پروتئین سریسین ابریشم طبیعی

کاربردهای پروتئین سریسین ابریشم طبیعی در بیومتریال

سریسین ابریشم یک پروتئین ماکرومولکولی طبیعی است که از کرم ابریشم بومبیکس موری گرفته شده است. در طی مراحل مختلف تولید ابریشم خام و منسوجات، میتوان سریسین را برای دیگر مصارف بازیابی کرد. همچنین، بازیابی آن اثرات زیست محیطی تولید ابریشم را نیز کاهش میدهد. این پروتئین به دلیل داشتن خواصی همچون مقاومت در برابر اکسیداسیون، آنتی باکتری بودن، مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش، جذب و آزادسازی آسان رطوبت بسیار مفید است. علاوه براین، میتواند دارای پیوند متقاطع بوده و کوپلیمر شود؛ با سایر مواد ماکرومولکولی بویژه پلیمرهای مصنوعی مخلوط شده و مواد با خواص بهبودیافته را تولید کند. همچنین پروتئین سریسین میتواند بعنوان معرف بهبود دهنده یا ماده پوششی الیاف، منسوجات، الیاف طبیعی و مصنوعی مورد استفاده قرار گیرد. مواد اصلاح شده با کامپوزیت های سریسین و خودِ سریسین بعنوان بیومتریال زیست تخریب پذیر، مواد زیست پزشکی، پلیمرهای تشکیل دهنده مواد، غشاهای عملکردی، الیاف و منسوجات مفید هستند.

ابریشم تولید شده از کرم ابریشم بومبیکس موری یک پروتئین طبیعی است که عمدتآ از پروتئین های سریسین و فیبروین ساخته میشود. سریسین حاوی 25-30 درصد پروتئین ابریشم است و الیاف فیبرین را با لایه های چسبندۀ پی در پی می پوشاند که به تشکیل پیله کمک می کند. همچنین با چسباندن نخ های ابریشم به هم انسجام پیله را تضمین می کند. قسمت عمدۀ سریسین بایستی در حین تولید ابریشم خام در آسیاب حلقه ای و سایر مراحل فرآوری ابریشم برداشته شود. در حال حاضر، بیشتر بصورت ضایعات دور ریخته میشود. در سراسر جهان حدود یک میلیون تن (وزن خالص) پیله تولید میشود که معادل با 400 هزار تن پیله خشک است. فرآوری این ابریشم خام حدود 50 هزار تن سریسین تولید میکند؛ بطوری که اگر این پروتئین بازیابی شود، میتواند منافع اقتصادی و اجتماعی قابل توجهی به همراه داشته باشد. سریسین نیز همانند فیبروین یک پروتئین ماکرومولکولی با وزن مولکولی از 10 تا 300 کیلو دالتون است. این پروتئین از 18 اسید آمینه ساخته شده است که اکثر آنها دارای گروه های جانبی قطبی همانند هیدروکسیل، کربوکسیل و گروه های آمینه هستند. علاوه براین، اسیدهای آمینه سرین و اسید اسپارتیک به ترتیب تقریبآ 33.4 و 16.7 درصد از سریسین را تشکیل می دهند. سریسین یک پروتئین محلول در آب است؛ درصورت حل شدن در یک حلال قطبی ، در محلول های اسیدی یا قلیایی هیدرولیز شده و یا توسط پروتئاز تجزیه میشود. اندازه مولکول های آن نیز به عواملی مانند دما، Ph، و زمان فرآوری بستگی دارد. پپتیدهای سریسین با وزن مولکولی کم (کمتر از 20 کیلودالتون) یا هیدرولیزهای سریسین در محصولات آرایشی و بهداشتی من جمله محصولات مراقبت از پوست و مو، محصولات بهداشتی و دارویی استفاده میشود. ازطرفی، پپتیدهای سریسین با وزن مولکولی بالا (بیشتر از 20 کیلودالتون) اکثرآ بعنوان بیومتریال پزشکی، بیومتریال زیست تخریب، پلیمرهای ترکیبی، غشاهای زیستی عملکردی، هیدروژل ها، الیاف و منسوجات کاربردی استفاده میشوند. پپتیدهای کوچک سریسین در آب سرد قابل حل هستند و میتوان آنها را در مراحل اولیۀ تولید ابریشم خام بازیافت کرد. برعکس، پپتیدهای بزرگ در آب گرم حل میشوند و میتوان آنها را در مراحل آخر فرآوری ابریشم یا فرایندهای صمغ زدایی ابریشم بدست آورد. باوجود این خواص، برای بهبود پلیمرهای مصنوعی مانند پلی استرها، پلی آمید، پلی الفین و پلی اکریلونیتریل بسیار مفید هستند. همچنین، سریسین بعنوان عایق یا ماده مخلوط کننده در الیاف طبیعی، مصنوعات، منسوجات و مواد پلیمری کاربرد دارد.

