Spider silk and artificial spider silk

Edderkoppesilke er et af naturens supermaterialer på grund af dets overlegne mekaniske egenskaber såsom ekstraordinær elasticitet og styrke. Med disse egenskaber ville edderkoppesilke være anvendeligt i industrier som transport og tekstiler, og dette er motivationen
til forskningen i naturlig edderkoppesilkes egenskaber og produktionen af kunstig silke.


Formålet med dette projekt er at karakterisere den mikro- og nanoskopiske struktur af Major Ampullate silk (MAS) og Minor Ampullate silk (MiS) edderkoppesilkefibre fra hjulspinderedderkoppen Nephila madagascariensis i både naturlig og våd (supercontracted) tilstand. En gennemgang af den nuværende state-of-art indenfor spinding af kunstig
edderkoppesilke præsenteres også.


Ved hjælp af confocal Raman mapping, Coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) mikroskopi og confocal mikroskopi blev det vist, at edderkoppesilkefibre består af et ydre hydrofobt lipidindeholdende lag >500 nm tykt.
Kernen i fibrene viste sig at være to separate proteinlag, hvor den indre komponent i MAS fibre viste en øget mængde af prolin, tyrosin, leucin, alanin og uordnede strukturer, hvilket bekræftede tilstedeværelsen af proteinet MaSp2 i kernen. Det viste sig også, at den ydre proteinkerne havde et højere indhold af tryptofan, hvor det hydrofile farvestof Rhodamine B, i både MAS og MiS fibre, viste en højere affinitet overfor disse indre proteiner og FITC viste en højere affinitet overfor det ydre proteinlag.
Ved hjælp af scanning Helium ion mikroskopi og ultra opløsning confocal scattering fluorescens depletion (CSFD) mikroskopi blev det for første gang i en intakt silkefiber vist, at proteinkernen består af fibriller med en diameter mellem 89 og 228 nm arrangeret parallelt med hinanden og med længden af fiberen.
Under supercontraction blev det vist, at længden af både MAS- og MiS fibre mindskes, og med CARS- og confocal mikroskopi blev det vist, at diameteren af MAS fibre øges med omkring 2 µm, mens diameteren ikke ændres i MiS fibre. Confocal mikroskopi viste, at supercontraction forårsager en ændring i fiberens materialeegenskaber, da affiniteten af de anvendte farvestoffer ændrede sig sammenlignet med ikke-supercontracted fibre.
Med CSFD mikroskopi blev det vist, at supercontraction i MAS fibre forårsager en forøgning af diameteren af fibrillerne og også en øget afstand mellem fibrillerne.


Gennem et litteraturstudie blev det fundet, at de nuværende systemer til fremstilling af kunstige edderkoppesilkeproteiner ikke er i stand til at producere store nok proteiner, undtagen et enkelt tilfælde ved hjælp af E-coli. De mekaniske egenskaber af kunstig edderkoppesilke viste sig, at være meget afhængige af størrelsen af edderkoppesilkeproteinerne, da den højeste kvalitets silke er fremstillet af de største proteiner. Men de mekaniske egenskaber af kunstig silke er stadig ringere end naturlig edderkoppesilke.
Det blev konstateret, at spindeteknikkerne wet spinning, electrospinning og microfluidics i deres nuværende tilstand ikke er i stand til at producere silke af høj kvalitet med de ønskede mekaniske egenskaber. Dette menes at skyldes den manglende biomimicing i disse eksperimenter, dvs. at produktionsmetoderne ikke omfatter den samme proces som findes i edderkoppen.
I dette arbejde blev der udført wet spinning af kunstig edderkoppesilke, men de resulterende fibre var af dårlig kvalitet. Foreløbige resultater fra forskellige 3D-fokuserende microfluidic chips præsenteres. Der er dog behov for mere forskning for at succesfuldt skabe kunstig edderkoppesilke ved hjælp af disse chips.