WO2007031301A2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines fadens aus seidenproteinen - Google Patents

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WO2007031301A2
WO2007031301A2 PCT/EP2006/008924 EP2006008924W WO2007031301A2 WO 2007031301 A2 WO2007031301 A2 WO 2007031301A2 EP 2006008924 W EP2006008924 W EP 2006008924W WO 2007031301 A2 WO2007031301 A2 WO 2007031301A2
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Daniel HÜMMERICH
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    • D01B—MECHANICAL TREATMENT OF NATURAL FIBROUS OR FILAMENTARY MATERIAL TO OBTAIN FIBRES OF FILAMENTS, e.g. FOR SPINNING
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/06—Wet spinning methods
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01C—CHEMICAL OR BIOLOGICAL TREATMENT OF NATURAL FILAMENTARY OR FIBROUS MATERIAL TO OBTAIN FILAMENTS OR FIBRES FOR SPINNING; CARBONISING RAGS TO RECOVER ANIMAL FIBRES
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F4/00—Monocomponent artificial filaments or the like of proteins; Manufacture thereof
    • D01F4/02—Monocomponent artificial filaments or the like of proteins; Manufacture thereof from fibroin

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a thread of silk proteins and to a device which is suitable for carrying out the method. Moreover, the invention is directed to threads obtained therefrom and their use.
  • Natural silk e.g. Spider silk is an exceptional material that has a very high tensile strength in combination with a high extensibility. Because of these properties has been trying for years to produce this material in larger quantities. Since it is not possible to use animals such as To employ spiders for this purpose, research has focused on the study of methods in which the starting material for the silk (e.g., spider silk proteins) is recombinantly recovered and then spun into a thread.
  • the starting material for the silk e.g., spider silk proteins
  • Authentic silk proteins (recombinant proteins obtained with the help of authentic silk gene sequences) and synthetic silk proteins (proteins based on synthetic genes whose primary sequence largely corresponds to the natural sequence) are used as raw material.
  • the quality of an artificially made yarn is presumably determined by both the raw material used and the spinning process used.
  • the artificial silk particles must be converted from a soluble form to an insoluble fibrillar form, the structure of which should be as close as possible to that of the authentic thread.
  • the research group of Jelinski developed a micro-spinning apparatus that allowed the spinning of a few milligrams of silk protein into silk threads several meters long (Liivak et al., 1998).
  • the starting material used was silk of the spider Nephila clavipes dissolved in hexafluoroisopropanol. The protein thus dissolved was injected through a spinneret into a precipitation bath of acetone.
  • Another group developed a spinning method in which a methanol / water mixture was used as a precipitation bath.
  • a synthetic silk protein and recombinant MaSpI of the spider Nephila clavipes could be spun into threads from a urea-containing solution.
  • US 2003/0201560 relates to an apparatus for spinning filaments from protein solutions. It is stated that the device has a funnel-shaped section through which the protein solution or "dope" is passed, this passage at least partially consisting of a semipermeable and / or porous material.
  • WO 2005/017237 relates inter alia to a device for assembling proteins.
  • the device comprises a tubular passage whose walls are partially permeable or porous. This has the advantage of controlling pH, water content and ionic composition.
  • WO 2004/057069 relates to a method and a device for producing objects, in particular also for spinning threads made of spider silk proteins. This method mainly relates to the sol-gel transition of the protein solution, which is achieved, for example, by the addition of potassium, preferably potassium fluoride.
  • the device used to carry out the method has a "transition compartment", which may be semipermeable or porous.
  • WO 2003/060099 is concerned with the production of spider silk fibers or biofilaments.
  • an "extrusion unit" is described, through which the spider silk protein solution is passed,
  • WO 2003/060099 is directed to the introduction of the filaments into a coagulation bath after contact with air.
  • an object of the present invention to provide a method and apparatus for producing silk proteins which obviates the need for the precipitation bath and the addition of non-natural, chaotropic or lyotropic agents. It is a further object of the present invention to produce by a method and an apparatus stable silk yarns having mechanical properties which approximate or correspond to natural silk proteins.
  • An additional object of the invention is the production of silk yarns in high yield, i. in an amount suitable for large-scale production.
  • the previously used methods for spinning spider silk proteins are usually based on the injection of a protein solution into a precipitation bath, wherein for stabilizing the soluble state of the proteins in the spinning solution therein usually chaotropic, lyotropic substances or organic solvents are included.
  • the process according to the invention is based exclusively on aqueous solutions without additions of unnatural, chaotropic or lyotropic agents.
  • the proteins are presumably in a conformational state that corresponds to the natural state.
  • the thread assembly is completed by pulling on the partially assembled high protein phase. From studies on chemical polymers it is known that the stretching of concentrated polymer solutions leads to an orientation of the individual polymer chains and thus an increased stability of a fiber formed therefrom. Therefore, it is to be presumed that the tensile-based spinning method used here is superior to the pressure-based methods.
  • the spinning apparatus of the present invention allows high performance synthetic spun silk fibers to be used, which find their uses in many fields of engineering and industry. In addition to ballistic applications such as the development of bulletproof equipment, synthetic spider silk could also be used for parachutes, specialty ropes and nets, sporting goods, textiles, but also for lightweight aircraft components.
  • the present invention relates to a method for producing a thread of silk proteins, comprising the following steps:
  • the winning of the silk thread is preferably done by train.
  • the silk proteins are characterized by proteins of natural or recombinant origin, i. Proteins, for example, of arachnids
  • insects insects (Insecta) are derived.
  • the origin of the proteins are the silk moth ⁇ Bombyx mori), the lacewing (Chrysoperla carnea), the spider
  • the silk proteins used herein may be authentic, ie, represent the natural sequences, or may be synthetic, ie synthetic gene-based proteins whose primary sequence corresponds largely to the natural sequence.
  • diffusion unit as used herein describes a storage medium that allows for diffusion of components therefrom and into it.
  • the diffusion unit of the present invention is not the porous or semi-permeable membrane of the prior art through which a one-sided passage from
  • the diffusion unit of the present invention may be referred to as a matrix in which, on the one hand, the potassium and phosphate ions necessary for the formation of protein rich and poor phases
  • the protein-poor phase of the silk protein solution (not to be used for the thread assembly) is taken up.
