett avstånd av 8-20 cm. Den starka elektrostatiska fält inducerar frånstötande krafter inom laddade lösningen. Om ytspänningen överskrids en Taylor-konen bildas, och en tunn stråle får utbrott från spetsen 17,18. Efter bildning, bockning instabiliteter uppstår inom jet orsakar ytterligare sträckning som lösningsmedlet avdunstar, och en fast fiber bildas. Slutligen är fibern slumpmässigt avsatt på motelektroden såsom ett nonwoven-nät 19. Fiber egenskaper som diameter och yta topologi (slät, porös) är främst beroende lösning parametrar som koncentration, viskositet, yta fri energi och lösningsmedlet inneboende elektrisk ledningsförmåga och permeabilitet 20. Elektrospinning av eADF4 (C16) upplöst i HFIP resulterar i släta fibrer med diametrar från 80-1,100 nm beroende på proteinkoncentrationen i lösningen.eADF4 (C16) electrospun från HFIP visar en övervägande α-helikal sekundär struktur och fibrerna är vattenlösliga 6. För att stabilisera de silke fibrer, β-arkstrukturer måste induceras genom efterföljande behandling med etanol. I motsats till tidigare fastställda efter behandlingsmetoder 21, har i denna studie eADF4 (C16) bondad duk som behandlats med etanolånga för att bevara morfologin hos silke fibrer. Sekundär struktur analys utfördes med användning av Fourier-transform infraröd spektroskopi (FTIR) och efterföljande Fourier själv-dekonvolution (FSD) såsom beskrivits i litteraturen 22. FSD är en signal-bearbetning verktyg som möjliggör upplösning av FTIR spektra består av flera överlappande band. Därvid kan otydliga band av den breda amid I-regionen endast utgörs användning ett högpassfilter för att ta emot en deconvoluted spektrum med förbättrade topp upplösningar. För att utvärdera efficiency av filterelement substrat kompletterat med silke ovävda maskor, var luft permeabilitet tester utfördes med användning av en Akustron anordning enligt standardprotokoll. Avsättningshastigheter mättes med användning av en universell Palas Particle Sizer.

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

Baserat på den naturliga sekvensen av Araneusdiadematus fibroin 4 (ADF4), den rekombinanta spindelsilke protein eADF4 (C16) har utvecklats. Denna mycket repetitiva protein har en molekylvikt av 48kDa och är löslig i olika lösningsmedel (hexafluoroisopropanol (HFIP), myrsyra och vattenbaserade buffertar). eADF4 (C16) ger en stor potential för olika tekniska tillämpningar då bearbetas till morfologier såsom filmer, kapslar, partiklar, hydrogeler, beläggningar, fibrer och icke-vävda maskor. På grund av deras kemiska stabilitet och kontrollerad morfologi kan den senare användas för att förbättra filtermaterial. I detta protokoll, presenterar vi ett förfarande för att öka effektiviteten av olika luftfilter enheter, genom deponering av icke vävda maskor electrospun rekombinanta proteiner spindelsilke. Elektrospinning av eADF4 (C16) upplöst i HFIP resulterar i släta fibrer. Variation av proteinkoncentrationen (5-25% vikt / volym) resulterar i olika fiberdiametrar (80-1,100 nm) ochdärmed porstorlekar av den icke-vävda nät. Efterbehandling av eADF4 (C16) electrospun från HFIP är nödvändig eftersom proteinet uppvisar en övervägande α-helikal sekundär struktur i färskt spunna fibrer, och därför fibrerna är vattenlösliga. Efterföljande behandling med etanolånga inducerar bildandet av vattenresistent, stabila β-arkstrukturer, bevara morfologi silke fibrer och maskor. Sekundär struktur analys utfördes med användning av Fourier-transform infraröd spektroskopi (FTIR) och efterföljande Fourier själv-dekonvolution (FSD). Det primära målet var att förbättra filtret effektivisera befintliga filter substrat genom att lägga silke nonwoven skikt ovanpå. För att utvärdera inverkan av electrospinning varaktighet och sålunda ovävda skikt tjocklek på filtret effektivitet, utförde vi täthetstest i kombination med mätningar partikelavsättning. Experimenten utfördes enligt standardprotokoll.

