生体高分子の分子エンタングルメントとElectrospinnability

サマリー

エレクトロスピニングは、多種多様な材料からナノスケールの繊維にミクロを製造するために使用される魅力的な技術である。紡糸原液中の成分ポリマーの分子絡み合いが成功エレクトロスピニングのために必須である。私たちは、2つの生体高分子、デンプンおよびプルランのelectrospinnabilityを評価するためにレオロジーを利用するためのプロトコルを提示する。

要約

エレクトロスピニングは、多種多様な材料からナノスケールの繊維にマイクロ作製する魅力的な技術である。バイオポリマーは、紡糸原液中の成分ポリマーの分子絡み合いが成功したエレクトロスピニングのための必須の前提条件であることが見出された。レオロジーは、生体高分子の分子コンフォメーションとの相互作用を調査するための強力なツールです。本稿では、それらのジメチルスルホキシド（DMSO）/水分散液から、2の生体高分子、デンプンおよびプルランのelectrospinnabilityを評価するためにレオロジーを利用するためのプロトコルを示しています。ミクロン範囲にサブミクロンの平均直径を持つ整形式デンプン及びプルラン繊維が得られた。 Electrospinnabilityが形成された繊維の視覚的な顕微鏡観察により評価した。彼らのelectrospinnabilityに分散液のレオロジー特性を相関させることによって、私たちは、分子の立体配座は、分子の絡み合い、せん断粘度はすべて当選者に影響を与えることを実証しているrospinning。レオロジーは、溶媒系の選択およびプロセスの最適化において有用であるだけでなく、分子レベルで繊維形成のメカニズムを理解していない。

概要

エレクトロスピニングは、多種多様な材料からナノスケールの繊維に連続したマイクロを生成することができる技術である。これは、増加し、学術および産業の関心^1を得ています。セットアップとエレクトロスピニングの実施は簡単なように見えるが、繊維特性をelectrospinnabilityを予測し、制御する能力は、課題である。その理由は、多くのエレクトロスピニング工程^2に影響^を与える要因、プロセス、繊維が移動特にパスが存在するという事実にあるのかもしれない、カオス^1である。しばしば経験的な「クック·アンド·ルック」アプローチは、潜在的electrospinnable物質をスクリーニングするために使用される。しかしながら、電界紡糸プロセス及び結果として得られる繊維の特性より良好な制御を得るために、electrospinnabilityを支配するメカニズムのより完全な理解が必要である。いくつかの研究者は、紡糸原液中のポリマーの分子の絡み合いは、エッセンであることを見出した成功したエレクトロスピニング^3〜5はLの前提条件。

レオロジーは、ポリマー分散液中の分子の立体配座との相互作用を調査するための強力なツールです。例えば、マッキーら 。クロロホルム/ジメチルテレフタレート（7/3、v / v）を含む溶媒中で線形の分子配座および分枝状ポリ（エチレンテレフタレート - コ - エチレンテレフタレート）共重合体を調査し、ポリマー濃度が2-2.5xをする必要があったと判断さ成功したエレクトロスピニング⁴用の絡み合い濃度。

なぜなら、生分解性、生体適合性、および気力それらの合成対応更新性におけるそれらの利点のバイオポリマーからの繊維で現在新たな関心がある。しかし、専門家は、その構造の複雑さ、熱加工と劣る機械的性質の困難さから、一般的に発生する多くの課題に直面する。植物組織に見られるデンプンは、アモンですgの地球上で最も豊富で安価なバイオポリマー。最近^6に記載された純粋な澱粉繊維は、電気湿式紡糸装置を使用して製造。プルランは、ある種の細菌によって細胞外に生産さ線状多糖類である。 （1→4）および（1→6） ​​の規則的な交互のグルコシド結合は機能^7,8を形成する優れた繊維/フィルムを含むプルランのいくつかの独特の特性の原因であると考えられている。水性分散液からプルラン繊維の電界紡糸は、研究者^9,10の数で報告されている。われわれの以前の出版物では、2つのバイオポリマー、デンプン¹¹及びプルラン¹²のelectrospinnabilityは、議論されている。このレポートは、これらの2つの生体高分子のelectrospinnabilityの調査にレオロジーの原則を利用するためのプロトコルを示すに焦点を当てています。

プロトコル

1スピニングドープ準備

1. 調査されるべき生体高分子濃度の範囲を準備します（0.1％〜30％、w / v）の、これらの計算では、バイオポリマー粉末の含水率を考慮してください。各濃度について50mlの試験管にバイオポリマー（デンプン、プルラン）粉末の重量を量る。水性ジメチルスルホキシド（DMSO）溶液と撹拌棒を加える。
2. マグネチックスターラーホットプレート上で一定に攪拌しながら沸騰したお湯にチューブを置きます。
3. 約1時間後、加熱をオフにし、分散液が室温に冷却させる。次に、分散液をレオロジーテストやエレクトロスピニングの準備ができています。

