Noi riconosciamo con gratitudine il supporto tecnico e scientifico di Anja Lauterbach (Lehrstuhl Biomaterialien), Lorenz Summa (Sandler AG) e Armin Boeck (B / S / H / G). SEM-l&#39;imaging è stata eseguita da Johannes Diehl (Lehrstuhl Biomaterialien). Il finanziamento è stato derivato da BMBF (01RB0710).

1. Spinning Dope Preparazione <ol><li> Prendere liofilizzato eADF4 (C16) di proteine. </li><li> Pesare 20 mg di eADF4 (C16) in un recipiente 1 ml di reazione utilizzando una bilancia ad alta precisione. </li><li> Aggiungere 200 ml di esafluoroisopropanolo (HFIP) e sigillare il vaso con parafilm. Nota: HFIP è altamente volatile e deleteria. In quanto può causare danni alla pista respiratorio, lavorare sotto una cappa di sicurezza, pipetta con attenzione, e tappare il tubo. </li><li> Vortex la sospensione per 1 min e agitare ulteriormente per eliminare la soluzione. Per garantire che l&#39;intera quantità di proteine ​​è completamente sciolto, attendere durante la notte. </li></ol> 2. Electrospinning <ol><li> Preparare il dispositivo electrospinning (Figura 1): il materiale filtrante posto in cima al controelettrodo e preimpostare la tensione sia l&#39;elettrodo (-22.5 kV) e il contro elettrodo (+2,5 kV). Impostare la portata in volume a 315 ml / h. Nota: wentre electrospinning, HFIP tossico sarà evaporato. Assicurati che il tuo dispositivo electrospinning è collegato ad una cappa aspirante. </li><li> Prendere un commercialmente disponibile ago da 20 G e macinare la punta affilata con una smerigliatrice mano per una lunghezza residua di 30 mm. Collegare l&#39;ago a una siringa da 1 ml. Nota: Una punta dell&#39;ago aereo è necessaria al fine di generare un cono Taylor ben definita. </li><li> Caricare l&#39;intero droga filatura (200 pl) nella siringa. Sovrapporre la droga con 100 microlitri di aria, al fine di consentire la soluzione completa da estrudere durante il processo di filatura. Nota: Per evitare l&#39;ostruzione dell&#39;ago, assicurarsi che non vi siano particelle o impurità (aggregati) nella droga filatura. Lavorare sotto cappa aspirante! </li><li> Attaccare la siringa riempita alla pompa siringa del dispositivo electrospinning e premere con cautela il pistone sulla siringa finché una goccia appare sulla punta dell&#39;ago. Bloccare il pistone. </li><li> Impostare la distanzatra la punta dell&#39;ago e il controelettrodo di 8-20 cm. </li><li> Avviare la pompa a siringa e rimuovere il (solito asciugato) gocciolina dall&#39;apertura dell&#39;ago. Attivare tutti gli impianti di sicurezza del dispositivo electrospinning immediatamente e iniziare la sorgente ad alta tensione, non appena compare una nuova goccia. Electrospinning della droga filatura inizierà successivamente. Utilizzare un cronometro per controllare la durata di filatura. Nota: Per evitare l&#39;essiccazione della soluzione e quindi intasamento dell&#39;ago, è necessario avviare immediatamente il processo di filatura dopo aver rimosso la gocciolina essiccata. </li><li> Poiché electrospinning di proteine ​​della seta ricombinanti ragno dipende umidità e temperatura, un adattamento dei parametri di processo verso condizioni di laboratorio individuali potrebbe essere necessario (Figura 2). Nota: per evitare il droplet da essiccazione (Figura 2B) consentire una portata sufficiente. Se c&#39;è un umidificazione bassaty nell&#39;atmosfera circostante, regolare l&#39;umidità relativa o aumentare la portata. Abbassare la tensione finché non si verifica una corretta cono Taylor (Figura 2A). Quando non vi è alcuna soluzione sulla punta (Figura 2C), sollevare la portata e abbassare la tensione finché si verifica una gocciolina. Quindi regolare tensione al fine di stabilire un regolare e stabile Taylor Cone (Figura 2A). </li><li> Dopo 30 sec / 60 sec / 90 sec di spegnere la pompa siringa electrospinning. Al fine di evitare le goccioline che cadono, attendere 10 secondi prima di spegnere l&#39;alta fonte di tensione per rilasciare la pressione residua nella siringa. </li><li> Passaggi 6 a 8 possono essere eseguite su diversi tipi di materiali filtranti, quali poliammide, polipropilene e tessuto non tessuto di poliestere mesh, nonché carta nera per il confronto. </li><li> Per produrre una mesh non tessuto per esperimenti stabilità successive, utilizzare carta nero invece del materiale filtrante ed effettuare i passaggi da 5 a 7. Dopo 5 min di electrospinning, stopil procedimento come descritto nel passaggio 8. </li></ol> 3. Post-trattamento di seta maglie non tessuti <ol><li> Pre-riscaldare un forno a 60 ° C. </li><li> Posizionare i supporti filtranti con eADF4 (C16) le maglie non tessuto in verticale e con una distanza minima di 2 cm in un contenitore di vetro chiuso a chiave. Il contenitore deve avere due aperture che saranno utilizzati per introdurre successivamente etanolo ed acqua. Nota: Nel fissare i materiali filtranti, assicurarsi