Moleculaire Verstrengeling en Electrospinnability van Biopolymeren

Summary

Electrospinning is een fascinerende techniek om micro nano-schaal vezels te vervaardigen uit een grote verscheidenheid aan materialen. Moleculaire verstrengeling van de samenstellende polymeren in de spindotering is essentieel voor een succesvolle elektrospinproces. We presenteren een protocol voor het gebruik van de reologie van de electrospinnability van twee biopolymeren, zetmeel en pullulan evalueren.

Abstract

Electrospinning is een fascinerende techniek om micro fabriceren nanoschaal vezels uit een grote verscheidenheid aan materialen. Voor biopolymeren, moleculaire verstrengeling van de samenstellende polymeren in de spindotering bleek een essentiële voorwaarde voor een succesvolle elektrospinproces zijn. Reologie is een krachtig hulpmiddel om de moleculaire conformatie en interactie van biopolymeren sonde. In dit verslag tonen we het protocol voor gebruik rheologie de electrospinnability twee biopolymeren, zetmeel en pullulan evalueren van hun dimethylsulfoxide (DMSO) / water dispersies. Goed gevormde zetmeel en pullulan vezels met een gemiddelde diameter van de sub-micron tot micron werden verkregen. Electrospinnability werd geëvalueerd door visuele en microscopische waarneming van de gevormde vezels. Door het correleren van de reologische eigenschappen van de dispersies om hun electrospinnability, dat de moleculaire conformatie, moleculaire verstrengeling en afschuifviscositeit tonen we allemaal van invloed uitverkorenenrospinning. Reologie is niet alleen bruikbaar oplosmiddelsysteem selectie en procesoptimalisatie, maar ook begrip van het mechanisme van de vorming vezel op een moleculair niveau.

Introduction

Electrospinning is een techniek die kan produceren continue micro nano-schaal vezels uit een grote verscheidenheid aan materialen. Ze heeft opgedaan toenemende wetenschappelijke en industrieel belang ^1. Hoewel de opzet en de praktijk van elektrospinnen lijkt eenvoudig, de mogelijkheid om electrospinnability vezels eigenschappen voorspellen en te beheersen blijft een uitdaging. De reden kan in het feit dat er veel factoren die de elektrospinproces ² en het proces, met name de weg die de vezel, chaotisch ¹ liggen. Vaak een empirische "kook-en-kijk" benadering wordt gebruikt voor het screenen van potentiële electrospinnable materialen. Echter, om een ​​betere controle over de elektrospinproces en resulterende vezels eigenschappen, een meer volledig begrip van de mechanismen die electrospinnability regeren nodig krijgen. Verschillende onderzoekers hebben ontdekt dat moleculaire verstrengeling van polymeren in de spindotering is een essential voorwaarde voor een succesvolle elektrospinnen ^{3 5.}

Reologie is een krachtig hulpmiddel om de moleculaire conformatie en interactie sonde in de polymeer dispersies. Bijvoorbeeld, McKee et al. onderzochten de moleculaire conformatie van lineaire en vertakte poly (ethyleentereftalaat-co-ethyleenisoftalaat) copolymeren in een oplosmiddel dat chloroform / dimethyltereftalaat (7/3, v / v), en vastgesteld dat de polymeerconcentratie moest 2-2.5x de verstrengeling concentratie voor een succesvolle elektrospinproces ^4.

Er is momenteel een hernieuwde belangstelling voor vezels uit biopolymeren vanwege hun voordelen in de biologische afbreekbaarheid, biocompatibiliteit en verduurzaming ten opzichte van hun synthetische tegenhangers. Toch beoefenaars geconfronteerd met vele uitdagingen in het algemeen als gevolg van hun complexe structuur, moeite met thermische verwerking en inferieure mechanische eigenschappen. Zetmeel, in plantenweefsels is among de meest overvloedige en goedkope biopolymeren op aarde. Pure zetmeel vezels vervaardigd met een elektro-natspinnen inrichting werden onlangs beschreven ^6. Pullulan is een lineair polysaccharide extracellulair door bepaalde bacteriën. De regelmatige afwisseling van (1 → 4) en (1 → 6) glucosidebindingen worden verondersteld verantwoordelijk voor een aantal onderscheidende eigenschappen van pullulan, waaronder uitstekende vezel / film vormend vermogen ^7,8 te zijn. Electrospinning van pullulan vezels uit waterige dispersie is gemeld door een aantal onderzoekers ^9,10. In onze eerdere publicaties, de electrospinnability van twee biopolymeren, zetmeel ¹¹ en pullulan ^12, is besproken. Dit rapport richt zich op het aantonen van het protocol voor het gebruik van rheologische uitgangspunten in het onderzoek van de electrospinnability van deze twee biopolymeren.

