Molecolare Entanglement e Electrospinnability di biopolimeri

Sommario

Electrospinning è una tecnica affascinante utilizzata per fabbricare micro fibre di nano-scala da una grande varietà di materiali. Entanglement molecolare dei polimeri costituenti della droga filatura è essenziale per electrospinning successo. Vi presentiamo un protocollo per l'utilizzo reologia per valutare la electrospinnability di due biopolimeri, amido e pullulano.

Abstract

Electrospinning è una tecnica affascinante per fabbricare micro fibre di nano-scala da una grande varietà di materiali. Per i biopolimeri, entanglement molecolare dei polimeri costituenti della droga filatura è risultata essere una condizione essenziale per il successo electrospinning. Reologia è un potente strumento per sondare la conformazione molecolare e l'interazione di biopolimeri. In questo rapporto, dimostriamo il protocollo per l'utilizzo reologia per valutare la electrospinnability di due biopolimeri, amido e pullulano, dalla loro dimetilsolfossido (DMSO) / dispersioni di acqua. Sono state ottenute le fibre di amido e Pullulan ben formati con diametri medi del submicron di gamma micron. Electrospinnability è stata valutata mediante osservazione visiva e microscopica delle fibre formate. Correlando le proprietà reologiche delle dispersioni al loro electrospinnability, dimostriamo che la conformazione molecolare, entanglement molecolare e viscosità di taglio tutti fattori che influiscono elettirospinning. Reologia non è utile solo in selezione del sistema solvente e ottimizzazione del processo, ma anche nella comprensione del meccanismo di formazione della fibra a livello molecolare.

Introduzione

Electrospinning è una tecnica che è in grado di produrre micro continua a fibre nanoscala da un'ampia varietà di materiali. Esso ha acquisito sempre maggiore accademico e industriale di interesse ^1. Anche se la messa a punto e la pratica della elettrofilatura sembra semplice, la capacità di prevedere electrospinnability e controllare le proprietà della fibra rimane una sfida. Il motivo può risiedere nel fatto che ci sono molti fattori che influenzano il processo elettrospinning ² e il processo, soprattutto percorsa dalla fibra, è caotica ^1. Spesso un approccio "cuoco-e-guardare" empirica viene utilizzato per lo screening di potenziali materiali electrospinnable. Tuttavia, per ottenere un migliore controllo sul processo elettrofilatura e proprietà delle fibre che ne derivano, una più completa comprensione dei meccanismi che governano electrospinnability è richiesto. Diversi ricercatori hanno scoperto che l'entanglement molecolare dei polimeri nella droga filatura è un essential prerequisito per il successo elettrofilatura ^{3 5.}

Reologia è un potente strumento per sondare conformazione molecolare e l'interazione in dispersioni polimeriche. Per esempio, McKee et al. indagato la conformazione molecolare lineare e ramificata poli (etilene tereftalato-co-etilene isoftalato) copolimeri in un solvente contenente cloroformio / dimetil tereftalato (7/3, v / v), e determinato che la concentrazione del polimero doveva essere 2-2.5x la concentrazione di entanglement per elettrofilatura successo ^4.

Non ci sono attualmente rinnovato interesse per le fibre da biopolimeri a causa dei loro vantaggi in biodegradabilità, biocompatibilità, e rinnovabilità nei confronti dei loro omologhi sintetici. Eppure i praticanti affrontare molte sfide che derivano generalmente dalla loro complessità strutturale, la difficoltà nella lavorazione termica e inferiori proprietà meccaniche. L'amido, che si trova nei tessuti vegetali, è among i biopolimeri più abbondanti e poco costosi sulla terra. Fibre di amido Pure fabbricati utilizzando un apparato elettro-filatura a umido sono stati recentemente descritti ^6. Pullulan è un polisaccaride lineare prodotta extracellulare da alcuni batteri. L'alternanza regolare di (1 → 4) e (1 → 6) obbligazioni glucosidici sono da ritenersi responsabili per diverse proprietà distintive di pullulan, tra cui eccellente fibra / filmogeno capacità di ^7,8. Electrospinning di fibre pullulano di dispersione acquosa è stata riportata da un certo numero di ricercatori ^9,10. Nelle nostre precedenti pubblicazioni, l'electrospinnability di due biopolimeri, amido ¹¹ e Pullulan ^12, è stato discusso. Questa relazione si concentra sulla dimostrazione del protocollo per l'utilizzo dei principi reologiche nelle indagini della electrospinnability di questi due biopolimeri.

