eng
Выпуск #1/2025
Е.В.Панфилова, К.В.Мозер, А.А.Мальцев
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФИБРОИНА ШЕЛКА И СТРУКТУР НА ЕГО ОСНОВЕ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ НОСИМОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФИБРОИНА ШЕЛКА И СТРУКТУР НА ЕГО ОСНОВЕ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ НОСИМОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Просмотры: 1227
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.1.16.29
Биополимер фиброин шелка является одним из перспективных материалов органической электроники. Для него характерна оптическая прозрачность, достаточная для белков термическая стабильность, биосовместимость и высокая прочность на разрыв. Структуры на основе фиброина шелка могут быть использованы для изготовления сенсорных элементов носимой электроники. Их свойства определяются конформацией белковой структуры, которая зависит от методов и режимов формирования регенерированного фиброина из его нативной формы. В данном проекте разработан процесс формирования раствора, пленок фиброина шелка и фотонно-кристаллических структур на их основе.
Биополимер фиброин шелка является одним из перспективных материалов органической электроники. Для него характерна оптическая прозрачность, достаточная для белков термическая стабильность, биосовместимость и высокая прочность на разрыв. Структуры на основе фиброина шелка могут быть использованы для изготовления сенсорных элементов носимой электроники. Их свойства определяются конформацией белковой структуры, которая зависит от методов и режимов формирования регенерированного фиброина из его нативной формы. В данном проекте разработан процесс формирования раствора, пленок фиброина шелка и фотонно-кристаллических структур на их основе.
Теги: biopolymers fibroin photonic crystal structures protein structures silk белковые структуры биополимеры фиброин фотонно-кристаллические структуры шелк
Получено: 16.01.2025 г. | Принято: 26.01.2025 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.1.16.29
Научная статья
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФИБРОИНА ШЕЛКА И СТРУКТУР НА ЕГО ОСНОВЕ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ НОСИМОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Е.В.Панфилова1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0001-7944-2765 / panfilova.e.v@bmstu.ru
К.В.Мозер1, асс., ORCID: 0009-0002-1681-7966
А.А.Мальцев2, науч. сотр., ORCID: 0000-0002-5378-174X
Аннотация. Биополимер фиброин шелка является одним из перспективных материалов органической электроники. Для него характерна оптическая прозрачность, достаточная для белков термическая стабильность, биосовместимость и высокая прочность на разрыв. Структуры на основе фиброина шелка могут быть использованы для изготовления сенсорных элементов носимой электроники. Их свойства определяются конформацией белковой структуры, которая зависит от методов и режимов формирования регенерированного фиброина из его нативной формы. В данном проекте разработан процесс формирования раствора, пленок фиброина шелка и фотонно-кристаллических структур на их основе.
Ключевые слова: биополимеры, фиброин, шелк, белковые структуры, фотонно-кристаллические структуры
Для цитирования: Е.В. Панфилова, К.В. Мозер, А.А. Мальцев. Технология получения фиброина шелка и структур на его основе для изделий носимой электроники. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 1. С. 16–29. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.1.16.29.
Received: 16.01.2025 | Accepted: 26.01.2025 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.1.16.29
Original paper
TECHNOLOGY FOR PRODUCING SILK FIBROIN AND STRUCTURES BASED ON IT FOR WEARABLE ELECTRONICS PRODUCTS
E.V.Panfilova1, Cand. of Sci. (Tech), Docent, ORCID: 0000-0001-7944-2765 / panfilova.e.v@bmstu.ru
K.V.Mozer1, Assistant, ORCID: 0000-0001-9689-1837
A.A.Maltsev2, Researcher, ORCID: 0000-0002-5378-174X
Abstract. Silk fibroin biopolymer is one of the promising materials for organic electronics. It is characterized by optical transparency, thermal stability sufficient for proteins, biocompatibility and high tensile strength. Silk fibroin-based structures can be used to manufacture sensor elements of wearable electronics. Their properties are determined by the conformation of the protein structure, which depends on the methods and modes of formation of regenerated fibroin from its native form. In this project, a process for the formation of silk fibroin solution, films and photonic crystal structures based on them was developed.
