Molecular Enredo y Electrospinnability de Biopolímeros

Resumen

Electrospinning es una técnica fascinante utilizado para fabricar fibras micro a nano-escala a partir de una amplia variedad de materiales. Entrelazamiento molecular de los polímeros constituyentes en la disolución de hilatura es esencial para electrospinning éxito. Se presenta un protocolo para la utilización de reología para evaluar la electrospinnability de dos biopolímeros, almidón y pululano.

Resumen

Electrospinning es una técnica fascinante para fabricar micro fibras a nano-escala a partir de una amplia variedad de materiales. Para biopolímeros, enredo molecular de los polímeros constituyentes en la solución de hilado se encontró que era un requisito previo esencial para electrospinning éxito. La reología es una herramienta poderosa para sondar la conformación molecular y la interacción de los biopolímeros. En este informe, demuestran el protocolo para la utilización de reología para evaluar la electrospinnability de dos biopolímeros, almidón y pullulan, desde su dimetilsulfóxido (DMSO) / dispersiones de agua. Se obtuvieron de almidón y fibras de pululano bien formados con diámetros medios en el rango submicrónico para micrones. Electrospinnability se evaluó por observación visual y microscópica de las fibras formadas. Al correlacionar las propiedades reológicas de las dispersiones a su electrospinnability, nos demuestran que la conformación molecular, enredo molecular y viscosidad de corte, afectan electorospinning. Reología no sólo es útil en la selección del sistema disolvente y la optimización de procesos, sino también en la comprensión del mecanismo de formación de la fibra en un nivel molecular.

Introducción

Electrospinning es una técnica que es capaz de producir micro continua a las fibras de nano-escala a partir de una amplia variedad de materiales. Se ha ganado un creciente interés académico e industrial ^1. Aunque la configuración y la práctica de electrospinning parecen sencillo, la capacidad de predecir y controlar electrospinnability propiedades de la fibra sigue siendo un reto. La razón puede estar en el hecho de que hay muchos factores que influyen en el proceso de electrospinning ² y el proceso, especialmente la trayectoria recorrida por la fibra, es caótico ^1. A menudo, un enfoque empírico "cocinar-y-mirar" se utiliza para la detección de materiales electrospinnable potenciales. Sin embargo, para tener un mejor control sobre el proceso de electrospinning y propiedades de la fibra resultantes, una comprensión más completa de los mecanismos que gobiernan electrospinnability se requiere. Varios investigadores han encontrado que el entrelazamiento molecular de polímeros en la disolución de hilatura es un infll requisito previo para electrospinning éxito ^{3 5.}

La reología es una poderosa herramienta para sondear conformación molecular y la interacción en dispersiones de polímeros. Por ejemplo, McKee et al. investigado la conformación molecular de lineal y ramificado de poli (tereftalato de etileno-co-isoftalato de etileno) copolímeros en un disolvente que contiene cloroformo / tereftalato de dimetilo (7/3, v / v), y ha determinado que la concentración de polímero tenía que ser 2-2,5 veces la concentración de entrelazamiento para electrospinning éxito ^4.

En la actualidad existe un interés renovado en las fibras de biopolímeros debido a sus ventajas en biodegradabilidad, biocompatibilidad, y renovabilidad vis-à-vis sus homólogos sintéticos. Sin embargo, los profesionales se enfrentan a muchos retos derivados generalmente de su complejidad estructural, la dificultad en el procesamiento térmico y las propiedades mecánicas inferiores. El almidón, que se encuentra en los tejidos vegetales, es among los biopolímeros más abundantes y de bajo costo en la tierra. Fibras de almidón puro fabricados utilizando un aparato electro-hilatura en húmedo se describió recientemente ^6. El pululano es un polisacárido lineal producida extracelularmente por ciertas bacterias. La alternancia regular de (1 → 4) y (1 → 6) enlaces glucosídicos se cree que son responsables de varias propiedades distintivas de pululano, incluida la fibra excelente / formadores de ^7,8 capacidad de película. Electrospinning de fibras de dispersión acuosa de pululano ha sido reportado por un número de investigadores ^9,10. En nuestras publicaciones anteriores, el electrospinnability de dos biopolímeros, almidón ¹¹ y ¹² de pululano, se ha discutido. Este informe se centra en la demostración del protocolo para la utilización de principios reológicas en la investigación de la electrospinnability de estos dos biopolímeros.

Protocolo

1. Spinning Preparación Dope

1. Prepare una serie de concentraciones de biopolímero que se investigue (0,1% a 30%, w / v) y asegúrese de considerar el contenido de humedad del polvo de biopolímero en estos cálculos. Para cada concentración, se pesa el biopolímero (almidón o pululano) polvo en un tubo de ensayo de 50 ml. Añadir dimetilsulfóxido acuoso solución (DMSO) y una barra de agitación.
2. Se coloca el tubo en agua hirviendo con agitación constante en una placa caliente de agitación magnética.
3. Después de aproximadamente 1 hora, apagar el fuego y deje que la dispersión se enfríe a temperatura ambiente. La dispersión es entonces listo para la prueba reológica y electrospinning.

