Novel Processing Technologies for Recombinant Spider Silk Proteins

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Jokisch, Stephan:
Novel Processing Technologies for Recombinant Spider Silk Proteins.
Bayreuth , 2020 . - XXI, 147 S.
( Dissertation, 2019 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004601

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Abstract

Sustainable and environmentally friendly alternatives to crude oil based materials are nowadays extensively investigated. Biopolymers, such as spider silk, have been employed by humans as an alternative ever since, and are additionally known for their good mechanical stability. The greatest drawback of spider silk is the lack of availability. During the last decades the reverse decoding of protein structures into designed gene sequences enabled the development of recombinant production of silk proteins such as Araneus diadematus dragline silk protein (eADF4(C16)) or Chrysoperla carnea egg stalk protein (ChryC1).

The focus of this work was the development of two processing methods for spider silk proteins and the evaluation of their upscaling potential. The first application was an environmentally friendly and water-based protective spider silk protein foam coating for furniture textiles to reduce abrasive textile destruction derived from pilling. Parameters were investigated to achieve stable and uniform aqueous foams, and spider silk foaming dopes were analyzed. Subsequently, a novel foam coating was developed. Three different fabrics were foam-coated with recombinant spider silk protein (eADF4(C16)) and analyzed regarding their vulnerability to friction and resulting yarn fraying, as well as pilling. One fabric mainly contained the natural materials cotton and rayon. The two other polymeric fabrics comprised PES and PA. Primarily homogeneous and stable coatings were applied to single yarns, which were then analyzed regarding yarn fraying. Subsequently, complex fabrics were coated and they revealed an increase in durability and a decrease in pilling tendency upon abrasive friction analyzes.[247] A film-like fiber surface coating and smoothing in combination with fibrous contact points reduced the friction and ripping out of single filaments, preventing the consequent pilling and prolonging the life-time of the furniture fabric. In the presence of the silk coating a clear correlation between lowered yarn fraying and pilling tendency was determined. For all three tested fabrics these effects were significantly reduced, and upon silk foam coating the fabric quality was doubled in short as well as long-term abrasion tests.

The second part of this work aimed at the production of electro-spun submicron nonwoven fiber mats. Four different submicron fiber mats were tested and compared regarding their applicability as fine dust particle filter meshes, including the synthetic polymers PEO and PLA and two biopolymers, namely recombinant silk protein ChryC1 and eADF4(C16). In a first approach, nonwoven fiber meshes with different fiber diameters were successfully electro-spun on a commercially available PA support-woven. A clear dependency could be determined regarding the filtration efficiency fiber diameter and coating thickness.

Centrifuge electrospinning was employed for the production of submicron nonwoven fiber meshes on PA mesh material to test the potential for large-scale production. The most critical step was the proper adjustment of the electrospinning process’s spinning conditions to the novel method, as well as, the adjustment of its spinning parameters. Process-related spinning parameters introduce additional shear forces into the fibers. Those yielded fiber diameters below 100 nm and an increased content of crystalline β-sheet structures as spun. The inherent random coil secondary structure content rendered centrifuge spun spider silk nonwoven fibers water soluble. Hence, additional posttreatment was required. Electro-spun spider silk meshes were the best material tested concerning particle deposition, air permeability and pressure drop. Additionally, the negative surface net charge of eADF4(C16) submicron fibers contributed to the better performance of spider silk nonwoven meshes. A new silk-containing filter set-up was developed as a prototype providing a significantly higher filtration quality factor than a conventional filter bag. As calculated in previous studies, the use of such spider silk-containing dust bags could save 9 kg of CO2-equivalents per domestic home and per year in an industrial country such as Germany.[265] The results of both approaches highlight the promising upscaling potential of spider silk applications.

Abstract in weiterer Sprache

In der Forschung werden derzeit nachhaltige und umweltfreundliche Ersatzstoffe zu Rohöl-basierten Materialien untersucht. Biopolymere werden von der Menschheit seit jeher als Alternative verwendet, von denen insbesondere (Spinnen-) Seiden für ihre hervorragenden mechanischen Eigenschaften bekannt sind. Der größte Nachteil von Spinnenseide ist allerdings ihre geringe Verfügbarkeit. Während der vergangenen Jahrzehnte ermöglichte die reverse Translation von Proteinsequenzen in designte Gensequenzen die Entwicklung der rekombinanten Produktion von Seidenproteinen, wie das Araneus diadematus Abseilfadenprotein (eADF4(C16)) oder das Chrysoperla carnea Eierstielprotein (ChryC1).