  • the spinning solution provided in a) contains at least 1% -50%, preferably 10% -40%, most preferably 10% -20% (w / v) of silk protein.
  • Solution is found to be from 4.0-12.0, preferably from 6.5-8.5, and most preferably 8.0. This solution is also called a "dope.” "Dope" means one
  • Liquid or solution which may include protein aggregates in addition to protein monomers, for example dimers, trimers and / or tetramers.
  • This protein solution may contain, in addition to the solvents listed below, also additives such as e.g.
  • the solution preferably comprises a polar solvent selected from water, alcohols and mixtures thereof.
  • alcohols include methanol, ethanol, propanol, isopropanol or polyhydric alcohols such as glycerol or propylene glycol.
  • the latter solvents can be used in addition to their solvent properties as a means for adjusting the viscosity and / or as a preservative.
  • the step of obtaining the silk thread includes contacting the protein rich phase with a gas or a liquid.
  • the gas will be an oxygen-containing gas, ie when, inter alia, an oxidation effect is desired.
  • the gas may also be an inert gas such as nitrogen, argon, helium, etc. Also suitable are mixtures of these gases.
  • contacting with liquids may also be considered, examples being methanol, ethanol, propanol, isopropanol, acetone, acetonitrile, preferably methanol.
  • the diffusion unit of the present invention is formed in a particularly preferred embodiment of a gel material.
  • the gel material used is preferably a hydrogel, in particular a hydrogel comprising polyacrylamide, cellulose derivatives, polyvinyl methyl ether (PVME), polystyrene polybutadiene (PS-PB), stearyl acrylate, polyethylene (PE), polystyrene (PS), Polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid, poly (N-vinylpyrrolidone) - (PVP), polyethylene terephthalate (PET), polyisopropyleneacrylamide, polyethersulfonic acid and / or silicone hydrogels.
  • PVME polyvinyl methyl ether
  • PS-PB polystyrene polybutadiene
  • PVA Polyvinyl alcohol
  • PVP polyacrylic acid
  • PVP poly (N-vinylpyrrolidone) -
  • PET polyethylene terephthalate
  • the diffusion unit may be formed of a ceramic.
  • the present invention relates to an apparatus for carrying out the method defined above, comprising:
  • the diffusion unit having a channel for passing the solution surrounded by a composition containing potassium and phosphate ions, the solution coming into contact with the potassium and phosphate ions diffusing out of the diffusion unit so that the diffusion unit at the exit of its channel is in contact with the provides a silk protein rich and low-phase separated solution;
  • the first device is designed as a syringe coupled to a controllable pump.
  • a controller such as a microcontroller, controls the controllable pump.
  • the control device further comprises a memory in which a sequence program for the control of the controllable pump can be stored.
  • the first device is designed as a controllable pumping system, which spends the solution in a continuous process in the Diffiisionsaku.
  • the control program described above is designed such that it controls and thus ensures the continuous process for the introduction of the solution into the diffusion unit.
  • the diffusion unit has at the outlet of its channel a taper or a nozzle, by means of which the escape of the solution from the diffusion unit is controllable.
  • the nozzle or taper is constructed so that their cross-sectional areas decrease towards the outside.
  • the second device is designed as a roller or roller driven by a drive device, which pulls the silk thread from a drop which forms at the exit of the diffusion unit from the protein-rich phase of the solution.
  • the drive device is also coupled to the control device, so that the sequence program stored in the memory of the control device also controls the drive device, so that in particular the continuous process for pulling the thread is ensured.
  • the roller or roller pulls the spider silk thread by means of a tensile force necessary for the protein assembly.
  • the diffusion unit is designed as an exchangeable cartridge.
  • the drive device has a motor and / or a transmission.
  • the channel of the diffusion unit for the passage of the solution has a substantially constant inner diameter.
  • the approach of the present invention differs in particular from the prior art, e.g. US 2003/0201560: the tubular portion is shown here in all embodiments as a funnel. It is expressly understood that the molecular orientation in a fiber can be improved when using a nozzle with a convergent geometry. The present invention preferably does not follow this approach.
  • the diffusion unit has a third device, by means of which the low-protein phase can be removed from the diffusion unit.
  • the third device is designed as a vacuum pump.
  • the present invention relates to a thread which can be produced by the method according to one or more of claims 1-10.
  • This thread is preferably used in engineering and industry for ballistic applications, such as the development of bullet-proof equipment, for the manufacture of parachutes, special ropes and nets, sports articles, textiles, medical technology, but also for lightweight components of aircraft.
  • Figure 1 is a schematic block diagram of an embodiment of the inventive device for producing a silk protein thread
  • Figure 2 is a schematic block diagram of an embodiment of the diffusion unit according to the present invention
  • Figure 3 is a photographic image of an apparatus of the present invention
  • Figure 4 is a photograph of a diffusion unit of the present invention.
  • Figure 5 shows an analysis of the assembled thread.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a preferred exemplary embodiment of the device 1 according to the invention.
  • the inventive device 1 for carrying out the method according to the invention for producing a silk thread 7 made of silk proteins has a first device 2, a diffusion unit 4 and a second device 6.
  • the first device 2 spends the solution 3 of silk proteins into the diffusion unit 4.
  • the first device 2 is designed as a syringe 22 coupled to a controllable pump 21.
  • a reservoir 23 for the solution 3 is arranged between the pump 21 and the syringe 22.
  • the reference symbol F denotes the flow direction of the solution 3 into the reservoir 23.
  • the first device 2 can be designed as a controllable pumping system which keeps the solution 3 in a continuous flow Process in the diffusion unit 4 spends.
  • the pumping system preferably has at least one peristaltic pump.
  • the first device 2 is connected to the diffusion unit 4 by means of a cannula 8.
  • the diffusion unit 4 has a channel 41 for the passage of the solution 3.
  • the channel 41 is surrounded by a composition 42 containing potassium and phosphate ions.
  • the solution 3 comes into contact with the potassium and phosphate ions diffusing out of the diffusion unit 4, so that the diffusion unit 4 at the exit 43 of its channel 41 provides the solution 3 separated into a silk-protein-rich phase 5 and a low-silk phase.
