Effiziente Oxidation und Nanodispersion von Bombyx mori und Antheraea pernyi Seidenfasern für Hochleistungsmembranen

Zusammenfassung

Wir berichten über eine skalierbare, umweltfreundliche Methode, die Bombyx mori (BS) und Antheraea pernyi (AS) Seidenfasern mit Natriumhypochlorit oxidiert, dann die oxidierte Suspension ultraschallbehandelt, um individuelle Seidennanofasern (SNs) von ~105–112 nm Durchmesser und >1 µm Länge zu erhalten. Das Gießen dieser SNs erzeugt optisch transparente Membranen (≥75 % Lichttransmission), die mechanisch robust sind (≈4,5 GPa Elastizitätsmodul) und erhöhte Hydrophilie aufweisen. Durch Einstellen des pH-Werts aggregieren die negativ geladenen SNs und können re-dispersiert werden, was Konzentrationen bis ~20 Gew.-% ermöglicht – eine 100-fache Steigerung gegenüber der initialen Dispersion – und Lagerung, Transport und nachgelagerte Ingenieuranwendungen erleichtert.

Einleitung

Hierarchische Materialien in der Natur liefern überlegene Eigenschaften durch Kombination von Polymerchemie mit struktureller Organisation. Die Nachahmung dieser Strategie in synthetischen Materialien erfordert Prozesse, die native Nanostrukturen bewahren, während sie kosteneffektiv und skalierbar sind. Traditionelle Methoden zur Isolierung von Zellulose- oder Chitin-Nanofasern – wie TEMPO-vermittelte Oxidation – beruhen auf teuren oder giftigen Reagenzien und produzieren typischerweise niedrigkonzentrierte Dispersionen, was die praktische Nutzung limitiert. Seide, produziert von Insekten und Spinnen, weist ebenfalls eine mehrskalige faserige Architektur auf und bietet bemerkenswerte mechanische und biochemische Leistung. Allerdings bleibt die Extraktion individueller Seidennanofasern aufgrund der hohen Kristallinität und starken Inter-Fibrill-Adhäsion des Seidenfibroins herausfordernd.

Unser Ansatz adaptiert das Konzept der selektiven Oxidation ohne Bedarf an TEMPO oder NaBr-Katalysatoren. Durch Einführen von Carboxylgruppen mittels NaClO-Oxidation erreichen wir elektrostatische Abstoßung, die ausreicht, um Seidenfasern in stabile Nanofasern zu dispergieren, während der β-Faltblatt-kristalline Kern, der Festigkeit verleiht, erhalten bleibt. Die resultierenden SNs demonstrieren überlegene optische, mechanische und Benetzungseigenschaften und ein einzigartiges pH-getriebenes Aggregations-Dispersions-Verhalten, das hochdichtes Packen ermöglicht.

Materialien und Methoden

Oxidation von disassemblierten Seidenfasern

Rohe BS- und AS-Fasern (Xiehe Silk Co.) wurden 30 min in 0,02 M Na₂CO₃ (1:400 Gew./Gew.) gekocht, gewaschen und getrocknet. Die entgummten Fasern wurden dann ≥1 h bei Raumtemperatur in 88 % Ameisensäure (1:20 Gew./Gew.) eingetaucht, gefolgt von Homogenisierung bei 10.000 U/min für 3 min. Zentrifugation bei 8.000 U/min lieferte feste disassemblierte Fasern.

Zur Oxidation wurden 1 g disassemblierter Fasern zu 100 ml Wasser gegeben. NaClO wurde zugegeben, während NaOH pH 10 hielt; die Reaktion wurde mit 0,5 M HCl auf pH 7 gequencht. Der wasserunlösliche Anteil wurde durch Zentrifugation (10.000 U/min) gesammelt, gewaschen und in einem Eisbad soniziert (19,5 kHz, 300 W, 20 min) zur Verhinderung von Überhitzung, wodurch die SN-Dispersion entstand.

Röntgenbeugung

Beugungsmuster wurden an einem Rigaku Ultima IV mit Cu-Kα (λ = 0,1542 nm) aufgezeichnet. Dekonvolution erfolgte mit PeakFit 4.0, wobei Peakpositionen durch Zweitderivat-Analyse fixiert wurden.

