Piezoresponse, Mechanical, and Electrical Characteristics of Synthetic Spider Silk Nanofibers
Creators
- 1. Kuwait College of Science and Technology
- 2. Alexandria University
Description
This work presents electrospun nanofibers from synthetic spider silk protein, and their application as both a mechanical vibration and humidity sensor. Spider silk solution was synthesized from minor ampullate silk protein (MaSp) and then electrospun into nanofibers with a mean diameter of less than 100 nm. Then, mechanical vibrations were detected through piezoelectric characteristics analysis using a piezo force microscope and a dynamic mechanical analyzer with a voltage probe. The piezoelectric coefficient (d33) was determined to be 3.62 pC/N. During humidity sensing, both mechanical and electric resistance properties of spider silk nanofibers were evaluated at varying high-level humidity, beyond a relative humidity of 70%. The mechanical characterizations of the nanofibers show promising results, with Young's modulus and maximum strain of up to 4.32 MPa and 40.90%, respectively. One more interesting feature is the electric resistivity of the spider silk nanofibers, which were observed to be decaying with humidity over time, showing a cyclic effect in both the absence and presence of humidity due to the cyclic shrinkage/expansion of the protein chains. The synthesized nanocomposite can be useful for further biomedical applications, such as nerve cell regrowth and drug delivery.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
يقدم هذا العمل أليافًا نانوية كهربائية من بروتين حرير العنكبوت الاصطناعي، وتطبيقها كمستشعر للاهتزاز والرطوبة الميكانيكيين. تم تصنيع محلول حرير العنكبوت من بروتين الحرير الأمبولي الثانوي (MaSp) ثم تم نسجه كهربائيًا في ألياف نانوية بمتوسط قطر أقل من 100 نانومتر. بعد ذلك، تم الكشف عن الاهتزازات الميكانيكية من خلال تحليل الخصائص الكهربائية الإجهادية باستخدام مجهر القوة الإجهادية ومحلل ميكانيكي ديناميكي مع مسبار الجهد. تم تحديد المعامل الكهربائي الإجهادي (d33) ليكون 3.62 pC/N. أثناء استشعار الرطوبة، تم تقييم كل من خصائص المقاومة الميكانيكية والكهربائية للألياف النانوية المصنوعة من حرير العنكبوت عند رطوبة متفاوتة عالية المستوى، بما يتجاوز رطوبة نسبية تبلغ 70 ٪. تُظهر الخصائص الميكانيكية للألياف النانوية نتائج واعدة، حيث يصل معامل يونغ والإجهاد الأقصى إلى 4.32 ميجا باسكال و 40.90 ٪ على التوالي. ميزة أخرى مثيرة للاهتمام هي المقاومة الكهربائية للألياف النانوية المصنوعة من حرير العنكبوت، والتي لوحظ أنها تتحلل مع الرطوبة بمرور الوقت، مما يدل على تأثير دوري في كل من غياب الرطوبة ووجودها بسبب الانكماش/التوسع الدوري لسلاسل البروتين. يمكن أن يكون المركب النانوي المركب مفيدًا لمزيد من التطبيقات الطبية الحيوية، مثل إعادة نمو الخلايا العصبية وتوصيل الأدوية.Translated Description (French)
Ce travail présente des nanofibres électrofilées à partir de protéines de soie d'araignée synthétique, et leur application à la fois comme capteur mécanique de vibration et d'humidité. Une solution de soie d'araignée a été synthétisée à partir d'une protéine de soie ampullaire mineure (MaSp), puis électrofilée en nanofibres d'un diamètre moyen inférieur à 100 nm. Ensuite, des vibrations mécaniques ont été détectées par analyse des caractéristiques piézoélectriques à l'aide d'un microscope à force piézoélectrique et d'un analyseur mécanique dynamique avec une sonde de tension. Le coefficient piézoélectrique (d33) a été déterminé à 3,62 pC/N. Au cours de la détection de l'humidité, les propriétés de résistance mécanique et électrique des nanofibres de soie d'araignée ont été évaluées à une humidité élevée variable, au-delà d'une humidité relative de 70 %. Les caractérisations mécaniques des nanofibres montrent des résultats prometteurs, avec un module d'Young et une déformation maximale allant jusqu'à 4,32 MPa et 40,90%, respectivement. Une autre caractéristique intéressante est la résistivité électrique des nanofibres de soie d'araignée, qui se désintègrent avec l'humidité au fil du temps, montrant un effet cyclique à la fois en l'absence et en présence d'humidité en raison du rétrécissement/expansion cyclique des chaînes protéiques. Le nanocomposite synthétisé peut être utile pour d'autres applications biomédicales, telles que la repousse des cellules nerveuses et l'administration de médicaments.Translated Description (Spanish)
Este trabajo presenta nanofibras electrohiladas a partir de proteína de seda de araña sintética, y su aplicación como sensor mecánico de vibración y humedad. La solución de seda de araña se sintetizó a partir de proteína de seda ampulada menor (MaSp) y luego se electrohiló en nanofibras con un diámetro medio de menos de 100 nm. Luego, se detectaron vibraciones mecánicas a través del análisis de características piezoeléctricas utilizando un microscopio de fuerza piezoeléctrica y un analizador mecánico dinámico con una sonda de voltaje. Se determinó que el coeficiente piezoeléctrico (d33) era de 3.62 pC/N. Durante la detección de humedad, se evaluaron las propiedades de resistencia mecánica y eléctrica de las nanofibras de seda de araña a una humedad variable de alto nivel, más allá de una humedad relativa del 70%. Las caracterizaciones mecánicas de las nanofibras muestran resultados prometedores, con un módulo de Young y una deformación máxima de hasta 4,32 MPa y 40,90%, respectivamente. Una característica más interesante es la resistividad eléctrica de las nanofibras de seda de araña, que se observó que se descomponían con la humedad con el tiempo, mostrando un efecto cíclico tanto en ausencia como en presencia de humedad debido a la contracción/expansión cíclica de las cadenas de proteínas. El nanocompuesto sintetizado puede ser útil para aplicaciones biomédicas adicionales, como el recrecimiento de células nerviosas y la administración de fármacos.Files
      
        pdf.pdf
        
      
    
    
      
        Files
         (5.4 MB)
        
      
    
    | Name | Size | Download all | 
|---|---|---|
| md5:fbd259c5db2026052827144cf9da534f | 5.4 MB | Preview Download | 
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- الاستجابة الإجهادية والخصائص الميكانيكية والكهربائية للألياف النانوية الحريرية العنكبوتية الاصطناعية
- Translated title (French)
- Caractéristiques piézo-réponse, mécaniques et électriques des nanofibres de soie d'araignée synthétique
- Translated title (Spanish)
- Características piezorrespuestas, mecánicas y eléctricas de las nanofibras sintéticas de seda de araña
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2887388681
- DOI
- 10.3390/nano8080585
            
              References
            
          
        - https://openalex.org/W1542008397
- https://openalex.org/W1658845344
- https://openalex.org/W1917889588
- https://openalex.org/W1975454520
- https://openalex.org/W2003563357
- https://openalex.org/W2031417134
- https://openalex.org/W2034962948
- https://openalex.org/W2042343547
- https://openalex.org/W2055072486
- https://openalex.org/W2077990286
- https://openalex.org/W2083487345
- https://openalex.org/W2168901333
- https://openalex.org/W2283365043
- https://openalex.org/W2291476984
- https://openalex.org/W2342186612
- https://openalex.org/W2580656997
- https://openalex.org/W2796652411