Herstellung und Charakterisierung von Fasern aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen und deren potentielle Applikationen

Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der Umsetzung eines Verfahrens zum elektrostatischen Spinnen von Submikrofasern aus eADF4-Proteinen (engineered A. diadematus fibroin 4), wobei in einem Parallelansatz zum Vergleich ein Nassspinnverfahren zur Herstellung von Mikrofasern aus wässrigen eADF3-Lösungen (engineered A. diadematus fibroin 3) angewendet wurde. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Elektrospinnanlage konstruiert und gebaut, die es einerseits ermöglicht großflächig homogen verteilte Vliese herzustellen, und die andererseits für das Spinnen ausgerichteter Fasermatten geeignet ist. Die entscheidenden Parameter zur Kontrolle des Prozesses lagen dabei in der gezielten Orientierung des beim Verspinnen angelegten elektrischen Feldes, sowie in den Eigenschaften der verarbeiteten Spinnlösungen. Durch den Einsatz einer Sekundärelektrode am Spinnkopf sowie einer Verschalung am Kollektor gelang es, die Ablagefläche der Fasern und damit den Materialverlust beim Spinnen ausgerichteter Fasern signifikant zu reduzieren, was anhand elektrostatischer Feldsimulationen theoretisch erklärt werden konnte. Um einen möglichen Einfluss des Molekulargewichts der rekombinanten Seide beim elektrostatischen Spinnen zu klären, wurden die Seidenproteine eADF4(C16) (Monomer: 48 kDa) und eADF4(C32NR4) (Dimer: 208 kDa) verarbeitet. Zur Einstellung der morphologischen Vliesbeschaffenheit wurden unterschiedlich konzentrierte Proteinlösungen aus Hexafluor-2-Propanol versponnen und die resultierenden Faserdurchmesser mikroskopisch untersucht. Auf Basis rheologischer Untersuchungen konnte der systematische Einfluss des Proteinmolekulargewichts und der Konzentration auf die Viskosität der Spinnlösungen und die resultierenden Faserdurchmesser nachvollzogen werden. Im nächsten Schritt wurde ein Nachbehandlungsverfahren entwickelt, um die amorphe Sekundärstruktur der wasserlöslichen eADF4-Fasern in ihre wasserunlösliche, kristalline β-Faltblatt-reiche Form zu überführen. Dabei sollte die empfindliche Morphologie der Vliese erhalten bleiben. Zu diesem Zweck wurden eADF4-Vliese mit Methanol, Ethanol und 2-Propanol bedampft, wobei ein signifikanter Einfluss des Alkohols auf die erforderliche Behandlungsdauer festgestellt wurde. Die zeitliche Zunahme von β-Faltblättern wurde mittels FT-IR gemessen und konnte anhand eines mathematischen Modells für isotherme Kristallisation beschrieben werden. Dabei wurde gezeigt, dass die Faltungskinetik bei der Nachbehandlung mit hoher Wahrscheinlichkeit durch die Diffusion der Alkohole in die Struktur limitiert wird, weshalb niedermolekulare Alkohole aufgrund ihrer geringeren molekularen Größe zur schnelleren Kristallisation führten. Im Folgenden wurden ausgerichtete elektrostatisch gesponnene eADF4-Fasermatten zu Garnen verdrillt und im unbehandelten sowie behandelten Zustand durch quasistatische und dynamische Zugversuche mechanisch untersucht. Der Fokus lag dabei auf dem Einfluss der Nachbehandlung, sowie der Luftfeuchtigkeit, wobei zum Vergleich natürliche Dragline und nassgesponnene Fäden aus eADF3(AQ12), eADF3(AQ12NR3) und eADF3(AQ24) einbezogen wurden. Ferner wurden, um den Einfluss der Garnmorphologie auf die hygroskopischen Eigenschaften evaluieren zu können, die Polymere Polycaprolacton und Polyamid 6 identisch zu eADF4-Proteinen verarbeitet und mechanisch gemessen. Durch Vergleich des luftfeuchtigkeitsabhängigen Verhaltens unbehandelter und nachbehandelter eADF4-Garne mit der Mechanik natürlicher Dragline und nassgesponnener eADF3-Fasern konnte auf Basis von gängigen Strukturmodellen natürlicher Seidenproteine der Einfluss der Nachbehandlung und der Luftfeuchtigkeit auf das mechanische Verhalten der eADF4-Garne auf molekularer Ebene beschrieben werden. Ferner wurde anhand von nassgesponnenen eADF3-Proteinen die Bedeutung des wässrigen Lösungsmittels und der scherinduzierten Molekülausrichtung auf die Assemblierung mechanisch stabiler Fasern aufgeführt. Obgleich elektrostatisch versponnene eADF4-Fasern den nassgesponnenen eADF3-Fasern mechanisch unterlegen sind, konnte ihre Eignung für potentielle medizin- und filtertechnische Applikationen experimentell nachgewiesen werden. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen von Zellkulturexperimenten das Adhäsions- und Proliferationsverhalten von Fibroblasten auf eADF4-Vliesen mit unterschiedlichen Faserdurchmessern untersucht. Dabei wurde gezeigt, dass sich das Zellwachstum durch gezielte Einstellung der Faserdurchmesser signifikant beeinflussen lässt. In Hinsicht auf Filteranwendungen wurden kommerziell erhältliche Polyamidgewebe elektrostatisch mit eADF4-Vliesen besponnen und die resultierende Luftdurchlässigkeit und Abscheiderate analysiert. Es wurde gezeigt, dass unter geringem Materialeinsatz bereits sehr gute Abscheideraten mit anwendungsgerechter Luftdurchlässigkeit erzielt werden konnten. Anhand eines aus der Literatur bekannten Modells konnten die theoretisch zugrundeliegenden Abscheidemechanismen identifiziert und somit die Grundlage für eine gezielte anwendungsadaptierte Filtergestaltung geschaffen werden.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Bayreuth

Year

2015

Author dc:creator

• Lang, Gregor

Contributors dc:contributor

• Scheibel, Thomas

Repository record source_url

https://epub.uni-bayreuth.de/id/eprint/2038/

OAI identifier oai:identifier

oai:epub.uni-bayreuth.de:2038