Name: Molecular Enredo y Electrospinnability de Biopolímeros (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-09-03T15:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 59 s
Description: Aprende a evaluar la electrohilabilidad de biopolímeros como almidón y pullulano mediante reología de cizallamiento. Este protocolo permite correlacionar viscosidad con rendimiento de electrohilado y construir mapas de capacidad.

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Este trabajo está financiado en parte por el Instituto Nacional de USDA para la Agricultura y la Alimentación, el Programa Nacional de Becas Competitivas, Programa Nacional de la Iniciativa de Investigación de 71.1 el año fiscal 2007 como subvención No. 2007-35503-18392, y los Institutos Nacionales de Salud, Instituto de Alergias y Enfermedades Infecciosas , R33AI94514-03.

1. Spinning Preparación Dope <ol><li> 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. </li><li> Se coloca el tubo en agua hirviendo con agitación constante en una placa caliente de agitación magnética. </li><li> 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. </li></ol> 2. Steady Shear Reología <ol><li> 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). </li><li> 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. </li><li> 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). </li><li> Analizar los datos reológicos para estimar las concentraciones de dispersión apropiados para electrospinning ensayos. <ol><li> 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. </li><li> Calcular la viscosidad específica: η sp = (η 0 - η s)/ η s, donde s η es la viscosidad del disolvente. </li><li> 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. </li></ol></li></ol> 3. electrospinning variación de parámetros <ol><li> 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. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> 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. </li><li> Repita el procedimiento para cada concentración biopolímero para la caracterización completa. </li></ol><img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51933/51933fig1highres.jpg" width="500"> 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<ol><li> Corte un pedazo de manta de fibra seca e inmovilizarlo sobre un trozo SEM utilizando cinta de carbono. </li><li> Cargue el talón de la muestra en el instrumento SEM y obtener imágenes para el análisis. </li></ol>

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</ol>

Los autores declaran que no tienen nada que revelar.

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 ...

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 &quot;cocinar-y-mirar&quot; 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.

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

molecular enredo y electrospinnability de biopolímeros

Molecular Entanglement and Electrospinnability of Biopolymers

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.

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...

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.

Molecular Enredo y Electrospinnability de Biopolímeros

Electrospinning is a fascinating technique to fabricate micro- to nano-scale fibers from a wide variety of materials. For biopolymers, molecular ...

