Electrospinning היא טכניקה מרתקת נהגה לפברק מיקרו לסיבים בקנה מידה ננו ממגוון רחב של חומרים. הסתבכות מולקולרית של הפולימרים המרכיבים בסמי ספינינג היא חיונית לelectrospinning המוצלח. אנו מציגים פרוטוקול לניצול rheology להעריך electrospinnability של שני biopolymers, עמילן וpullulan.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
מולקולרי הסתבכות וElectrospinnability של Biopolymers
במאמר זה
סיכום
תקציר
Electrospinning היא טכניקה מרתקת לפברק מיקרו לסיבים בקנה מידה ננו ממגוון רחב של חומרים. לbiopolymers, הסתבכות מולקולרית של הפולימרים המרכיבים בסמי ספינינג נמצאה תנאי הכרחי לelectrospinning המוצלח. Rheology הוא כלי רב עוצמה כדי לחקור את המבנה ואינטראקציה המולקולריים של biopolymers. בדוח זה, אנחנו מדגימים את הפרוטוקול לניצול rheology להעריך electrospinnability של שני biopolymers, עמילן וpullulan, מsulfoxide דימתיל (DMSO) / תפוצות מים. סיבי עמילן וpullulan בנויים היטב בקטרים ממוצע בsubmicron לטווח מיקרון התקבלו. Electrospinnability הוערך על ידי תצפית ויזואלית ומיקרוסקופית של הסיבים שנוצרו. באמצעות התאמת מאפייני rheological של תפוצות לelectrospinnability, אנו מראים כי קונפורמציה המולקולרית, הסתבכות מולקולרית, וצמיגות גזירה כל להשפיע נבחריםrospinning. Rheology הוא לא שימושי רק בבחירת מערכת ממס ואופטימיזציה של תהליך, אלא גם בהבנת מנגנון היווצרות סיבים ברמה מולקולרית.
מבוא
Electrospinning היא טכניקה שהוא מסוגל לייצר מיקרו הרציף לסיבים בקנה מידה ננו ממגוון רחב של חומרים. היא צברה עניין גובר אקדמי ותעשייתי 1. למרות שההתקנה והתרגול של electrospinning נראים פשוט, היכולת לחזות electrospinnability ולשלוט במאפייני סיבים עדיין מהווה אתגר. הסיבה נעוצה בעובדה שיש גורמים רבים המשפיעים על תהליך electrospinning 2 ותהליך, במיוחד בדרך נסעה בסיבים, הוא כאוטי 1. לעתים קרובות גישה "לבשל ו-להיראות" אמפירית משמשת לסינון חומרי electrospinnable פוטנציאליים. עם זאת, כדי להשיג שליטה טובה יותר על תהליך electrospinning ומאפייני סיבים כתוצאה, הבנתנו את המנגנונים ששולטים electrospinnability נדרש מלאה יותר. מספר חוקרים מצאו כי הסתבכות מולקולרית של פולימרים בסמי ספינינג היא Essentiaתנאי מוקדם לליטר electrospinning המוצלח 3 5.
Rheology הוא כלי רב עוצמה כדי לחקור מבנה ואינטראקציה מולקולריים בתפוצות פולימר. לדוגמא, מקי et al. חקר את קונפורמציה המולקולרית של יניארי ופולי מסועפים (isophthalate terephthalate שיתוף אתילן אתילן) קופולימרים בממס המכיל כלורופורם / terephthalate דימתיל (7/3, V / V), וקבע כי ריכוז הפולימר היה צריך להיות 2-2.5x ריכוז ההסתבכות לelectrospinning המוצלח 4.
