Molecolare Entanglement e Electrospinnability di biopolimeri

Summary

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.

Introduction

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.

Protocol

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.

Representative Results

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, le concentrazioni di entanglement sono stati ottenuti come l'intercetta delle linee attrezzate in semidilute disimpigliata e regimi semidilute impigliato.

Figura 2 Curve di flusso (A) Gelose 80 amido e (B) pullulano in DMSO puro come funziosu di concentrazione (% w / v) a 20 ° C. In entrambe le figure, amido e pullulano di basse concentrazioni erano meno viscoso di produrre una coppia sufficiente a tassi di taglio basso. Questi dati non affidabili non sono stati così tracciati. In generale, i due biopolimeri hanno mostrato un comportamento newtoniano a basse concentrazioni, cioè la viscosità a taglio apparente era indipendente dalla velocità di deformazione. Shear assottigliamento divenne evidente come i loro aumenti di concentrazione, in particolare oltre il 10% (w / v). Eppure il comportamento a taglio diradamento era debole. Il 15% e il 20% (w / v) dispersioni Pullulan hanno mostrato solo la prima fase della regione di legge di potenza su elevati tassi di taglio, mentre le dispersioni di amido non hanno mostrato significativa riduzione della viscosità nel campo di velocità di taglio 0,1-100 sec ^{- 1.} Ristampato con il permesso di ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, e con il permesso di ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Figura 3 Terreno di viscosità specifica contro (A) Gelose 80 amido e (B) la concentrazione pullulano in DMSO puro. Le pendenze delle linee a muro in semidilute disimpigliata (lato sinistro) e la semidilute impigliato regimi (lato destro) indicano la dipendenza concentrazione di viscosità specifica, aka ridimensionamento dipendenza ^4. Pullulan ha mostrato la dipendenza concentrazione più forte di amido nel regime impigliato. L'intercettazione delle due linee dotate stato definito come la concentrazione entanglement (c _e) su cui biopolimeri iniziano a sovrapporsi nella dispersione. Amido richiesta una concentrazione superiore pullulano per iniziare impiglianti. Ristampato con il permesso di ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, e con il permesso di ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Electrospinning ha tentato per tutto ildispersioni biopolimeri, ei risultati giudicati in termini di electrospinnability, cioè jet capacità di formazione durante elettrospinning, e la morfologia delle fibre formate. Una dispersione di buon electrospinnability formò un getto stabile e continuo che ha portato in fibre continue e lisce senza goccioline. Una dispersione che non era in grado di electrospin non poteva formare un getto stabile o sviluppare fustigazione instabilità. Sia minuscole goccioline o fibre spesse sono stati depositati nella vasca di coagulazione. Figura 4 mostra buon rappresentante e fibre poveri valutati dal loro aspetto. Figura 5 sintetizza la valutazione di electrospinnability a concentrazioni variabili di DMSO in solvente e il biopolimero in dispersione per l'amido e pullulano, rispettivamente, . Oltre a entanglement concentrazioni, viscosità di taglio a 100 sec ^-1 sono stati tramato contro di concentrazione biopolimero, dove sono state indicate le regioni di electrospinnability (Figura 6). >

Figura 4: microscopio elettronico a scansione di buono (a sinistra) e poveri (a destra), amido e fibre pullulano. Buone le fibre sono liscio, continuo e orientato in modo casuale, mentre le fibre poveri possono avere perline, pause, e goccioline come mostrato in figura (cerchi rossi). (A) 10% (w / v) Gelose 80 amido nel 95% (v / v) di DMSO, (b) 8% (w / v) Gelose 80 amido a 80% (v / v) di DMSO, (c) 17 % (w / v) pullulano nel 40% (v / v) di DMSO, e (d) 9% (w / v) pullulano a 80% (v / v) di DMSO. Ristampato con il permesso di ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, e con il permesso di ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

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Figura 5 Valutazione del electrospinnability di (A) Gelose 80 amido e (B) dispersioni Pullulan in funzione della concentrazione di DMSO in solvente e biopolimero concentrazione nella dispersione: buona electrospinnability (cerchi), povero electrospinnability (diamanti), e incapace di electrospin (X) di. Le aree ombreggiate rappresentano all'incirca regioni electrospinnable. Concentrazioni Entanglement sono anche circa etichettati. Ristampato con il permesso di ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, e con il permesso di ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Figura 6 Shear viscosità (a 100 sec ^-1) di (A) Gelose 80 amido e (B) Pullulan dispersioni in funzionedi concentrazione biopolimero in diversi solventi DMSO / acqua. Le aree ombreggiate rappresentano all'incirca la regione electrospinnable. Ristampato con il permesso di ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, e con il permesso di ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Discussion

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 buon accordo con i valori riportati di altri polimeri a buon solvente ^3,4. Dopo le molecole biopolimeri iniziano a intrappolare, la viscosità specifica mostrato una dipendenza molto più elevata della concentrazione. Una maggiore valore n indica una interazione intermolecolare più forte. Molti polisaccaridi random coil hanno mostrato simile dipendenza dalla concentrazione, con un valore di circa 3,3 n ^14. Pullulan ha mostrato interazione forte di amido in solventi di high contenuti DMSO, probabilmente a causa della natura molecolare dei due biopolimeri. L'amido utilizzato aveva alcuni componenti altamente ramificati (~ 20% di amilopectina), mentre il pullulan dovrebbe essere lineare. Naturalmente, i pesi molecolari, che erano sconosciute, sarebbe anche avere un'influenza.