Protocollo

1 Spinning Dope Preparazione

1. Preparare una serie di concentrazioni di biopolimeri da indagare (0,1% al 30%, w / v) ed essere sicuri di prendere in considerazione il contenuto di umidità della polvere biopolimero in questi calcoli. Per ogni concentrazione, pesare il biopolimero (amido o pullulano) in polvere in una provetta da 50 ml. Aggiungere la soluzione acquosa dimetilsolfossido (DMSO) e un ancoretta.
2. Posizionare il tubo in acqua bollente con agitazione costante su un agitatore magnetico piastra.
3. Dopo circa 1 ora, spegnere il calore e lasciare la dispersione raffreddare a temperatura ambiente. La dispersione è quindi pronto per il test reologiche e electrospinning.

2. costante Shear reologia

1. Riscaldare il reometro e impostare la temperatura dello stadio a 20 ° C. Calibrare il divario tra il (mm cono 25 usato) Sonda e la fase (piastra).
2. Carico 0,41 ml della dispersione biopolimero sul centro del palco e abbassare la sonda per impostare il positisu (0,053 millimetri divario per 25 millimetri cono). Assicurarsi che la dispersione si diffonde in modo uniforme all'interno del gap.
3. Eseguire il test reologici con i seguenti parametri sperimentali: modalità sweep: log, velocità iniziale: 100 sec ^-1, tasso finale: 0.1 sec ^-1, punti per decade: 10, ritardo prima misura: 5 sec, tempo di misurazione: 10 sec, e indicazioni per misura: due (sia in senso orario e antiorario).
4. Analizzare i dati reologici per stimare le concentrazioni adeguate di dispersione per elettrospinning prove.
   1. Tracciare viscosità apparenti shear contro shear rate in funzione delle concentrazioni di polimero. Per ogni curva di flusso, approssimative viscosità a zero shear, η _0, dai valori reali o estrapolati (ad esempio, a concentrazioni basse, dove i dati relativi alla frequenza di taglio basso sono inaffidabili) per la viscosità apparente a 0.1 sec ^{- 1.}
   2. Calcola viscosità specifico: η _sp = (η ₀ - η _s)η / _s, dove _s η è la viscosità del solvente.
   3. Tracciare viscosità specifici in funzione della concentrazione. Identificare i regimi disimpigliata e aggrovigliati semidilute. Il regime disimpigliata semidilute inizia dalla fine bassa concentrazione con una piccola pendenza, e il regime semidilute impigliato ha una maggiore pendenza seguendo il regime disimpigliata. Modelli legge di potenza regressione Fit in entrambi i regimi. I valori di potenza sono le piste (concentrazione dipendenza) in semidilute regimi disimpigliata e aggrovigliati su un grafico log-log. L'intersezione delle due linee a muro è la concentrazione entanglement, c _e.