יש עניין מחודש כעת בסיבים מbiopolymers בגלל היתרונות שלהם בפריקות ביולוגיות, biocompatibility, וrenewability כלפי מול עמיתיהם סינטטיים. עם זאת, מתרגלים להתמודד עם אתגרים רבים הנובעים בדרך כלל מהמורכבות המבנית שלהם, הקושי בעיבוד תרמי ותכונות מכאניות נחותות. עמילן, נמצא ברקמות צמח, הוא אמוןגרם biopolymers השפע ולא יקר ביותר על פני כדור הארץ. סיבי עמילן טהורים מפוברקים באמצעות מנגנון אלקטרו הרטוב ספינינג תואר 6 לאחרונה. Pullulan הוא פוליסכריד ליניארי מיוצר extracellularly על ידי חיידקים מסוימים. ההתחלפות הקבועה של (1 → 4) ו( 1 → 6) הם האמינו אג"ח glucosidic להיות אחראי על מספר מאפיינים ייחודיים של pullulan, כוללים סיבים מצוינים / סרט להרכיב 7,8 היכולת. Electrospinning של סיבי pullulan מפיזור מימיים כבר דווח על ידי מספר החוקרים 9,10. בפרסומים הקודמים שלנו, electrospinnability של שני biopolymers, עמילן 11 וpullulan 12, כבר דן. דו"ח זה מתמקד בהוכחת הפרוטוקול לניצול עקרונות rheological בחקירה של electrospinnability של שני biopolymers אלה.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פרוטוקול
.1 סמים הכנת ספינינג
- הכן טווח ריכוזי biopolymer להיחקר (0.1% ל30%, w / v) ולהיות בטוחים לשקול תכולת לחות של אבקת biopolymer בחישובים האלה. עבור כל ריכוז, לשקול את biopolymer (עמילן או pullulan) אבקה לתוך מבחנת 50 מ"ל. הוספת sulfoxide דימתיל המימית פתרון (DMSO) ובר ומערבב.
- מניחים את הצינור לתוך מים רותחים עם ערבוב מתמיד על פלטה חמה בוחש מגנטית.
- לאחר כ 1 שעות, לכבות את החום ולאפשר הפיזור להתקרר לטמפרטורת חדר. הפיזור הוא אז מוכן לבדיקה וelectrospinning rheological.
.2 שאר Rheology היציב
- לחמם את rheometer ולהגדיר את טמפרטורת הבמה ב20 מעלות צלזיוס. כייל את הפער בין (קונוס 25 מ"מ בשימוש) בדיקה והשלב (צלחת).
- עומס 0.41 מ"ל של פיזור biopolymer על מרכז הבמה ולהפחית את הבדיקה כדי לקבוע את positiב( פער 0.053 מ"מ לקונוס 25 מ"מ). לוודא כי הפיזור באופן שווה מתפשט בתוך הפער.
- בצע את בדיקת rheological עם הפרמטרים הניסיוניים הבאים: מצב לטאטא: להתחבר, שיעור ראשוני: 100 שניות -1, שיעור סופי: 0.1 שניות -1, ממוצע נקודות לעשור: 10, עיכוב לפני מידה: 5 שניות, למדוד זמן: 10 שניות, וכיוונים למידה: שני (שניהם עם כיוון השעון ונגד כיוון שעון).
- לנתח נתונים rheological להעריך ריכוזי פיזור מתאימים לelectrospinning ניסויים.
- עלילה צמיגויות גזירה לכאורה נגד שיעורי גזירה כפונקציה של ריכוזי פולימר. לכל עקומת זרימה, צמיגויות אפס גזירה משוערת, η 0, על ידי הערכים בפועל או אקסטרפולציה (למשל, בריכוזים נמוכים שבו נתונים שיעור גזירה נמוכים הם לא אמינים) לצמיגות לכאורה ב0.1 שניות - 1.
- חישוב צמיגות מסוימת: η sp = (η 0 - η ים)/ Η של, שבו η s הוא הצמיגות של הממס.
- עלילה צמיגויות מסוימות כפונקציה של ריכוז. לזהות משטרי unentangled והסבוכים semidilute. משטר unentangled semidilute מתחיל מסוף הריכוז הנמוך עם שיפוע קטן, ויש לו את המשטר semidilute הסתבך מדרון גדול הבא משטר unentangled. מודלים של רגרסיה כוח חוק Fit בשני המשטרים. ערכי הכח הם המדרונות (תלות ריכוז) במשטרי unentangled והסבוכים semidilute על מגרש log-log. ההצטלבות של שני קווים מצוידים היא ריכוז ההסתבכות, דואר ג.