Keywords: biopolymers, fibroin, silk, protein structures, photonic crystal structures
For citation: E.V. Panfilova, K.V. Mozer, A.A. Maltsev. Technology for producing silk fibroin and structures based on it for wearable electronics products. NANOINDUSTRY. 2025. Vol. 18. No. 1. PP. 16–29. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.1.16.29.
ВВЕДЕНИЕ
Носимая гибкая электроника – это активно развивающееся направление электроники [1]. Отличительной особенностью ее можно назвать малые габариты устройств, их гибкость и легкость, а также использование органических материалов как в качестве материала подложки, так и в качестве функциональных слоев. В связи с этим носимые электронные устройства могут применяться для измерения параметров человеческого тела, таких как температура, химический анализ биологических жидкостей, давление, пульс. Спрос на данный вид электронных устройств постоянно растет [2], что накладывает требования к их производству и утилизации для сокращения отходов и снижения вреда, вносимого в окружающую среду. Функциональные структуры должны быть биосовместимыми, механически прочными, экологичными в производстве и легко утилизируемыми.
Этим требованиям отвечают биополимеры, в частности фиброин шелка. Фиброин – это фибриллярный белок. Чаще всего его получают из коконов тутового шелкопряда Bombyx mori (рис.1) путем очистки коконов от склеивающего волокна белка серицина.
Натуральный шелк в промышленных масштабах производят, как правило, для текстильной промышленности, однако он интересен и для производства медицинской носимой электроники. Фиброин состоит из двух цепей – тяжелой (350–370 кДа) и легкой (25 кДа). Тяжелая на 90% состоит из гиброфобных аминокислотных остатков (Gly ∼43–46%, Ala ∼25–30%, Ser ∼12%) [3] (рис.2). Рыхлые области фиброина состоят, в основном, из полярных аминокислотных остатков [4].
Материал обладает уникальными свойствами, которые могут быть различными для трех основных видов конформаций: α-спирали, β-складки и рандомные витки и повороты. В нативном состоянии 50–60% фиброина состоит из β-фазы [5], которая характеризует кристаллические области полимера и определяет его прочность и жесткость. Спирали (α-конформация – аморфная пептидная цепь) обеспечивают эластичность шелка. Волокна фиброина обладают прочностью на разрыв 610–690 МПа, модулем упругости 15–17 ГПа [6].
Этот белок термостабилен: температура его денатурации выше 127 °С. Пленки из регенерированного фиброина оптически прозрачны: обладают 90–95% пропускания видимого спектра излучения, коэффициент преломления в видимом спектре nф = 1,54 [7]. Фиброин обладает биосовместимостью и биоразлагаемостью [8]. Наличие в фиброине активных функциональных участков, таких как первичная аминогруппа, облегчает включение в него различных проводящих элементов, таких как проводящие полимеры, наполнители на основе углерода и металлические интерфейсы [9]. Таким образом, фиброин, являющийся по своей природе изолятором, может быть наделен электропроводящими свойствами. Помимо этого, воздействуя на полярные группы макромолекул фиброина посредством внешних стимулов, таких как водяной пар, метиловый/этиловый спирт, температура, ультразвук, pH, УФ-излучение, можно изменять и контролировать белковую структуру [10].
В электронных устройствах фиброин может использоваться в различных формах: гидрогели, нановолокна, пленки, частицы, губки [11] (рис.3). В [12] рассматривается применение гидрогеля на основе фиброина, поливинилового спирта и буры для изготовления искусственной кожи и трибоэлектрических генераторов. Добавление шелка в гидрогели поливинилового спирта улучшило их стабильность, а также значительно увеличило влагопоглощение.
Варианты использования фиброина шелка в качестве функционального материала разнообразны и многочисленны. В [13] представлен вариант применения фиброина в качестве оптического волновода на полимерной подложке CR-39. Полученный фиброиновый волновод обладал прозрачностью 85% в области видимого света и низкими оптическими потерями, как в области видимого спектра, так и в ИК-области.
