Mengoksidasi dan Mendispersi Nano Serat Sutera Alami

Hasil dan Diskusi

Oksidasi dan Isolasi Serat Nano Sutra

Gambar 1a menyajikan strategi untuk mengisolasi serat nano dari bahan serat sutra. Kami pertama-tama menggunakan proses pra-perlakuan untuk membongkar serat sutra ini dengan memperlakukannya dengan asam format (tidak ada reaksi kimia yang terjadi antara asam amino atau gugus hidroksil dengan asam format seperti yang ditunjukkan dalam spektrum Raman dalam file tambahan 1:Gbr. S1 dan diskusi yang relevan tentang Tambahan mengajukan). Perlakuan awal ini membongkar serat sutra menjadi struktur serat mikro dengan lebar 5–20 μm (Gbr. 1a). Kemudian, natrium hipoklorit (NaClO) digunakan untuk mengoksidasi/melarutkan sebagian (mendegradasi) serat sutra yang dibongkar. Natrium hidroksida (NaOH) terus ditambahkan ke dalam campuran untuk menjaga pH pada 10, sesuai dengan kondisi oksidasi polisakarida yang dimediasi TEMPO (2, 2, 6, 6-tetramethylpiperidine-1-oxy-radical) dengan menggunakan TEMPO /NaClO/NaBr, sedangkan dalam hal ini TEMPO dan NaBr tidak lagi diperlukan untuk oksidasi serat sutra karena terbatasnya asam amino reaktif pada sekuens fibroin sutra. Serat sutra awal memiliki konsentrasi karboksil ~ 0.3 mM/g protein, yang dikaitkan dengan asam aspartat dan glutamat dalam urutan molekuler [27]. Setelah itu, kandungan karboksil sutra teroksidasi meningkat kira-kira secara linier mengikuti penambahan NaClO, karena oksidasi gugus hidroksimetil pada residu serin. Ketika penambahan NaClO mencapai 20 mM/g protein, konsentrasi akhir karboksil sutra teroksidasi adalah 0,889 dan 1,013 mM/g protein untuk BS dan AS, masing-masing (Gbr. 1b, c). Namun, kelebihan jumlah NaClO mungkin telah menurunkan serat sutra [28]. Misalnya, fraksi BS dan AS yang tidak larut dalam air masing-masing adalah 58,52 dan 69,30 wt, pada penambahan NaClO sebesar 20 mM/g protein. Penurunan berat fraksi yang tidak larut dalam air setelah oksidasi menunjukkan bahwa penambahan NaClO dari 10 mM/g protein dapat diterima (lebih dari 75% protein yang tersisa), sehubungan dengan degradasi terbatas selama oksidasi. Oleh karena itu, kami menggunakan 10 mM NaClO per gram protein untuk mengoksidasi serat BS dan AS, di mana kandungan karboksilat masing-masing adalah 0,724 dan 0,837 mg/g protein untuk BS dan AS.

Diagram proses SN dan kandungan karboksil BS dan AS. a Skema oksidasi dan dispersi serat sutra menjadi serat nano sutra (SN). b Kandungan gugus karboksil dan berat sisa fraksi tidak larut air setelah oksidasi Bombyx mori (BS) sesuai dengan penambahan natrium hipoklorit (NaClO). Kandungan karboksil meningkat dari 0,293 menjadi 0,889 mM/g BS (penambahan NaClO adalah 20 mM/g protein) dengan sisa protein 58,52 wt%. c Untuk Antheraea pernyi sutra (AS). Kandungan karboksil meningkat dari 0,347 menjadi 1,013 mM/g AS (penambahan NaClO adalah 20 mM/g protein) dengan 69,30 wt% protein tersisa

Akhirnya, nanofibers dicapai setelah memperlakukan fraksi yang tidak larut dalam air dengan homogenizer ultrasonik (Gbr. 2). Pengamatan mikroskop elektron pemindaian mengungkapkan bahwa oksidasi melonggarkan sutra pada tingkat mikro, membentuk serat dengan diameter beberapa mikron, dan perlakuan sonikasi selanjutnya menyebarkannya menjadi serat nano dengan diameter 105 ± 27 nm (Gbr. 2c). Dibandingkan dengan proses lain [24], yang sebagian besar mengelupas lapisan permukaan serat sutra, hasil akhir ~ 50% berdasarkan sutra teroksidasi diperoleh untuk serat nano karena gaya tolak elektrostatik dalam sutra teroksidasi. Strategi serupa juga diterapkan pada serat AS. Diameter serat nano AS yang dihasilkan adalah 112 ± 33 nm, dan panjang kontur lebih dari 1 μm (Gbr. 2f).