Protocol

1 Spinning Dope Voorbereiding

1. Bereid een reeks biopolymeer concentratie te onderzoeken (0,1% tot 30%, w / v) en zeker vochtgehalte van het biopolymeer poeder in deze berekeningen verhelpen. Voor elke concentratie, wegen de biopolymeer (zetmeel of pullulan) poeder in een 50 ml reageerbuis. Voeg waterige dimethylsulfoxide (DMSO) oplossing en een roerstaafje.
2. Plaats de buis in kokend water onder voortdurend roeren op een magneetroerder kookplaat.
3. Na ongeveer 1 uur, zet vuur en laat de dispersie afkoelen tot kamertemperatuur. De dispersie is dan klaar voor reologische testen en elektrospinproces.

2 Steady Shear Rheology

1. Verwarm de reometer en de weg geëffend temperatuur op 20 ° C. Kalibreer de kloof tussen de probe (25 mm kegel gebruikt) en de trap (plaat).
2. Load 0,41 ml van het biopolymeer dispersie op het midden van het podium en laat de probe om de positi stellenop (0,053 mm speling voor 25 mm conus). Zorg ervoor dat de spreiding gelijkmatig verspreidt in de kloof.
3. Voer de reologische test met de volgende experimentele parameters: sweep: log, initiële snelheid: 100 sec ^-1, uiteindelijke tarief: 0.1 sec ^-1, punten per decennium: 10, vertraging voordat maatregel: 5 sec, meten tijd: 10 sec, en aanwijzingen per maatregel: twee (zowel met de klok mee en tegen de klok in).
4. Analyseer reologische gegevens in te schatten geschikte dispersie concentraties voor electospinning proeven.
   1. Plot schijnbare afschuifsnelheid viscositeit tegen afschuifsnelheid als functie van polymeerconcentraties. Voor elke stroomsnelheid curve, bij benadering nul shear viscositeit, η _0, door de feitelijke of geëxtrapoleerde waarden (bijvoorbeeld bij lage concentraties waar de lage afschuifsnelheid gegevens onbetrouwbaar zijn) voor de schijnbare viscositeit bij 0,1 sec ^{- 1.}
   2. Bereken specifieke viscositeit: η _sp = (η ₀ - η _s)/ Η _s, waarbij η _s is de viscositeit van het oplosmiddel.
   3. Plot specifieke viscositeit als functie van de concentratie. Identificeer semidilute unentangled en verstrikt regimes. De semidilute unentangled regime begint vanaf de lage concentratie einde met een kleine helling, en de semidilute verstrikt regime heeft een grotere helling na de unentangled regime. Fit power-law regressiemodellen in beide regimes. De vermogenswaarden zijn de pistes (afhankelijkheid van de concentratie) in semidilute unentangled en verstrengelde regimes op een log-log plot. Het snijpunt van de twee lijnen bevatten de verstrengeling concentratie c _e.

