Structural and Morphological Characterization of Tussar and Bivoltine Silk Fibers

Technische Samenvatting: Structurele en Morfologische Karakterisering van Tussar- en Bivoltine Zijdevezels

Probleemstelling
Zijdevezels, die hoofdzakelijk bestaan uit fibroïne en sericine, worden gewaardeerd om hun unieke combinatie van mechanische sterkte, flexibiliteit en biocompatibiliteit. Verschillende zijdevariëteiten bezitten echter verschillende fysisch-chemische eigenschappen, gedreven door hun specifieke aminozuurprofielen en moleculaire organisatie. Hoewel zowel Tussar-zijde (wild, van Antheraea-soorten) als Bivoltine-zijde (getemd, van Bombyx mori) technologisch van groot belang zijn, is hun fundamentele verschil in reactie op externe fysieke stimuli, met name elektromagnetische straling, op microstructueel niveau nog niet goed begrepen. De bestaande literatuur richt zich grotendeels op enkelvoudige zijdetypes of chemisch bewerkte films, waardoor er een kenniskloof bestaat met betrekking tot de vergelijkende respons van natuurlijke Tussar- en Bivoltine-vezels onder identieke bestralingscondities. Deze studie adresseert de noodzaak om deze twee variëteiten systematisch te vergelijken om hun selectie voor geavanceerde textieltechniek, biomedische scaffoldings en functioneel composietontwerp te optimaliseren.

Methodologie
De studie maakte gebruik van een vergelijkende analyse van Tussar- en Bivoltine-zijdevezels, afkomstig van gecertificeerde overheidsinstellingen in India. Het experimentele ontwerp omvatte:

1. Monsterpreparatie: Vezels werden gereinigd, gedroogd en verdeeld in controle- (onbehandelde), 5-minuten bestraalde en 10-minuten bestraalde groepen.
2. Bestraling: Monsters werden onderworpen aan gecontroleerde microgolfbestraling (2,45 GHz, 1000W) gedurende 5 en 10 minuten.
3. Karakteriseringstechnieken:
   • Röntgendiffractie (XRD): Gebruikt om kristalliniteit te evalueren, $\beta$-sheet-structuren te identificeren en kristallietgrootte, roostervervorming (lattice strain), dislocatiedichtheid en interplanair afstand te berekenen met behulp van de Scherrer-vergelijking en de Williamson-Hall-methode.
   • Fourier-Transform Infrarood (FTIR) Spectroscopie: Gebruikt voor de analyse van chemische bindingen, functionele groepen en de preservatie van de proteïne-backbone (Amide I, II en III banden).
   • Scanning Elektronenmicroscopie (SEM): Toegepast voor het observeren van oppervlaktemorfologie, fibrillaire uitlijning en structurele integriteit.
   • Mechanische Testen: Breuklast, rek en treksterkte werden gemeten om de structurele integriteit en het draagvermogen te beoordelen.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten
De studie onthult duidelijke structurele en mechanische divergenties tussen de twee zijdetypes na blootstelling aan microgolven:

• Kristalliniteit en XRD-analyse:

  • Tussar-zijde: Vertoonde een significante afname in kristalliniteit en diffractie-intensiteit na 5 minuten bestraling, wat wijst op ketenscissie en structurele fragmentatie. Hoewel een gedeeltelijk herstel in intensiteit en kristallietgrootte werd waargenomen bij 10 minuten, bleef de kristalliniteit onder het niveau van het ruwe monster, wat duidt op beperkte herkristallisatie en een neiging naar een amorfe staat.
  • Bivoltine-zijde: Demonstreerde superieure stabiliteit. Hoewel 5 minuten bestraling een lichte afname in intensiteit veroorzaakte, resulteerde 10 minuten blootstelling in een significante toename van de diffractie-intensiteit en Kristalliniteitsindex (CI), stijgend van 89% (ruw) naar 92%. Dit duidt op bestralingsgeïnduceerde moleculaire reorganisatie en verbeterde $\beta$-sheet uitlijning zonder significante roostervervorming.

• FTIR-spectroscopie:

  • Tussar-zijde: Toonde een reductie in piekindensiteiten en bandverbreding na 5 minuten, wat wijst op een gedeeltelijke verstoring van waterstofbindingen en $\beta$-sheet ordening.
  • Bivoltine-zijde: Vertoonde een continue intensivering en verscherping van de Amide I en II banden na 10 minuten, wat duidt op verbeterde ketenuitlijning en versterkte intermoleculaire interacties.

• Mechanische Eigenschappen:

  • Tussar-zijde: De mechanische prestaties verslechterden significant na 5 minuten (verminderde breuklast en treksterkte), maar vertoonden een opmerkelijk herstel bij 10 minuten, waarbij de waarden de ruwe vezelwaarden licht overtroffen.
  • Bivoltine-zijde: Vertoonde een monotone toename van de mechanische eigenschappen met de bestralingstijd. Breuklast, rek en treksterkte verbeterden progressief, waarbij de 10-minuten sample de hoogste prestatie leverde (bijv. treksterkte toenemend van 2,19 naar 2,857 g/den).

• Oppervlaktemorfologie (SEM):

  • Tussar-zijde: De ruwe vezels vertoonden een ruwer en heterogener aspect. Bestraling induceerde zichtbare oppervlakte-degradatie, inclus\text{bij} ruwheid, fibril-verstoring en microstructurele discontinuïteiten.
  • Bivoltine-zijde: De ruwe vezels waren glad en compact. Na bestraling bleven de vezels structureel intact met slechts minimale oppervlakte-onregelmatigheden, wat een uniforme en compacte morfologie behield die duidt op een betere moleculaire pakking.

Significantie en Claims
Het artikel concludeert dat Bivoltine-zijde een uitstekende bestralingstolerantie en structurele adaptiviteit bezit vergeleken met Tussar-zijde. De auteurs beweren dat gecontroleerde microgolfbestraling effectief de microstructuur en prestaties van zijde controleert, met name voor Bivoltine-variëteiten, door de heroriëntatie van fibroïne-ketens en de stabilisatie van $\beta$-sheet domeinen te bevorderen.

De studie stelt dat deze bevindingen cruciaal zijn voor het rationeel ontwerp van de volgende generatie zijde-gebaseerde materialen. Specifiek wordt Bivoltine-zijde geïdentificeerd als een geschiktere kandidaat voor toepassingen die een hoge structurele stabiliteit en verbeterde mechanische prestaties vereisen onder bestraling, zoals geavanceerde textiel, belastbare biomedische materialen en functionele composieten. Daarentegen suggereert de gevoeligheid van Tussar-zijde voor thermische en structurele degradatie dat deze beter geschikt kan zijn voor toepassingen waarbij natuurlijke porositeit en esthetische textuur prioriteit hebben boven bestralingsgeïnduceerde structurele versterking. Het werk benadrukt dat het begrijpen van deze differentiële responsen essentieel is voor het selecteren van geschikte zijdetypes en verwerkingsstrategieën in het functionele materiaalontwerp.