Pengamatan SEM representatif dari serat sutra yang dihasilkan pada setiap proses. a Serat BS yang dibongkar setelah perlakuan awal asam format, b serat BS teroksidasi, dan c nanofiber BS dengan diameter 105 ± 27 nm. d Serat AS yang dibongkar setelah perlakuan awal asam format, e serat AS teroksidasi, dan f nanofibers AS dengan diameter 112 ± 33 nm. Panjang kontur serat nano BS dan AS lebih dari 1 μm

Kristalinitas Serat Sutra

Molekul protein sutra bertindak sebagai polimer hidrofilik-hidrofobik-hidrofilik, yang terlipat menjadi misel berukuran tidak teratur selama pembentukan manik-manik hidrofilik (daerah amorf) memanjang keluar dari inti hidrofobik (daerah kristalin) [17]. SN dirakit karena adhesi daerah luar antara misel. Namun, disarankan bahwa oksidasi NaClO dari serat sutra mengusulkan adhesi yang lemah antara struktur nano mereka [25]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a dan b, setelah oksidasi, pola difraksi sinar-X (XRD) serat BS teroksidasi serupa dengan pola aslinya, serta pola XRD serat AS teroksidasi. Dengan demikian, serat sutra teroksidasi tetap menjadi blok pembangun nano alami mereka, yaitu struktur -sheet dalam serat sutra. Di sisi lain, dekonvolusi pola XRD ini (Gbr. 3c, d) menunjukkan perubahan kristalinitas yang signifikan pada serat BS dan AS setelah oksidasi, di mana rinciannya tercantum pada Tabel 1. Meskipun oksidasi terutama terjadi pada residu serin dari protein sutra, ada beberapa gugus amino di daerah amorf yang dapat diserang oleh NaClO [29]. Oleh karena itu, dapat dimengerti bahwa kristalinitas serat BS teroksidasi pada Tabel 1 meningkat dari 24,8% (BS yang dibongkar) menjadi 41,3% (dengan penambahan 10 mM/g protein NaClO), diikuti dengan peningkatan kandungan karboksil. Kecenderungan serupa juga disajikan dalam kasus serat AS teroksidasi, di mana kristalinitas serat AS ini meningkat dari 22,9 menjadi 39,2%. Hasilnya menunjukkan bahwa, selain gaya tolakan elektrostatik, penghancuran daerah amorf dalam protein sutra juga merupakan faktor penting dalam mendispersikan SN. Kristalinitas serat sutra teroksidasi (baik BS dan AS) diikuti oleh peningkatan kandungan karboksil ketika penambahan NaClO < 10 mM/g protein. Degradasi daerah amorf terjadi sebelum inti mengkristal dari protein sutra. Namun, kelebihan jumlah NaClO (20 mM/g protein) dapat menurunkan sutra. Fenomena ini sesuai dengan hasil yang kami ungkapkan pada Gambar. 1b dan c.

Analisis XRD dari serat sutra teroksidasi. Pola difraksi sinar-X (XRD) a BS dan b AS yang teroksidasi dengan berbagai penambahan NaClO. Dekonvolusi representatif dan hasil c BS dan d SEBAGAI bahan

Kinerja Serat Nano Sutra

Morfologi serat nano BS dan AS teroksidasi yang diperoleh dengan ultrasonikasi serat sutra teroksidasi 10 mM NaClO ditunjukkan pada Gambar. 4a dan b. Serat nano BS dan AS memiliki rasio aspek yang serupa (dihitung oleh perangkat lunak ImageJ), di mana rata-rata 16,92 untuk serat nano BS dan 19,12 untuk serat nano AS, masing-masing. Sebagai perbandingan, serat nano selulosa (CNs) dan serat nano kitin (ChNs) yang dibuat menggunakan oksidasi yang dimediasi TEMPO ditunjukkan pada Gambar. 4c dan d. Untuk lebih mengkarakterisasi SN ini, membran setebal 50 m dicetak dengan menggunakan metode penguapan pelarut. Membran sutra yang transparan secara optik (di atas 75% transmisi) dievaluasi menggunakan spektrofotometer UV-Vis (dari 350 hingga 800 nm) (Gbr. 4e).