che l&#39;area necessaria per esperimenti di permeabilità non sia danneggiata dalle pinze. </li><li> Collegare due 60 ml siringhe, uno pieno di etanolo e una con acqua, con tubi silicone puntano sul fondo interno del contenitore di post-trattamento (Figura 3). Nota: Per essere in grado di rimuovere il liquido dal contenitore dopo il trattamento, posizionare le aperture dei tubi il più vicino possibile al fondo. </li><li> Posizionare il contenitore di post-trattamento nel ovit e aggiungere 60 ml di etanolo estrudendo la siringa. Utilizzare un cronometro per controllare la durata del trattamento. </li><li> Dopo 90 min di etanolo trattamento dei vapori, rimuovere l&#39;etanolo con la siringa dal vetro, e aggiungere 60 ml di acqua dalla seconda siringa. </li><li> Attendere altri 90 minuti, quindi rimuovere l&#39;acqua e spegnere il forno. Per evitare goccioline di condensa, lasciare il contenitore nel forno finché non è completamente raffreddato. </li></ol> 4. Analisi di seta di ragno non tessuto mesh <ol><li> Preparare le maglie non tessuti di seta per le prove di stabilità su carta nera o qualsiasi altro supporto rimovibile. Tagliate due cornici di cartone e regolare nastro bi-adesivo. Premere un fotogramma nel mesh non tessuto di seta depositato sulla carta nera e utilizzare un bisturi per tagliare l&#39;eccesso di fibre di seta (mantenere le fibre in eccesso per la successiva SEM-Imaging). Rimuovere attentamente il telaio per staccare il tessuto dalla carta. Ripetere questa operazione con il secondo telaio(Figura 4). </li><li> Prova di tuffo pratiche: Tagliare un pezzo (1 cm 2) di ciascuno, la seta della maglia non tessuto post-trattati e non trattati e immergerlo in acqua deionizzata. La seta maglia non tessuto non trattato immediatamente sciogliere, mentre la maglia non tessuto trattata sarà stabile (figura 5). Dopo l&#39;immersione, essiccare il campione immerso e prepararlo per la SEM imaging. </li><li> Trasformata di Fourier spettroscopia infrarossa (FTIR), la misurazione e la successiva Fourier auto-deconvoluzione (FSD): Al fine di ottenere informazioni circa i cambiamenti strutturali delle proteine ​​della seta su di post-trattamento delle maglie non tessuti, FTIR può essere applicato utilizzando i parametri: Trasmittanza -modalità di scansione da 800 a 4000 cm -1, 60 accumuli sono misurati e la media per ogni spettro, un riferimento è misurato per ogni spettro. Per l&#39;analisi quantitativa dei dati, FSD può essere impiegato (figure 6 e 7). In tal modo, le curve sono ridotte al dati arEA tra 1.590 e 1.705 centimetri -1 e una correzione di base viene eseguita. Dei minimi quadrati locale viene calcolato in base alle posizioni di punta tratti da studi precedenti (1611, 1619, 1624, 1630, 1640, 1650, 1659, 1666, 1680, 1691, 1698 centimetri -1) 22. </li><li> SEM Imaging: SEM può essere applicato per indagare diametri delle fibre e la morfologia delle fibre di seta su diversi substrati filtranti e di analizzare l&#39;influenza del post-trattamento sulla morfologia delle fibre (Figura 8). Utilizzare ingrandimenti di 5.000 x a 25.000 x al fine di ottenere immagini sufficientemente dettagliate. </li></ol> 5. Determinazione della permeabilità all&#39;aria <ol><li> Collocare un adeguato raccordo parte del materiale filtrante sull&#39;area di misurazione di un dispositivo di permeabilità all&#39;aria Akustron. Note :: Se si utilizza un altro tipo di dispositivo di permeabilità all&#39;aria, assicurarsi che soddisfi i requisiti della norma DIN 53 887, DIN 53 120, ISO 9237 e ASTM D 737-96 standard. </li><li>Utilizzare un dispositivo di permeabilità all&#39;aria Akustron (o di qualsiasi altro, come raffigurato in 5.1). Se necessario calcolare i dati normati [l / (m 2 x sec)]. </li><li> Ripetere i passaggi 1 e 2, almeno 10 volte con diverse parti del tuo campione e calcolare la media aritmetica (Figura 9). Nota: Misurazione permeabilità all&#39;aria richiede il contatto del dispositivo e la maglia non tessuto. Così, un&#39;attenta gestione dei campioni è essenziale per impedire la rottura del delicato seta maglia tessuta. </li></ol> 6. Determinazione del filtro Efficienza <ol><li> Utilizzare una macchina con adeguato controllo della pressione e contatore di particelle, come una particella sizer universale (Palas GmbH, Karlsruhe, Germania). </li><li> Porre i campioni del filtro nel dispositivo di misura e di ritenzione di particelle (Figura 10). Aerosol: Di-etil-esil-sebacat (DEHS); dimensioni delle particelle: 0,3-3 micron; durata: 30 sec; velocità del liquido: 2,350 cm / sec; Portata aria: 3.400 m 3 / h. <br/&gt; Nota: maneggiare il campione con cura e non toccare la superficie per evitare la distruzione della maglia di tessuto non tessuto e di evitare ogni inquinamento. Assicurarsi di creare un numero sufficiente di campioni di pari qualità per misure di performance. </li></ol>

