Molekulare Verschränkung und Electrospinnability von Biopolymeren

Zusammenfassung

Elektro ist eine faszinierende Technik, die zur Mikro zu nanoskaligen Fasern aus einer Vielzahl von Materialien zu fertigen. Molekulare Verschlingung der Polymerbestandteile in der Spinnlösung ist wichtig für eine erfolgreiche Elektro. Wir präsentieren ein Protokoll für die Verwendung Rheologie, die electrospinnability von zwei Biopolymere, Stärke und Pullulan bewerten.

Zusammenfassung

Elektro ist eine faszinierende Technik, um aus einer Vielzahl von Materialien zu fertigen Mikro zu nanoskaligen Fasern. Für Biopolymere, wurde molekularen Verschlingung der Polymerbestandteile in der Spinnlösung gefunden, eine wesentliche Voraussetzung für eine erfolgreiche Elektro sein. Die Rheologie ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um die molekulare Konformation und Interaktion von Biopolymeren zu untersuchen. In diesem Bericht zeigen wir das Protokoll für die Verwendung, um die Rheologie electrospinnability von zwei Biopolymeren, Stärke und Pullulan zu bewerten, aus ihren Dimethylsulfoxid (DMSO) / Wasser-Dispersionen. Wohlgeformte Stärke und Pullulan Fasern mit mittleren Durchmessern im Submikrometerbereich zu Mikrometer-Bereich erhalten. Electrospinnability wurde durch visuelle und mikroskopische Untersuchung des gebildeten Fasern ausgewertet. Durch Korrelieren der rheologischen Eigenschaften der Dispersionen, ihre electrospinnability zeigen wir, dass die molekulare Konformation, molekulare Verhakung und Scherviskosität beeinflussen Electrospinning. Rheologie ist nicht nur nützlich bei der Lösungsmittelsystem Auswahl und Prozessoptimierung, sondern auch für das Verständnis des Mechanismus der Faserbildung auf molekularer Ebene.

Einleitung

Elektrospinnen ist eine Technik, in der Lage, kontinuierliche Mikro um nanoskalige Fasern aus einer Vielzahl von Materialien ist. Es wird zunehmend akademischen und industriellen Interesse ^1. Obwohl das Setup und die Praxis der Elektro scheinen einfach, bleibt die Fähigkeit, vorherzusagen und zu kontrollieren electrospinnability Fasereigenschaften eine Herausforderung. Der Grund mag in der Tatsache, dass es viele Faktoren, die das Elektrospinnverfahren ² und den Prozess, vor allem den Weg von der Faser reiste, ist chaotisch ¹ Einfluss liegen. Oft eine empirische "Koch-und-aussehen"-Ansatz wird für das Screening von potenziellen elektroverspinnbaren Materialien verwendet. Um jedoch eine bessere Kontrolle über das Elektrospinnverfahren und der resultierenden Fasereigenschaften, ein besseres Verständnis der Mechanismen, die electrospinnability regeln erforderlich gewinnen. Einige Forscher haben herausgefunden, dass molekulare Verhakung von Polymeren in der Spinnlösung ist eine essential Voraussetzung für eine erfolgreiche Elektro ^3-5.

Die Rheologie ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um molekulare Konformation und Interaktion in Polymerdispersionen zu untersuchen. Zum Beispiel McKee et al. untersuchten die molekularen Konformation des linearen und verzweigten Poly (ethylenterephthalat-co-Ethylenisophthalat-Copolymer) in einem Lösungsmittel Chloroform / Dimethylterephthalat (3.7, v / v) enthält, und bestimmt, dass die Polymerkonzentration auf 2-2.5x sein die Verstrickung Konzentration für eine erfolgreiche Elektro ^4.

Es ist derzeit das Interesse an Fasern aus Biopolymeren wegen ihrer Vorteile in der biologischen Abbaubarkeit, Biokompatibilität und Erneuerbarkeit gegenüber den synthetischen Gegenstücke. Doch Praktiker stellen viele Herausforderungen, die sich in der Regel aus ihrer strukturellen Komplexität, Schwierigkeiten bei der thermischen Behandlung und schlechtere mechanische Eigenschaften. Stärke, in pflanzlichen Geweben gefunden wird, ist Among die am häufigsten vorkommenden Biopolymeren und preiswert auf der Erde. Reine Stärkefasern hergestellt unter Verwendung eines elektroNassSpinnApparatur wurden kürzlich beschriebenen ^6. Pullulan ist ein extrazellulär durch bestimmte Bakterien lineares Polysaccharid. Der regelmäßige Wechsel von (1 → 4) und (1 → 6) Glucosidbindungen sind vermutlich für mehrere markante Eigenschaften Pullulan, einschließlich ausgezeichneter Faser / Filmbildungsfähigkeit ^7,8 verantwortlich zu sein. Elektrospinnen von Pullulan Fasern aus wässriger Dispersion wurde durch eine Reihe von Forschern ^9,10 berichtet. In unseren früheren Veröffentlichungen, die von zwei electrospinnability Biopolymere, Stärke ¹¹ und ¹² Pullulans, wurde diskutiert. Dieser Bericht konzentriert sich auf die Vorführung des Protokolls für die Verwendung rheologischen Prinzipien bei der Untersuchung des electrospinnability dieser beiden Biopolymere.