Pengujian morfologi dan sifat SNs, CNs, dan ChNs. Transmisi mikroskop elektron (TEM) pengamatan resultan a BS dan b Nanofiber AS yang dioksidasi dengan penambahan 10 mM/g protein NaClO, c serat nano selulosa (CN), dan d kitin nanofibers (ChNs) yang diperoleh melalui oksidasi yang dimediasi TEMPO. Bilah skala adalah 500 nm. e Transmisi UV-Vis pada membran setebal 50 m yang dicetak oleh serat nano BS, AS, selulosa (CN), dan kitin (ChN). f Kurva tegangan-regangan representatif dari membran setebal 50 m yang dicetak oleh serat nano BS, AS, CN, dan ChN. g Modulus Young membran yang dicetak dari serat nano BS, AS, CN, dan ChN. Data mewakili SD rata-rata (n = 5). h –k Sudut kontak air membran yang dicetak oleh f Serat nano BS adalah 58,8 ± 1,5°, berkurang secara signifikan dari membran BS yang diregenerasi (71,0 ± 0,3°, gambar sisipan). 55,7 ± 0,5, 40,3 ± 1,1, dan 52,5 ± 0,6° sudut kontak air masing-masing disajikan dalam membran AS, CN, dan ChN

Serat nano yang diperoleh dari metode perampingan ini mempertahankan struktur kristal yang tinggi dan rasio aspek yang tinggi. Akibatnya, membran ini menunjukkan sifat mekanik yang kuat (Gbr. 4g) dengan modulus Young 4,51 ± 0,71 dan 4,43 ± 0,23 GPa untuk BS dan AS, yang sebanding dengan membran CN dan ChN (regangan representatif dan kurva tegangan diberikan pada Gambar. 4f). Selanjutnya, sifat pembasahan membran BS meningkat secara signifikan dalam membran yang diregenerasi karena pengenalan gugus karboksil. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4h, sudut kontak air dari membran pengecoran serat nano BS adalah 58,8 ± 1,5°, sedangkan membran BS yang diregenerasi (gambar sisipan pada Gambar 4h) adalah 71,0 ± 0,3°. Selain itu, sudut kontak air 55,7 ± 0,5, 40,3 ± 1, dan 52,5 ± 0,6° disajikan dalam membran AS (Gbr. 4i), CN (Gbr. 4j), dan ChN (Gbr. 4k).

Baik CN dan ChN dan perangkat sutra telah diterapkan secara luas dalam ilmu material selama beberapa dekade [13, 30, 31], karena ketahanan mekanis yang serupa, plastisitas pemrosesan dan sifat biokimia, dll. Tentu saja, perbedaan intrinsik ada pada polisakarida ini dan bahan berbasis protein. Oleh karena itu kami bertanya-tanya bagaimana perbedaan mereka mengatur pembentukan nanofiber. Dispersi BS dan AS yang terdispersi dengan baik memiliki potensi zeta masing-masing 39.5 ± 0.66 dan 37.4 ± 2.4 mV, dalam kondisi netral. Tolakan elektrostatik antara gugus karboksil berlawanan dengan adhesi antara antarmuka mikro/nano-fibril sutra; dengan demikian, nanofibers ini tersebar dalam fase air secara homogen. Menariknya, ketika pH menurun, H ⁺ melindungi permukaan bermuatan negatif yang mengarah ke agregasi nanofibers, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a dan b. Agregat SN dapat didispersikan kembali dalam air dengan mengatur pH>-7, atau dapat dengan mudah dikumpulkan setelah sentrifugasi dan kemudian didispersikan kembali dengan sedikit pengadukan. Bagan bawah pada Gambar 5 menunjukkan sisa berat agregat SN yang dikumpulkan dalam kondisi pH yang berbeda. Untuk BS, 80,1 ± 1.7 dan 90.9 ± 2.2 wt% (85,7 ± 2.2 dan 93.6 ± 1.5 wt% untuk AS) dari agregat diperoleh masing-masing pada pH 5 dan 3. Sementara itu, proses ini mengkonsentrasikan SN sekitar 100 kali (~ 20 wt%) dibandingkan dengan dispersi awal, dengan konsentrasi ~ 0.2 wt%. Sifat menarik dari SN ini dikaitkan dengan (i) respons pH intrinsik dari bahan berbasis protein dan (ii) fleksibilitas SN materi lunak selama proses agregasi dan dispersi ulang. Fenomena agregasi-redispersi menyarankan aplikasi yang menjanjikan dari SN ini sebagai pembawa pemuatan dan pelepasan obat. Selain itu, tidak ada perselisihan bahwa SN yang dihasilkan sesuai untuk penyimpanan dan transportasi.

Proses dispersi ulang SN. Fotografi fenomena respons pH untuk a BS dan b SEBAGAI nanofiber. Lebih dari 80 wt% protein (baik BS dan AS) tersisa setelah sentrifugasi, dengan kandungan protein ~ 20 wt%