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Non abbiamo nulla da rivelare.

Nuovi dispositivi filtranti devono consentire l&#39;abbassamento del consumo complessivo di energia nella filtrazione aria a costanti o superiore efficienza del filtro. Qui, tali dispositivi sono stati creati utilizzando tessuti realizzati in seta di ragno. Grazie alla sua bassa tensione superficiale ed elevata volatilità, HFIP è stato scelto come solvente adatto al processo electrospinning. Inoltre, le soluzioni acquose di seta sono stati testati in esperimenti precedenti, ma non le fibre potrebbero essere generati. Qui, sarebbe fondamentale utilizzare additivi al fine di abbassare la tensione superficiale e quindi migliorare le proprietà di filatura della soluzione. La fase più critica è quello di regolare le condizioni e la concentrazione di materiale utilizzato e solvente della soluzione di filatura, filatura altezza, tensione e velocità di estrusione. Durante la prestazione, per esempio intasamento della punta può essere impedita, fornendo la punta dell&#39;ago con l&#39;umidità sotto forma di vapore acqueo, ma qualsiasi tipo di aggiunte nel setup electrospinning possano successivamente disturbareil processo sensibile e campo elettrico. Parametri di processo essenziali (concentrazione, tensione, distanza, umidità) sono stati determinati individualmente svolgimento serie sperimentale separato (dati non riportati). Prendendo in considerazione tutti i parametri è fondamentale per prendersi cura di un sarto cono continuo e processo di filatura per creare fibre uniformi. L&#39;efficienza del filtro è uno dei parametri più importanti di materiali filtranti. Questo parametro è influenzato principalmente dalla struttura del materiale filtrante. Wovens ereditano dimensioni dei pori uniformi e successivamente coerente permeabilità all&#39;aria. È fondamentale creare omogenee maglie su questi materiali non tessuti template per riempire i pori e generare un filtro zero difetti. L&#39;efficienza del filtro in nostri filtri mostra una dipendenza diretta sulla durata filatura (delle proteine ​​della seta), e, pertanto, il numero di strati di maglie non tessuti. Gli spazi tra le fibre singole sono costantemente riempiti, consentendo il mantenimento of particelle più piccole. In questo lavoro abbiamo presentato un metodo per produrre un materiale filtrante romanzo con seta di ragno maglie non tessuti, mostrando ad alta efficienza filtrante. Pertanto, questi filtri sono candidati promettenti per il futuro utilizzo nei sistemi di filtrazione dell&#39;aria.