3 Electrospinning parametervariatie

1. Monteer het electrospinning opstelling als weergegeven in figuur 1. Plaats de spuit met dispersie van geschikte samenstelling, bijvoorbeeld 15% (w / v) zetmeel of pullulan in 100% DMSO, op de spuitpomp. Klem de hoge spanning draad (ponerenive) om de naald. Sluit het coagulatiebad die zuiver ethanol grond door onderdompeling van de aarddraad (negatief) in het bad. Gebruik een lab uitgang met de afstand tussen de naald en coagulatiebad passen. Dompel een metalen gaas in het bad om de vezel mat verzamelen na electospinning.
2. Spin het biopolymeer in de volgende parameterbereiken: aanzet 0,1-0,4 ml / uur, spinning afstand van 5 tot 10 cm, en de spanning van 0 tot 15 kV.
   1. Begin met een draaiende afstand van 5 cm. Voor de eerste voeding (0,1 ml / uur), het opvoeren van de spanning langzaam op van 0 V. Let op de vorm van de dispersie geëxtrudeerd bij de naaldtip en noteer wanneer de druipende dispersie wordt versneld en dan langwerpig.
   2. Let op de spanning waarbij een kleine straal geïnitieerd vanuit de onderstaande oppervlak vermelding electrospinnability van de oplossing. Noteer de spanning waarbij een continue jet initieert, indien aanwezig.
   3. Onderzoeken het complete assortiment voor elk van de drie parameters en note succesvolle spinomstandigheden. Verzamel de vezels wanneer er een continue straal van de punt.
3. Na een paar minuten van het verzamelen, spoel de vezel mat met pure ethanol. Leg de vezel mat in een exsiccator met droogmiddel onder vacuüm.
4. Herhaal dit voor elke biopolymeerconcentratie voor volledige karakterisering.

Figuur 1 Schematische weergave van de elektro-nat-spinning setup. Is het biopolymeer dispersie geëxtrudeerd uit een injectiepomp. Een hoog voltage DC voeding zorgt voor een hoge spanning aan de stompe naald en het terrein van het coagulatiebad. Het polymeer jet van de naald verplaatst zich via een rechte weg en dan ontwikkelt een snelle opzwepende pad (aka zweepslagen instabiliteit).

4 Morfologische karakterisatie

1. Knip een stuk gedroogde vezel mat en immobiliseren het op een SEM stub met behulp van koolstof tape.
2. Laad het monster stomp in de SEM instrument en beelden te verkrijgen voor analyse.

Representative Results

Flow krommen van het biopolymeer dispersies als functie van biopolymeerconcentratie en DMSO concentratie oplosmiddel verkregen. Twee representatieve cijfers tonen de stromingskrommen zetmeel (figuur 2A) en pullulan (figuur 2B) als functie van de concentratie in zuiver DMSO oplosmiddel. De specifieke viscositeit werden uitgezet tegen biopolymeer concentratie (figuur 3A voor zetmeel en figuur 3B voor pullulan). Van deze percelen werden verstrengeling concentraties verkregen als het snijpunt van de aangebrachte lijnen in het semidilute unentangled en de semidilute verstrikt regimes.

Figuur 2 Flow rondingen van (A) gelose 80 zetmeel en (B) pullulan in zuiver DMSO als een function concentratie (% w / v) bij 20 ° C. In beide figuren, zetmeel en pullulan lage concentraties minder viskeus voldoende koppel bij lage afschuifsnelheden produceren. Deze onbetrouwbare gegevens werden dus niet geplot. In het algemeen twee biopolymeren bleek Newtons gedrag bij lage concentraties, dus de schijnbare afschuifviscositeit was onafhankelijk van de afschuifsnelheid. Afschuiving verdunnende bleek als de concentratie toeneemt, met name boven 10% (w / v). Maar de afschuiving verdunnende gedrag was zwak. De 15% en 20% (w / v) pullulan dispersies toonde slechts de beginfase van de machtswet regio bij hoge afschuifsnelheden, terwijl de zetmeeldispersies significante vermindering aantoonden viscositeit via afschuifsnelheid bereik 0,1-100 sec ^{- 1.} Overgenomen met toestemming van ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, en met toestemming van ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Figuur 3 Plot specifieke viscositeit versus (A) gelose 80 zetmeel en (B) pullulan concentratie pure DMSO. De hellingen van de gemonteerde lijnen in semidilute unentangled (links) en de semidilute verstrikt (rechts) regimes geven de afhankelijkheid van de concentratie van specifieke viscositeit, aka schaalvergroting afhankelijkheid ^4. Pullulan toonde sterkere afhankelijkheid van de concentratie dan zetmeel in de verstrengelde regime. Het onderscheppen van de twee gemonteerde lijnen werd genoemd als de verstrengeling concentratie (c _e) waarbij biopolymeren beginnen te overlappen in de dispersie. Zetmeel vereist een hogere concentratie dan pullulan beginnen verstrikken. Overgenomen met toestemming van ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, en met toestemming van ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Electrospinning probeerde voor allebiopolymeer dispersies, en de resultaten beoordeeld in termen van electrospinnability, dwz jet vorming van vermogen tijdens elektrospinnen, en de morfologie van de vezels gevormd. Een dispersie van goede electrospinnability vormden een stabiele en continue jet die resulteerde in een continue en gladde vezels zonder druppels. Een dispersie, die niet in staat zijn om electrospin kon niet een stabiele jet of ontwikkelen zweepslagen instabiliteit was. Ofwel kleine druppeltjes of dikke vezels werden gestort in het coagulatiebad. Figuur 4 toont representatief goede en slechte vezels geëvalueerd vanuit hun uiterlijk. Figuur 5 geeft een overzicht van de evaluatie van electrospinnability bij verschillende concentraties van DMSO in oplosmiddel en het biopolymeer in dispersie voor zetmeel en pullulan, respectievelijk . Naast concentraties afschuiving viscositeiten VERSTRIKKING 100 sec ^-1 werden uitgezet tegen biopolymeerconcentratie, waarbij gebieden van electrospinnability werden aangeduid (figuur 6). >