3. Electrospinning parametro di variazione

1. Assemblare la configurazione elettrospinning come mostrato in Figura 1. Caricare la siringa con dispersione di composizione appropriata, ad esempio, il 15% (w / v) di amido o pullulano in 100% DMSO, sulla pompa a siringa. Agganciare il filo ad alta tensione (positive) all'ago. Collegare il bagno di coagulazione contenente etanolo puro a terra immergendo il filo di terra (negativo) nel bagno. Utilizzare un jack laboratorio per regolare la distanza tra l'ago della siringa e bagno di coagulo. Immergere una rete metallica nella vasca da bagno per raccogliere il materassino di fibra dopo elettrospinning.
2. Spin il biopolimero nella seguente parametro varia: avanzamento 0,1-0,4 ml / h, la distanza che gira da 5 a 10 cm, e la tensione da 0 a 15 kV.
   1. Iniziare con una distanza di filatura di 5 cm. Per la prima velocità di avanzamento (0,1 ml / h), la rampa della tensione lentamente da 0 V. Prestare attenzione alla forma della dispersione estruso sulla punta dell'ago e notare quando la dispersione gocciolamento viene accelerato e poi allungata.
   2. Nota la tensione alla quale un getto minuscolo avviato dalla superficie goccia, indicando electrospinnability della soluzione. Registrare la tensione alla quale un getto continuo avvia, se del caso.
   3. Esaminare la gamma completa per ciascuno dei tre parameters e note condizioni di filatura di successo. Raccogliere le fibre solo quando vi è un getto continuo dalla punta.
3. Dopo pochi minuti di raccolta, lavare il materassino di fibra con etanolo puro. Posizionare il materassino di fibra in un essiccatore contenente essiccante sotto vuoto.
4. Ripetere l'operazione per ciascuna concentrazione biopolimero per la caratterizzazione completa.

Figura 1 Schema del setup elettro-wet-spinning. La dispersione biopolimero viene estrusa da una pompa a siringa. Un alimentatore in CC ad alta tensione fornisce alta tensione per l'ago smussato e motivi, la vasca di coagulazione. Il getto del polimero dalla punta dell'ago viaggia attraverso un percorso lineare e quindi sviluppa un rapido percorso di fustigazione (aka frustare instabilità).

4 Caratterizzazione morfologica

1. Tagliare un pezzo di stuoia in fibra secca e immobilizzarlo su un stub per il SEM mediante nastro di carbonio.
2. Caricare lo stub del campione nello strumento SEM e ottenere immagini per l'analisi.

Risultati

Curve di flusso delle dispersioni biopolimeri in funzione della concentrazione biopolimero e la concentrazione di DMSO in solvente sono stati ottenuti. Due figure rappresentative mostrano le curve di flusso di amido (Figura 2A) e pullulano (Figura 2B) in funzione della loro concentrazione nel solvente DMSO puro. Le viscosità specifiche sono state rilevate in concentrazioni biopolimero (Figura 3A per l'amido e la Figura 3B per pullulano). Da queste trame...

Discussione

Reologia è uno strumento essenziale per studiare la lavorazione di polimeri, tra cui fibra di filatura convenzionale e electrospinning ^13. Dagli studi di taglio costante reologiche del polimero, conformazione e le loro interazioni in diversi solventi possono essere risolti (figure 2 e 3). A concentrazioni non abbastanza alti per le molecole di biopolimeri si sovrappongono tra loro, la loro dipendenza concentrazione è stata di circa 1,4 (Figura 3), che era in ...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Gelose 80 amido	Ingredion		Usato così com'è
Pullulan	Hayashibara Co. Ltd		Usato così com'è
Dimetil solfossido	BDH Sostanze chimiche	BDH1115-4LP
Etanolo	VWR International	89125-172	200 prova
Reometro	TA Strumenti	ARES	Geometria del cono e della piastra da 50 mm
Siringa (10 ml)	Becton, Dickinson and Company	309604	Siringa con Luer-Lok® Suggerimento
Generatore ad alta tensione	Gamma High Voltage Research, Inc.	ES40P
Pompa a siringa	Hamilton Company	81620
Microscopio elettronico a scansione ambientale	FEI Company	Quanta 200	per fibre di amido Microscopio
elettronico a scansione ambientale	Phenom-World	Phenom G2 Pro	per fibre di pullulan