Grazie alla loro combinazione di forza ed estensibilità, fibre di seta di ragno in grado di assorbire più energia cinetica della maggior parte delle altre fibre naturali o sintetiche 1. Inoltre, a differenza dei materiali polimerici più sintetici materiali di seta sono atossici e biocompatibili e non causano reazioni allergiche quando incorporato 2,3. Rischi per la salute putativi possono essere evitati utilizzando seta di ragno. Queste caratteristiche fanno di seta di ragno molto attraente per una varietà di applicazioni mediche e tecniche. Dal momento che i ragni non possono essere coltivati ​​a causa del loro comportamento cannibale, metodi biotecnologici sono stati sviluppati per la produzione di proteine ​​della seta di ragno, sia a costi contenuti e in quantità sufficienti 4. La proteina ricombinante seta eADF4 (C16) è stato ingegnerizzato in base alla sequenza naturale di Araneus diadematus fibroina 4 (ADF4). eADF4 (C16) ha un peso molecolare di 48kDa 5 ed è solubile in vari solventi (hexafluoroisopropanol (HFIP) 6, acido formico 7 e tamponi acquosi) 8. eADF4 (C16) può essere trasformato in diverse morfologie come film 9, capsule 8, particelle 10, idrogel 11, 7 rivestimenti, fibre 12 e le maglie non tessuto 6. Grazie alla loro stabilità chimica, che forniscono a elevato potenziale in applicazioni del filtro. Qui vi presentiamo un protocollo per fabbricare dispositivi di filtraggio dell&#39;aria, in particolare una maglia non tessuto di proteine ​​della seta di ragno ricombinanti elettrofilati. Filatura Electrospinning o elettrostatici è una tecnica tipicamente impiegata per produrre fibre di polimeri con diametri nell&#39;intervallo di 10 nm -10 micron 13, e maglie non tessuti sono già stati studiati per applicazioni del filtro 14. In passato, electrospinning è stato applicato con successo per l&#39;elaborazione dei rigenerata 15, nonché ricombinante prodotta 16 seta di ragnoproteine. Tipicamente una tensione elettrica elevata (5-30 kV) è applicato ad una siringa e un controelettrodo (0-20 kV) immessi in una distanza di 8-20 cm. Il forte campo elettrostatico induce forze repulsive all&#39;interno della soluzione carica. Se la tensione superficiale viene superato, un cono Taylor si forma, e un getto sottile scoppia dalla punta 17,18. Dopo la formazione, le instabilità di flessione si verificano all&#39;interno del getto causando ulteriore allungamento come il solvente evapora, e una fibra solida è formata. Infine, la fibra viene depositato in modo casuale sulla controelettrodo come mesh non tessuto 19. Proprietà di fibre come topologia diametro e superficie (liscia, porosa) sono prevalentemente a carico dei parametri di soluzione come la concentrazione, la viscosità, energia libera di superficie e intrinseca conducibilità elettrica del solvente e la permeabilità 20. Electrospinning di eADF4 (C16) disciolto in HFIP risultati in fibre lisce con diametri da 80-1,100 nm a seconda della concentrazione proteica nella soluzione.eADF4 (C16) electrospun da HFIP visualizza una struttura predominantemente α-elica secondaria e le fibre sono solubili in acqua 6. Al fine di stabilizzare le fibre di seta, strutture β-foglio dovrà essere indotta dal successivo trattamento con etanolo. In contrasto con i metodi precedentemente stabiliti post-trattamento 21, in questo studio eADF4 (C16) non tessuti sono stati trattati con vapori di etanolo al fine di preservare la morfologia delle fibre di seta. Analisi della struttura secondaria è stata eseguita usando spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR) e successiva Fourier auto-deconvoluzione (FSD) come descritto in letteratura 22. FSD è uno strumento di elaborazione del segnale che permette di risoluzione spettri FTIR costituito da più bande sovrapposte. In tal modo, le fasce indistinte del largo in mezzo io regione può essere ridotto utilizzando un filtro passa alto per ricevere uno spettro deconvoluto con migliori risoluzioni di punta. Al fine di valutare l&#39;efficiency di substrati filtranti integrate con le maglie non tessuto di seta, prove di permeabilità all&#39;aria sono stati eseguiti utilizzando un dispositivo Akustron secondo protocolli standard. I tassi di deposizione sono stati misurati utilizzando un Palas Particle Sizer universale.