Figuur 4: Rasterelektronenmicrografieën goederen (links) en slecht (rechts) zetmeel en pullulan vezels. Goede vezels zijn glad, ononderbroken, en willekeurig georiënteerde, terwijl arme vezels kralen, breaks, en druppels kunnen hebben, zoals getoond in de afbeelding (rode cirkels). (A) 10% (w / v) gelose 80 zetmeel in 95% (v / v) DMSO, (b) 8% (w / v) gelose 80 zetmeel in 80% (v / v) DMSO, (c) 17 % (w / v) pullulan in 40% (v / v) DMSO, en (d) 9% (w / v) pullulan in 80% (v / v) DMSO. Overgenomen met toestemming van ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, en met toestemming van ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

jpg "width =" 500 "/>
Figuur 5 Evaluatie van electrospinnability van (A) gelose 80 zetmeel en (B) pullulan dispersies als functie van de DMSO-concentratie in oplosmiddel en biopolymeer concentratie in de dispersie: good electrospinnability (cirkels), slecht electrospinnability (ruiten), en niet electrospin (X). Gearceerde gebieden ruwweg vertegenwoordigen electrospinnable regio. Verstrengeling concentraties worden ook ongeveer geëtiketteerd. Overgenomen met toestemming van ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, en met toestemming van ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Figuur 6 afschuifviscositeit (100 sec ^-1) van (A) gelose 80 zetmeel en (B) pullulan dispersies als functiebiopolymeer concentratie in verschillende DMSO / water oplosmiddel. Schaduwrijke gebieden ruwweg vertegenwoordigen de electrospinnable regio. Overgenomen met toestemming van ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, en met toestemming van ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Discussion

Reologie is een essentieel instrument om de verwerking van polymeren, met inbegrip van conventionele vezels spinnen en elektrospinnen ¹³ bestuderen. Van de constante afschuiving reologische studies, polymeerconformatie en hun interacties in verschillende oplosmiddelen kunnen worden opgelost (figuren 2 en 3). Bij concentraties niet hoog genoeg biopolymeer moleculen elkaar overlappen, de afhankelijkheid van de concentratie was ongeveer 1.4 (figuur 3), die in goede overeenstemming met gerapporteerde waarden van andere polymeren in goed oplosmiddel ^3,4. Na het biopolymeer moleculen gaan verstrengelen, de specifieke viscositeit vertoonden een veel hogere afhankelijkheid concentratie. Een grotere waarde n geeft een sterkere intermoleculaire interactie. Veel random coil polysachariden vertoonden soortgelijke afhankelijkheid van de concentratie, met een n waarde van ongeveer 3,3 ^14. Pullulan toonde sterkere interactie dan zetmeel in oplosmiddelen van high DMSO inhoud, mogelijk als gevolg van de moleculaire aard van de twee biopolymeren. Het zetmeel gebruikt hadden een sterk vertakte componenten (~ 20% amylopectine), terwijl het pullulan lineair moet zijn. Natuurlijk zou het molecuulgewicht, die bekend waren, ook van invloed.

