تأثیر غلظت لیگنین بر مورفولوژی و ساختار نانو الیاف فیبروئین ابریشم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان 84156-83111، ایران

چکیده

مقدمه و اهداف: با توجه به گسترش روزافزون فناوری نانو و خواص بهبودیافته مواد در مقیاس نانو، الکتروریسی به علت ساختار متخلخل با قابلیت عبور اکسیژن و گاز، روشی امیدوارکننده برای بازگرداندن عملکرد بافت‌های آسیب‌دیده می‌باشد. هدف این پژوهش، بررسی تأثیر غلظت لیگنین بر مورفولوژی و ساختار نانوالیاف فیبروئین ابریشم به منظور دستیابی به الیاف یکنواخت، جهت کاربردهای زیست‌پزشکی می‌باشد.
مواد و روش‌ها: ابتدا فیبروئین ابریشم از پیله‌های کرم ابریشم استخراج و با افزودن لیگنین با نسبت‌های 5:1 تا 7:1  تهیه و با الکتروریسی در سه ولتاژ 20، 25 و 30 کیلوولت، نانوالیاف ساخته شد. برای ارزیابی موفقیت استخراج فیبروئین و تولید الیاف، مشخصه‌یابی آن‌ها با روش‌های مختلف انجام شد. ابتدا، مورفولوژی با میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی شد و سپس زاویه تماس ارزیابی گردید.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که الیاف فیبروئین ابریشم خالص و کامپوزیت فیبروئین ابریشم-لیگنین در نسبت‌های 5:1، 6:1 و 7:1، در ولتاژ 20 کیلوولت، یکنواخت بوده و به ترتیب دارای قطری برابر با  37 ± 241/44، 11 ± 309/10، 74 ± 164/05 و 58 ± 181/38 نانومتر است. ارزیابی زاویه تماس نشان داد که زاویه تماس با آب در فیبروئین ابریشم خالص (°5±49) در کامپوزیت‌های ساخته‌شده با نسبت‌های 5:1، 6:1 و 7:1 به ترتیب به °4±63، °2±66 و °6±71 افزایش یافت.
نتیجه‌گیری: با توجه به قرارگیری زاویه تماس در محدوده ۵۵ تا ۷۵ درجه و تشکیل نانوالیاف یکنواخت، نانوالیاف کامپوزیتی فیبروئین ابریشم-لیگنین بستر مناسبی برای رشد و تکثیر سلولی فراهم کرده و پتانسیل استفاده در کاربردهای زیستی را دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The Effect of Lignin Concentration on the Morphology and Structure of Silk Fibroin Nanofibers

نویسندگان [English]

  • Amirhosein Mohammadifard
  • Mahshid Kharaziha
  • Masoud Atapour
Department of Materials Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran
چکیده [English]

Introduction and Objectives: With the rapid advancement of nanotechnology and the enhanced properties of materials at the nanoscale, electrospinning has emerged as a promising technique for restoring the functionality of damaged tissues due to its porous structure, which facilitates oxygen and gas permeability. This study aims to investigate the effect of lignin concentration on the morphology and structure of silk fibroin nanofibers to achieve uniform fibers suitable for biomedical applications.
Materials and Methods: Silk fibroin was first extracted from silkworm cocoons and blended with lignin at ratios ranging from 5:1 to 7:1. Nanofibers were then fabricated using electrospinning at three voltage levels: 20, 25, and 30 kV. To assess the successful extraction of fibroin and the fabrication of fibers, various characterization techniques were employed. Initially, scanning electron microscopy was used to analyze the morphological characteristics, followed by contact angle measurements.
Results: The findings indicated that both pure silk fibroin fibers and silk fibroin-lignin composite fibers fabricated at 20 kV with lignin ratios of 5:1, 6:1, and 7:1 exhibited uniform structures, with average diameters of 241.44 ± 37 nm, 309.10 ± 11 nm, 164.05 ± 74 nm, and 181.38 ± 58 nm, respectively. Moreover, contact angle analysis revealed that the water contact angle of pure silk fibroin (49 ± 5°) increased to 63 ± 4°, 66 ± 2°, and 71 ± 6° for composite fibers with lignin ratios of 5:1, 6:1, and 7:1, respectively.
Conclusion: Given that the contact angle values fall within the range of 55–75° and the nanofibers exhibit a uniform structure, silk fibroin-lignin composite nanofibers provide a favorable surface for cell adhesion and proliferation, making them promising candidates for biomedical applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Electrospinning
  • Silk fibroin
  • Lignin
  • Morphology
  • Wettability