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

Basato sulla sequenza naturale di Araneus diadematus fibroina 4 (ADF4), la proteina ricombinante ragno di seta eADF4 (C16) è stato ingegnerizzato. Questa proteina altamente ripetitivo ha un peso molecolare di 48kDa ed è solubile in solventi diversi (esafluoroisopropanolo (HFIP), acido formico e tamponi acquosi). eADF4 (C16) offre un elevato potenziale per varie applicazioni tecniche quando trasformato in morfologie come film, capsule, particelle, idrogel, rivestimenti, fibre e mesh non tessuti. Grazie alla loro stabilità chimica e morfologia controllata, quest&#39;ultima può essere utilizzata per migliorare i materiali filtranti. In questo protocollo, vi presentiamo una procedura per aumentare l&#39;efficienza dei diversi dispositivi di filtraggio dell&#39;aria, dalla deposizione di maglie non tessuti di proteine ​​della seta di ragno ricombinanti elettrofilati. Electrospinning di eADF4 (C16) disciolto in risultati HFIP in fibre lisce. Variazione della concentrazione proteica (5-25% w / v) risultati in diversi diametri delle fibre (80-1,100 nm) equindi dimensioni dei pori della maglia non tessuto. Post-trattamento di eADF4 (C16) electrospun da HFIP è necessaria poiché la proteina visualizza una struttura predominantemente α-elica secondaria in fibre filate di fresco, e quindi le fibre sono solubili in acqua. Successivo trattamento con vapore di etanolo induce la formazione di resistente all&#39;acqua, strutture β-sheet stabili, conservando la morfologia delle fibre di seta e maglie. Analisi della struttura secondaria è stata effettuata utilizzando la trasformata di Fourier spettroscopia infrarossa (FTIR) e la successiva Fourier auto-deconvoluzione (FSD). L&#39;obiettivo primario è stato quello di migliorare l&#39;efficienza del filtro di substrati filtro esistente con l&#39;aggiunta di strati di tessuto non tessuto di seta sulla parte superiore. Per valutare l&#39;influenza della durata electrospinning e spessore di strato così nontessuto sull&#39;efficienza filtro, abbiamo eseguito prove di permeabilità dell&#39;aria in combinazione con misure di deposizione di particelle. Gli esperimenti sono stati condotti secondo la normaprotocolli.