De verstrengeling concentratie zal afhangen van de conformatie van het biopolymeer in de dispersie. Bijvoorbeeld, de verstrengeling concentratie zetmeel in 92.5% (w / v) DMSO oplossing is veel lager dan die van zuiver DMSO ^11. Het impliceert dat zetmeelmoleculen bestaan ​​in een meer uitgebreide conformatie in 92.5% (w / v) DMSO oplossing zodat zij nemen een groter hydrodynamisch volume en vaak gemakkelijker overlappen. De verstrengeling concentratie van pullulan varieerde niet zo sterk als die van zetmeel met wisselende oplosmiddelkwaliteit, waarschijnlijk omdat zowel water en DMSO zijn goede oplosmiddelen voor pullulan en hebben weinig effect op de moleculaire conformatie. Water, dat geen goedeoplosmiddel voor zetmeel, maakte het scenario veel ingewikkelder, omdat onopgelost zetmeel moleculen de reologische reactie zou beïnvloeden.

Om goede vezels spinnen, de concentratie moest 1,2-2,7 en 1.9-2.3x de verstrengeling concentratie zetmeel en pullulan respectievelijk (figuren 4 en 5). Dit bereik is smaller pullulan, waarschijnlijk door minder conformatie verschil in de oplosmiddelen. Het was interessant om op te merken dat een dispersie op verstrengeling concentratie, wanneer polymeren beginnen te verwarren met elkaar, electrospinnable was het niet. Waarschijnlijk hoge dwarskracht betrokken electrospinning belemmeren keten overlap en interactie lange afstand polymeer die misschien al vastgesteld op statische en lage afschuiving, en dus een verbeterd en voldoende entanglement vereist. Bovendien afschuifviscositeit speelde ook een belangrijke rol (figuur 6). De electrospinnable zetmeel en pullulan dispersionen vallen in een vergelijkbare reeks afschuifviscositeit bij 100 ^sec-1, met een bovengrens van 2,2 Pa · s.

De hierin beschreven werkwijze kan worden gemodificeerd in overeenstemming met de apparatuur en materialen die in andere studies. Het oplossen van polymeren is de eerste cruciale stap in dit protocol, omdat we vonden dat gedeeltelijk opgeloste zetmeel dispersies (bijvoorbeeld in 85% (w / v) DMSO) die instabiel steady afschuifviscositeit data die een nauwkeurige bepaling van c _e voorkomen. Terwijl het uitvoeren van regelmatige shear metingen, geven we de voorkeur uit te gaan van de hoogste afschuifsnelheid. Hierdoor wordt de dispersie gelijkmatig verdeeld binnen de afstand met behulp van een hoge afschuifsnelheid. De elektrospinproces stap vereist veel oefening. Er moet aandacht worden besteed aan de vormverandering van de druppel op de naald. Veiligheidsmaatregelen tijdens elektrospinproces mag niet worden verwaarloosd. Het belangrijkste gevaar elektrospinnen afkomstig uit de in th hoogspanninge werkwijze, hoewel de stroom is relatief laag. Elektrospinproces experimenten moeten worden uitgevoerd in een zuurkast om oplosmiddeldampen die gevaren voor de gezondheid kan opleveren als men wordt blootgesteld aan het voor een lange tijd te verdrijven. Vermijd korte afstand en gelijkmatig contact tussen de geladen naald en het coagulatiebad, omdat deze resulteert in een korte en brandgevaar.

De reologische methoden die in de huidige studie hebben beperkingen. Bijvoorbeeld, zij opgemerkt dat de eigenlijke afschuifsnelheid betrokken electrospinning is veel hoger dan 100 ^{sec-1 1.} Naast reologie bestudeerd verlengingsviscositeit reologie, die kenmerkend het strekken van dispersie op het traject afschuiving, kunnen ook een belangrijke rol ¹⁵ spelen. De reometer die in deze studie niet kan karakteriseren lengterichting uitstrekkende viscositeit.

Reologische studies kunnen waardevolle informatie verschaffen over biopolymeer conformatie in Vervenrsions en hun verwerking eigenschappen. Dit protocol kan niet alleen nuttig in elektrospinnen vele andere biopolymeren en hun mengsels, in termen van oplosmiddelsysteem selectie, optimalisatie van parameters en vezelvormende mechanisme op moleculair niveau.

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