Hierarchical charge distribution controls self-assembly process of silk in vitro

Abstract

Silk materials with different nanostructures have been developed without the understanding of the inherent transformation mechanism. Here we attempt to reveal the conversion road of the various nanostructures and determine the critical regulating factors. The regulating conversion processes influenced by a hierarchical charge distribution were investigated, showing different transformations between molecules, nanoparticles and nanofibers. Various repulsion and compressive forces existed among silk fibroin molecules and aggregates due to the exterior and interior distribution of charge, which further controlled their aggregating and deaggregating behaviors and finally formed nanofibers with different sizes. Synergistic action derived from molecular mobility and concentrations could also tune the assembly process and final nanostructures. It is suggested that the complicated silk fibroin assembly processes comply a same rule based on charge distribution, offering a promising way to develop silk-based materials with designed nanostructures.

Keywords

silk / self-assembly / charge / nanostructure / nanofiber

References

[1] Vepari C, Kaplan D L. Silk as a biomaterial. Progress in Polymer Science, 2007, 32(8−9): 991–1007

[2] Shao Z, Vollrath F. Surprising strength of silkworm silk. Nature, 2002, 418(6899): 741

[3] Patra C, Talukdar S, Novoyatleva T, . Silk protein fibroin from Antheraea mylitta for cardiac tissue engineering. Biomaterials, 2012, 33(9): 2673–2680

[4] Lu Q, Wang X, Lu S, . Nanofibrous architecture of silk fibroin scaffolds prepared with a mild self-assembly process. Biomaterials, 2011, 32(4): 1059–1067

[5] Hofer M, Winter G, Myschik J. Recombinant spider silk particles for controlled delivery of protein drugs. Biomaterials, 2012, 33(5): 1554–1562

[6] Lammel A S, Hu X, Park S H, . Controlling silk fibroin particle features for drug delivery. Biomaterials, 2010, 31(16): 4583–4591

[7] Tsioris K, Tilburey G E, Murphy A R, . Functionalized-silk-based active optofluidic devices. Advanced Functional Materials, 2010, 20(7): 1083–1089

[8] Amsden J J, Domachuk P, Gopinath A, . Rapid nanoimprinting of silk fibroin films for biophotonic applications. Advanced Materials, 2010, 22(15): 1746–1749

[9] Lawrence B D, Cronin-Golomb M, Georgakoudi I, . Bioactive silk protein biomaterial systems for optical devices. Biomacromolecules, 2008, 9(4): 1214–1220

[10] Keten S, Xu Z, Ihle B, . Nanoconfinement controls stiffness, strength and mechanical toughness of β-sheet crystals in silk. Nature Materials, 2010, 9(4): 359–367

[11] Kharlampieva E, Kozlovskaya V, Wallet B, . Co-cross-linking silk matrices with silica nanostructures for robust ultrathin nanocomposites. ACS Nano, 2010, 4(12): 7053–7063

[12] Lee S M, Pippel E, Gösele U, . Greatly increased toughness of infiltrated spider silk. Science, 2009, 324(5926): 488–492

[13] Du N, Liu X Y, Narayanan J, . Design of superior spider silk: from nanostructure to mechanical properties. Biophysical Journal, 2006, 91(12): 4528–4535

[14] Du N, Yang Z, Liu X Y, . Structural origin of the strain-hardening of spider silk. Advanced Functional Materials, 2011, 21(4): 772–778

[15] Putthanarat S, Stribeck N, Fossey S A, . Investigation of the nanofibrils of silk fibers. Polymer, 2000, 41(21): 7735–7747

[16] Nova A, Keten S, Pugno N M, . Molecular and nanostructural mechanisms of deformation, strength and toughness of spider silk fibrils. Nano Letters, 2010, 10(7): 2626–2634

[17] Keten S, Buehler M J. Nanostructure and molecular mechanics of spider dragline silk protein assemblies. Journal of the Royal Society Interface, 2010, 7(53): 1709–1721

[18] Hakimi O, Knight D P, Vollrath F, . Spider and mulberry silkworm silks as a compatible biomaterials. Composites Part B: Engineering, 2007, 38(3): 324–337

[19] Shao Z, Vollrath F, Yang Y, . Structure and behavior of regenerated spider silk. Macromolecules, 2003, 36(4): 1157–1161

[20] Seidel A, Liivak O, Calve S, . Regenerated spider silk: Processing, properties, and structure. Macromolecules, 2000, 33(3): 775–780

[21] Wang X, Yucel T, Lu Q, . Silk nanospheres and microspheres from silk/PVA blend films for drug delivery. Biomaterials, 2010, 31(6): 1025–1035

[22] Kluge J A, Rabotyagova O, Leisk G G, . Spider silks and their applications. Trends in Biotechnology, 2008, 26(5): 244–251

[23] Zhang S, Marini D M, Hwang W, . Design of nanostructured biological materials through self-assembly of peptides and proteins. Current Opinion in Chemical Biology, 2002, 6(6): 865–871

[24] Gong Z, Yang Y, Huang L, . Formation kinetics and fractal characteristics of regenerated silk fibroin alcogel developed from nanofibrillar network. Soft Matter, 2010, 6(6): 1217–1223

[25] Zhang C, Song D, Lu Q, . Flexibility regeneration of silk fibroin in vitro. Biomacromolecules, 2012, 13(7): 2148–2153

[26] Bai S, Zhang X, Lu Q, . Reversible hydrogel-solution system of silk with high β-sheet content. Biomacromolecules, 2014, 15(8): 3044–3051

[27] Lu Q, Zhu H, Zhang C, . Silk self-assembly mechanisms and control from thermodynamics to kinetics. Biomacromolecules, 2012, 13(3): 826–832