مراجع

  1. Jiang Z, Zheng Z, Yu S, Gao Y, Ma J, Huang L, et al. Nanofiber scaffolds as drug delivery systems promoting wound healing. Pharmaceutics 2023;15(7): https://doi.org/10.3390/pharmaceutics15071829
  2. Mirhaj M, Tavakoli M, Varshosaz J, Labbaf S, Jafarpour F, Ahmaditabar P, et al. Platelet rich fibrin containing nanofibrous dressing for wound healing application: Fabrication, characterization and biological evaluations. Biomater Adv. 2022;134: 112541. https://doi.org/10.1016/j.msec.2021.112541
  3. Xing X, Han Y, Cheng H. Biomedical applications of chitosan/silk fibroin composites: A review. Int J Biol Macromol. 2023;124407. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.124407
  4. Zhu L, Lin J, Pei L, Luo Y, Li D, Huang Z. Recent advances in environmentally friendly and green degumming processes of silk for textile and non-textile applications. Polymers (Basel) 2022;14(4):659. https://doi.org/10.3390/polym14040659
  5. Sultan MT, Lee OJ, Kim SH, Ju HW, Park CH. Silk fibroin in wound healing process. Nov Biomater Regen Med. 2018;115–26. https://doi.org/10.1007/978-981-13-0947-2_7
  6. Selvaraj S, Inbasekar C, Pandurangan S, Nishter NF. Collagen-coated silk fibroin nanofibers with antioxidants for enhanced wound healing. J Biomater Sci Polym Ed. 2023;34(1):35–52. https://doi.org/10.1080/09205063.2022.2106707
  7. Faruk O, Sain M. Lignin in polymer composites. William Andrew; 2015.
  8. Figueiredo P, Lintinen K, Hirvonen JT, Kostiainen MA, Santos HA. Properties and chemical modifications of lignin: Towards lignin-based nanomaterials for biomedical applications. Prog Mater Sci. 2018;93:233–69. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.12.001
  9. Poursorkhabi Sharifabad V. Production and Evaluation of Carbonized Electrospun Fibers from Bioethanol Lignin. University of Guelph; 2016.
  10. Lee E-S, Kim Y-O, Ha Y-M, Lim D, Hwang JY, Kim J, et al. Antimicrobial properties of lignin-decorated thin multi-walled carbon nanotubes in poly (vinyl alcohol) nanocomposites. Eur Polym J. 2018;105:79–84. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2018.05.014
  11. Salami MA, Kaveian F, Rafienia M, Saber-Samandari S, Khandan A, Naeimi M. Electrospun polycaprolactone/lignin-based nanocomposite as a novel tissue scaffold for biomedical applications. J Med Signals Sens. 2017;7(4):228.
  12. Rockwood DN, Preda RC, Yücel T, Wang X, Lovett ML, Kaplan DL. Materials fabrication from Bombyx mori silk fibroin. Nat Protoc. 2011;6(10):1612–31. https://doi.org/10.1038/nprot.2011.379
  13. Atrian M, Kharaziha M, Emadi R, Alihosseini F. Silk-Laponite® fibrous membranes for bone tissue engineering. Appl Clay Sci. 2019;174:90–9. https://doi.org/10.1016/j.clay.2019.03.038
  14. Cintra ILR, Rezende MC, Guerrini LM, Nahra LR, Lucas RR, Montagna LS, et al. Electrospinning of PAN/lignin blends aiming the production of carbon nanofibers. MRS Commun. 2024;14(1):82–9. https://doi.org/10.1557/s43579-023-00504-5
  15. Zhu H, Shen J, Feng X, Zhang H, Guo Y, Chen J. Fabrication and characterization of bioactive silk fibroin/wollastonite composite scaffolds. Mater Sci Eng C. 2010;30(1):132–40. https://doi.org/10.1016/j.msec.2009.09.009