2定常せん断レオロジー

1. レオメーターをウォームアップし、20℃のステージ温度を設定します。プローブ（使用25mmのコーン）とステージ（プレート）の間のギャップを校正します。
2. ステージの中央への生体高分子分散の荷重0.41ミリリットルとPOSITIを設定するためのプローブを下げる（25mmのコーンのための0.053ミリメートルギャップ）について。分散が均等にギャップ内に広がっていることを確認します。
3. 掃引モード：ログインし、初期速度：100秒^-1、最終速度：0.1秒^-1、十年ごとのポイント：10、対策前の遅延：5秒、小節時間：10秒、以下の実験パラメータでレオロジー試験を行う拍子や方向：2（反時​​計回りの両方）。
4. 試験をエレクトロスピニングするための適切な分散濃度を推定するレオロジーデータを分析します。
   1. ポリマー濃度の関数としてせん断速度に対する見掛けのせん断粘度をプロットします。 0.1秒での見かけの粘度（低せん断速度のデータは信頼性が低い低濃度で、 例えば ）実際の、または外挿した値で、各フローカーブ、おおよそのゼロせん断粘度_、η0、の場合^{- 1。}
   2. 比粘度を計算し_{、ηSP =（η0} - η _秒 ）_ηsは溶媒の粘度である_/ηsで、。
   3. 濃度の関数として特定の粘度をプロットします。 semidilute交絡と絡み合った体制を識別します。 semidilute交絡政権は、小さな傾きで低濃度端から始まり、semidiluteもつれ政権は交絡政権、次のより大きな傾斜を有する。双方の体制に合わせるべき乗則回帰モデル。電力値は、両対数プロット上semidilute交絡と絡み合った体制での斜面（濃度依存性）である。 2近似直線の交点が絡み合い濃度はC _eは 。

3エレクトロスピニングパラメータ変動

1. 図1に示すように電界紡糸セットアップを組み立てます。シリンジポンプ上に、100％のDMSO中の15％（w / v）のデンプンまたはプルラン、 たとえば 、適切な組成の分散体と注射器をロードします。 POSIT（高電圧ワイヤークリップ針にIVE）。浴にアース線（マイナス）を浸漬することによって地面に純粋なエタノールを含む凝固槽を接続します。注射針と凝固浴との間の距離を調整するためにラボジャッキを使用してください。エレクトロスピニング後に繊維マットを収集する浴中に金属メッシュを浸す。
2. 次のパラメータに生体高分子をスピン範囲：0〜15 kVの0.1〜0.4ミリリットル/時間から速度、5〜10センチメートルスピニング距離、電圧を養う。
   1. 5cmのスピニング距離から始めます。最初の送り速度（0.1ミリリットル/時）の場合は、0 V針の先端で押し出し、分散液の形状に注意を払い、滴下分散が加速した後、伸長した際に注意してから、ゆっくりと電圧が上昇します。
   2. 小さなジェットは、溶液のelectrospinnabilityを示す、落下面から開始する電圧に注意してください。もしあれば、継続的なジェットが開始する電圧を記録します。
   3. 3 parameteのそれぞれのための完全な範囲を調べRSとノート成功紡糸条件。先端から連続ジェットがある場合にのみ繊維を収集します。
3. 収集の数分後、純粋なエタノールで繊維マットをすすぐ。真空下で乾燥剤入りデシケーター中に繊維マットを置きます。
4. 完全な特性のために、各生体高分子濃度について繰り返します。

エレクトロ湿式紡糸セットアップの図1概念図。バイオポリマー分散液をシリンジポンプから押し出される。高電圧DC電源は、鈍針を接地凝固浴に高電圧を提供する。針の先端からのポリマージェットはまっすぐな道を通って移動した後、急速なホイップ·パス（別名​​泡立て不安定）を開発しています。

4。形態学的特性評価

1. 乾燥した繊維マットの部分をカットし、カーボンテープを使用したSEMスタブの上に固定化する。
2. SEM装置内に試料スタブをロードし、分析のための画像を取得する。

結果

バイオポリマーの濃度や溶媒中のDMSO濃度の関数としてのバイオポリマー分散液の流動曲線が得られた。二つの代表的な数値は、純粋なDMSO溶媒中のそれらの濃度の関数として澱粉（ 図2A）およびプルラン（ 図2B）の流動曲線を示す。具体的な粘度は、バイオポリマーの濃度（プルラン用デンプンおよび図3Bは図3A）に対してプロットした。これらのプロットから、絡み合い濃度がsemidilute交絡とsemidiluteもつれレジームにおける近似直線の切片として得られた。

図2のフローfuncti純粋なDMSO中の（A）

ディスカッション

レオロジーは、従来の紡糸やエレクトロスピニング¹³を含むポリマーの加工を、研究するための不可欠なツールです。定常せん断レオロジー研究、ポリマーコンフォメーションと異なる溶媒でのそれらの相互作用から解決することができる（ 図2および3）。バイオポリマー分子が互いに重なるために十分ではない高濃度で、それらの濃度依存性は、良溶媒^3,4における他のポリマーの報告された値とよく一致したその周り1.4（ 図3）であった。バイオポリマー分子が絡み始めた後に、特定の粘度は濃度にはるかに高い依存性を示した。大きなn値は、より強い分子間相互作用を示している。多くのランダムコイル多糖は、約3.3 ¹⁴のn値を、同様の濃度依存性を示した。プルランはHIGの溶媒中でのデンプンより強い相互作用を示した2生体高分子の分子の性質に起因する可能性が時間のDMSO含有量、。プルランは線形であるべきながら使用されるデンプンは、いくつかの高度に分岐した成分（〜20％のアミロペクチン）を有していた。もちろん、未知...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
ジェロース80デンプン	Ingredion		そのまま使用
プルラン	林原株式会社		使用
ジメチルスルホキシド	BDHケミカル	BDH1115-4LP
エタノール	VWR インターナショナル	89125-172	200プルーフ
レオメーター	TAインスツル	ARES	50 mmコーンとプレートの形状
シリンジ(10 ml)	Becton, Dickinson and Company	309604	Syringe with Luer-Lok®ヒント
高電圧発生器	Gamma High Voltage Research, Inc.	ES40P
シリンジポンプ	ハミルトン社	81620
環境走査型電子顕微鏡	FEI社	デンプン繊維用	Quanta 200
環境走査型電子顕微鏡	プルラン繊維用	ノムワールド	フェノムG2プロ

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