  • the diffusion unit 4 at the outlet 43 of its channel 41 a taper or nozzle 44, by means of which the leakage of the solution 3 from the diffusion unit 4, in particular by means of its geometric configuration is controllable.
  • the device 1 according to the invention has the second device 6, which generates the silk thread 7 from the protein-rich phase 5 of the solution 3.
  • the second device 6 is designed as a roller or roller driven by a drive device, which pulls the silk thread 7 from a drop which forms at the outlet 43 of the diffusion unit 4 from the protein-rich phase 5 of the solution 3.
  • the roller 6 pulls the spider silk thread 7 by means of a tensile force necessary for the protein assembly.
  • the drive device that drives the roller 6 has an engine and / or a transmission.
  • Figure 2 shows a particularly preferred embodiment of the diffusion unit 4 shown in Figure 1.
  • the inner diameter d of the channel 41, which serves to carry out the solution 3 substantially constant.
  • the diffusion unit 4 is preferably designed as a replaceable cartridge, so that the diffusion unit 4 can be replaced, in particular, when it is saturated with a protein-poor phase of the solution 3.
  • the diffusion unit 4 has, in particular, a third device by means of which the low-protein phase can be removed from the diffusion unit 4.
  • this third device is designed as a vacuum pump.
  • the unit represented by the reference numeral 45 in FIG. 2 designates a buffer reservoir.
  • the invention described here integrates these processes in a spinning process which allows the mechanical production of mechanically loadable protein threads.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the spinning process of the invention with reference to an embodiment.
  • This process essentially comprises four components.
  • An adjustable motor / gear unit ensures that the spinning solution is continuously fed into a diffusion unit via a syringe.
  • Phase separation leads. High-protein and low-energy phases are transported further to the exit of the diffusion unit where they come in contact with air. This contact is essential for the spinning process and presumably leads to the reduction of the aqueous phase
  • a thread can be drawn from the formed drop of protein-rich phase (Fig. 2).
  • Fig. 2 shows elements of the diffusion unit according to an embodiment of the invention.
  • FIG.3 The functionality of the presented method could be demonstrated by the construction of a prototype (Fig.3).
  • the engine and transmission unit as well as the framework of the prototype were constructed from elements of a metal construction kit (Compakttechnik GmbH, Schriesheim, Germany).
  • a 25 ⁇ l glass syringe with metal needle was used for the tracking of the spinning solution.
  • Figure 3 shows a preferred embodiment of the invention.
  • the diffusion unit consists of a 20% polyacrylamide gel, which is equilibrated in 0.5 M potassium phosphate pH 8.0. Through the gel, a channel of 0.7 mm in diameter, ending in a plastic tip with an inner diameter of about 0.2 mm (Fig.4). Of the Protein thread is wound up by a 4 cm diameter Teflon roller rotating at approx. 60 rpm.
  • Figure 4 is an overview of the diffusion unit.
  • Figure 5 shows an analysis of the assembled thread.
  • A The thread is wound up by means of the Teflon roller.
  • B Scanning electron micrograph of the resulting thread.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fadenherstellungsprozess aus Seidenproteinen inkl. einer Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. Darüber hinaus ist die Erfindung auf daraus gewonnene Fäden sowie deren Verwendung gerichtet. Die Erfindung macht von einer Diffusionseinheit Gebrauch, die zur Erzeugung qualitativ hochwertiger Seidenfäden mit hoher Ausbeute führt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Fadens aus Seidenproteinen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Fadens aus Seidenproteinen sowie eine Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. Darüberhinaus ist die Erfindung auf daraus gewonnene Fäden sowie deren Verwendung gerichtet.
Natürliche Seide, z.B. Spinnenseide, ist ein außergewöhnliches Material, das eine sehr hohe Zugfestigkeit in Kombination mit einer hohen Dehnbarkeit aufweist. Aufgrund dieser Eigenschaften wird seit Jahren versucht, dieses Material in größeren Mengen herzustellen. Da es nicht möglich ist, Tiere wie z.B. Spinnen für diesen Zweck einzusetzen, konzentriert sich die Forschung auf die Untersuchung von Verfahren, bei denen das Ausgangsmaterial für die Seide (z.B. Spinnenseidenproteine) rekombinant gewonnen und anschließend zu einem Faden versponnen wird.
Als Rohmaterial finden dabei authentische Seidenproteine (rekombinante Proteine, die mit Hilfe authentischer Seidengensequenzen gewonnen werden) und synthetische Seidenproteine (auf synthetischen Genen basierende Proteine, deren Primärsequenz weitgehend der natürlichen Sequenz entspricht) Verwendung. Die Qualität eines künstlich hergestellten Fadens wird vermutlich sowohl von dem eingesetzten Rohmaterial als auch von dem angewandten Spinnverfahren bestimmt.
Wie beim natürlichen Spinnprozess müssen bei künstlichen Spinnversuchen die Seidenproteine von einer löslichen Form in eine unlösliche fibrilläre Form überführt werden, deren Struktur dem authentischen Faden möglichst gleich kommen soll. Die Arbeitsgruppe von Jelinski entwickelte dazu einen Mikrospinnapparat, der die Verspinnung weniger Milligramm Seidenprotein zu mehreren Meter langen Seidenfäden erlaubte (Liivak et al., 1998). Als Ausgangsmaterial wurde in Hexafluoroisopropanol gelöste Seide der Spinne Nephila clavipes verwendet. Das so gelöste Protein wurde durch eine Spinndüse in ein Fällungsbad aus Aceton gespritzt. So erhaltene Fäden waren jedoch sehr spröde und wiesen kaum strukturelle Ähnlichkeit mit natürlichen Seidenfäden auf (Seidel et ai, 1998; Seidel et al., 2000). Erst durch Behandlung mit Wasser und durch nachträgliches Ziehen des Fadens (post spin draw) konnten sowohl mechanische als auch strukturelle Parameter verbessert werden. Die Eigenschaften der natürlichen Seide wurden allerdings nicht erreicht (Seidel et al, 2000).
Eine andere Gruppe entwickelte eine Spinnmethode, in der ein Methanol / Wasser Gemisch als Fällungsbad zum Einsatz kam. Damit konnten ein synthetisches Seidenprotein und rekombinantes MaSpI der Spinne Nephila clavipes aus einer harnstoffhaltigen Lösung heraus zu Fäden versponnen werden. Diese waren jedoch ebenfalls spröde (Arcidiacono et al, 2002).