Morphologie

Verdünnte SN-Dispersionen (0,01 Gew.-%) wurden auf Siliziumwafer oder kohlenstoffbeschichtete Cu-Gitter aufgebracht, getrocknet und per JEOL JSM-7600F SEM (5 kV) und FEI Titan 80-300 TEM (80 kV) abgebildet. Partikeldimensionen wurden mit ImageJ quantifiziert.

Mechanische Prüfung

Membranen (~50 µm dick) aus BS, AS, Zellulose (CN) und Chitin (ChN) Nanofasern wurden durch Lösungsmittelverdampfung gegossen. Streifen (60–80 mm × 5 mm) wurden an einem AG-Xplus Universalprüfgerät (1 mm/min, 20 mm Anfangsspannweite) getestet.

Optische und Benetzungseigenschaften

Transmission (350–800 nm) wurde mit einem Ultrospec 2100 pro gemessen. Kontaktwinkel wurden mit einem Tropfenmessgerät (Kyowa Interface Science) bestimmt, indem 4 µl Wassertropfen innerhalb von 0,5 s analysiert wurden.

Ergebnisse und Diskussion

Oxidation und Isolierung von Seidennanofasern

Unser Workflow (Abb. 1) beginnt mit Ameisensäure-Vorbehandlung, die Mikrofasern (5–20 µm) liefert. Die anschließende NaClO-Oxidation (bei pH 10 gehalten) führt Carboxylgruppen durch Umwandlung von Serin-Hydroxymethylgruppen ein. Die Carboxylkonzentration stieg linear mit NaClO-Zugabe; 10 mM g⁻¹ Protein lieferte ~0,72 mg g⁻¹ (BS) und ~0,84 mg g⁻¹ (AS), während >75 % der Proteinmasse erhalten blieben.

Sonikation des oxidierten, wasserunlöslichen Anteils produzierte SNs mit Durchmessern von 105 ± 27 nm (BS) und 112 ± 33 nm (AS) und Längen >1 µm, mit ~50 % Ausbeute relativ zum oxidierten Input.

Kristallinität

XRD bestätigte, dass β-Faltblatt-Kristallinität nach Oxidation intakt blieb. Dekonvolution ergab eine Zunahme der Kristallinität von 24,8 % auf 41,3 % (BS) und 22,9 % auf 39,2 % (AS) bei 10 mM g⁻¹ NaClO-Behandlung, was die selektive Entfernung amorpher Bereiche ohne Beeinträchtigung des kristallinen Kerns widerspiegelt.

Membranleistung

SN-Membranen waren optisch klar (>75 % Transmission), mechanisch fest (Elastizitätsmodul 4,51 ± 0,71 GPa für BS, 4,43 ± 0,23 GPa für AS) und hydrophiler als regenerierte Seide (Kontaktwinkel 58,8° BS, 55,7° AS, 40,3° CN, 52,5° ChN).

pH-responsive Aggregation-Dispersion

SNs tragen ein negatives Zeta-Potenzial (~−40 mV) bei neutralem pH. Senkung des pH schirmt Carboxyladungen ab, was Aggregation verursacht; Erhöhung auf pH >7 re-dispergiert die Fasern. Aggregate können durch Zentrifugation zurückgewonnen und re-dispersiert werden, was eine ~100-fache Konzentration (≈20 Gew.-%) aus der initialen ~0,2 Gew.-% Dispersion erreicht – was ihre Eignung für Arzneimittelabgabe und bequemes Handling unterstreicht.

Schlussfolgerungen

Wir demonstrieren einen einfachen, skalierbaren Weg zu individuellen BS- und AS-Seidennanofasern via NaClO-Oxidation ohne giftige Katalysatoren. Die ~110 nm SNs besitzen hohes Aspektverhältnis, bewahren kristalline Integrität und bilden transparente, robuste Membranen. Ihre pH-kontrollierte Aggregation-Dispersion und hochdichtes Packen machen sie attraktiv für fortschrittliche Material- und biomedizinische Anwendungen.