Electrospinning di soluzioni seta ragno ricombinanti con concentrazioni del 10% w / v di HFIP comportato fibre lisce con diametri da 80 a 120 nm, permettendo la formazione di maglie non tessuti. Post-trattamento con vapori di etanolo non ha portato a cambiamenti morfologici evidenti, che è stato, pertanto, istituito come un modo corretto di seta tessuto post-trattamento (Figura 8). I cambiamenti strutturali sono stati rilevati utilizzando FT-IR e la successiva FSD di mezzo io band è stata effettuata per analizzare i picchi singolo contributo (Figura 6). Si è potuto dimostrare che il post-trattamento porta ad un aumento di strutture β-sheet, mentre il contenuto di und strutture random coil α-elicoidali diminuisce (Figura 7). Questo risultato può essere praticamente dimostrata immergendo un post-trattato non tessuto in acqua (Figura 5). Anche dopo una settimana, si verificherà alcuna dissoluzione della mesh non tessuto. La filatura durazione è il parametro più importante riguardante l&#39;applicazione di tessuti non tessuti di seta in materiali filtranti a causa della caduta di pressione in base alla crescente densità delle fibre elettrofilate. Esteso filatura durate und così un maggior numero di strati in fibra risultato una diminuzione esponenziale di permeabilità all&#39;aria. Questo effetto potrebbe essere rilevata per tutti i diversi materiali di substrato filtro prima e dopo il trattamento (Figura 9). Analogamente, l&#39;efficienza di filtrazione dei materiali filtranti seta contenenti particelle sub-micrometriche aumenta (Figura 10). Anche brevi periodi di filatura (30 sec) guadagnano basse efficienze filtranti superiori durate filatura (90 sec) portano ad una maggiore efficienza. <img alt="Figura 1" fo:content-width="5.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig1.jpg" /> Figura 1. Elevata tensione elettrica (0-30 kV) i<html> s applicato ad una siringa riempita con una soluzione di seta, ed un controelettrodo (0-20 kV) viene posto in una distanza di 8-20 cm. Questa configurazione porta ad un forte campo elettrostatico, inducendo forze repulsive all&#39;interno della soluzione carica. Se la tensione superficiale viene superato, un cono Taylor si forma, e un getto sottile scoppia dalla punta. Dopo la formazione, le instabilità di flessione si verificano all&#39;interno del getto causando ulteriore allungamento come il solvente evapora, e una fibra solida è formata. Infine, la fibra viene depositato in modo casuale sulla controelettrodo nella forma di una maglia non tessuto. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig2.jpg" /> Figura 2. Fotografie di un regolare Taylor cono (A), una gocciolina essiccata (B), e la configurazione senza gocciolina (C). iles/ftp_upload/50492/50492fig3highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50492/50492fig3.jpg &quot;/&gt; Figura 3. Procedura schematica durante vapore post-trattamento. Nella prima fase, la camera è piena di etanolo, e il campione è cotto a vapore a 60 ° C per 90 min. Al fine di ammorbidire le maglie non tessuti per la successiva manipolazione, l&#39;etanolo viene rimosso e le fibre sono cotte a vapore con vapore d&#39;acqua per 90 min a 60 ° C. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/50492/50492fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per ingrandire la figura</a> . <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig4.jpg" /> Figura 4. Fotografia di un telaio di cartone con annessi maglie non tessuti di seta da utilizzare per il post-trattamento. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig5.jpg" /> Figura 5. ElectrospNazioni Unite e successivamente post-trattamento non tessuto in stato secco (A) e sotto l&#39;acqua (B). <img alt="Figura 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig6.jpg" /> Figura 6. Fourier auto-deconvoluto assorbanza spettro di una ammide I banda di un non trattato (A) e un post-trattato (B) seta di ragno non tessuto mesh. La linea continua mostra la banda di assorbanza risultante dai picchi di singolo contributo (linee tratteggiate) come derivata dopo deconvoluzione. L&#39;assegnazione delle rispettive curve si è basata su valori precedentemente pubblicati dalla letteratura 22. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/50492/50492fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per ingrandire la figura</a> . <img alt="Figura 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; Figura 7. Contenuto di struttura secondaria di maglie non tessuti non trattati e post-trattato eADF4 (C16). <img alt="Figura 8" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig8.jpg" /> Figura 8. Immagini SEM di electrospun eADF4 (C16)-fibre su diversi substrati di filtro: poliammide (PA), poliestere (PE), polipropilene (PP) e puro eADF4 (C16) le fibre prima (S1) e dopo (S2) post- trattamento con il vapore di etanolo. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/50492/50492fig8large.jpg" target="_blank">Clicca qui per ingrandire la figura</a> . / Ftp_upload/50492/50492fig9.jpg &quot;/&gt; Figura 9. Prove di permeabilità dell&#39;aria, prima (A) e dopo il trattamento (B) della seta maglie non tessuto con vapore di etanolo, aumentando i tempi di filatura portano a più strati non tessuti abbassando successivamente la permeabilità all&#39;aria. <img alt="Figura 10" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50492/50492fig10highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50492/50492fig10.jpg" /> Figura 10. Efficienza di aerosol di-etil-esil-sebacat su elettrofilati seta di ragno maglie non tessuto di poliammide materiali filtranti a diverse durate spinning, che influiscono sulla quantità strato di seta, dopo il trattamento con etanolo.

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

Fibre di seta di ragno mostrano straordinarie proprietà meccaniche. Engineered<em&gt; Araneus diadematus</em&gt; Fibroina 4 (eADF4) può essere trasformato in mesh non tessuti utilizzando electrospinning. Qui, i eADF4 maglie non tessuti sono utilizzati per migliorare le prestazioni dei dispositivi di filtraggio dell&#39;aria.

Filtro aria dispositivi tra cui maglie non tessuti di elettrofilate ricombinanti Spider Proteine ​​della Seta

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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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

16.1K Views.  University of Bayreuth. Fibre di seta di ragno mostrano straordinarie proprietà meccaniche. Engineered Araneus diadematus Fibroina 4 (eADF4) può essere trasformato in mesh non tessuti utilizzando electrospinning. Qui, i eADF4 maglie non tessuti sono utilizzati per migliorare le prestazioni dei dispositivi di filtraggio dell'aria.

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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.

Elaborazione Postproduzione di fibre elettrofilate per l&#39;ingegneria tissutale

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

Ricerca

Bioingegneria

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.