  16. Zhou J, Cao C, Ma X, Lin J. Electrospinning of silk fibroin and collagen for vascular tissue engineering. Int J Biol Macromol. 2010;47(4):514–9. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2010.07.010
  17. Chen C, Chuanbao C, Xilan M, Yin T, Hesun Z. Preparation of non-woven mats from all-aqueous silk fibroin solution with electrospinning method. Polymer (Guildf) 2006;47(18):6322–7. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2006.07.009
  18. Ohgo K, Zhao C, Kobayashi M, Asakura T. Preparation of non-woven nanofibers of Bombyx mori silk, Samia cynthia ricini silk and recombinant hybrid silk with electrospinning method. Polymer (Guildf) 2003;44(3):841–6. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(02)00819-4
  19. Um IC, Kweon H, Park YH, Hudson S. Structural characteristics and properties of the regenerated silk fibroin prepared from formic acid. Int J Biol Macromol. 2001;29(2):91–7. https://doi.org/10.1016/S0141-8130(01)00159-3
  20. Hohman MM, Shin M, Rutledge G, Brenner MP. Electrospinning and electrically forced jets. I. Stability theory. Phys fluids 2001;13(8):2201–20. https://doi.org/10.1063/1.1383791
  21. Beachley V, Wen X. Effect of electrospinning parameters on the nanofiber diameter and length. Mater Sci Eng C. 2009;29(3):663–8. https://doi.org/10.1016/j.msec.2008.10.037
  22. Ling S, Qi Z, Knight DP, Shao Z, Chen X. Synchrotron FTIR microspectroscopy of single natural silk fibers. Biomacromolecules 2011;12(9):3344–9. https://doi.org/10.1021/bm2006032
  23. Jin C, Song W, Liu T, Xin J, Hiscox WC, Zhang J, et al. Temperature and pH responsive hydrogels using methacrylated lignosulfonate cross-linker: synthesis, characterization, and properties. ACS Sustain Chem Eng. 2018;6(2):1763–71. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.7b03158
  24. Zhang Y, Peng S, Li X, Wang X, Jiang J, Liu X, et al. Design and function of lignin/silk fibroin-based multilayer water purification membranes for dye adsorption. Int J Biol Macromol. 2023;253:126863. https://doi.org/10.3390/ma9120992
  25. Wang W, Caetano G, Ambler WS, Blaker JJ, Frade MA, Mandal P, et al. Enhancing the hydrophilicity and cell attachment of 3D printed PCL/graphene scaffolds for bone tissue engineering. Materials (Basel) 2016;9(12):992. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.126187
  26. Ahmed S, Keniry M, Padilla V, Anaya-Barbosa N, Javed MN, Gilkerson R, et al. Development of pullulan/chitosan/salvianolic acid ternary fibrous membranes and their potential for chemotherapeutic applications. Int J Biol Macromol. 2023;250:126187. https://doi.org/10.3390/membranes1040275
  27. Wei K, Kim B-S, Kim I-S. Fabrication and biocompatibility of electrospun silk biocomposites. Membranes (Basel) 2011;1(4):275–98. https://doi.org/10.3390/membranes1040275
مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 44، شماره 4
(شماره پیاپی 51)
1404
صفحه 1-14

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

تحت نظارت وف ایرانی