Для химического анализа биологических жидкостей необходима высокая чувствительность к биомаркерам. В [14] предложен электрохимический датчик на основе углеродной ткани и легированного азотом шелка (SilkNCT). По сравнению с обычными электродными материалами, SilkNCT демонстрирует внутреннюю иерархическую и пористую сетчатую тканую структуру, что обеспечивает хороший контакт с реагентами и эффективный перенос электронов. В [15] описан датчик влажности на основе фиброина. В [16] показано, что изменчивость пленок фиброина под воздействием внешних факторов может быть использована в устройствах кодирования информации.
В связи с биосовместимостью и биодеградацией фиброина шелка активно исследуется направление, связанное с применением и созданием на его основе "умных" сенсорных структур, например, для измерения внутриглазного давления или анализа состава биологической жидкости. Пропитка коллоидного фотонного кристалла раствором фиброина и последующее получение инверсной фотонно-кристаллической структуры расширяет возможности регулировки фотонной запрещенной зоны при изменении влажности, давления [17] и силы механического воздействия. В [18] мы проанализировали спектрофотометрический метод измерения продольной деформации гибкой фотонно-кристаллической структуры фиброина шелка (рис.4). Показано, что приемлемые значения неопределенности таких измерений (менее 10%) открывают перспективы их использования в электронике и медицине.
В представляемом проекте отработана технология получения раствора фиброина шелка и его твердой фазы с преобладанием β-конформации, а также показана возможность формирования белковой фотонно-кристаллической структуры.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Процесс получения водного раствора фиброина состоит из этапов подготовки коконов, дегуммирования с последующей промывкой и сушкой, растворения, диализа, центрифугирования и фильтрации для удаления нерастворенного осадка (рис.5). Выбор способов и режимов их реализации в лабораторных условиях осуществлялся на основе анализа информации из литературных источников и исследования природы процессов.
Этап дегуммирования необходим для очистки коконов от серицина. Процесс может быть реализован физическими, химическими, физико-химическими и биологическими методами [19]. В процессе дегуммирования важно не только удалить склеивающий волокна белок, но и не разрушить длинные цепи фиброина. Дегуммирование приводит к деградации тяжелой цепи фиброина от молекулярной массы 350–390 кДа до широкого распределения масс от средней молекулярной массы около 150 кДа до небольших фрагментов 40–50 кДа [20], что в дальнейшем влияет на механические свойства получаемых структур и материалов. Наиболее распространенным методом является очистка коконов в щелочной или нейтральной среде при повышенной температуре. В качестве среды может выступать кальцинированная сода (Na2CO3), хозяйственное или нейтральное мыло.
Поскольку фиброин на 3/4 состоит из неполярных гидрофобных аминокислот, он является устойчивым к большинству растворителей. Для растворения фиброина необходимо разрушить сильные водородные связи, тем самым, переведя его из гидрофобной β-структуры в гидрофильную α-структуру. Чтобы разорвать водородные связи между макромолекулами, ионы растворителя должны провзаимодействовать с полярными и заряженными группами боковых цепей фиброина. Для этого необходимо подобрать такой растворитель, который сможет эффективно проникнуть в молекулу белка. В табл.1 представлены использующиеся на практике для растворения фиброина жидкости.
Основным недостатком солесодержащих водных, водно-органических и органических растворов фиброина является длительное время приготовления: фиброин необходимо предварительно активировать посредством солевого раствора, после получения растворы необходимо диализировать для удаления растворителей, немалые временные затраты также требуются для регенерации растворителей с целью их повторного использования [4]. При применении ионных жидкостей растворимость фиброина зависит в большей степени от природы аниона. Ионы, имеющие большую способность к образованию водородных связей, растворяют фиброин лучшим образом. Недостатком данных растворителей является их свойство сорбировать воду из атмосферы, что негативно сказывается на процессе [28].
Этап диализа необходим для удаления соли в случае использования водного или водно-органического растворителя. В качестве мембраны обычно используется целлюлозный диализный мешок с диаметром пор 12–14 кДа. В качестве буферного раствора выступает дистиллированная или бидистиллированная вода.
Пленки на основе фиброина получают методами капельного литья на подложку, центрифугирования и методами печати [32]. Белковая молекула фиброина склонна к процессу самоорганизации и может быть подвергнута управляемой функционализации в пленке [33]. На рис. 6 показаны внешние воздействия, как стимулирующие рост кристаллической фазы (водяной пар, температура и др.), так и разрушающие длинные цепи фиброина (УФ).