Mit der gleichen Methode konnte rekombinantes, ohne chaotrope Reagenzien gelöstes, ADF-3 zu Fäden versponnen werden. Auch in diesem Fall konnten die Eigenschaften des Fadens durch post spin draw verbessert werden (Lazaris et al., 2002). Die Zugfestigkeit natürlicher Fäden wurde jedoch nicht erreicht. Die Firmen Oxford Biomaterials (Oxford, Großbritannien), Spin'Tech GmbH (Ludwigsburg, Deutschland) und das Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH (Mainz, Deutschland) haben nach Kenntnisstand der Erfinder ein Verfahren entwickelt, mit dem Seidenproteine durch ein Mikrodialyse- oder ähnliches Verfahren zu Fäden versponnen werden kann.
Daneben gibt es erfolgreiche Versuche, durch sog. Elektrospinning aus Seidenproteinen Fäden zu gewinnen (Prof. Frank Ko, Drexel University, Philadelphia, PA, U. S.A.). Über die mechanischen Eigenschaften der so hergestellten Fäden ist bisher jedoch noch nichts veröffentlicht worden.
US 2003/0201560 betrifft eine Vorrichtung zum Spinnen von Fäden aus Proteinlösungen. Es wird dargelegt, daß die Vorrichtung einen trichterförmigen Abschnitt aufweist, durch den die Proteinlösung bzw. "Dope" hindurchgeleitet wird, wobei diese Passage zumindest teilweise aus einem semipermeablen und/oder porösen Material besteht.
WO 2005/017237 betrifft unter anderem eine Vorrichtung zur Assemblierung von Proteinen. Die Vorrichtung weist eine rohrförmige Passage umfaßt, deren Wände teilweise permeabel oder porös sind. Dies hat den Vorteil, pH, Wassergehalt und Ionenzusammensetzung zu kontrollieren. WO 2004/057069 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Objekten, insbesondere auch zum Spinnen von Fäden aus Spinnenseidenproteinen. Dieses Verfahren betrifft schwerpunktmäßig den Sol-Gelübergang der Proteinlösung, der beispielsweise durch Zusatz von Kalium, vorzugsweise Kaliumfluorid, erreicht wird. Darüber hinaus wird hier angegeben, daß die zur Durchführung des Verfahrens verwendete Vorrichtung ein „transition compartment" aufweist, das semipermeabel oder porös ausgebildet sein kann.
WO 2003/060099 beschäftigt sich mit der Herstellung von Spinnenseidenfasem bzw. Biofilamenten. In der geschilderten Vorrichtung wird eine „extrusion unit" beschrieben, durch die die Spinnenseidenproteinlösung hindurchgeführt wird. Insbesondere ist WO 2003/060099 auf die Einbringung der Filamente in ein Koagulationsbad nach Luftkontakt gerichtet.
Die bisher verwendeten und publizierten Verfahren zum Verspinnen von Spinnenseidenproteinen basieren folglich zumeist auf der Injektion einer Proteinlösung in ein Fällungsbad. Zur Stabilisierung des löslichen Zustandes der Proteine in der Spinnlösung sind darin in der Regel chaotrope Stoffe oder organische Lösungsmittel enthalten. Um den Effekt dieser Zusätze aufzuheben und die Assemblierung der Proteine auszulösen, sind dem Fällungsbad entsprechend lyotrope Agenzien beigesetzt.
Demgegenüber ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Seidenproteinen bereit zu stellen, die den Einsatz des Fällungsbades und den Zusatz nicht natürlicher, chaotroper oder lyotroper Mittel unnötig machen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch ein Verfahren und eine Vorrichtung stabile Seidenfäden herzustellen, die mechanische Eigenschaften aufweisen, die den natürlichen Seidenproteinen nahe kommen oder diesen entsprechen. Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung von Seidenfäden mit großer Ausbeute, d.h. in einer Menge, die für die großtechnische Herstellung geeignet ist.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Wie bereits oben angesprochen basieren die bisher verwendeten Verfahren zum Verspinnen von Spinnenseidenproteinen zumeist auf der Injektion einer Proteinlösung in ein Fällungsbad, wobei zur Stabilisierung des löslichen Zustandes der Proteine in der Spinnlösung darin in der Regel chaotrope, lyotrope Stoffe oder organische Lösungsmittel enthalten sind.
Es hat sich herausgestellt, dass im Gegensatz dazu die natürliche Seidenassemblierung, z.B. in der Spinne, durch andere Faktoren vermittelt wird. Ein Schlüsselprozess ist dabei eine u.a. durch Zugabe von Kalium- und Phosphationen induzierte Phasentrennung der Spinnlösung in eine wässrige, proteinarme und eine proteinreiche Phase. Die Streckung der proteinreichen Phase durch Zug am fertigen Faden führt anschließend zur Assemblierung der Seidenproteine.
Die im Vergleich zur natürlichen Spinnenseide verhältnismäßig schlechten mechanischen Eigenschaften der künstlich gesponnenen Fäden nach dem Stand der Technik weisen darauf hin, dass Phasentrennung und Streckung wichtige Faktoren für die Entstehung mechanisch stabiler Strukturen sind. Diese Erkenntnis wurde jedoch bisher nicht zur Erzeugung von Seidenfäden genutzt.
Der Ansatz der vorliegenden Erfindung enthält mehrere Unterschiede im Vergleich zu den oben beschriebenen Spinnverfahren des Stands der Technik:
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert ausschließlich auf wässrigen Lösungen ohne Zusätze von nichtnatürlichen, chaotropen oder lyotropen Mitteln. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen liegen die Proteine damit vermutlich in einem konformationellen Zustand vor, der dem natürlichen Zustand entspricht.
Änderungen der Zusammensetzung der Spinnlösung werden durch Diffusion erreicht. Damit kann die Lösung in einen assemblierungskompetenten Zustand versetzt werden, ohne sofort einen festen Zustand einnehmen zu müssen, wie dies bei einem Fällungsbad der Fall ist.