مواد زیست تخریب پذیر

پلیمرهای زیست تخریب پذیر زیست سازگار را میتوان با ترکیب سریسین با سایر رزین ها تولید کرد. گفته میشود که فوم های پلی یورتان حاوی سریسین دارای خواص جذب / دفع رطوبت هستند. فیلم های پلیمری ، فوم ها ، رزین قالب گیری و الیاف حاوی سریسین میتوانند با واکنش نشان دادن به ترکیب حاوی پلیول (برای مثال پلی اتر پلیول حاصل از افزودن پلیمریزاسیون گلیسرول ، اکسید پروپیلن و اکسید اتیلن) ، تولیلن دی ایزوسیانات ، دی بوتیلتین دیلاورات (یک کاتالیزور) و تری کلرومونوفلوئورومتان (یک عامل دمنده) در حضور سریسین تولید شوند. میزان دفع / جذب رطوبت در فوم پلی یورتان حاوی سریسین دو تا پنج برابر بیشتر از میزان کنترل است. روش های دیگری نیز برای تولید پلی یورتان حاوی سریسین با خواص مکانیکی و حرارتی عالی گزارش شده است. در یک فرایند، پودر سریسین ابتدا در یک حلال آلی مانند تتراهیدروفوران و دیوکسان حل میشود که ممکن است حاوی ترکیب پلی اتر یا پلی استر پلیول باشد. سریسین موجود در محلول سپس با پلی ایزوسیانات (شامل پلی ایزوسیانات آلیفاتیک ، آلیسیکلیک یا معطر) واکنش نشان میدهد. پلی یورتان تولید شده شامل ترکیبات سریسین زیست تخریب پذیر است ؛ بطوری که میتوان آن را بصورت فیلم ، الیاف ، اجسام قالب زده شده ساخت. همچنین ازلحاظ اقتصادی ارزان تر است زیرا حاوی مقدار قابل توجهی زباله سریسین است. پوکه رزین مصنوعی ساخته شده با اختلاط محلول آبی سریسین و رزین مصنوعی گزارش شده است که بشرح زیر تهیه میشود : محلول استوک پلیول ابتدا با مخلوط کردن یک عامل فوم ساز، عامل تشکیل دهنده فوم ، پلیول ، یک کاتالیزور، پیشگیرنده آتش و محلول آبی سریسین یا پودر سریسین تشکیل میشود. بعد از صمغ زدایی مخلوط ، در مرحله بعد محلول موجود در محلول پلی ایزوسیانات با سریسین مخلوط میشود تا واکنش افزودن پلی آغاز شود ؛ این واکنش هم گرما و هم گاز آزاد شده از محلول ذخیره در سلول های مشخصۀ فوم را تولید می کند. درنهایت ، مایع فوم شده بصورت ساختار سه بعدی فومِ یورتان سفت جامد میشوند . حتی فوم ممکن است در حین شکل گیری ، قالب گیری شود.