При повышении температуры выше 40 °C уменьшается стабильность многих полипептидов, что приводит к разворачиванию свернутых глобул или спиралей молекул. Для макромолекулы фиброина характерно увеличение конформационной подвижности и дестабилизации спиральной конформации при повышении температуры. В результате данного процесса активные группы компенсируют свой потенциал к образованию H-связей, взаимодействуя с соседними молекулами. Таким образом внутримолекулярные связи переключаются на межмолекулярные и гидрофобные группы, складываются в β-структуру, которая является более энергетически выгодной [5]. Для температур чуть выше области стеклования скорость роста кристаллов имеет тенденцию быть низкой, и их конечная стабильная кристалличность в состоянии равновесия также мала. При переходе в область более высоких температур кинетика роста кристаллов изменяется, и более высокая степень кристалличности может быть достигнута за более короткое время [34]. При обработке спиртами (метанолом, этанолом) изменение конформации обусловлено особенностью строения полипептида – двойной характер связи C–N в фиброине жестко ограничивает вращение вокруг нее. Взаимодействие ионов или полярных молекул с группами CO или NH способствует переносу электронной плотности, уменьшению силы двойной связи и увеличению подвижности [5].
С ростом кристалличности снижается гибкость пленки. Повышения пластичности можно достичь обработкой паром, а также добавляя в пленку пластификаторы. При обработке водяным паром молекулы воды проникают в сеть макромолекул и пластифицируют систему.
Главным результатом введения как водяного пара, так и пластификатора является понижение температуры стеклования (Тс). С увеличением содержания пластификатора температура стеклования равномерно снижается до некоторого значения концентрации пластификатора в полимере. В присутствии пластификатора полимер сохраняет высокоэластичные свойства при более низкой температуре [35]. В качестве пластификатора фиброина может выступать глицерин, хлорид кальция, глюкоза (декстроза). В табл.2 представлены механические характеристики пластифицированных пленок фиброина в зависимости от пластификатора и его содержания в пленке.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Получение раствора фиброина шелка в лабораторных условиях осуществлялось в несколько этапов (рис.7). Для перевода белка из нативного состояния с β-конфирмациями в водорастворимое в качестве среды, способной проникнуть в структуру и разрушить ее до α-спирального состояния, использовался трехкомпонентный раствор хлорида кальция, этилового спирта и воды с мольным соотношением 1 : 2 : 8.
С целью отработки технологии формирования однородных твердофазных структур с β-конформацией капельным методом было сформировано семь пленочных образцов фиброина. Особенности процесса их получения описаны в табл.3. Рост складок контролировался качественно по углу смачивания и количественно методом ИК-спектрометрии по полосам амида I, отвечающего за вторичную структуру белка.
Соотношение α- и β-конформаций в структурах оценивалось по соотношению площадей соответствующих пиков (рис.8). Исследования показали, что белок представлен преимущественно структурой β-листа, соотношение конформаций для испытанных образцов принимает значения от 0,17 до 0,57. Образец № 2 имеет наиболее упорядоченную структуру (содержание неупорядоченной части пленки равно 0,11), возникшую по причине сильных межцепочечных взаимодействий, о чем свидетельствует смещение основных полос в область более низких волновых чисел. И у него же обнаружено одно из самых высоких содержаний β-конформаций – 0,73. Этот образец был подвергнут нагреву при 40 оС в присутствии водяного пара и после высыхания дополнительно вытягивался над водяной баней для ориентации кристаллитов вдоль пленки. Образец № 7, напротив, характеризует высокое содержание a-спиралей, что указывает на большую пластичность пленки, возникшую как следствие взаимодействия Ca2 ⁺ с белком.
Внедрение раствора фиброина в трехмерные коллоидные фотонные кристаллы, получаемые описанным в [40] образом, осуществлялось методом пропитки с последующей сушкой при температуре 55 °С и обработкой этиловым спиртом в течение 1 ч. В результате были получены структуры с отчетливо визуализируемой ФЗЗ (рис.9). Заполнение межсферических пустот фотонного кристалла фиброином ожидаемо привело к сдвигу запрещенной зоны λb в сторону ИК-области.