Die Fadenassemblierung wird durch Zug an der teilassemblierten proteinreichen Phase abgeschlossen. Aus Untersuchungen an chemischen Polymeren ist bekannt, dass die Streckung konzentrierter Polymerlösungen zu einer Ausrichtung der einzelnen Polymerketten und damit einer erhöhten Stabilität einer daraus gebildeten Faser führt. Es ist zu vermuten, dass daher die hier verwendete, auf Zug basierende Spinnmethode den auf Druck basierenden Methoden überlegen ist. Der Spinnapparat der vorliegenden Erfindung erlaubt Hochleistungsfasern aus synthetischer Spinnenseide herzustellen, die in vielen Bereichen der Technik und Industrie ihre Anwendungen finden. Neben ballistischen Anwendungen, wie der Entwicklung kugelsicherer Ausrüstungsgegenstände, könnten synthetische Spinnenseiden ebenfalls für Fallschirme, Speziaiseile und Netze, Sportartikel, Textilien, aber auch für Leichtbaukomponenten von Flugzeugen verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft die folgenden Aspekte und Ausführungsformen:
Gemäß eines ersten Aspektes betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Fadens aus Seidenproteinen, das die folgenden Schritte umfasst:
a) Bereitstellen einer Lösung aus Seidenproteinen, b) Überführen der Lösung in eine Diffusionseinheit, die eine Kalium- und Phosphationen enthaltende Zusammensetzung aufweist; c) Hindurchführen der Lösung durch die Diffusionseinheit, wobei die Lösung mit den aus der Diffusionseinheit diffundierenden Kalium- und Phosphationen in Berührung kommt; d) Auftrennen der Lösung in eine Seidenproteinreiche und -arme Phase; e) Gewinnen des Seidenfadens aus der proteinreichen Phase.
Das Gewinnen des Seidenfadens erfolgt vorzugsweise durch Zug.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Begriff „Seidenproteine" wie in dieser Anmeldung verwendet, im Prinzip keinerlei Einschränkung unterliegt. Das einzige Erfordernis ist die
Fähigkeit der Proteine, sich unter geeigneten Bedingungen zu einem Faden assemblieren zu können. Im engeren Sinne sind die Seidenproteine durch Proteine natürlicher bzw. rekombinanter Herkunft charakterisiert, d.h. Proteine, die beispielsweise von Spinnentieren
(Arachnida) oder Insekten (Insecta) abgeleitet sind. Als Beipiele für die Herkunft der Proteine sind der Seidenspinner {Bombyx mori), die Florfliege (Chrysoperla carnea), die Kreuzspinne
(Araneus diadematus) und die goldene Seidenspinne (Nephila clavipes) zu nennen. Die hier verwendeten Seidenproteine können authentisch sein, d.h. die natürlichen Sequenzen darstellen, oder können synthetisch sein, d.h. auf synthetischen Genen basierende Proteine, deren Primärsequenz weitgehend der natürlichen Sequenz entspricht.
Die einzelnen Seidenproteinsequenzen sind dem Fachmann durch Datenbanken zugänglich, es sei hier nur beispielhaft auf die Sequenzen ADF-3 und ADF-4 von Araneus diadematus verwiesen, die unter der Nr. U47855 und U47856 zugänglich sind.
Der Begriff „Diffusionseinheit" wie hierin verwendet beschreibt ein Speichermedium, das eine Diffusion von Bestandteilen aus diesem hinaus und in dieses hinein ermöglicht. Es handelt sich bei der Diffusionseinheit der vorliegenden Erfindung nicht um die im Stand der Technik gebräuchliche poröse oder semipermeable Membran, durch die ein einseitiger Durchtritt von
Bestandteilen ohne Speichereigenschaft ermöglicht werden soll. Die Diffusionseinheit der vorliegenden Erfindung kann eher als Matrix bezeichnet werden, in der einerseits die für die Bildung von proteinreichen- und armen Phasen notwendigen Kalium- und Phosphationen zur
Diffusion bereitgestellt werden und in die andererseits die (für die Fadenassemblierung nicht zu verwendende) proteinarme Phase der Seidenproteinlösung aufgenommen wird.
In einer Ausführungsform enthält die in a) bereitgestellte Spinnlösung zumindest l%-50%, bevorzugt 10-40 %, am meisten bevorzugt 10-20 % (G/V) an Seidenprotein. Der pH der
Lösung bewegt sich erfahrungsgemäß von 4,0-12,0, bevorzugt von 6,5-8,5 und ist am meisten bevorzugt 8,0. Diese Lösung wird auch als „Dope" bezeichnet. "Dope" bedeutet eine
Flüssigkeit oder Lösung, die zusätzlich zu Proteinmonomeren Proteinaggregate einschliessen kann, beispielsweise Dimere, Trimere und/oder Tetramere. Diese Proteinlösung kann zusätzlich zu den unten aufgeführten Lösungsmitteln auch Zusatzstoffe wie z.B.
Konservierungsmittel sowie Mittel zur Steigerung der Stabilität oder Verarbeitbarkeit der
Lösung beeinhalten.
Im erfϊndungsgemäßen Verfahren umfasst die Lösung vorzugsweise ein polares Lösungsmittel, das aus Wasser, Alkoholen und Gemischen hiervon ausgewählt ist. Beispiele für Alkohole umfassen Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol oder mehrwertige Alkohole wie Glycerin oder Propylenglykol. Die letztgenannten Lösungsmittel können neben ihren Lösungsmitteleigenschaften auch als Mittel zur Einstellung der Viskosität und/oder als Konservierungsmittel eingesetzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform schließt der Schritt der Gewinnung des Seidenfadens ein In-Berührung-Bringen der proteinreichen Phase mit einem Gas oder einer Flüssigkeit ein. In der Regel wird das Gas ein Sauerstoff enthaltendes Gas sein, d.h. dann, wenn u.a. eine Oxidationswirkung erwünscht ist. Andererseits kann das Gas auch ein Inertgas wie z.B. Stickstoff, Argon, Helium etc. sein. In Frage kommen auch Gemische dieser Gase.
Neben dem Kontakt mit gasförmigen Substanzen kann auch ein in-Berührung-Bringen mit Flüssigkeiten in Betracht kommen, wobei hier als Beispiele Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol, Aceton, Acetonitril, bevorzugt Methanol zu nennen sind.