[28] Bai S, Liu S, Zhang C, . Controllable transition of silk fibroin nanostructures: an insight into in vitro silk self-assembly process. Acta Biomaterialia, 2013, 9(8): 7806–7813

[29] Seib F P, Jones G T, Rnjak-Kovacina J, . pH-dependent anticancer drug release from silk nanoparticles. Advanced Healthcare Materials, 2013, 2(12): 1606–1611

[30] Xia X X, Wang M, Lin Y, . Hydrophobic drug-triggered self-assembly of nanoparticles from silk-elastin-like protein polymers for drug delivery. Biomacromolecules, 2014, 15(3): 908–914

[31] Yu S, Chen S, Chen M, . Size-controllable anticancer drug loaded silk fibroin nanospheres. Journal of Controlled Release, 2013, 172(1): e68

[32] Yu S, Yang W, Chen S, . Floxuridine-loaded silk fibroin nanospheres. RSC Advances, 2014, 4(35): 18171–18177

[33] Beun L H, Storm I M, Werten M W T, . From micelles to fibers: balancing self-assembling and random coiling domains in pH-responsive silk-collagen-like protein-based polymers. Biomacromolecules, 2014, 15(9): 3349–3357

[34] Qu J, Wang D, Wang H, . Electrospun silk fibroin nanofibers in different diameters support neurite outgrowth and promote astrocyte migration. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2013, 101(9): 2667–2678

[35] Cestari M, Muller V, Rodrigues J H, . Preparing silk fibroin nanofibers through electrospinning: further heparin immobilization toward hemocompatibility improvement. Biomacromolecules, 2014, 15(5): 1762–1767

[36] Zeng L, Teng W, Jiang L, . Ordering recombinant silk-elastin-like nanofibers on the microscale. Applied Physics Letters, 2014, 104(3): 033702

[37] He J, Cheng Y, Cui S. Preparation and characterization of electrospun Antheraea pernyi silk fibroin nanofibers from aqueous solution. Journal of Applied Polymer Science, 2013, 128(2): 1081–1088

[38] Rockwood D N, Preda R C, Yücel T, . Materials fabrication from Bombyx mori silk fibroin. Nature Protocols, 2011, 6(10): 1612–1631

[39] Inoue S I, Magoshi J, Tanaka T, . Atomic force microscopy: Bombyx mori silk fibroin molecules and their higher order structure. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 2000, 38(11): 1436–1439

[40] Lu Q, Huang Y, Li M, . Silk fibroin electrogelation mechanisms. Acta Biomaterialia, 2011, 7(6): 2394–2400

[41] Zhang F, Zuo B, Fan Z, . Mechanisms and control of silk-based electrospinning. Biomacromolecules, 2012, 13(3): 798–804

[42] Bai S, Zhang W, Lu Q, . Silk nanofiber hydrogels with tunable modulus to regulate nerve stem cell fate. Journal of Materials Chemistry B: Materials for Biology and Medicine, 2014, 2(38): 6590–6600

[43] Lu G, Liu S, Lin S, .Silk porous scaffolds with nanofibrous microstructures and tunable properties. Colloids and Surface B: Biointerfaces, 2014, 120: 28–37

[44] Lin S, Lu G, Liu S, . Nanoscale control of silks for nanofibrous scaffold formation with improved porous structure. Journal of Materials Chemistry B: Materials for Biology and Medicine, 2014, 2(17): 2622–2633

[45] Dicko C, Knight D, Kenney J M, . Structural conformation of spidroin in solution: a synchrotron radiation circular dichroism study. Biomacromolecules, 2004, 5(3): 758–767

[46] Askarieh G, Hedhammar M, Nordling K, . Self-assembly of spider silk proteins is controlled by a pH-sensitive relay. Nature, 2010, 465(7295): 236–238

[47] Lammel A, Schwab M, Hofer M, . Recombinant spider silk particles as drug delivery vehicles. Biomaterials, 2011, 32(8): 2233–2240

[48] Schwarze S, Zwettler F U, Johnson C M, . The N-terminal domains of spider of silk fibroin in solution. Nature Communications, 2013, 4(10)

[49] Greving I, Cai M, Vollrath F, . Shear-induced self-assembly of native silk proteins into fibrils studied by atomic force microscopy. Biomacromolecules, 2012, 13(3): 676–682

[50] Oroudjev E, Soares J, Arcidiacono S, . Segmented nanofibers of spider dragline silk: Atomic force microscopy and single-molecule force spectroscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2002, 99(Suppl 2): 6460–6465

[51] Inoue S, Tsuda H, Tanaka T, . Nanostructure of natural fibrous protein: In vitro nanofabric formation of Samia cynthia ricini wild silk sibroin by self-assembling. Nano Letters, 2003, 3(10): 1329–1332

[52] Jin H J, Kaplan D L. Mechanism of silk processing in insects and spiders. Nature, 2003, 424(6952): 1057–1061

[53] Foo C W P, Bini E, Hensman J, . Role of pH and charge on silk protein assembly in insects and spiders. Applied Physics A: Materials Science & Processing, 2006, 82(2): 223–233

[54] Zhao L, Song C, Zhang M, . Bioinspired heterostructured bead-on-string fibers via controlling the wet-assembly of nanoparticles. Chemical Communications, 2014, 50(73): 10651–10654

Acknowledgements

We thank the National Basic Research Program of China (973 Program, Grant No. 2013CB934400), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 21174097, 81272106 and 81271412), and the NIH (R01 DE017207). We also thank the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (PAPD), the Excellent Youth Foundation of Jiangsu Province (BK2012009), International S&T Cooperation Project of the Ministry of S&T of China (2010DFR30850), the Key Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions of China (11KGA430002) and Jiangsu Provincial Special Program of Medical Science (BL2012004) for support of this work.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg