生物大分子的分子缠结与静电纺丝性

摘要

静电纺丝是一种用于从多种材料制备微米至纳米级纤维的引人入胜的技术。纺丝液中聚合物分子的缠结对于成功实现静电纺丝至关重要。本文介绍了一种利用流变学评估两种生物聚合物——淀粉和普鲁兰多糖——可纺性的实验方案。

摘要

静电纺丝是一种引人注目的技术，可用于从多种材料制备微米至纳米级纤维。对于生物聚合物而言，纺丝液中组分聚合物的分子缠结被认为是成功进行静电纺丝的基本前提。流变学是一种强大的工具，可用于研究生物聚合物的分子构象及其相互作用。在本报告中，我们展示了利用流变学评估两种生物聚合物——淀粉和普鲁兰多糖——在二甲基亚砜（DMSO）/水分散体系中可纺性的实验方案。成功获得了形貌完整、平均直径在亚微米至微米范围内的淀粉和普鲁兰多糖纤维。通过纤维形成的肉眼观察和显微镜观察来评估其可纺性。通过将分散体系的流变性能与其可纺性相关联，我们证明了分子构象、分子缠结以及剪切黏度均会影响静电纺丝过程。流变学不仅在溶剂体系选择和工艺优化中具有重要作用，还有助于从分子层面理解纤维形成的机制。

引言

静电纺丝是一种能够从多种材料中制备连续的微米至纳米级纤维的技术。该技术已引起学术界和工业界的日益关注¹。尽管静电纺丝的装置和操作看似简单，但预测材料的可纺性并控制纤维特性的能力仍面临挑战。其原因可能在于，影响静电纺丝过程的因素众多²，且该过程——尤其是纤维的运动路径——具有混沌特性¹。目前，常采用经验性的“试错观察”方法来筛选潜在的可静电纺丝材料。然而，为了更有效地控制静电纺丝过程及所得纤维的性能，需要更全面地理解决定可纺性的内在机制。已有若干研究者发现，聚合物在纺丝液中的分子链缠结是实现成功静电纺丝的关键前提条件^3-5。

流变学是研究聚合物分散体系中分子构象与相互作用的有力工具。例如，McKee 等研究了线性和支化聚对苯二甲酸乙二醇酯-共-间苯二甲酸乙二醇酯共聚物在含氯仿/对苯二甲酸二甲酯（7/3，v/v）溶剂中的分子构象，并确定聚合物浓度必须为2–2.5倍 成功静电纺丝所需的缠结浓度⁴.

目前，由于生物聚合物纤维在生物降解性、生物相容性和可再生性方面相较于合成材料具有优势，其研究正重新受到关注。然而，实践者面临诸多挑战，这些挑战通常源于生物聚合物结构复杂、热加工困难以及力学性能较差等问题。淀粉广泛存在于植物组织中，是地球上最丰富且成本最低的生物聚合物之一。最近已有研究报道了使用电湿法纺丝装置制备纯淀粉纤维的方法⁶。普鲁兰多糖是由某些细菌胞外合成的一种线性多糖，其分子中（1→4）和（1→6）糖苷键的规则交替排列被认为赋予了普鲁兰多糖多种独特性质，包括优异的成纤和成膜能力^7,8。已有多个研究者报道了从水分散体系中通过静电纺丝制备普鲁兰多糖纤维的方法^9,10。在我们先前的出版物中，已讨论了两种生物聚合物——淀粉¹¹和普鲁兰多糖¹²——的可静电纺丝性。本报告重点在于展示如何利用流变学原理来研究这两种生物聚合物可纺性的实验方案。

方案

1. 纺丝液的制备

1. 配制一系列待研究的生物聚合物浓度（0.1% 至 30%，w/v），并在计算时考虑生物聚合物粉末的水分含量。针对每种浓度，将生物聚合物（淀粉或普鲁兰多糖）粉末称重后放入 50 ml 试管中。加入水性二甲基亚砜（DMSO）溶液和搅拌子。
2. 将试管置于沸水中，并在磁力搅拌加热板上持续搅拌。
3. 约 1 小时后，关闭加热，使分散液冷却至室温。此时分散液即可用于流变学测试和静电纺丝。

2. 稳态剪切流变学

1. 预热流变仪并将载物台温度设定为 20 °C校准探头（使用25 mm锥形探头）与载物台（平板）之间的间隙。
2. 将0.41 ml生物聚合物分散液加至载台中央，降下探针以设定位置（25 mm锥形探针的间隙为0.053 mm）。确保分散液在间隙内均匀铺展。
3. 使用以下实验参数进行流变学测试：扫描模式：对数，初始速率：100 秒⁻¹^-1，最终速率：0.1 秒^-1每十倍频程点数：10，测量前延迟：5 秒，测量时间：10 秒，每次测量方向：两个（顺时针和逆时针）。
4. 分析流变学数据，以估算适用于静电纺丝试验的分散液浓度。
   1. 将表观剪切黏度随剪切速率的变化关系绘制成图，并以聚合物浓度为参数。针对每条流动曲线，估算零剪切黏度 η₀，由实际或外推的值（例如在低浓度下，由于低剪切速率数据不可靠，0.1 sec⁻¹ 时的表观黏度⁻¹.
   2. 计算特性黏度：η_sp = (η₀− η_s)/η_s，其中 η_s 是溶剂的黏度。
   3. 将比黏度对浓度作图，确定半稀释非缠结区和缠结区。半稀释非缠结区从低浓度端开始，斜率较小；半稀释缠结区紧随其后，具有更大的斜率。在两个区域内分别拟合幂律回归模型。幂指数值即为在双对数图中半稀释非缠结区和缠结区的斜率（浓度依赖性）。两条拟合直线的交点对应的浓度即为缠结浓度，c_e.

