Molecular Enredo y Electrospinnability de Biopolímeros

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

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.

Representative Results

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 pululano). A partir de estas parcelas, las concentraciones de enredo se obtuvieron como la intersección de las líneas de armarios en la semidilute sin entrelazar y los regímenes semidilute enreden.

Figura 2. curvas de flujo (A) 80 Gelose almidón y (B) pululano en DMSO puro como un functien de la concentración (%, w / v) a 20 ° C. En ambas figuras, almidón y pululano de bajas concentraciones eran menos viscosa para producir un par suficiente a velocidades de cizallamiento bajas. Estos datos poco fiables por lo tanto no se representaron gráficamente. En general, los dos biopolímeros mostraron un comportamiento newtoniano a bajas concentraciones, es decir, la viscosidad de cizallamiento aparente era independiente de la velocidad de cizallamiento. Dilución por cizallamiento se hizo evidente a medida que aumenta la concentración, especialmente más allá de 10% (w / v). Sin embargo, el comportamiento de fluidificación por cizalla era débil. El 15% y 20% (w / v) dispersiones de pululano sólo mostraron la fase temprana de la región ley de potencia a velocidades de cizallamiento altas, mientras que las dispersiones de almidón no mostraron reducción significativa en la viscosidad en el rango de velocidad de cizallamiento de 0,1 a 100 seg ^{- 1.} Reproducido con permiso del ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, y con el permiso de ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Figura 3. Parcela de viscosidad específica frente (A) 80 Gelose almidón y (B) la concentración de pululano en DMSO puro. Las pendientes de las líneas de armarios en semidilute sin entrelazar (lado izquierdo) y el semidilute enredado regímenes (lado derecho) indican la dependencia de la concentración de la viscosidad específica, también conocido como dependencia de escala ^4. El pululano mostró fuerte dependencia de la concentración de almidón en el régimen de enredado. La intersección de las dos líneas de armarios se denomina como la concentración enredo (c _e) a la que los biopolímeros comienzan a superponerse en la dispersión. Almidón requiere una concentración mayor que pululano para iniciar enredo. Reproducido con permiso del ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, y con el permiso de ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Electrospinning se intentó para todos losdispersiones de biopolímeros, y valoraron los resultados en términos de electrospinnability, es decir, la capacidad de formación durante electrospinning jet, y la morfología de las fibras formadas. Una dispersión de buena electrospinnability formó un chorro estable y continua que resultó en fibras continuas y lisas sin gotas. Una dispersión que no fue capaz de electrospin no pudo formar un chorro estable o desarrollar batir inestabilidad. Cualquiera de las gotitas minúsculas o fibras gruesas se depositan en el baño de coagulación. Figura 4 muestra buen representante y fibras pobres evaluados por su apariencia. Figura 5 resume la evaluación de electrospinnability a diferentes concentraciones de DMSO en disolvente y el biopolímero en la dispersión de almidón y pululano, respectivamente . Además de entrelazamiento concentraciones, viscosidades de cizallamiento a 100 seg ^-1 se representaron frente a la concentración de biopolímero, donde se indican las regiones de electrospinnability (Figura 6). >

Figura 4: micrografías electrónicas de barrido de buena (izquierda) y pobres (derecha) el almidón y fibras de pululano. Buenas fibras son suaves, continuos, y orientadas al azar, mientras que las fibras pobres pueden tener cuentas, roturas, y las gotitas como se muestra en la figura (círculos rojos). (A) 10% (w / v) 80 Gelose almidón en 95% (v / v) de DMSO, (b) 8% (w / v) 80 Gelose almidón en 80% (v / v) de DMSO, (c) 17 % (w / v) pululano en 40% (v / v) de DMSO, y (d) 9% (w / v) pululano en 80% (v / v) de DMSO. Reproducido con permiso del ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, y con el permiso de ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

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Figura 5. Evaluación de electrospinnability de (A) 80 Gelose almidón y (b) dispersiones de pululano como una función de la concentración de DMSO en la concentración de disolvente y de biopolímero en la dispersión: buena electrospinnability (círculos), pobre electrospinnability (diamantes), e incapaz de electrospin (equis). Las áreas sombreadas representan más o menos regiones electrospinnable. Concentraciones enredo también están aproximadamente etiquetados. Reproducido con permiso del ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, y con el permiso de ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Figura 6. Shear viscosidad (a 100 ^s-1) de (A) Gelose 80 de almidón y (B) de pululano dispersiones como una funciónde la concentración de biopolímero en diferentes disolventes de DMSO / agua. Las áreas sombreadas representan más o menos la región electrospinnable. Reproducido con permiso del ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, y con el permiso de ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Discussion

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 de 1,4 (Figura 3), que estaba en buen acuerdo con los valores reportados de otros polímeros en buen disolvente ^3,4. Después de que las moléculas de biopolímero empiezan a enredar, la viscosidad específica mostró una dependencia de la concentración mucho más alta. Un mayor valor n indica una interacción intermolecular más fuerte. Muchos polisacáridos espiral al azar mostraron dependencia de la concentración similar, con un valor de n de aproximadamente 3,3 ^14. El pululano mostró interacción más fuerte que el almidón en disolventes de high contenido de DMSO, posiblemente debido a la naturaleza molecular de los dos biopolímeros. El almidón usado tenía algunos componentes altamente ramificados (~ 20% de amilopectina), mientras que el pululano debe ser lineal. Por supuesto, los pesos moleculares, que eran desconocidos, también tendrían una influencia.