Elektrospinning av rekombinanta lösningar spindelsilke med koncentrationer av 10% vikt / volym från HFIP resulterade i släta fibrer med diametrar från 80 till 120 nm, vilket gör att bildandet av nonwoven maskor. Efterbehandling med etanolånga ledde inte till synliga morfologiska förändringar, vilket var därför etablerat som ett korrekt sätt att silke nonwoven efterbehandling (Figur 8). Strukturella förändringar påvisades med FT-IR och efterföljande FSD av mitt jag band utfördes för att analysera enskilda bidraget toppar (Figur 6). Det kunde visas att post-behandling leder till en ökning av β-arkstrukturer, samtidigt som innehållet i α-spiralformiga und slumpmässig spiral strukturer minskar (Figur 7). Detta resultat kan praktiskt bevisas genom att doppa en efterbehandlade nonwoven i vatten (figur 5). Även efter en vecka, kommer ingen upplösning av den icke-vävda nät förekomma. Den snurrande duranson är den viktigaste parametern när det gäller tillämpningen av silke fiberduk i filtermaterial på grund av tryckfallet baserad på den ökande tätheten av electrospun fibrer. Utökad spinning löptider und därmed ett högre antal fiber lager resulterar i en exponentiell minskning av luft permeabilitet. Denna effekt kunde detekteras för alla olika filter substratmaterial före och efter efterbehandling (Figur 9). Likaså filtrering effektivitet silk-innehållande filtermaterial av sub-mikrometer partiklar ökar (Figur 10). Medan korta spinning löptider (30 sek) får låga filter effektivitet, högre spinning löptider (90 sek) leda till högre effektivitet. <img alt="Figur 1" fo:content-width="5.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig1.jpg" /> Figur 1. Hög elektrisk spänning (0-30 kV) i<html> s appliceras på en spruta fylld med en silke-lösning, och en motelektrod (0-20 kV) är placerad på ett avstånd av 8-20 cm. Denna inställning leder till ett starkt elektrostatiskt fält, induktion frånstötande krafter inom laddade lösningen. Om ytspänningen överskrids en Taylor-konen bildas, och en tunn stråle utbrott från spetsen. Efter bildning, bockning instabiliteter uppstår inom jet orsakar ytterligare sträckning som lösningsmedlet avdunstar, och en fast fiber bildas. Slutligen är fibern slumpmässigt avsatt på motelektroden i form av en icke-vävd mesh. <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig2.jpg" /> Figur 2. Fotografier av en vanlig Taylor kon (A), en torkad droppe (B), och installationen utan droppen (C). iles/ftp_upload/50492/50492fig3highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50492/50492fig3.jpg &quot;/&gt; Figur 3. Schematisk förfarande under ånga efterbehandling. I det första steget, är kammaren fylld med etanol, och provet ångbehandlades vid 60 ° C under 90 min. För att mjuka upp de icke-vävda maskor för efterföljande hantering, är etanol avlägsnas och fibrerna ångas med vattenånga under 90 min vid 60 ° C. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50492/50492fig3large.jpg" target="_blank">Klicka här för att visa en större bild</a> . <img alt="Figur 4" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig4.jpg" /> Figur 4. Fotografera av en pappram med bifogade maskor silke fiberduk som skall användas för efterbehandling. <img alt="Figur 5" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig5.jpg" /> Figur 5. Electrospun och därefter efterbehandlades nonwoven i torrt tillstånd (A) och under vatten (B). <img alt="Figur 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig6.jpg" /> Figur 6. Fourier själv-deconvoluted absorbansspektrum av en amid I band av en obehandlad (A) och en efter-behandlade (B) spindelsilke nonwoven mesh. Den heldragna linjen visar absorbansbandet följer av de enskilda bidraget topparna (streckade linjer) som härstammar efter deconvolution. Tilldelningen av de respektive kurvorna baserades på tidigare publicerade värden från litteraturen 22. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50492/50492fig6large.jpg" target="_blank">Klicka här för att visa en större bild</a> . <img alt="Figur 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; Figur 7. Sekundärstruktur innehåll av icke-behandlade och efterbehandlade eADF4 (C16) nonwoven maskor. <img alt="Figur 8" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig8.jpg" /> . Figur 8 SEM-bilder av Electrospun eADF4 (C16)-fibrer på olika filter substrat: Polyamid (PA), polyester (PE), polypropen (PP) och ren eADF4 (C16) fibrer före (S1) och efter (S2) efter- behandling med etanol ånga. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50492/50492fig8large.jpg" target="_blank">Klicka här för att visa en större bild</a> . / Ftp_upload/50492/50492fig9.jpg &quot;/&gt; Figur 9. Luftgenomsläpplighet tester, före (A) och efter efterbehandling (B) av siden vävda maskor med etanolånga, ökande spinning tider leder till fler nonwoven skikt därefter sänka luftpermeabiliteten. <img alt="Figur 10" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig10highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig10.jpg" /> Figur 10. Filtereffektivitet av di-etyl-hexyl-sebacat aerosol på electrospun spindel ovävda silke maskor på polyamid filtermaterial vid olika spinning löptider, påverkande den kvantitet silke skiktet, efter efterbehandling med etanol.

Watch this Scientific Journal Video about Air Filter Devices Including Nonwoven Meshes of Electrospun Recombinant Spider Silk Proteins at JoVE.com

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

Spider silke fibrer visar extraordinära mekaniska egenskaper. Engineered<em&gt; Araneusdiadematus</em&gt; Fibroin 4 (eADF4) kan bearbetas till nonwoven maskor med electrospinning. Här är de eADF4 nonwoven maskor som används för att förbättra prestanda för luftfiltrering enheter.

Luftfilter enheter inklusive Nonwoven maskor Electrospun rekombinanta proteiner spindelsilke

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Silk Film Culture System for in vitro Analysis and Biomaterial Design

Silk Film Culture System for in vitro Analysis and Biomaterial Design

Silk Film Kultur System för In vitro Analys och Biomaterial design

Silk films are promising protein-based biomaterials that can be fabricated with high fidelity and economically within a research laboratory environment ...

Postproduction Processing of Electrospun Fibres for Tissue Engineering

Postproduktion Bearbetning av Electrospun Fibrer för 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 ...

Synthetic Spider Silk Production on a Laboratory Scale

Syntetisk Spider Silk Production i laboratorieskala

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

Biosensor för detektion av antibiotikaresistenta stafylokocker

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

Designa Silk-silkesprotein Alloy Material för biomedicinska tillämpningar

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

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

Electrospun Fibrer Byggnadsställningar av poly (glycerol-dodecanedioate) för Engineering neurala vävnader från mus embryonala stamceller

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

Optimizing Attachment of Human Mesenchymal Stem Cells on PolyÃƒÅ½Ã‚Âµ-caprolactone Electrospun Yarns

Optimera Utmätning av Human mesenkymala stamceller på Poly (ε-kaprolakton) Electrospun Garner

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

Electrospun nanofiber Ställningar med Graderingar i 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 ...

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

Engineered 3D Silk-kollagenbaserad modell av polariserat 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

Tillverka 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 ...