3. 电纺丝参数变化

1. 按照图示组装静电纺丝装置 图1. 用适当组成的分散液填充注射器， 例如将含有15%（w/v）淀粉或普鲁兰的100% DMSO溶液装入注射泵。将高压线（正极）夹在针头上。将凝固浴（含纯乙醇）通过将接地线（负极）浸入浴液中接地。使用实验室升降台调节注射针头与凝固浴之间的距离。将金属网置于凝固浴中，用于收集静电纺丝后的纤维膜。
2. 以以下参数范围进行生物聚合物纺丝：进料速率为 0.1 至 0.4 ml/hr，纺丝距离为 5 至 10 cm，电压为 0 至 15 kV。
   1. 起始旋转距离设为 5 cm。对于第一个进料速率（0.1 ml/hr），将电压从 0 V 开始缓慢升高。注意观察针尖处挤出分散液的形态，并记录分散液滴加速并随后被拉长的时刻。
   2. 记录液滴表面开始产生微小射流时的电压，以指示溶液的可电纺性。若出现连续射流，记录其起始电压。
   3. 检查三个参数的完整范围，并记录成功的纺丝条件。只有当针尖出现连续射流时，才收集纤维。
3. 收集数分钟后，用纯乙醇冲洗纤维膜。将纤维膜置于含有干燥剂的真空干燥器中。
4. 对每种生物聚合物浓度重复上述步骤，以完成全面表征。

图1. 湿法静电纺丝装置的示意图。 生物高分子分散液由注射泵挤出。高压直流电源为钝头针头提供高电压，并将凝固浴接地。从针尖喷出的聚合物射流先沿直线路径行进，随后转变为快速鞭动的路径（又称鞭动不稳定性）。

4. 形态学表征

1. 裁取一段干燥的纤维膜，使用导电胶带将其固定在扫描电镜样品 stub 上。
2. 将样品 stub 装入扫描电镜仪器中，获取用于分析的图像。

结果

获得了生物聚合物分散液的流动曲线，该曲线是生物聚合物浓度和溶剂中DMSO浓度的函数。两个代表性图示显示了淀粉（图2A）和普鲁兰多糖（图2B）在纯DMSO溶剂中随其浓度变化的流动曲线。将比黏度对生物聚合物浓度作图（淀粉见图3A，普鲁兰多糖见图3B）。根据这些图示，通过拟合曲线在未缠结半稀溶液区和缠结半稀溶液区的交点，得到缠结浓度。

讨论

流变学是研究聚合物加工过程（包括常规纤维纺丝和静电纺丝¹³）的重要工具。通过稳态剪切流变学研究，可以解析聚合物在不同溶剂中的构象及其相互作用（图2 和 图3）。当生物大分子浓度尚未达到相互重叠的程度时，其浓度依赖性约为1.4（图3），这与文献报道的其他聚合物在良溶剂中的数值相符^3,4。当生物大分子开始发生缠结后，特性黏度对浓度的依赖性显著增强。n值越大，表明分子间相互作用越强。许多无规卷曲型多糖表现出类似的浓度依赖性，n值约为3.3 ¹⁴。在高DMSO含量的溶剂中，普鲁兰多糖比淀粉表现出更强的分子间相互作用，这可能与两种生物大分子的分子结构特性有关。所用的淀粉含有较多高度支化的组分（约20%的支链淀粉），而普鲁兰多糖则应为线性结构。当然，未知的分子量也可能对结果产生影响。

缠结浓度取决于分散体系中生物聚合物的构象。例如，淀粉在92.5%（w/v）DMSO水溶液中的缠结浓度远低于其在纯DM...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
明胶80淀粉	Ingredion		直接使用
普鲁兰多糖	林原株式会社（Hayashibara Co. Ltd）		直接使用
二甲基亚砜	BDH Chemicals	BDH1115-4LP
乙醇	VWR International	89125-172	200 proof
流变仪	TA Instruments	ARES	50 mm 锥板几何结构
注射器（10 ml）	贝克顿·迪金森公司（Becton, Dickinson and Company）	309604	带鲁尔锁式接头（Luer-Lok® Tip）的注射器
高压电源发生器	Gamma High Voltage Research, Inc.	ES40P
注射泵	Hamilton Company	81620
环境扫描电子显微镜	FEI 公司	Quanta 200	用于淀粉纤维观察
环境扫描电子显微镜	Phenom-World	Phenom G2 Pro	用于普鲁兰多糖纤维观察