Protokoll

1. Spinnlösung Vorbereitung

1. Bereiten Sie eine Reihe von Biopolymer-Konzentrationen (bis 30% 0,1%, w / v) untersucht werden und sicher sein, um den Feuchtigkeitsgehalt der Biopolymer-Pulver in diesen Berechnungen zu berücksichtigen. Für jede Konzentration, wiegen das Biopolymer (Stärke oder Pullulan) Pulver in einem 50 ml-Reagenzglas. Fügen wässrigen Dimethylsulfoxid (DMSO)-Lösung und einen Rührstab.
2. Das Röhrchen wird in kochendes Wasser unter ständigem Rühren auf einem Magnetrührer Heizplatte.
3. Nach ca. 1 Stunde, schalten Sie die Hitze und lassen Dispersion auf Raumtemperatur abkühlen. Die Dispersion ist dann bereit für rheologische Tests und Elektro.

2. Stationäre scherrheologie

1. Aufwärmen der Rheometer und die Bühne Temperatur bei 20 ° C. Kalibrieren Sie den Abstand zwischen der Sonde (25 mm Konus verwendet werden) und die Bühne (Platte).
2. Last 0,41 ml der Biopolymer-Dispersion auf die Mitte der Bühne und senken Sie die Sonde, um die positi eingestelltauf (0,053 mm Abstand für 25 mm Konus). Stellen Sie sicher, dass die Dispersion gleichmäßig innerhalb der Lücke verbreitet.
3. Führen Sie die rheologischen Test mit den folgenden experimentellen Parameter: Sweep-Modus: log, Anfangsgeschwindigkeit: 100 s ^-1, Schlussrate: 0,1 s ^-1, Punkte pro Jahrzehnt: 10, Verzögerung, bevor Maßnahme: 5 sec, Messung Zeit: 10 sec, und Richtungen pro Takt: zwei (beide im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn).
4. Rheologischen Daten analysieren, um geeignete Dispersions Konzentrationen für das Elektro Studien schätzen.
   1. Plotten scheinbaren Scherviskositäten gegen Schergeschwindigkeiten als Funktion der Polymerkonzentration. Für jede Stromkurve, ungefähre Null-Scherviskositäten η _0, durch die tatsächliche oder extrapolierten Werte (beispielsweise bei niedrigen Konzentrationen, wo die niedrige Scherratendaten unzuverlässig sind) für die scheinbare Viskosität bei 0,1 sec ^{- 1.}
   2. Berechnen Sie die spezifische Viskosität: η _sp = (η ₀ - η _s)/ Η _s, wobei _s η ist die Viskosität des Lösungsmittels.
   3. Plotten spezifischen Viskositäten als Funktion der Konzentration. Identifizieren halbverdünnten unverflochtene und verstrickt Regime. Die halbverdünnten unverflochtene Regime beginnt mit dem niedrigen Konzentration Ende mit einem kleinen Hang, und die halbverdünnten Regime verstrickt hat eine größere Steigung nach der unverflochtene Regimes. Fit Potenzgesetz Regressionsmodelle in beiden Regimen. Die Leistungswerte sind die Pisten (Konzentrationsabhängigkeit) in halbverdünnten unverflochtene und verstrickt Regime auf einer log-log-Plot. Der Schnittpunkt der beiden Linien ist die Einbau Verstrickung Konzentration, c _e.