.3 Electrospinning פרמטר וריאציה
- להרכיב את התקנת electrospinning כפי שמוצג באיור 1. טען את המזרק עם פיזור של הרכב מתאים, למשל, 15% (w / v) עמילן או pullulan ב100% DMSO, על משאבת המזרק. קליפ חוט מתח הגבוה (מניחive) למחט. חבר את האמבטיה הקרישה המכילה אתנול טהור לקרקע על ידי טבילת חוט הקרקע (שלילי) לאמבטיה. השתמש בשקע מעבדה כדי להתאים את המרחק בין מחט המזרק ואמבטית קרישה. לטבול את רשת מתכת באמבטיה כדי לאסוף את שטיח הסיבים לאחר electrospinning.
- ספין biopolymer בפרמטר הבא נע: שיעור הזנה 0.1-.4 מ"ל / שעה, מרחק ספינינג בין 5 ל 10 סנטימטר, ומתח 0-15 ק.
- התחל עם מרחק ספינינג של 5 סנטימטר. לשיעור הראשון הזנה (0.1 מ"ל / שעה), כבש את המתח לאט לאט משים לב 0 V. לצורה של הפיזור נמתחים בקצה המחט ושים לב כאשר הפיזור המטפטף מואץ ולאחר מכן מוארך.
- שים לב למתח שבו מטוס זעיר שיזם ממשטח הירידה, המצביע על electrospinnability של הפתרון. רשום את המתח שבו סילון רציף יוזם, אם בכלל.
- לבחון את הטווח המלא לכל אחד מparamete שלושrs ותנאי ספינינג מוצלחים פתק. לאסוף את הסיבים רק כאשר יש סילון רציף מהקצה.
- אחרי כמה איסוף דקות, לשטוף את שטיח סיבים עם אתנול טהור. הנח את מחצלת הסיבים לייבוש המכיל יבוש תחת ואקום.
- חזור על פעולה עבור כל ריכוז biopolymer לאפיון מלא.
איור 1 ציור סכמטי של ההתקנה חשמלית מסתובב רטובה. פיזור biopolymer נמתח ממשאבת מזרק. אספקת חשמל במתח גבוה DC מספקת מתח גבוה למחט הקהה וטענת האמבטיה הקרישה. סילון הפולימר מקצה המחט עובר דרך דרך ישרה ולאחר מכן מפתחת דרך הצלפה מהירה (aka מצליפה חוסר יציבות).
.4 מורפולוגי אפיון
- חותכי פיסת שטיח סיבים מיובשים ולשתק אותו על בדל SEM באמצעות קלטת פחמן.
- טען את בדל המדגם לתוך מכשיר SEM ולהשיג תמונות לניתוח.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
תוצאות
עקומות זרימת תפוצות biopolymer כפונקציה של ריכוז biopolymer וריכוז DMSO בממס התקבלו. שתי דמויות נציג להראות זרימת העקומות של עמילן (איור 2 א) וpullulan (איור 2 ב) כפונקציה של ריכוזם בממס DMSO טהור. צמיגויות מסוימות היו זממו נגד ריכוז biopolymer (איור 3 א לעמילן ואיור 3 ב לpullulan). מחלקות אלה, ריכוזי הסתבכות התקבלו כיירוט של הקווים מצוידים בsemidilute unentangled ומשטרי semidilute הסתבך.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
דיון
Rheology הוא כלי חיוני כדי ללמוד את העיבוד של פולימרים, הכוללים סיבים ספינינג קונבנציונלי וelectrospinning 13. מהמחקרים יציבים גזירת rheological, קונפורמציה פולימר ויחסי הגומלין שלהם בממסים שונים ניתן לפתור (איורים 2 ו -3). בריכוזים לא גבוהים מספיק למולקולות biopolymer חפיפה אחד עם השני, תלות הריכוז שלהם הייתה בסביבות 1.4 (איור 3), שהייתה בהסכם טוב עם ערכים מדווחים של פולימרים אחרים ב3,4 ממס טוב. לאחר מולקולו...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
גילויים
החוקרים מצהירים כי אין להם שום דבר לגלות.