Sintetico di produzione Spider Silk su scala di laboratorio

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.

Biosensori per il rilevamento di antibiotici batteri di stafilococco resistenti

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.

Progettazione di materiali in lega di proteine ​​della seta-seta per le applicazioni biomediche

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

For tissue engineering applications, the preparation of biodegradable and biocompatible scaffolds is the most desirable but challenging task. &#160;Among the various fabrication methods, electrospinning is the most attractive one due to its simplicity and versatility. Additionally, electrospun nanofibers mimic the size of natural extracellular matrix ensuring additional support for cell survival and growth. This study showed the viability of the fabrication of long fibers spanning a larger deposit area for a novel biodegradable and biocompatible polymer named&#160;poly(glycerol-dodecanoate) (PGD)1 by using a newly designed collector for electrospinning. PGD exhibits unique elastic properties with similar mechanical properties to nerve tissues, thus it is suitable for neural tissue engineering applications. The synthesis and fabrication set-up for making fibrous scaffolding materials was simple, highly reproducible, and inexpensive. In biocompatibility testing, cells derived from mouse embryonic stem cells could adhere to and grow on the electrospun PGD fibers. In summary, this protocol provided a versatile fabrication method for making PGD electrospun fibers to support the growth of mouse embryonic stem cell derived neural lineage cells.

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

Synthesis and fabrication of electrospun long fibers spanning a larger deposit area via a newly designed collector from a novel biodegradable polymer named poly(glycerol-dodecanoate) (PGD) was reported. The fibers were able to support the growth of cells derived from mouse pluripotent stem cells.

Elettrofilate Fibrosa Ponteggi di Poli (glicerolo-dodecanedioate) per l&#39;ingegneria neurale tessuti da cellule staminali embrionali di topo

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

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.

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.

Ottimizzare Allegato di cellule staminali mesenchimali umane su Poli (ε-caprolattone) elettrofilate Filati

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.

Elettrofilate nanofibre Ponteggi con gradazioni Organizzazione Fiber

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.

A base di seta-collagene Engineered Modello 3D del tessuto neurale polarizzata

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.

Fabbricazione di dispositivi analitici cotone

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 ...

High-throughput Identification of Bacteria Repellent Polymers for Medical Devices

Medical devices are often associated with hospital-acquired infections, which place enormous strain on patients and the healthcare system as well as contributing to antimicrobial resistance. One possible avenue for the reduction of device-associated infections is the identification of bacteria-repellent polymer coatings for these devices, which would prevent bacterial binding at the initial attachment step. A method for the identification of such repellent polymers, based on the parallel screening of hundreds of polymers using a microarray, is described here. This high-throughput method resulted in the identification of a range of promising polymers that resisted binding of various clinically relevant bacterial species individually and also as multi-species communities. One polymer, PA13 (poly(methylmethacrylate-co-dimethylacrylamide)), demonstrated significant reduction in attachment of a number of hospital isolates when coated onto two commercially available central venous catheters. The method described could be applied to identify polymers for a wide range of applications in which modification of bacterial attachment is important.

A high-throughput microarray method for the identification of polymers which reduce bacterial surface binding on medical devices is described.

High-throughput identificazione di batteri Polimeri repellente per dispositivi medici

Medical devices are often associated with hospital-acquired infections, which place enormous strain on patients and the healthcare system as well as ...

Filtro aria dispositivi tra cui maglie non tessuti di elettrofilate ricombinanti Spider Proteine della Seta

Riepilogo

Esplora Altri Video

Capitoli in questo video

Elaborazione Postproduzione di fibre elettrofilate per l'ingegneria tissutale

Sintetico di produzione Spider Silk su scala di laboratorio

Biosensori per il rilevamento di antibiotici batteri di stafilococco resistenti

Progettazione di materiali in lega di proteine della seta-seta per le applicazioni biomediche

Elettrofilate Fibrosa Ponteggi di Poli (glicerolo-dodecanedioate) per l'ingegneria neurale tessuti da cellule staminali embrionali di topo

Ottimizzare Allegato di cellule staminali mesenchimali umane su Poli (ε-caprolattone) elettrofilate Filati

Elettrofilate nanofibre Ponteggi con gradazioni Organizzazione Fiber

A base di seta-collagene Engineered Modello 3D del tessuto neurale polarizzata

Fabbricazione di dispositivi analitici cotone

High-throughput identificazione di batteri Polimeri repellente per dispositivi medici

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