مواد غشایی

جداسازی های مبتنی بر غشاء (برای مثال اسمز معکوس ، دیالیز، اولترافیلتراسیون، میکروفیلتراسیون) بطور گسترده ای در فرایندهایی همچون نمک زدایی آب ، تولید آب فوق العاده خالص ، صنعت فرآوری بیولوژیک و برخی فرایندهای شیمیایی استفاده میشوند. از سریسین و فیبروین میتوان برای ساخت غشاء در فرایندهای جداسازی کمک گرفت. برای مثال هیروتسو و ناکاجیما گزارش کردند که میتوان ترجیحآ از غشاء فیبروین ابریشم حل نشده برای حذف آب از مخلوط آب و الکل استفاده کرد. سریسین خالص براحتی به غشاء تبدیل نمیشود اما غشاهای سریسین به هم پیوسته ، مخلوط یا کوپلیمر با سایر مواد به راحتی ساخته میشوند. از آنجا که سریسین حاوی مقادیر زیادی اسید آمینه با گروه های عملکردی قطبی خنثی است ، غشاهای حاوی سریسین کاملآ آبدوست هستند. غشاهای کامپوزیتی سریسین برای آب در یک مخلوط مایع آبی - آلی انتخاب شدند. میزوگوچی و همکارانش یک فیلم نازک متقاطع ساخته شده از سریسین را برای استفاده بعنوان غشاء جداکننده آب و اتانول توصیف کردند. این غشاء با مخلوط کردن اسید کلریدریک، محلول آبی در یک عامل پیوند متقاطع همچون فرمالدئید ، محلول آبی در کوپلیمر رزین یورتان محلول در آب پاسخگوی حرارتی و سریسین آبی ساخته شد. محلول بدست آمده روی صفحه صاف مانند صفحه شیشه ای در دمای اتاق پخش شد؛ مدتی در دمای اتاق ماند تا پیوند متقابل با فرمالدئید حاصل شود. همچنین فیلم بدست آمده نیز با هوای گرم در دمای 120 درجه سلسیوس به مدت 10 دقیقه برای اتصال یورتان تحت تیمار قرار گرفت ؛ یک فیلم نازک متقاطع (ضخامت حدود 130 میلی متر) تشکیل شده و برای جداسازی مخلوط آب و الکل مورد استفاده قرار گرفت. غشاء سریسین میتواند بطور اثربخشی الکل را از مخلوط جدا کند ؛ همچنین میتوان مجددآ از غشاء استفاده کرد. اکریلونیتریل مورد استفاده در ساخت برخی از پلیمرهای مصنوعی را میتوان با سریسین کوپلیمر کرد و یک فیلم پلیمری مصنوعی حاوی پروتئین برای جداسازی آب از مواد آلی تهیه کرد. برای ساخت غشاء ، 30 میلی گرم از محلول سریسین آبی 10 درصدی به مخلوطی از اکریلونیتریل (10 گرم) ، کلسیم پراکسیدیزولفید (3 گرم) ، سدیم لوریل سولفات (0.15 گرم) و آب مقطر (300 میلی لیتر) اضافه شد. مخلوط واکنش در دمای 60 درجه سانتیگراد به مدت 4 ساعت حفظ شد ؛ رسوب کوپلیمر تشکیل شده با فیلتراسیون جمع آوری شد ؛ بارها و بارها با آب شسته و خشک شد. سپس کوپلیمر در 5 میلی لیتر دی متیل سولفوکسید در دمای 80 درجه سلسیوس حل شد و از محلول برای ریختن غشاء (با ضخامت 30 میلی لیتر) بر روی صفحه ای به مدت 2 ساعت در دمای 80 درجه سلسیوس قرار داده شد.

یامادا و فووا نیز غشایی از سریسین تهیه کردند که قادر به حل مخلوط راسمیک است. غشاء فیلتر دارای یک ساختار مشبک سه بعدی است که با پیوند و اتصال متقابل سریسین، یک ترکیب اپوکسی محلول در آب و یک عامل پیوند عرضی حاصل شد. سه نوع واکنش در تشکیل غشاء نقش داشتند: اول، ترکیب اپوکسی با گروه های هیدروکسیل ، آمینو و کربوکسیل سریسین کوپلیمر؛ دوم، ترکیب اپوکسی در حضور گلوتارآلدهید با گروه کربوکسیل سریسین کوپلیمر؛ سوم ، گروه های هیدروکسیل ، آمینو و کربوکسیل سریسین با گلوتارآلدهید کوپلیمر. محلول سریسین (10 درصد سریسین) با دیگلایسیدیل اتر (0.38 میلی)، دی اتیلن تریمین (0.14 میلی) و آب مقطر و مخلوط روی سطح ریخته شده و به مدت 48 ساعت در دمای اتاق ماند. سپس دما به مدت 2 ساعت تا 58 درجه افزایش یافت. غشاء سریسین بدست آمده به مدت 48 ساعت در مخلوط گلوتار آلدهید (0.1 درصد)، اسید سولفوریک (1 درصد) و سولفات سدیم (20 درصد) غوطه ور شد. غشاء فیلتر متقاطع بدست آمده میتواند مخلوط راسمیک را حل کند. این قابلیت ظاهرآ با ترکیب کایرال باقیماندۀ اسیدهای آمینه موجود در سریسین همراه بود. مواد ژل تولید شده با اختلاط آگاز یا آگارز با سریسین با وزن مولکولی متوسط 20 کیلو دالتون میتواند مخلوط اتر- الکل را جدا کند. ازطرفی برای تشکیل ژل پودر، سریسین با آگار یا آگارز با آزید سدیم و آب دیونیزه در دمای 60 درجه سلسیوس مخلوط شده و محلول به مدت 24 ساعت در دمای اتاق روی صفحه ریخته میشود. فیلم آگار/ آگارز- سریسین یک فیلم ژل متخلخل است که آب را جذب می کند. این فیلم حاوی 0.1 تا 60 درصد سریسین است و میتواند فشارهای 0.01-2 کیلوگرم / سانتیمتر مکعب را تحمل کند. همچنین از این فیلم میتوان برای جداسازی متیل بوتیلر (MTBE) از مخلوط MTBE و الکل استفاده کرد. فیلم ژل های مخلوط ساخته شده از آگار / آگارز و سریسین یا پلی اکسی اتیلن و هیدروکسی آلکلیل سلولز نیز مواد جدا کنندۀ خوبی برای اختلاط های اتر- الکل بویژه مخلوط MTBE و متانول محسوب میشوند.