3. Das Elektroparametervariation

1. Montieren Sie den Elektro Aufbau wie in Abbildung 1 dargestellt. Legen Sie die Spritze mit Dispersions entsprechender Zusammensetzung, zB 15% (w / v) Stärke oder Pullulan in 100% DMSO, auf die Spritzenpumpe. Clip der Hochspannungsleitung (postulierenIVE) an der Nadel. Schließen Sie den Gerinnungs Bad mit reinem Ethanol auf Masse durch Eintauchen der Masseleitung (negativ) in die Badewanne. Verwenden Sie eine Hebebühne, um den Abstand zwischen der Spritze und Nadel Koagulierbad einzustellen. Tauchen Sie ein Metallnetz in der Badewanne, um die Fasermatte nach Elektrospinning zu sammeln.
2. Drehen Sie das Biopolymer in der folgenden Parameterbereiche: Förderrate von 0,1 bis 0,4 ml / h, Entfernung von Spinn 5 bis 10 cm, und die Spannung von 0 bis 15 kV.
   1. Beginnen mit einer Spinn Abstand von 5 cm. Zum ersten Förderrate (0,1 ml / h), die Spannung bis Rampe langsam von 0 V Achten Sie auf die Form der Dispersion an der Nadelspitze extrudiert und beachten, wenn die Tropf Dispersion wird beschleunigt und dann länglich.
   2. Beachten Sie die Spannung, bei der ein kleiner Strahl aus der Tropfenoberfläche eingeleitet, was electrospinnability der Lösung. Aufzeichnen der Spannung an dem ein kontinuierlicher Strahl einleitet, falls vorhanden.
   3. Untersuchen Sie das komplette Programm für jede der drei parameters und Mitteilungs erfolgreichen Spinnbedingungen. Sammeln der Fasern nur, wenn es einen kontinuierlichen Strahl von der Spitze.
3. Nach ein paar Minuten sammeln, spülen Sie die Fasermatte mit reinem Ethanol. Legen Sie die Fasermatte in einem Exsikkator mit Trockenmittel im Vakuum.
4. Wiederholen Sie für jede Biopolymer-Konzentration für eine vollständige Charakterisierung.

Abbildung 1 Schematische Darstellung des elektro Naßspinnen Einrichtung. Das Biopolymer Dispersion aus einer Spritzenpumpe extrudiert. Ein Hochspannungsgleichstromnetzteil bietet eine hohe Spannung an den stumpfen Nadel und Gelände die Gerinnungs Badewanne. Das Polymer-Jet von der Nadelspitze bewegt sich durch einen geraden Weg und entwickelt eine schnelle Schlag Weg (auch bekannt als Prügel Instabilität) dann.

4. Morphologische Charakterisierung

1. Schneiden Sie ein Stück getrockneten Fasermatte und immobilisieren sie auf eine SEM-Stub mit Kohlenstoffband.
2. Legen Sie die Probe in die Stub SEM Instrument und Bilder zu erhalten für die Analyse.

Ergebnisse

Fließkurven der Biopolymer-Dispersionen als Funktion der Konzentration Biopolymer und DMSO-Konzentration in dem Lösungsmittel erhalten. Zwei repräsentative Zahlen zeigen die Fließkurven der Stärke (2A) und Pullulans (2B) in Abhängigkeit von ihrer Konzentration in reinem DMSO Lösungsmittel. Die spezifischen Viskositäten wurden gegen Biopolymer-Konzentration (3A für Stärke und 3B für Pullulans) aufgetragen. Aus diesen Grundstücken wurden Verstrickung Konz...

Diskussion

Rheologie ist ein wesentliches Instrument, um die Verarbeitung von Polymeren, einschließlich konventioneller Faserspinn und Elektrospinning ¹³ studieren. Von dem stationären Scher rheologischen Untersuchungen, Polymer-Konformation und ihre Wechselwirkungen in verschiedenen Lösungsmitteln gelöst werden kann (Figuren 2 und 3). Bei Konzentrationen nicht hoch genug für Biopolymermolekülen miteinander überlappen, war ihre Konzentrationsabhängigkeit rund 1,4 (Abbildung 3),<...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Gelose 80 Stärke	Inhaltsstoff		Verwendet wie es
ist Pullulan	Hayashibara Co. Ltd		Verwendet wie
es ist Dimethylsulfoxid	BDH Chemikalien	BDH1115-4LP
Ethanol	VWR International	89125-172	200 proof
Rheometer	TA Instruments	ARES	50 mm Konus- und Plattengeometrie
Spritze (10 ml)	Becton, Dickinson and Company	309604	Spritze mit Luer-Lok® Tipp
Hochspannungsgenerator	Gamma High Voltage Research, Inc.	ES40P
Spritzenpumpe	Hamilton Company	81620
Umwelt-Rasterelektronenmikroskop	FEI Company	Quanta 200	für Stärkefasern
Umwelt-Rasterelektronenmikroskop	Phenom-World	Phenom G2 Pro	für Pullulan-Fasern