Технология получения фиброина шелка и структур на его основе для изделий носимой электроники

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

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.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. В. Панфилова

Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: panfilova.e.v@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-7944-2765

к.т.н., доц.

Россия, Москва

К. В. Мозер

Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)

Email: panfilova.e.v@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-9689-1837

асс.

Россия, Москва

А. А. Мальцев

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН

Email: panfilova.e.v@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-5378-174X

науч. сотр.

Россия, Москва

Список литературы

  1. Stoppa M., Chiolerio A. Wearable electronics and smart textiles: A critical review. Sensors. 2014. Vol. 14. No. 7. PP. 11957–11992.
  2. Das R., He X., Ghaffarzadeh K. Flexible, Printed and Organic Electronics 2020–2030: Forecasts, Technologies, Markets: Market Data and Technology and Application Appraisal: Providing the Complete Picture. IDTechEx. 2020.
  3. Koh L.D. et al. Structures, mechanical properties and applications of silk fibroin materials. Progress in Polymer Science. 2015. Vol. 46. PP. 86–110.
  4. Sashina E.S. et al. Structure and solubility of natural silk fibroin. Russian journal of applied chemistry. 2006. Vol. 79. PP. 869–876.
  5. Сашина Е.С., Новоселов Н.П. Конформационные изменения фиброина при растворении его в гексафторизопропаноле. Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2005. Т. 47. № 10.
  6. Агапова О.И. Биоинженерные конструкции на основе фиброина шелка и спидроина для регенеративной медицины и тканевой инженерии (обзор). Современные технологии в медицине. 2017. Т. 9. № 2. С. 190–206.
  7. Bucciarelli A. et al. A comparative study of the refractive index of silk protein thin films towards biomaterial based optical devices. Optical Materials. 2018. Vol. 78. PP. 407–414.
  8. Xu Z. et al. Flexible, biocompatible, degradable silk fibroin based display. Chemical Engineering Journal. 2023. Vol. 464. P. 142477.
  9. Fu F., Liu D., Wu Y. Silk-based conductive materials for smart biointerfaces. Smart Medicine. 2023. Vol. 2. No. 2. P. e20230004.
  10. Guidetti G., Wang Y., Omenetto F.G. Active optics with silk: Silk structural changes as enablers of active optical devices. Nanophotonics. 2020. Vol. 10. No. 1. PP. 137–148.
  11. Shi C. et al. New silk road: from mesoscopic reconstruction/functionalization to flexible meso-electronics/photonics based on cocoon silk materials. Advanced Materials. 2021. Vol. 33. No. 50. P. 2005910.
  12. Yang N. et al. Polyvinyl alcohol/silk fibroin/borax hydrogel ionotronics: a highly stretchable, self-healable, and biocompatible sensing platform. ACS applied materials & interfaces. 2019. Vol. 11. No. 26. PP. 23632–23638.
  13. Prajzler V. et al. All-polymer silk-fibroin optical planar waveguides. Optical Materials. 2021. Vol. 114. P. 110932.
  14. He W. et al. Integrated textile sensor patch for real-time and multiplex sweat analysis. Science advances. 2019. Vol. 5. No. 11. P. eaax0649.
  15. Zheng Y. et al. A flexible humidity sensor based on natural biocompatible silk fibroin films. Advanced Materials Technologies. 2021. Vol. 6. No. 1. P. 2001053.
  16. Wang Y. et al. Controlling silk fibroin conformation for dynamic, responsive, multifunctional, micropatterned surfaces. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2019. Vol. 116. No. 43. PP. 21361–21368.
  17. Wang Y. et al. Modulation of multiscale 3D lattices through conformational control: painting silk inverse opals with water and light. Advanced Materials. 2017. Vol. 29. No. 38. P. 1702769.
  18. Mozer K.V., Panfilova E.V. Modeling and uncertainty of measurement the deformation of a flexible photonic crystal structure. AIP Conference Proceedings. AIP Publishing. 2023. Vol. 2833. No. 1.
  19. Wang R. et al. Degumming of raw silk via steam treatment. Journal of Cleaner Production. 2018. Vol. 203. PP. 492–497.
  20. Partlow B.P. et al. Silk fibroin degradation related to rheological and mechanical properties. Macromolecular bioscience. 2016. Vol. 16. No. 5. PP. 666–675.
  21. Sah M.K., Pramanik K. Regenerated silk fibroin from B. mori silkcocoon for tissue engineering applications. International journal of environmental science and development. 2010. Vol. 1. No. 5. P. 404.
  22. Mhuka V. et al. Fabrication and structural characterization of electrospun nanofibres from Gonometa Postica and Gonometa Rufobrunnae regenerated silk fibroin. Macromolecular Research. 2013. Vol. 21. No. 9. PP. 995–1003.
  23. Ориентационное структурообразование фиброина шелка с анизотропными свойствами в растворах: дис. . канд./д-ра физ. мат. наук. Институт хим. и физ. полимеров Академии наук Республики Узбекистан, Ташкент, 2008.
  24. Zhang M., Weng Y.J., Zhang Y.Q. Accelerated desalting and purification of silk fibroin in a CaCl²-EtOH-H2O ternary system by excess isopropanol extraction. Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 2021. Vol. 96. No. 5. PP. 1176–1186.
  25. Li S. et al. Microwave-assisted fast and efficient dissolution of silkworm silk for constructing fibroin-based biomaterials. Chemical Engineering Science. 2018. Vol. 189. PP. 286–295.
  26. Cheng G. et al. Differences in regenerated silk fibroin prepared with different solvent systems: From structures to conformational changes. Journal of Applied Polymer Science. 2015. Vol. 132. No. 22.
  27. Shen T. et al. Dissolution behavior of silk fibroin in a low concentration CaCl2-methanol solvent: From morphology to nanostructure. International journal of biological macromolecules. 2018. Vol. 113. PP. 458–463.
  28. Medronho B. et al. Silk fibroin dissolution in tetrabutylammonium hydroxide aqueous solution. Biomacromolecules. 2019. Vol. 20. No. 11. PP. 4107–4116.
  29. Zhu Z.H., Ohgo K., Asakura T. Preparation and characterization of regenerated Bombyx mori silk fibroin fiber with high strength. Express Polym Lett. 2008. Vol. 12. No. 2. PP. 885–889.
  30. Phillips D.M. et al. Dissolution and regeneration of Bombyx mori silk fibroin using ionic liquids. Journal of the American chemical society. 2004. Vol. 126. No. 44. PP. 14350–14351.
  31. Mantz R.A. et al. Dissolution of biopolymers using ionic liquids. Zeitschrift für Naturforschung A. 2007. Vol. 62. No. 5–6. PP. 275–280.
  32. Wang C. et al. Silk-based advanced materials for soft electronics. Accounts of Chemical Research. 2019. Vol. 52. No. 10. PP. 2916–2927.
  33. Lu Q. et al. Silk self-assembly mechanisms and control from thermodynamics to kinetics. Biomacromolecules. 2012. Vol. 13. No. 3. PP. 826–832.
  34. Hu X. et al. Regulation of silk material structure by temperature-controlled water vapor annealing. Biomacromolecules. 2011. Vol. 12. No. 5. PP. 1686–1696.
  35. Бартенев Г.М., Френкель С.Я. Физика полимеров. Химия. 1990. P. 432.
  36. Yun H. et al. Stencil nano lithography based on a nanoscale polymer shadow mask: Towards organic nanoelectronics. Scientific reports. 2015. Vol. 5. No. 1. P. 10220.
  37. Brown J.E. et al. Thermal and structural properties of silk biomaterials plasticized by glycerol. Biomacromolecules. 2016. Vol. 17. No. 12. PP. 3911–3921.
  38. Tran H.A. et al. Emerging silk fibroin materials and their applications: new functionality arising from innovations in silk crosslinking. Materials Today. 2023. Vol. 65. PP. 244–259.
  39. Yao Y. et al. Spinning regenerated silk fibers with improved toughness by plasticizing with low molecular weight silk. Biomacromolecules. 2020. Vol. 22. No. 2. PP. 788–799.
  40. Панфилова Е.В., Дюбанов В.А., Ибрагимов А.Р., Шрамко Д.Ю. Лабораторный комплекс для получения коллоидных фотонно-кристаллических структур. Часть 1. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 3–4. C. 190–199. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.3-4.190.198.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис.1. Шелковое волокно