Исследования показали, что успешнее всего композитная структура формируется при концентрации раствора фиброина 3,5%. В этом случае вязкость раствора позволяет ему, с одной стороны, проникать в пустоты коллоидной решетки и, с другой стороны, образовывать твердофазный каркас внутри матрицы фотонного кристалла.
ВЫВОДЫ
"Умные" структуры на основе фиброина шелка представляют собой перспективный класс материалов для изготовления сенсорных структур и МЭМС для использования их в электронике, биофотонике и медицине. Полученные в работе технологические решения могут быть применены для получения растворов и твердофазных белковых структур в производстве опытных образцов таких изделий. Продолжение работы будет посвящено отработке технологии инвертирования и получения обратных фотонных кристаллов из фиброина шелка.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Научная статья
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФИБРОИНА ШЕЛКА И СТРУКТУР НА ЕГО ОСНОВЕ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ НОСИМОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Е.В.Панфилова1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0001-7944-2765 / panfilova.e.v@bmstu.ru
К.В.Мозер1, асс., ORCID: 0009-0002-1681-7966
А.А.Мальцев2, науч. сотр., ORCID: 0000-0002-5378-174X
Аннотация. Биополимер фиброин шелка является одним из перспективных материалов органической электроники. Для него характерна оптическая прозрачность, достаточная для белков термическая стабильность, биосовместимость и высокая прочность на разрыв. Структуры на основе фиброина шелка могут быть использованы для изготовления сенсорных элементов носимой электроники. Их свойства определяются конформацией белковой структуры, которая зависит от методов и режимов формирования регенерированного фиброина из его нативной формы. В данном проекте разработан процесс формирования раствора, пленок фиброина шелка и фотонно-кристаллических структур на их основе.
Ключевые слова: биополимеры, фиброин, шелк, белковые структуры, фотонно-кристаллические структуры
Для цитирования: Е.В. Панфилова, К.В. Мозер, А.А. Мальцев. Технология получения фиброина шелка и структур на его основе для изделий носимой электроники. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 1. С. 16–29. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.1.16.29.
Received: 16.01.2025 | Accepted: 26.01.2025 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.1.16.29
Original paper
TECHNOLOGY FOR PRODUCING SILK FIBROIN AND STRUCTURES BASED ON IT FOR WEARABLE ELECTRONICS PRODUCTS
E.V.Panfilova1, Cand. of Sci. (Tech), Docent, ORCID: 0000-0001-7944-2765 / panfilova.e.v@bmstu.ru
K.V.Mozer1, Assistant, ORCID: 0000-0001-9689-1837
A.A.Maltsev2, Researcher, ORCID: 0000-0002-5378-174X
Abstract. Silk fibroin biopolymer is one of the promising materials for organic electronics. It is characterized by optical transparency, thermal stability sufficient for proteins, biocompatibility and high tensile strength. Silk fibroin-based structures can be used to manufacture sensor elements of wearable electronics. Their properties are determined by the conformation of the protein structure, which depends on the methods and modes of formation of regenerated fibroin from its native form. In this project, a process for the formation of silk fibroin solution, films and photonic crystal structures based on them was developed.
Keywords: biopolymers, fibroin, silk, protein structures, photonic crystal structures
For citation: E.V. Panfilova, K.V. Mozer, A.A. Maltsev. Technology for producing silk fibroin and structures based on it for wearable electronics products. NANOINDUSTRY. 2025. Vol. 18. No. 1. PP. 16–29. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.1.16.29.
ВВЕДЕНИЕ
Носимая гибкая электроника – это активно развивающееся направление электроники [1]. Отличительной особенностью ее можно назвать малые габариты устройств, их гибкость и легкость, а также использование органических материалов как в качестве материала подложки, так и в качестве функциональных слоев. В связи с этим носимые электронные устройства могут применяться для измерения параметров человеческого тела, таких как температура, химический анализ биологических жидкостей, давление, пульс. Спрос на данный вид электронных устройств постоянно растет [2], что накладывает требования к их производству и утилизации для сокращения отходов и снижения вреда, вносимого в окружающую среду. Функциональные структуры должны быть биосовместимыми, механически прочными, экологичными в производстве и легко утилизируемыми.