Die Diffusionseinheit der vorliegenden Erfindung ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform aus einem Gelmaterial gebildet. Eingesetzt wird als Gelmaterial bevorzugt ein Hydrogel, insbesondere ein Hydrogel, das Polyacrylamid-, Cellulosederivat-, Polyvinylmethylether- (PVME), Polystyrol-Polybutadien- (PS-PB), Stearylacrylat-, Polyethylen- (PE), Polystyrol- (PS), Polyvinylalkohol- (PVA), Polyacrylsäure-, PoIy(N- vinylpyrrolidon)- (PVP), Polyethylenterephthalat- (PET), Polyisopropylenacrylamid-, Polyethersulfonsäure- und/oder Silikonhydrogele umfasst.
Alternativ kann die Diffusionseinheit aus einer Keramik gebildet sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des oben definierten Verfahrens, mit:
- einer ersten Vorrichtung, die eine Lösung aus Seidenproteinen in die Diffusionseinheit verbringt;
- der Diffusionseinheit, die einen Kanal zur Durchführung der Lösung aufweist, der mit einer Kalium- und Phosphationenenthaltenden Zusammensetzung umgeben ist, wobei die Lösung mit den aus der Diffusionseinheit diffundierenden Kalium- und Phosphationen in Berührung kommt, sodass die Diffusionseinheit am Ausgang ihres Kanals die in eine Seidenproteinreiche und -arme Phase aufgetrennte Lösung bereitstellt; und
- einer zweiten Vorrichtung, die den Seidenfaden aus der proteinreichen Phase der Lösung generiert. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die erste Vorrichtung als eine mit einer steuerbaren Pumpe gekoppelte Spritze ausgebildet. Beispielsweise steuert eine Steuervorrichtung, wie beispielsweise ein Mikrocontroller, die steuerbare Pumpe. Vorzugsweise weist die Steuervorrichtung ferner einen Speicher auf, in welchem ein Ablaufprogramm für die Ansteuerung der steuerbaren Pumpe abspeicherbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die erste Vorrichtung als ein steuerbares Pumpsystem ausgebildet, das die Lösung in einem kontinuierlichen Prozess in die Diffiisionseinheit verbringt. Insbesondere ist das oben beschriebene Steuerprogramm derart ausgebildet, dass es den kontinuierlichen Prozess für das Verbringen der Lösung in die Diffusionseinheit steuert und somit sicherstellt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Diffüsionseinheit am Ausgang ihres Kanals eine Verjüngung oder eine Düse auf, mittels der das Austreten der Lösung aus der Diffusionseinheit steuerbar ist. Die Düse oder Verjüngung ist so aufgebaut, dass sich ihre Querschnittsflächen nach außen hin verkleinern.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die zweite Vorrichtung als eine mittels einer Antriebsvorrichtung angetriebene Walze oder Rolle ausgebildet, die den Seidenfaden aus einem Tropfen, der sich am Ausgang der Diffusionseinheit aus der proteinreichen Phase der Lösung bildet, zieht. Insbesondere ist auch die Antriebsvorrichtung mit der Steuervorrichtung gekoppelt, so dass das in dem Speicher der Steuervorrichtung gespeicherte Ablaufprogramm auch die Antriebsvorrichtung steuert, so dass insbesondere der kontinuierliche Prozess für das Ziehen des Fadens sichergestellt ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung zieht die Walze oder Rolle den Spinnseidenfaden mittels einer für die Proteinassemblierung notwendigen Zugkraft.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Diffusionseinheit als eine austauschbare Kartusche ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Antriebsvorrichtung einen Motor und/oder ein Getriebe auf. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besitzt der Kanal der Diffusionseinheit zur Durchführung der Lösung einen im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser.
Hiermit unterscheidet sich der Ansatz der vorliegenden Erfindung insbesondere vom Stand der Technik, z.B. der US 2003/0201560: der rohrförmige Abschnitt ist hier in allen Ausführungsformen als Trichter dargestellt. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Molekül Orientierung in einer Faser verbessert werden kann, wenn eine Düse mit einer konvergenten Geometrie verwendet wird. Die vorliegende Erfindung folgt diesem Ansatz vorzugsweise nicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Diffusionseinheit eine dritte Vorrichtung auf, mittels der die proteinarme Phase aus der Diffusionseinheit entfernbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die dritte Vorrichtung als eine Vakuumpumpe ausgebildet.
In einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Faden, der durch das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-10 herstellbar ist. Dieser Faden wird vorzugsweise in Technik und Industrie für ballistische Anwendungen, wie der Entwicklung kugelsicherer Ausrüstungsgegenstände, zur Herstellung von Fallschirmen, Spezialseilen und Netzen, Sportartikeln, Textilien, Medizintechnik, aber auch für Leichtbaukomponenten von Flugzeugen verwendet.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Abbildungen und Beispielen verdeutlicht werden. Die Abbildungen zeigen Folgendes:
Abbildung 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Fadens aus Seidenproteinen;
Abbildung 2 ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Diffusionseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung; Abbildung 3 eine photographische Abbildung einer Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung;
Abbildung 4 eine photographische Abbildung einer Diffusionseinheit der vorliegenden Erfindung;
Abbildung 5 gibt eine Analyse des assemblierten Fadens wider.
Abbildung 6 zeigt
(A-C) Naturseide von A. diadematus:
(A) vor dem Zugtest, (B) nach Zerreißen der Probe, (C) Querschnitt
(D-F) Synthetische Seide (AQ)24NR3 Probe 1 : (D) vor dem Zugtest, (E) nach Zerreißen der Probe, (F) Querschnitt.
In allen Abbildungen sind gleiche beziehungsweise funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
In Abbildung 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Seidenfadens 7 aus Seidenproteinen weist eine erste Vorrichtung 2, eine Diffusionseinheit 4 und eine zweite Vorrichtung 6 auf.