Скачать (60KB)
Метаданные
3. Рис.2. Первичная структура тяжелой цепи фиброина

Скачать (64KB)
Метаданные
4. Рис.3. Структуры на основе фиброина: а – гидрогели; b – нановолокна; c – частицы; d – пленки; e – губки

Скачать (132KB)
Метаданные
5. Рис.4. Измерение продольных деформаций с помощью фотонно-кристаллической пленки фиброина: а – изменение положения фотонной запрещенной зоны; b – деформация структуры

Скачать (118KB)
Метаданные
6. Рис.5. Технология получения водного раствора фиброина: a – подготовка; b – очистка; c – промывка; d – растворение; e – диализ; f – центрифугирование

Скачать (120KB)
Метаданные
7. Рис.6. Влияние внешних воздействий на структуру пленок фиброина

Скачать (261KB)
Метаданные
8. Рис.7. Процесс формирования раствора фиброина шелка: а – этап дегуммирования; b...f – этап растворения в течение времени, t; g – этап диализа; h – готовый раствор

Скачать (279KB)
Метаданные
9. Рис.8. Результаты ИК-спектрометрии: а – образец №2; b – образец №7

Скачать (402KB)
Метаданные
10. Рис.9. Спектры отражения фотонно-кристаллических структур: а – исходный фотонный кристал, сформированный из микросфер диоксида кремния диаметром 280 нм; b – композитная структура

Скачать (351KB)
Метаданные

© Панфилова Е.В., Мозер К.В., Мальцев А.А., 2025