Этим требованиям отвечают биополимеры, в частности фиброин шелка. Фиброин – это фибриллярный белок. Чаще всего его получают из коконов тутового шелкопряда Bombyx mori (рис.1) путем очистки коконов от склеивающего волокна белка серицина.
Натуральный шелк в промышленных масштабах производят, как правило, для текстильной промышленности, однако он интересен и для производства медицинской носимой электроники. Фиброин состоит из двух цепей – тяжелой (350–370 кДа) и легкой (25 кДа). Тяжелая на 90% состоит из гиброфобных аминокислотных остатков (Gly ∼43–46%, Ala ∼25–30%, Ser ∼12%) [3] (рис.2). Рыхлые области фиброина состоят, в основном, из полярных аминокислотных остатков [4].
Материал обладает уникальными свойствами, которые могут быть различными для трех основных видов конформаций: α-спирали, β-складки и рандомные витки и повороты. В нативном состоянии 50–60% фиброина состоит из β-фазы [5], которая характеризует кристаллические области полимера и определяет его прочность и жесткость. Спирали (α-конформация – аморфная пептидная цепь) обеспечивают эластичность шелка. Волокна фиброина обладают прочностью на разрыв 610–690 МПа, модулем упругости 15–17 ГПа [6].
Этот белок термостабилен: температура его денатурации выше 127 °С. Пленки из регенерированного фиброина оптически прозрачны: обладают 90–95% пропускания видимого спектра излучения, коэффициент преломления в видимом спектре nф = 1,54 [7]. Фиброин обладает биосовместимостью и биоразлагаемостью [8]. Наличие в фиброине активных функциональных участков, таких как первичная аминогруппа, облегчает включение в него различных проводящих элементов, таких как проводящие полимеры, наполнители на основе углерода и металлические интерфейсы [9]. Таким образом, фиброин, являющийся по своей природе изолятором, может быть наделен электропроводящими свойствами. Помимо этого, воздействуя на полярные группы макромолекул фиброина посредством внешних стимулов, таких как водяной пар, метиловый/этиловый спирт, температура, ультразвук, pH, УФ-излучение, можно изменять и контролировать белковую структуру [10].
В электронных устройствах фиброин может использоваться в различных формах: гидрогели, нановолокна, пленки, частицы, губки [11] (рис.3). В [12] рассматривается применение гидрогеля на основе фиброина, поливинилового спирта и буры для изготовления искусственной кожи и трибоэлектрических генераторов. Добавление шелка в гидрогели поливинилового спирта улучшило их стабильность, а также значительно увеличило влагопоглощение.
Варианты использования фиброина шелка в качестве функционального материала разнообразны и многочисленны. В [13] представлен вариант применения фиброина в качестве оптического волновода на полимерной подложке CR-39. Полученный фиброиновый волновод обладал прозрачностью 85% в области видимого света и низкими оптическими потерями, как в области видимого спектра, так и в ИК-области.
Для химического анализа биологических жидкостей необходима высокая чувствительность к биомаркерам. В [14] предложен электрохимический датчик на основе углеродной ткани и легированного азотом шелка (SilkNCT). По сравнению с обычными электродными материалами, SilkNCT демонстрирует внутреннюю иерархическую и пористую сетчатую тканую структуру, что обеспечивает хороший контакт с реагентами и эффективный перенос электронов. В [15] описан датчик влажности на основе фиброина. В [16] показано, что изменчивость пленок фиброина под воздействием внешних факторов может быть использована в устройствах кодирования информации.
В связи с биосовместимостью и биодеградацией фиброина шелка активно исследуется направление, связанное с применением и созданием на его основе "умных" сенсорных структур, например, для измерения внутриглазного давления или анализа состава биологической жидкости. Пропитка коллоидного фотонного кристалла раствором фиброина и последующее получение инверсной фотонно-кристаллической структуры расширяет возможности регулировки фотонной запрещенной зоны при изменении влажности, давления [17] и силы механического воздействия. В [18] мы проанализировали спектрофотометрический метод измерения продольной деформации гибкой фотонно-кристаллической структуры фиброина шелка (рис.4). Показано, что приемлемые значения неопределенности таких измерений (менее 10%) открывают перспективы их использования в электронике и медицине.