La concentración entrelazamiento dependerá de la conformación del biopolímero en la dispersión. Por ejemplo, la concentración de enredo de almidón en 92,5% (w / v) de solución acuosa de DMSO es mucho menor que en DMSO puro ^11. Esto implica que existen moléculas de almidón en una conformación más extendida en el 92,5% (w / v) de solución acuosa de DMSO para que ocupen un volumen hidrodinámico mayor y tienden a superponerse con más facilidad. Las concentraciones enredo de pululano no varían tan drásticamente como los de almidón con calidad variable disolvente, probablemente porque el agua y el DMSO son buenos disolventes para pululano y tienen poco efecto sobre la conformación molecular. El agua, que no es un buendisolvente para almidón, hizo que el escenario más complicado, ya que las moléculas de almidón no disueltos afectarían la respuesta reológica.

Para hilar fibras buenas, la concentración tenía que ser 1.2 a 2.7 y 1.9-2.3x la concentración enredo para el almidón y pululano, respectivamente (Figuras 4 y 5). Este intervalo es más estrecho para pululano, probablemente también debido a la menor diferencia conformación en los disolventes. Fue interesante notar que una dispersión en la concentración de enredo, cuando los polímeros comienzan a enredarse entre sí, no era electrospinnable. Probablemente, una gran fuerza de cizallamiento que participan en la cadena de solapamiento impiden electrospinning y la interacción polímero de largo alcance que podrían ya se han establecido en condiciones de cizallamiento estático y bajos, y por lo tanto se requiere un enredo mayor y suficiente. Además, la viscosidad de cizallamiento también jugó un papel importante (Figura 6). El almidón electrospinnable y Dispers pululanoiones caen en una gama similar de la viscosidad de cizallamiento a 100 seg ^-1, con un límite superior de 2,2 Pa · seg.

El procedimiento descrito en este documento puede modificarse en correspondencia con el equipo y los materiales utilizados en otros estudios. La disolución de los polímeros es el primer paso crítico en este protocolo, porque hemos encontrado que las dispersiones de almidón parcialmente disueltos (por ejemplo, en el 85% (w / v) DMSO) produjeron inestable datos viscosidad de corte constante que impedía determinar con precisión c _e. Durante la realización de mediciones de corte constante, preferimos empezar desde la velocidad de cizallamiento alto. Al hacerlo, la dispersión se distribuye de manera uniforme dentro de la separación con la ayuda de una velocidad de cizallamiento alta. La etapa de electrospinning requiere mucha práctica. Se debe prestar atención al cambio de forma de la gota en la punta de la aguja. Precauciones de seguridad durante el electrospinning no debe ser descuidado. El principal peligro de electrospinning proviene de la alta tensión utilizados en eProceso E, aunque la corriente es relativamente bajo. Experimentos electrospinning se debe realizar en una campana de extracción con el fin de expulsar el vapor de disolvente que pueden plantear riesgos para la salud si uno está expuesto a ella durante mucho tiempo. Evite el contacto con la distancia e incluso entre la punta de la aguja cargada y el baño de coagulación, ya que esto producirá un peligro a corto y fuego.

Los métodos reológicos empleados en el estudio actual tienen limitaciones. Por ejemplo, debe tenerse en cuenta que la velocidad de cizallamiento real implicado en electrospinning es mucho mayor que 100 seg ^{-1 1.} Además de la reología de cizallamiento estudiado, la reología de elongación, que caracterizan el estiramiento de la dispersión a lo largo de la trayectoria, también pueden desempeñar un papel importante ^15. El reómetro utilizado en este estudio no es capaz de caracterizar la viscosidad de elongación.

Estudios reológicos pueden proporcionar información valiosa sobre la conformación de biopolímeros en Pinturas dersions y sus propiedades de procesamiento. Este protocolo es potencialmente útil en electrospinning de muchos otros biopolímeros y sus mezclas, en términos de selección del sistema disolvente, la optimización de parámetros, y el mecanismo de formación de fibras en un nivel molecular.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Gelose 80 starch	Ingredion		Used as it is
Pullulan	Hayashibara Co. Ltd		Used as it is
Dimethyl sulfoxide	BDH Chemicals	BDH1115-4LP
Ethanol	VWR International	89125-172	200 proof
Rheometer	TA Instruments	ARES	50 mm cone and plate geometry
Syringe (10 ml)	Becton, Dickinson and Company	309604	Syringe with Luer-Lok® Tip
High voltage generator	Gamma High Voltage Research, Inc.	ES40P
Syringe pump	Hamilton Company	81620
Environmental scanning electron microscope	FEI Company	Quanta 200	for starch fibers
Environmental scanning electron microscope	Phenom-World	Phenom G2 Pro	for pullulan fibers