La concentrazione entanglement dipenderà dalla conformazione del biopolimero nella dispersione. Ad esempio, la concentrazione di entanglement amido 92,5% (w / v) Soluzione acquosa di DMSO è molto inferiore a quello in DMSO puro ^11. Ciò implica che esistono molecole di amido in una conformazione più estesa a 92,5% (w / v) Soluzione acquosa di DMSO in modo che essi occupano un volume idrodinamico più grande e tendono a sovrapporsi più facilmente. Le concentrazioni di entanglement di pullulan non variano drasticamente da quelli di amido con qualità variabile del solvente, probabilmente perché sia ​​l'acqua e DMSO sono buoni solventi per pullulano e hanno poco effetto sulla conformazione molecolare. L'acqua, che non è un buonsolvente per l'amido, ha reso lo scenario molto complicato, dal momento che le molecole di amido non disciolti potrebbero influenzare la risposta reologica.

Per filare fibre buone, la concentrazione doveva essere 1,2-2,7 e 1.9-2.3x la concentrazione di entanglement per l'amido e pullulano, rispettivamente, (figure 4 e 5). Questa gamma è più ristretto per pullulano, probabilmente anche a causa della minore differenza di conformazione nei solventi. E 'stato interessante notare che una dispersione a concentrazione entanglement, quando i polimeri iniziano a intrappolare uno con l'altro, non era electrospinnable. Probabilmente, alta forza di taglio coinvolti in elettrofilatura ostacolare catena di sovrapposizione e interazione polimero lungo raggio che potrebbe già stabilito a condizioni di taglio statiche e bassi, e quindi è necessario un intreccio maggiore e sufficiente. Inoltre, viscosità di taglio anche svolto un ruolo importante (Figura 6). L'amido electrospinnable e Dispers pullulanoioni rientrano in un simile intervallo di viscosità di taglio a 100 sec ^-1, con un limite superiore di 2,2 Pa · sec.

La procedura qui descritta può essere modificata in corrispondenza con le attrezzature e materiali utilizzati in altri studi. La dissoluzione dei polimeri è il primo passo fondamentale in questo protocollo, perché abbiamo scoperto che le dispersioni di amido parzialmente disciolti (ad esempio, nel 85% (w / v) DMSO) prodotto instabile dati costante viscosità di taglio che impediva una determinazione accurata di c _e. Mentre fini della misura di taglio costante, preferiamo partire dal gradiente di velocità massima. In questo modo, la dispersione viene distribuito uniformemente all'interno del gap con l'aiuto di un elevato gradiente di velocità. Il passo elettrofilatura necessaria molta pratica. Occorre prestare attenzione al cambiamento di forma della goccia sulla punta dell'ago. Precauzioni di sicurezza durante elettrofilatura non dovrebbero essere trascurati. Il pericolo principale di elettrofilatura viene dalla alta tensione utilizzato in the processo, anche se la corrente è relativamente bassa. Electrospinning esperimenti devono essere eseguiti in una cappa aspirante in modo da espellere vapori dei solventi che possono comportare rischi per la salute se si è esposti ad esso per un lungo periodo di tempo. Evitare distanza ravvicinata e anche il contatto tra la punta dell'ago carica e il bagno di coagulazione, perché questi si tradurrà in un pericolo di breve e di incendio.

I metodi reologici utilizzati in questo studio hanno limitazioni. Per esempio, va notato che la velocità di taglio effettivo coinvolto in elettrospinning è molto superiore a 100 sec ^{-1 1.} Oltre a tosare reologia studiato, reologia elongazionale, che caratterizzano l'allungamento della dispersione lungo la traiettoria, può anche svolgere un ruolo importante ^15. Il reometro utilizzato in questo studio non è in grado di caratterizzare la viscosità elongazionale.

Studi reologici possono fornire informazioni preziose sulla conformazione biopolimero in Vernicersions e le loro caratteristiche di lavorazione. Questo protocollo è potenzialmente utile in elettrospinning di molti altri biopolimeri e loro miscele, in termini di selezione del solvente sistema, ottimizzazione dei parametri, e fibra meccanismo formando a livello molecolare.

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