Die erste Vorrichtung 2 verbringt die Lösung 3 aus Seidenproteinen in die Diffusionseinheit 4. Vorzugsweise ist die erste Vorrichtung 2 als eine mit einer steuerbaren Pumpe 21 gekoppelte Spritze 22 ausgebildet. Vorzugsweise ist zwischen der Pumpe 21 und der Spritze 22 ein Reservoir 23 für die Lösung 3 angeordnet. Gemäß Abbildung 1 bezeichnet das Bezugszeichen F die Flussrichtung der Lösung 3 in das Reservoir 23. Weiterhin kann die erste Vorrichtung 2 als ein steuerbares Pumpsystem ausgebildet sein, das die Lösung 3 in einem kontinuierlichen Prozess in die Diffusionseinheit 4 verbringt. Vorzugsweise weist das Pumpsystem zumindest eine Schlauchpumpe auf.
Beispielsweise ist die erste Vorrichtung 2 mit der Diffusionseinheit 4 mittels einer Kanüle 8 verbunden.
Die Diffusionseinheit 4 weist einen Kanal 41 zur Durchführung der Lösung 3 auf. Der Kanal 41 ist mit einer Kalium- und Phosphationen enthaltenden Zusammensetzung 42 umgeben. Die Lösung 3 kommt mit den aus der Diffusionseinheit 4 diffundierenden Kalium- und Phosphationen in Berührung, so dass die Diffusionseinheit 4 am Ausgang 43 ihres Kanals 41 die in eine seidenproteinreiche Phase 5 und eine seidenproteinarme Phase aufgetrennte Lösung 3 bereitstellt. Vorzugsweise weist die Diffusionseinheit 4 am Ausgang 43 ihres Kanals 41 eine Verjüngung oder eine Düse 44 auf, mittels der das Austreten der Lösung 3 aus der Diffusionseinheit 4, insbesondere mittels ihrer geometrischen Ausgestaltung steuerbar ist.
Ferner weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 die zweite Vorrichtung 6 auf, die den Seidenfaden 7 aus der proteinreichen Phase 5 der Lösung 3 generiert. Insbesondere ist die zweite Vorrichtung 6 als eine mittels einer Antriebsvorrichtung angetriebene Walze oder Rolle ausgebildet, die den Seidenfaden 7 aus einem Tropfen, der sich am Ausgang 43 der Diffusionseinheit 4 aus der proteinreichen Phase 5 der Lösung 3 bildet, zieht. Insbesondere zieht die Walze 6 den Spinnseidenfaden 7 mittels einer für die Proteinassemblierung notwendigen Zugkraft. Insbesondere weist die Antriebsvorrichtung, die die Walze 6 antreibt, einen Motor und/oder ein Getriebe auf.
Abbildung 2 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der in Abbildung 1 dargestellten Diffusionseinheit 4. Vorzugsweise ist der Innendurchmesser d des Kanals 41 , der zur Durchführung der Lösung 3 dient, im Wesentlichen konstant.
Die Diffusionseinheit 4 ist vorzugsweise als austauschbare Kartusche ausgebildet, so dass die Diffusionseinheit 4 insbesondere dann ausgetauscht werden kann, wenn sie mit proteinarmer Phase der Lösung 3 gesättigt ist. Die Diffusionseinheit 4 weist insbesondere eine dritte Vorrichtung auf, mittels der die proteinarme Phase aus der Diffusionseinheit 4 entfembar ist. Beispielsweise ist diese dritte Vorrichtung als eine Vakuumpumpe ausgebildet. Außerdem bezeichnet die in Abbildung 2 dargestellte Einheit mit dem Bezugszeichen 45 ein Pufferreservoir.
Beispiele:
Die hier beschriebene Erfindung integriert diese Prozesse in ein Spinnverfahren, das die maschinelle Herstellung mechanisch belastbarer Proteinfäden erlaubt.
Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung des Spinnverfahrens der Erfindung anhand einer Ausführungsform. Dieses Verfahren beinhaltet im Wesentlichen vier Komponenten. Eine regelbare Motor / Getriebeeinheit sorgt dafür, dass über eine Spritze die Spinnlösung kontinuierlich in eine Diffusionseinheit nachgeführt wird. In dieser aus einem Gel bestehenden
Einheit diffundieren Kalium- und Phosphationen in die Spinnlösung, was zu einer
Phasentrennung führt. Proteinreiche und -arme Phasen werden weiter zum Ausgang der Diffusionseinheit transportiert und treten dort mit Luft in Kontakt. Dieser Kontakt ist essentiell für den Spinnprozess und führt vermutlich zur Reduktion der wässrigen Phase durch
Trocknungsprozesse.
Aus dem gebildeten Tropfen proteinreicher Phase kann ein Faden gezogen werden (Abb. 2). Durch Aufwickeln des Fadens auf eine über einen regelbaren Motor angetriebene Walze wird der für die Proteinassemblierung notwendige Zug aufrechterhalten und eine kontinuierliche Fadenbildung erreicht. Abbildung 2 zeigt Elemente der Diffusionseinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die Funktionsfähigkeit der vorgestellten Methode konnte durch die Konstruktion eines Prototyps gezeigt werden (Abb.3). Die Motor- und Getriebeeinheit sowie das Gerüst des Prototyps wurden aus Elementen eines Metallbaukastens (Compakt Technik GmbH, Schriesheim, Deutschland) aufgebaut. Für die Nachführung der Spinnlösung wurde eine 25 μl Glasspritze mit Metallnadel (Gauge 22, Point Style 3; Hamilton, Bonadutz, Schweiz) verwendet. Abbildung 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Die Diffusionseinheit besteht aus einem 20 % Polyacrylamidgel, das in 0,5 M Kaliumphosphat pH 8,0 equillibriert wird. Durch das Gel führte ein Kanal mit 0,7 mm Durchmesser, der in einer Plastikspitze mit einem Innendurchmesser von ca. 0,2 mm endet (Abb.4). Der Proteinfaden wird von einer mit ca. 60 rpm rotierenden Teflonwalze von 4 cm Durchmesser aufgewickelt. Abbildung 4 ist eine Übersicht über die Diffusionseinheit.
Mit diesem Prototypen konnte eine 25 %ige Lösung des synthetischen Seidenproteins (AQ)24NR3 (siehe (Huemmerich et al, 2004) zu einem 4 μm dicken Faden versponnen werden (Abb. 5). Abbildung 5 gibt eine Analyse des assemblierten Fadens wider. (A) Der Faden wird mittels der Teflonwalze aufgewickelt. (B) Rasterelektronenmikroskopische Bild des entstandenen Fadens.