بیومتریال عملکردی

تبدیل سریسین خالص به غشایی که مقاومت کافی و ارتجاعی برخوردار باشد دشوار است. با این حال، پروتئین سریسین میتواند به یک لایه نازک متصل به ماتریس دیگر تبدیل شود. ناکاجیما به این نتیجه رسیده است که فیلم سریسین واقع در لایه کریستال مایع میتواند مولکول های کریستال مایع را بصورت یکنواخت جهت دهی کند و نمایشگرهای کریستال مایع بدون انحراف را ارائه دهد. فیلم سریسین به شرح زیر است: پودر سریسین که با قرار دادن پیله کرم ابریشم ، الیاف ابریشم یا ابریشم خام در آب جوش به مدت 2 ساعت بازیابی شد، با استفاده از بنزن و اتانول شسته میشود تا ترکیبات چربی از بین برود؛ پودر سریسین خالص شده در آب حل شده و فیلتر میشود. محلول فیلتر شده را روی صفحه شفاف ریخته و در حالی که ورق را با دور 100-5000 دور در دقیقه می چرخد، خشک میشود. همچنین فیلم پوشش داده شده با سریسین به دلیل عملکرد یخ زدایی، روی سطح تجهیزات تبرید استفاده شد. استفاده از این فیلم یک روش یخ زدایی مؤثر محسوب میشود که میتوان بطور گسترده در یخچال ها ، فریزرهای عمیق، کامیون ها و کشتی های یخچال دار استفاده شود. علاوه براین، استفاده از آن در جاده ها و سقف ها از آسیب سرما جلوگیری کرده و برف روبی را آسان می کند. پروتئین سریسین را میتوان روی سطوح مختلف مواد با دوام پوشش داد تا عملکرد آنها را افزایش دهد. همچنین از سریسین میتوان در تهیه رنگ دانه های هنری و محافظت از سطح مواد استفاده کرد. مواد با پوشش سریسین دارای قابلیت جذب بالا و نفوذپذیری خوبی هستند و حتی پس از خشک شدن کدر نمی شوند. سریسین به خوبی با پلیمرهای محلول در آب بویژه با پلی وینیل الکل (PVA) مخلوط میشود. ایشیکاوا و همکارانش ساختار ریز و خواص فیزیکی فیلم های ترکیبی ساخته شده از سریسین و PVA را بررسی کردند. سریسین با وزن مولکولی بالا با جوشاندن پوستۀ پیله (پروتئین ابریشم) در آب به مدت 30 دقیقه استخراج شد؛ سپس با PVA (91 کیلو دالتون) مخلوط شده و مخلوط نیز بر روی صفحه پلاستیکی ریخته میشود تا در دمای اتاق به مدت 24 ساعت خشک شود. تجزیه و تحلیل حرارتی، پراش اشعه ایکس و میکروسکوپی الکترونیک نشان دادند که غشاء (با ضخامت 50 میلی متر) تشکیل شده دارای یک ساختار جدا شده از میکروفاژ است.

سریسین پروتئین ابریشم در حال حاضر همان ضایعات فرآوری ابریشم است. با این حال، براساس تحقیقات گسترده ثابت شده است که سریسین میتواند در ژل های پلیمری، غشاء، فوم ها، الیاف و سایر مواد ترکیبی با خواص مفید و غیرعادی استفاده شود. علاوه بر این، در تولید مواد نگه دارنده انجماد، ضد انعقاد و مواد زیست سازگار کاربرد دارد. باتوجه به بسیاری از اثرات مفید آن، به پژوهش های بیشتری در زمینه پایداری، زیست سازگاری و خواص عملکردی در محصولات با پایه سریسین نیاز است.