תודות
עבודה זו ממומנת בחלקו על ידי המוסד למשרד החקלאות האמריקנית הלאומי למזון וחקלאות, תכנית מענקים תחרותיים לאומית, הלאומית למחקר תכנית יוזמה 71.1 2,007 פ.י. כגרנט 2007-35503-18392 מס, והמכונים הלאומיים לבריאות, מכון לאלרגיה ומחלות זיהומיות , R33AI94514-03.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| Gelose 80 עמילן | Ingredion | משמש כפי שהוא | |
| Pullulan | Hayashibara Co. Ltd | משמש כפי שהוא | |
| דימתיל סולפוקסיד | BDH כימיקלים | BDH1115-4LP | |
| אתנול | VWR International | 89125-172 | 200 הוכחה |
| ריאומטר | TA מכשירים | ARES | גיאומטריית חרוט וצלחת 50 מ"מ |
| מזרק (10 מ"ל) | מזרק Becton, Dickinson and Company | 309604 | עם Luer-Lok® טיפ |
| מחולל מתח גבוה | Gamma High Voltage Research, Inc. | ES40P | |
| משאבת מזרק | המילטון חברה | 81620 | |
| מיקרוסקופ אלקטרונים סריקת סביבתי | FEI החברה | Quanta 200 | עבור סיבי עמילן |
| מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה סביבתית | Phenom-World | Phenom G2 Pro | עבור סיבי pullulan |
מקורות
- Greiner, A., Wendorff, J. H. Functional self-assembled nanofibers by electrospinning. Self-aseembled nanomaterials. 1, 107-171 (2008).
- Ramakrishna, S., Fujihara, K., Teo, W. E., Lim, T. C., Ma, Z. An Introduction to Electrospinning and Nanofibers. , World Scientific. Singapore. (2005).
- Klossner, R. R., Queen, H. A., Coughlin, A. J., Krause, W. E. Correlation of Chitosan’s Rheological Properties and Its Ability to Electrospin. Biomacromolecules. 9 (10), 2947-2953 (2008).
- McKee, M. G., Wilkes, G. L., Colby, R. H., Long, T. E. Correlations of Solution Rheology with Electrospun Fiber Formation of Linear and Branched Polyesters. Macromolecules. 37 (5), 1760-1767 (2004).
- McKee, M. G., Hunley, M. T., Layman, J. M., Long, T. E. Solution rheological behavior and electrospinning of cationic polyelectrolytes. Macromolecules. 39 (2), 575-583 (2006).
- Kong, L., Ziegler, G. R. Fabrication of pure starch fibers by electrospinning. Food Hydrocolloids. 36, 20-25 (2014).
- Singh, R. S., Saini, G. K., Kennedy, J. F. Pullulan: microbial sources, production and applications. Carbohydrate Polymers. 73 (4), 515-531 (2008).
- Leathers, T. D. Biotechnological production and applications of pullulan. Applied Microbiology and Biotechnology. 62 (5), 468-473 (2003).
- Karim, M. R., Lee, H. W., et al. Preparation and characterization of electrospun pullulan/montmorillonite nanofiber mats in aqueous solution. Carbohydrate Polymers. 78 (2), 336-342 (2009).
- Stijnman, A. C., Bodnar, I., Hans Tromp, R. Electrospinning of food-grade polysaccharides. Food Hydrocolloids. 25 (5), 1393-1398 (2011).
- Kong, L., Ziegler, G. R. Role of molecular entanglements in starch fiber formation by electrospinning. Biomacromolecules. 13 (8), 2247-2253 (2012).
- Kong, L., Ziegler, G. R. Rheological aspects in fabricating pullulan fibers by electro-wet-spinning. Food Hydrocolloids. 38, 220-226 (2014).
- Han, C. D. Fiber Spinning Rheology and Processing of Polymeric Materials: Volume 2: Polymer Processing. , 257-304 (2007).
- Morris, E. R., Cutler, A. N., Ross-Murphy, S. B., Rees, D. A., Price, J. Concentration and shear rate dependence of viscosity in random coil polysaccharide solutions. Carbohydrate Polymers. 1 (1), 5-21 (1981).
- Thompson, C. J., Chase, G. G., Yarin, A. L., Reneker, D. H. Effects of parameters on nanofiber diameter determined from electrospinning model. Polymer. 48 (23), 6913-6922 (2007).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הדפסות חוזרות והרשאות