В представляемом проекте отработана технология получения раствора фиброина шелка и его твердой фазы с преобладанием β-конформации, а также показана возможность формирования белковой фотонно-кристаллической структуры.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Процесс получения водного раствора фиброина состоит из этапов подготовки коконов, дегуммирования с последующей промывкой и сушкой, растворения, диализа, центрифугирования и фильтрации для удаления нерастворенного осадка (рис.5). Выбор способов и режимов их реализации в лабораторных условиях осуществлялся на основе анализа информации из литературных источников и исследования природы процессов.
Этап дегуммирования необходим для очистки коконов от серицина. Процесс может быть реализован физическими, химическими, физико-химическими и биологическими методами [19]. В процессе дегуммирования важно не только удалить склеивающий волокна белок, но и не разрушить длинные цепи фиброина. Дегуммирование приводит к деградации тяжелой цепи фиброина от молекулярной массы 350–390 кДа до широкого распределения масс от средней молекулярной массы около 150 кДа до небольших фрагментов 40–50 кДа [20], что в дальнейшем влияет на механические свойства получаемых структур и материалов. Наиболее распространенным методом является очистка коконов в щелочной или нейтральной среде при повышенной температуре. В качестве среды может выступать кальцинированная сода (Na2CO3), хозяйственное или нейтральное мыло.
Поскольку фиброин на 3/4 состоит из неполярных гидрофобных аминокислот, он является устойчивым к большинству растворителей. Для растворения фиброина необходимо разрушить сильные водородные связи, тем самым, переведя его из гидрофобной β-структуры в гидрофильную α-структуру. Чтобы разорвать водородные связи между макромолекулами, ионы растворителя должны провзаимодействовать с полярными и заряженными группами боковых цепей фиброина. Для этого необходимо подобрать такой растворитель, который сможет эффективно проникнуть в молекулу белка. В табл.1 представлены использующиеся на практике для растворения фиброина жидкости.
Основным недостатком солесодержащих водных, водно-органических и органических растворов фиброина является длительное время приготовления: фиброин необходимо предварительно активировать посредством солевого раствора, после получения растворы необходимо диализировать для удаления растворителей, немалые временные затраты также требуются для регенерации растворителей с целью их повторного использования [4]. При применении ионных жидкостей растворимость фиброина зависит в большей степени от природы аниона. Ионы, имеющие большую способность к образованию водородных связей, растворяют фиброин лучшим образом. Недостатком данных растворителей является их свойство сорбировать воду из атмосферы, что негативно сказывается на процессе [28].
Этап диализа необходим для удаления соли в случае использования водного или водно-органического растворителя. В качестве мембраны обычно используется целлюлозный диализный мешок с диаметром пор 12–14 кДа. В качестве буферного раствора выступает дистиллированная или бидистиллированная вода.
Пленки на основе фиброина получают методами капельного литья на подложку, центрифугирования и методами печати [32]. Белковая молекула фиброина склонна к процессу самоорганизации и может быть подвергнута управляемой функционализации в пленке [33]. На рис. 6 показаны внешние воздействия, как стимулирующие рост кристаллической фазы (водяной пар, температура и др.), так и разрушающие длинные цепи фиброина (УФ).
При повышении температуры выше 40 °C уменьшается стабильность многих полипептидов, что приводит к разворачиванию свернутых глобул или спиралей молекул. Для макромолекулы фиброина характерно увеличение конформационной подвижности и дестабилизации спиральной конформации при повышении температуры. В результате данного процесса активные группы компенсируют свой потенциал к образованию H-связей, взаимодействуя с соседними молекулами. Таким образом внутримолекулярные связи переключаются на межмолекулярные и гидрофобные группы, складываются в β-структуру, которая является более энергетически выгодной [5]. Для температур чуть выше области стеклования скорость роста кристаллов имеет тенденцию быть низкой, и их конечная стабильная кристалличность в состоянии равновесия также мала. При переходе в область более высоких температур кинетика роста кристаллов изменяется, и более высокая степень кристалличности может быть достигнута за более короткое время [34]. При обработке спиртами (метанолом, этанолом) изменение конформации обусловлено особенностью строения полипептида – двойной характер связи C–N в фиброине жестко ограничивает вращение вокруг нее. Взаимодействие ионов или полярных молекул с группами CO или NH способствует переносу электронной плотности, уменьшению силы двойной связи и увеличению подвижности [5].
