İpek Proteini Fibroinden Elektrospinning Yöntemi İle Üretilen Nanowebin Özelliklerinin İyileştirilmesi

Abstract

İpek lifleri, ipekböcekleri ve örümcekler tarafından kontinü lif formunda üretilen üstün özelliklere sahip protein yapılı liflerdir. En yaygın şekilde kullanılmakta olan Bombyx mori ipekböceğinden elde edilen ipek, 5.000 yıldır beğeni toplayan, farklı ve çekici pekçok özelliğe sahiptir. Tekstil endüstrisinde parlaklığı ve mekanik özellikleri ile tanınan ipeğin kullanım alanları tekstil amaçlı kullanımlarının ötesinde biomateryaller alanında genişlemektedir. İpek proteini fibroinin rejenerasyonu ile üretilen, jel, film, sünger ve nanoweb gibi farklı formlarda materyallerin, hücre ve/veya doku iskelesi, ilaç salınım sistemleri, yara örtücü yüzeyler olarak biomedikal alanda kullanımları ile ilgili olarak çalışmalar yapılmaktadır. Biyolojik olarak uyumlu, kendine kendine parçalanabilir, mekanik yönden üstün olan fibroin esaslı bu materyaller biomedikal uygulamalar için ümit verici adaylardır. Özellikle büyük yüzey alanına sahip, çok gözenekli, üç boyutlu yapıların, elektrospinning gibi basit bir yöntem ile üretilebilmesi, daha önce mümkün olmayan yeni kullanım alanları sunmaktadır. Tez kapsamında, elektrospinning yöntemi ile ipek proteini fibroinden nanoweb üretilmesine ve düzgün, devamlı, nano boyutta rejenere ipek liflerinin elde edilmesi için parametrelerin belirlenmesine yönelik çalışılmıştır. Çalışma; serisinin uzaklaştırılmasını, fibroinin derişik tuz çözeltisinde çözülmesi ve bu çözeltiden tuzun diyaliz ile, suyun liyofilize işlemi ile uzaklaştırılarak toz halde rejenere fibroinin elde edilmesini, elde edilen rejenere fibroinin elektrospinning işlemine uygun bir çözeltide tekrar çözülmesini ve yeni çözeltiden elektrospinning yöntemi ile nanoweb üretilmesini kapsamaktadır. Değişik konsantrasyonlarda çözeltilerden, voltaj değerinin, besleme hızının, iğne ile toplayıcı arasındaki mesafenin ve iğnenin değiştirilmesi ile nanoweb üretilmiştir. Rejenere fibroinin formik asit içerisinde çözülmesi ile %6, %8, %10, %12, %15 and %18 konsantrasyonlarda çözeltiler hazırlanmıştır. Voltaj değerleri 10 kV ile 25 kV arasında, mesafe 5-13cm aralığında, besleme hızı 0,006 ile 2,0 mL/sa aralığında değiştirilerek ve 0,70, 0,90, 1,06, 1,25mm çaplara sahip farklı iğneler kullanılarak elektrospinning işlemi yapılmıştır. Fibroinin kimyasal ve konformasyonel yapısında oluşabilecek değişiklikler infrared spektroskopisi (FTIR) ile kontrol edilmiştir. Farklı parametrelerin boncuk oluşumu ve lif çapı üzerindeki etkileri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile araştırılmış ve ortalama lif çapında gözlenen değişikliklerin anlamlı farklar olup olmadıkları istatistiksel açıdan kontrol edilmiştir. Çalışmanın sonucunda, ipek proteini fibroinden elektrospinning yöntemi ile nanoweb oluşturulmuş, doğal ipekten çok daha ince olan 37 nm ile 437 nm aralığında düzgün lifler elde edilmiştir. Konsantrasyonun lif eğrilebilirliği, boncuk oluşumu ve lif çapı üzerinde etkili olan en önemli parametre olduğu gözlenmiş ve konsantrasyon değişimine bağlı olarak ortalama lif çaplarında meydana gelen değişiklerin istatistiksel açıdan önemli oldukları belirlenmiştir. Ayrıca uygulanan voltajın, iğne ile toplayıcı arasındaki mesafenin, besleme hızının ve iğne çapının da boncuk oluşumu ve lif çapı üzerinde belirli derecede etkiye sahip oldukları gözlenmiştir.

Silks are fibrous proteins with remarkable mechanical properties produced in continuous form by spiders and silkworms. Cultivated silk from the Bombyx mori silkworm, which is and has always been the most common type of silk used, has a number of interesting and desirable properties that have been admired for over 5,000 years. It is popularly known in textile industry for its luster and mechanical properties. Besides its traditional use in textiles, the range of applications of silkworm silk is expanding mainly in the field of biomaterials. Several different material morphologies such as gels, sponges, films, and nanowebs produced through regeneration of silk fibroin (SF) have been applied in a wide variety of biomedical applications such as cell or tissue scaffolds, drug delivery carriers, wound dressing, etc. Materials based on silk fibroin which is naturally biocompatible, biodegrable and mechanically superior, are promising candidates for biomedical applications. Especially the availability of silk nanofibers with high surface area to volume ratio and highly porous three dimensional structure through a simple process of electrospinning introduces a new set of potential uses that previously were unattainable. In this study, an attempt was made to produce nanowebs from silk fibroin by electrospinning and to optimize the electrospinning parameters for the spinning of uniform, continuous and nanoscale silk fibroin fibers. The study involved the steps of, degumming; forming a silk fibroin solution comprising silk fibroin in an aqueous salt solution; removing the salt by dialysis and water by freeze-drying from the solution to form a regenerated silk fibroin material; forming an electrospinnable solution by redissolution of the resulting regenerated silk fibroin material in formic acid; and finally electrospinning to form nanowebs. Nanowebs were electrospun from solutions of different concentrations, by varying the applied voltage, flow rate, tip-to-collector distance, and needle diameter. Solutions with concentrations of 6, 8, 10, 12, 15 and 18 wt% were prepeared by dissolving regenerated silk fibroin sponges in formic acid. Electrospinning was carried out by varying the applied voltage from 10 to 25 kV, tip-to-collector distance from 5 to 13 cm, flow rate from 0.006 to 2.0 mL/h and needle diameter from 0.7 to 1.25 mm. Fourier transform infrared (FTIR) spectrum was obtained in the spectral region of 400–4,000 cm-1 to observe the structural and conformational changes in silk fibroin caused by electrospinning. The effects of the varying parameters on bead formation and fiber diameter were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and statistical analysis was carried out to test whether the diferences in the mean fiber diameters were of real significance. As a result, electrospinning of regenerated silk fibroin was conducted successfully and fibers with diameters in the range of 37 to 437 nm which were much thinner than natural silk fiber were fabricated. Concentration appeared to be the most significant factor affecting the fiber spinnability, bead formation and fiber diameter. Also it is observed that the processing paramaters such as applied voltage, tip-to-collector distance, flow rate and needle diameter had considerable effect on bead formation and it is statistically approved that these parameters had significant effects on fiber diameter.