Mechanische Eigenschaften der Naturseide der Gartenkreuzspinne {Araneus diadematus) verglichen mit Fasern der synthetischen Seide (AQ)24NR3 nach Verspinnen in dem beschriebenen Spinnapparat (zu Abb. 5C):
Mater'al Durchschnittsfläche Young's Reissfestigkeit Bruchdehnung Zähigkeit Brucharbeit
Modul
[μm2] [GPa] [MPa] [J/m2] [MJ/m3]
Naturseide 2.5 ± 0.1 1 1.9 ± 474 ± 20 8.96 ± 0.06 1232 ± 50 28.7 von: 0.9 Araneus diadematus
(AQ)24NFG 1.7 ± 0.4 6.9 ± 1.4 238 ± 58 14.1 ± 0.1 1029 ± 25.4 Probe 1 242
(AQ)24NR3 1.8 ± 0.2 8.2 ± 2.0 254 ± 45 10.8 ± 0.1 1 169 ± 24.5 Probe 2 154
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8

Claims

AnsprücheVerfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Fadens aus Seidenproteinen
1. Verfahren zur Herstellung eines Fadens aus Seidenproteinen, das die folgenden Schritte umfasst:
a) Bereitstellen einer Lösung aus Seidenproteinen, b) Überfuhren der Lösung in eine Diffusionseinheit, die eine Kalium- und Phosphationen enthaltende Zusammensetzung aufweist; c) Hindurchführen der Lösung durch die Diffusionseinheit, wobei die Lösung mit den aus der Diffusionseinheit diffundierenden Kalium- und Phosphationen in Berührung kommt; d) Auftrennen der Lösung in eine Seidenproteinreiche und -arme Phase; e) Gewinnen des Seidenfadens aus der proteinreichen Phase.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spinnlösung zumindest l%-50%, bevorzugt 10- 40 %, am meisten bevorzugt 10-20 % (G/V) an Seidenprotein enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der pH der Lösung 4,0-12,0, bevorzugt 6,5- 8,5, am meisten bevorzugt 8,0 beträgt.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lösung natürliche oder synthetische Seidenproteine umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Seidenproteine von den Arten Bombyx mori, Araneus diadematus und/oder Nephila clavipes abgeleitet sind.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Lösung ein polares Lösungsmittel umfasst, das vorzugsweise aus Wasser, Alkoholen und Gemischen hiervon ausgewählt ist.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gewinnung des Seidenfadens ein In-Berührung-Bringen der proteinreichen Phase mit einem Gas oder einer Flüssigkeit einschliesst.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Gas aus O2, Inertgasen oder Gemischen hiervon ausgewählt ist.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Diffusionseinheit aus einem Gelmaterial oder einer Keramik gebildet ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Gelmaterial aus Hydrogelen, insbesondere aus Polyacrylamid, Cellulosederivaten, Polyvinylmethylether (PVME), Polystyrol-Polybutadien (PS-PB), Stearylacrylat, Polyethylen (PE), Polystyrol (PS), Polyvinylalkohol (PVA), Polyacrylsäure, Poly(N-vinylpyrrolidon) (PVP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyisopropylenacrylamid, Polyethersulfonsäure, Silikonhydrogelen ausgewählt ist.
1 1. Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit: einer ersten Vorrichtung (2) die eine Lösung (3) aus Seidenproteinen in die Diffusionseinheit (4) verbringt; der Diffusionseinheit (4), die einen Kanal (41) zur Durchführung der Lösung (3) aufweist, der mit einer Kalium- und Phosphationenenthaltenden Zusammensetzung (42) umgeben ist, wobei die Lösung (3) mit den aus der Diffusionseinheit (4) diffundierenden Kalium- und Phosphationen in Berührung kommt, sodass die Diffusionseinheit (4) am Ausgang (43) ihres Kanals (41) die in eine seidenproteinreiche und -arme Phase (5) aufgetrennte Lösung (3) bereitstellt; und einer zweiten Vorrichtung (6), die den Seidenfaden (7) aus der proteinreichen Phase (5) der Lösung (3) generiert.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die erste Vorrichtung (2) als eine mit einer steuerbaren Pumpe (21) gekoppelte Spritze (22) ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , wobei die erste Vorrichtung (2) als ein steuerbares Pumpsystem ausgebildet ist, das die Lösung (3) in einem kontinuierlichen Prozess in die Diffusionseinheit (4) verbringt.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 13, wobei die Diffusionseinheit (4) am Ausgang (43) ihres Kanals (41) eine Verjüngung oder eine Düse (44) aufweist, mittels der das Austreten der Lösung (3) aus der Diffusionseinheit (4) steuerbar ist.
15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, wobei die zweite Vorrichtung (6) als eine mittels einer Antriebsvorrichtung angetriebene Walze oder Rolle ausgebildet ist, die den Seidenfaden (7) aus einem Tropfen, der sich am Ausgang (43) der Diffusionseinheit (4) aus der proteinreichen Phase (5) der Lösung (3) bildet, zieht.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Walze oder Rolle (6) den Spinnseidenfaden (7) mittels einer für die Proteinassemblierung notwendigen Zugkraft zieht.
17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Diffusionseinheit (4)als eine austauschbare Kartusche ausgebildet ist.
18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 17, wobei die Antriebsvorrichtung einen Motor und/oder ein Getriebe aufweist.
19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 18, wobei der
Kanal (41) der Diffusionseinheit (4) zur Durchführung der Lösung (3) einen im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser (d) aufweist.
20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 19, wobei die Diffusionseinheit (4) eine dritte Vorrichtung aufweist, mittels der die proteinarme Phase aus der Diffusionseinheit (4) entfernbar ist.
21. Vorrichtung nach einem oder mehreren Ansprüche 11 bis 21, wobei die dritte Vorrichtung als eine Vakuumpumpe ausgebildet ist.
22. Faden, der durch das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-10 herstellbar ist.
23. Verwendung des Fadens nach Anspruch 22 in Technik und Industrie für ballistische Anwendungen, wie der Entwicklung kugelsicherer Ausrüstungsgegenstände, zur Herstellung von Fallschirmen, Speziaiseilen und Netzen, Sportartikeln, Textilien, Medizintechnik und für Leichtbaukomponenten von Flugzeugen.
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