С ростом кристалличности снижается гибкость пленки. Повышения пластичности можно достичь обработкой паром, а также добавляя в пленку пластификаторы. При обработке водяным паром молекулы воды проникают в сеть макромолекул и пластифицируют систему.
Главным результатом введения как водяного пара, так и пластификатора является понижение температуры стеклования (Тс). С увеличением содержания пластификатора температура стеклования равномерно снижается до некоторого значения концентрации пластификатора в полимере. В присутствии пластификатора полимер сохраняет высокоэластичные свойства при более низкой температуре [35]. В качестве пластификатора фиброина может выступать глицерин, хлорид кальция, глюкоза (декстроза). В табл.2 представлены механические характеристики пластифицированных пленок фиброина в зависимости от пластификатора и его содержания в пленке.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Получение раствора фиброина шелка в лабораторных условиях осуществлялось в несколько этапов (рис.7). Для перевода белка из нативного состояния с β-конфирмациями в водорастворимое в качестве среды, способной проникнуть в структуру и разрушить ее до α-спирального состояния, использовался трехкомпонентный раствор хлорида кальция, этилового спирта и воды с мольным соотношением 1 : 2 : 8.
С целью отработки технологии формирования однородных твердофазных структур с β-конформацией капельным методом было сформировано семь пленочных образцов фиброина. Особенности процесса их получения описаны в табл.3. Рост складок контролировался качественно по углу смачивания и количественно методом ИК-спектрометрии по полосам амида I, отвечающего за вторичную структуру белка.
Соотношение α- и β-конформаций в структурах оценивалось по соотношению площадей соответствующих пиков (рис.8). Исследования показали, что белок представлен преимущественно структурой β-листа, соотношение конформаций для испытанных образцов принимает значения от 0,17 до 0,57. Образец № 2 имеет наиболее упорядоченную структуру (содержание неупорядоченной части пленки равно 0,11), возникшую по причине сильных межцепочечных взаимодействий, о чем свидетельствует смещение основных полос в область более низких волновых чисел. И у него же обнаружено одно из самых высоких содержаний β-конформаций – 0,73. Этот образец был подвергнут нагреву при 40 оС в присутствии водяного пара и после высыхания дополнительно вытягивался над водяной баней для ориентации кристаллитов вдоль пленки. Образец № 7, напротив, характеризует высокое содержание a-спиралей, что указывает на большую пластичность пленки, возникшую как следствие взаимодействия Ca2 ⁺ с белком.
Внедрение раствора фиброина в трехмерные коллоидные фотонные кристаллы, получаемые описанным в [40] образом, осуществлялось методом пропитки с последующей сушкой при температуре 55 °С и обработкой этиловым спиртом в течение 1 ч. В результате были получены структуры с отчетливо визуализируемой ФЗЗ (рис.9). Заполнение межсферических пустот фотонного кристалла фиброином ожидаемо привело к сдвигу запрещенной зоны λb в сторону ИК-области.
Исследования показали, что успешнее всего композитная структура формируется при концентрации раствора фиброина 3,5%. В этом случае вязкость раствора позволяет ему, с одной стороны, проникать в пустоты коллоидной решетки и, с другой стороны, образовывать твердофазный каркас внутри матрицы фотонного кристалла.
ВЫВОДЫ
"Умные" структуры на основе фиброина шелка представляют собой перспективный класс материалов для изготовления сенсорных структур и МЭМС для использования их в электронике, биофотонике и медицине. Полученные в работе технологические решения могут быть применены для получения растворов и твердофазных белковых структур в производстве опытных образцов таких изделий. Продолжение работы будет посвящено отработке технологии инвертирования и получения обратных фотонных кристаллов из фиброина шелка.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