El objetivo general de este procedimiento es utilizar estudios radiológicos para evaluar la capacidad de giro electros de los biopolímeros. Esto se logra preparando primero las dispersiones de biopolímero en solvente. El segundo paso es realizar pruebas radiológicas puras en las dispersiones.A continuación, las dispersiones se someten a electro hilatura y se observa su capacidad de electro espín. El paso final es correlacionar los datos de viscosidad pura con la capacidad de electroespín. En última instancia, se puede construir un mapa de capacidad de electrogiro en función de la concentración del biopolímero y la composición del solvente.Aunque el método puede proporcionar información sobre el efecto de la interacción molecular en la capacidad de electroespín del almidón y el contaminante, también se puede aplicar al electrohilado de otros sistemas poliméricos. Comience el protocolo preparando un rango de concentraciones de masa de biopolímero. Produzca muestras con concentraciones de masa de 0,1 a 30% pesando primero el polvo de biopolímero en un tubo de ensayo de 50 mililitros.Para este video, se usa almidón que se muestra aquí o polan, tenga en cuenta el contenido de humedad del polvo antes de agregar una solución acuosa de dimetilsulfóxido. Una vez hecho esto, coloque una barra agitadora en la solución de biopolímero. Coloque el tubo de ensayo en un vaso de precipitados que contenga suficiente agua para sumergir la muestra.Colóquelo en un revuelto magnético o en una placa caliente y comience a revolver constantemente mientras hierve el agua. Mantenga esto durante aproximadamente una hora. Cuando termine la hora, apague el fuego y deje que la dispersión se enfríe a temperatura ambiente.Una vez a temperatura ambiente, la dispersión está lista para las pruebas radiológicas y el electrohilado. Antes de las pruebas radiológicas, caliente el TER y ajuste la temperatura de la etapa a 20 grados centígrados. Instale una sonda de cono de 25 milímetros y calibre el espacio entre ella y la plataforma.Cuando esté listo. Cargue 0,41 mililitros de la dispersión de biopolímero en el centro de la plataforma. Asegúrese de que la dispersión esté en el centro del escenario.Baje la sonda para establecer la posición. Asegúrese de que la dispersión se distribuya uniformemente dentro del espacio. Realice la prueba radiológica en modo logarítmico, comenzando a una velocidad de cizallamiento de 100 por segundo y finalizando a 0,1 por segundo.Realice mediciones en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj después de probar diferentes concentraciones de polímeros. Represente la viscosidad aparente frente a la velocidad de cizallamiento para cada concentración en el mismo gráfico que en este gráfico para almidón de gelatina 80 en DMSO puro a 20 grados Celsius. Esta es la trama análoga para Polan.Utilice los datos para aproximar las viscosidades de cizallamiento cero a partir de eso, determine y trace la viscosidad específica del solvente en función de la concentración utilizando el gráfico de almidón JELLOS 80. A modo de ejemplo, la región con la pendiente más pequeña es el régimen semidiluido sin entrelazar. La región con mayor pendiente es el régimen enmarañado semidiluido.La intersección de las dos líneas ajustadas es que la concentración de enredo para el almidón en DMSO puro es del 6.88%La concentración de enredo en Polan en DMSO puro es del 4.3%El siguiente paso es ensamblar la configuración de electrohilado, que se realiza en una campana extractora para mayor seguridad. Consiste en una bomba de jeringa sobre un soporte que se puede ajustar verticalmente. La bomba aloja una jeringa con una aguja roma orientada verticalmente.Estos se colocan encima de un baño de coagulación que contiene etanol puro. Emplee una fuente de alimentación de CC de alto voltaje y conecte un cable a su terminal de tierra y extiéndalo hasta el baño de coagulación. Para enraizar el baño de coagulación.Sumerja el otro extremo del cable en el etanol y asegúrelo. A continuación, retire la jeringa de la bomba y llénela con una composición de dispersión por encima de la concentración de enredo identificada. En los experimentos radiológicos, monte la jeringa en la bomba.A continuación, extienda un cable desde el terminal positivo de la fuente de alimentación de alto voltaje y sujételo a la aguja de la jeringa antes de electrogirar. Inserte una malla metálica en el baño para recoger la estera de fibra. Ajuste también la distancia entre la punta de la aguja y la superficie del baño de coagulación.La distancia de giro comienza con una distancia de giro de siete centímetros. Ajuste la velocidad de alimentación de la bomba de jeringa a 0,1 mililitros por hora. Luego, comenzando a cero voltios, aumente lentamente el voltaje hasta un máximo de 15 kilovoltios.Preste atención a la forma de la dispersión extruida en la punta de la aguja, cuando la dispersión por goteo se acelera y luego se alarga. Continúe el experimento explorando el rango de velocidades de alimentación de voltaje de 0,1 a 0,4 mililitros por hora y distancias de giro de cinco a 10 centímetros. Si se inicia un chorro continuo desde la punta, se ha logrado electro hilado, permite que las fibras se acumulen en el baño.Asegúrese de registrar los parámetros y recoger las fibras. Enjuague la estera de fibra recolectada con etanol puro. Luego colóquelo en un desecante que contenga desecante al vacío.Una vez que se haya demostrado la capacidad de giro de los electros, pase a otra dispersión y repita los pasos hasta que se haya probado la concentración de cada biopolímero. Esta es una imagen de microscopio electrónico de barrido de fibras bien formadas producidas a partir de electrohilado de dispersión de Polonia. La dispersión formó un chorro estable y continuo y dio como resultado fibras lisas sin gotas.Por el contrario, se trata de fibras de spon mal formadas. Obsérvese las diminutas gotas que resultan de la imposibilidad de formar un chorro estable. Resultados similares se obtuvieron con gelatina 80 almidón.Tenga en cuenta que las fibras gruesas con superficie rugosa son el resultado de una dispersión que es demasiado viscosa para desarrollar inestabilidad de latigazo. Se intentó el electrohilado para una variedad de dispersiones de polán y almidón. Estos gráficos resumen la evaluación de la capacidad de giro de los electros en función del DMSO, la concentración en disolvente y la concentración de biopolímero en dispersión.La buena capacidad de giro de los electros se denota con círculos. La mala capacidad de giro de los electros está marcada por diamantes. La X es dispersiones marcadas para las que no se pudo lograr el electro hilado.Las concentraciones de entrelazamiento están marcadas aproximadamente. Las áreas sombreadas representan aproximadamente regiones electro spinn. No olvide que trabajar con alto voltaje de electrohilado puede ser extremadamente peligroso.Por lo tanto, mientras realiza el procedimiento, tome precauciones, como asegurarse de que la aplicación esté correctamente conectada a tierra, trabajar con la cubierta de la película y evitar posturas de giro cortas.

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Investigación

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Bioengineering

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