2. Steady Shear Reología

1. Caliente el reómetro y ajustar la temperatura fase a 20 ° C. Calibrar la brecha entre el (mm cono 25 se utiliza) de la sonda y la etapa (placa).
2. Cargar 0,41 ml de la dispersión de biopolímero en el centro del escenario y bajar la sonda para establecer el positien (brecha de 0,053 mm para 25 mm cono). Asegúrese de que la dispersión se extiende de manera uniforme dentro de la brecha.
3. Realice la prueba reológica con los siguientes parámetros experimentales: modo de barrido: registro, tasa inicial: 100 ^seg-1, tipo final: 0,1 ^seg-1, puntos por década: 10, retraso antes de medida: 5 seg, medir el tiempo: 10 seg, y direcciones por compás: dos (tanto en sentido horario y en sentido antihorario).
4. Analizar los datos reológicos para estimar las concentraciones de dispersión apropiados para electrospinning ensayos.
   1. Trazar viscosidades de cizallamiento aparente frente a velocidades de cizalladura como una función de concentraciones de polímero. Para cada curva de flujo, aproximados viscosidades de cizallamiento cero, η _0, por los valores reales o extrapolados (por ejemplo, a bajas concentraciones, donde los datos de baja velocidad de cizallamiento son poco fiables) para la viscosidad aparente a 0,1 seg ^{- 1.}
   2. Calcular la viscosidad específica: η _sp = (η ₀ - η _s)/ η _s, donde _s η es la viscosidad del disolvente.
   3. Trazar viscosidades específicas como una función de la concentración. Identificar los regímenes sin entrelazar y enredadas semidilute. El régimen sin entrelazar semidilute comienza desde el extremo más bajo de concentración con poca pendiente, y el régimen semidilute enredado tiene una mayor pendiente siguiendo el régimen sin entrelazar. Modelos de regresión de ley de potencia en forma en ambos regímenes. Los valores de potencia son las laderas (dependencia de la concentración) en los regímenes sin entrelazar y enredadas semidilute en un gráfico log-log. La intersección de las dos líneas de armarios es la concentración enredo, c _e.

3. electrospinning variación de parámetros

1. Montar la configuración de electrospinning como se muestra en la Figura 1. Cargar la jeringa con la dispersión de la composición apropiada, por ejemplo, 15% (w / v) de almidón o pululano en 100% de DMSO, a la bomba de jeringa. Sujete el cable de alta tensión (positIVE) a la aguja. Se conecta el baño de coagulación que contiene etanol puro a tierra sumergiendo el cable de tierra (negativo) en el baño. Use un gato de laboratorio para ajustar la distancia entre la aguja de la jeringa y baño de coagulación. Sumergir una malla metálica en el baño para recoger la estera de fibra después de electrospinning.
2. Haga girar el biopolímero en rangos de los siguientes parámetros: velocidad de alimentación de 0,1 a 0,4 ml / h, la distancia de giro de 5 a 10 cm, y el voltaje de 0 a 15 kV.
   1. Comience con una distancia de giro de 5 cm. Por primera velocidad de avance (0,1 ml / hr), aumento de la tensión lentamente desde 0 V. Preste atención a la forma de la dispersión extruido en la punta de la aguja y anote cuando la dispersión de goteo se acelera y luego alargada.
   2. Tenga en cuenta la tensión a la que un pequeño chorro de inició de la superficie de la gota, lo que indica electrospinnability de la solución. Registre el voltaje en el que un chorro continuo inicia, si los hubiere.
   3. Examine la gama completa para cada uno de los tres Parameters y fichas condiciones de hilatura éxito. Recoger las fibras sólo cuando hay un chorro continuo de la punta.
3. Después de unos minutos de la recolección, enjuague la estera de fibra con etanol puro. Coloque la estera de fibra en un desecador que contiene desecante al vacío.
4. Repita el procedimiento para cada concentración biopolímero para la caracterización completa.

Figura 1. Dibujo esquemático de la configuración de electro-hilado en húmedo. La dispersión biopolímero se extruye a partir de una bomba de jeringa. Una fuente de alimentación de CC de alto voltaje proporciona alta tensión a la aguja de punta roma y el recinto del baño de coagulación. El chorro de polímero a partir de la punta de la aguja se desplaza a través de un camino recto y luego se desarrolla un camino rápido para batir (también conocido como azotes inestabilidad).

4. Caracterización Morfológica

1. Corte un pedazo de manta de fibra seca e inmovilizarlo sobre un trozo SEM utilizando cinta de carbono.
2. Cargue el talón de la muestra en el instrumento SEM y obtener imágenes para el análisis.

Resultados

Se obtuvieron curvas de flujo de las dispersiones de biopolímero como una función de la concentración de biopolímero y la concentración de DMSO en disolvente. Dos figuras representativas muestran las curvas de flujo de almidón (Figura 2A) y pululano (Figura 2B) como una función de su concentración en disolvente DMSO puro. Las viscosidades específicas se representaron frente a la concentración de biopolímero (Figura 3A para el almidón y la Figura 3B para...

Discusión

La reología es una herramienta esencial para estudiar el procesamiento de polímeros, incluyendo la hilatura de fibra convencional y electrospinning ^13. De los estudios de cizalladura constantes reológicas, la conformación del polímero y sus interacciones en diferentes disolventes pueden ser resueltos (Figuras 2 y 3). A concentraciones no son suficientemente altos para las moléculas de biopolímero se solapen uno con el otro, su dependencia de la concentración fue de alrededor ...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Gelose 80 almidón	Ingredion		Usado tal cual
Pullulan	Hayashibara Co. Ltd		Usado tal cual
es Dimethyl sulfoxide	BDH Chemicals	BDH1115-4LP
Ethanol	VWR International	89125-172	200 proof
	Reómetro TA Instruments	ARES	Geometría de cono y placa de 50 mm
Jeringa (10 ml)	Jeringa 309604 Becton, Dickinson and Company		con Luer-Lok® Consejo
Generador de alto voltaje	Gamma High Voltage Research, Inc.	ES40P
Bomba de jeringa	Hamilton Company	81620
Microscopio electrónico de barrido ambiental	FEI Company	Quanta 200	para fibras de almidón
Microscopio electrónico de barrido ambiental	Phenom-World	Phenom G2 Pro	para fibras de pululano