Der Fokus dieser Arbeit lag auf der Entwicklung zweier neuartiger Prozessierungsmethoden für Spinnenseidenproteine. Die erste Anwendung bestand aus einer umweltfreundlichen und wasserbasierten Schutzbeschichtung aus Spinnenseidenprotein-Schaum für Möbelbezugsstoffe zur Reduktion von abrasiver Textilzerstörung durch Pilling bzw. Knötchenbildung. Die Parameter zur Herstellung stabiler und gleichmäßiger Schäume wurden untersucht. Weiterhin wurden die zur Schaumherstellung benötigten Spinnenseidenlösungen analysiert. In der Folge wurde eine neuartige Schaumbeschichtungsmethode entwickelt. Drei verschiedene Textilien wurden mit rekombinantem Spinnenseidenprotein (eADF4(C16)) beschichtet und bezüglich ihrer Anfälligkeit auf Reibung und dem resultierenden Ausfransen von Einzelfasern analysiert. Darunter befand sich ein Textil, welches hauptsächlich aus den Materialien Baumwolle und Viskose aufgebaut ist, sowie zwei PES und PA enthaltende Polymer-basierte Stoffe. Zunächst wurden einzelne Garnfasern mit homogenen und stabilen Beschichtungen versehen, welche anschließend auf die Anfälligkeit bezüglich des Ausfransens hin untersucht wurden. Nachfolgend wurden komplexe Textilien beschichtet, wodurch ein Anstieg in der Haltbarkeit und eine Reduktion der Pilling-Anfälligkeit gegenüber abrasiver Reibung erreicht werden konnte.
 
Eine filmartige Beschichtung und Glättung der Textilfaseroberflächen verringerte die Reibung und das Herausreißen von Einzelfasern, wodurch das daraus resultierende Pilling verhindert und die Lebensdauer des Möbelbezugsstoffs verlängert werden konnte. In Kombination mit der Seidenbeschichtung konnte eine klare Abhängigkeit zwischen der verringerten Ausfransung der Textilgarne und der Pilling-Anfälligkeit der Textilien festgestellt werden. Diese negativen Effekte wurden im Fall aller drei untersuchten Textilien stark reduziert. Aufgrund der Seiden-Schaumbeschichtung konnte letztlich die Textilqualität bei Kurz- und Langzeitbelastung verdoppelt werden.

Die zweite Anwendung, welche in dieser Arbeit untersucht wurde, zielte auf die Produktion von elektrogesponnenen Fasermatten für die Feinstaubfiltration ab. Dafür wurden vier verschiedene sub-mikro Fasermatten untersucht und bezüglich deren Effizienz im Einsatz als Feinstaubfilterauflagen verglichen. Sie basierten auf den synthetischen Polymeren PEO und PLA, sowie den beiden Seidenproteinen ChryC1 und eADF4(C16). Zunächst wurden Fasermatten mit unterschiedlichen Faserdurchmessern erfolgreich auf kommerziell erhältliches PA-Gewebe, welches als Stabilisationsunterlage und Träger verwendet wurde, elektro-gesponnen. Es konnte eine klare Abhängigkeit der Filtrationseffizienz von den eingesetzten Materialien, der Beschichtungsdicke, sowie den Faserdurchmessern festgestellt werden. Florfliegen- und Spinnenseidenfasermatten übertrafen die Leistungsfähigkeit derer, welche aus polymeren Materialien hergestellt wurden. Die Seidenfasermatten wurden mit Wasser- und Ethanoldampf nachbehandelt, um kristalline β-Faltblatt Strukturen zu induzieren und die Wasserlöslichkeit der Fasermatten zu reduzieren. Weiterhin verstärkte die Nachbehandlung die mechanische Stabilität und die Partikelabscheidung der Filtermatten.

Ein Zentrifugen-Elektrospinnverfahren mit dem Potenzial zur Hochskalierung wurde zur Produktion von sub-mikro Fasermatten auf PA-Gewebe verwendet. Der entscheidendste Schritt war hierbei die entsprechende Anpassung und Übertragung der Spinnparameter- und Bedingungen vom Elektrospinnprozess auf die neue Methode. Prozessparameter tragen während des Spinnvorgangs zusätzliche Scherkräfte in die Fasern ein, wodurch Zentrifugen-elektro-gesponnene Fasern mit Durchmessern unter 100 nm und einem gesteigerten Anteil an β-Faltblattstrukturen entstanden.