전기 방사는 다양한 물질에서 나노 스케일로 미세 섬유를 제조하는데 사용 매력적인 방법이다. 방사 도프의 성분 중합체의 분자의 얽힘이 성공적인 전기 방사에 필수적이다. 우리는이 생체 고분자, 전분 및 풀루 란 electrospinnability을 평가 레올 이용하는 프로토콜을 제시한다.
이 콘텐츠를 보려면 JoVE 구독이 필요합니다. 로그인하거나 오늘 무료 평가판을 시작하세요.
이 논문에서
요약
초록
전기 방사는 다양한 물질로부터 나노 섬유를 제조하는 마이크로 매혹적인 기술이다. 생체 고분자를 들어, 방사 도프의 성분 중합체의 분자의 얽힘이 성공적인 전기 방사를위한 필수적인 전제 조건 인 것으로 밝혀졌다. 유변학은 생체 고분자의 분자 형태와 상호 작용을 조사 할 수있는 강력한 도구입니다. 이 보고서에서, 우리는 디메틸 설폭 사이드 (DMSO) / 물 분산액으로부터,이 생체 고분자, 전분 및 풀루 란 electrospinnability을 평가 레올을 이용하는 프로토콜을 설명한다. 미크론 범위 미크론의 평균 직경을 갖는 잘 형성된 전분 및 풀루 섬유가 얻어졌다. Electrospinnability 형성 섬유의 시각 및 현미경 관찰에 의해 평가 하였다. 자신의 electrospinnability에 분산의 유변학 적 특성에 대한 상관 관계를 우리는 모든 당선자에 영향을 분자 형태, 분자 얽힘, 및 전단 점도 입증rospinning. 유 동학은 용매 시스템 선택 및 공정 최적화에 유용 할뿐만 아니라 분자 수준에서 섬유 형성의 메커니즘을 이해하지 않다.
서론
전기 방사는 다양한 물질로부터 나노 크기의 연속 마이크로 섬유를 제조 할 수있는 기술이다. 그것은 학문과 산업의 관심 일 증가 얻고있다. 설치 및 전기 방사의 연습은 간단 보이지만, 섬유 속성을 electrospinnability을 예측하고 제어 할 수있는 능력은 과제로 남아. 그 이유는 전기 방사 (2) 및 프로세스, 특히 섬유에 의해 이동 경로 일 것이다 혼란을 좌우하는 여러 가지 요인이 있다는 사실에 놓여있다. 종종 경험 "보고 요리 -와 -"접근 방식은 잠재적 electrospinnable 물질을 선별하는 데 사용됩니다. 그러나, 전기 방사를 더 잘 제어 및 합성 섬유의 특성, 필요 electrospinnability을 지배하는 메커니즘에 대한 이해를 돕기 있습니다. 몇몇 연구자들은 원액에 중합체의 분자의 얽힘이 된 essentia 것을 발견성공적인 전기 방사 3 - 5 리터의 필수 조건.
레올 로지 고분자 분산 분자 형태와 상호 작용을 조사 할 수있는 강력한 도구입니다. 예를 들어는 맥키 등. 클로로포름 / 디메틸 테레 프탈레이트 (7/3, v / v)로 함유하는 용매에 선형의 분자 형태 및 분 지형 폴리 (에틸렌 테레 프탈레이트 - 코 - 에틸렌 이소 프탈레이트) 공중 합체를 조사하고, 중합체 농도가 2-2.5x이어야 한 것으로 판단 성공적인 전기 방사 4 얽힘 농도.
때문에 생분해 성, 생체 적합성, 그리고 힘? 힘을 자신의 합성 대응 개성를에서 자신의 장점의 바이오 폴리머에서 섬유에서 현재 새롭게 관심이 있습니다. 그러나 실무자 열 처리 및 열등한 기계적 특성에 구조적 복잡성, 어려움에서 일반적으로 발생하는 많은 도전에 직면. 식물 조직에서 발견되는 전분은, 아몬이며g 지구상에서 가장 풍부하고 저렴한 바이오 폴리머. 순수 전분 섬유는 습식 전기 방사 장치는 최근 6 바와 이용하여 제조 하였다. 풀루 란 특정 박테리아에 의해 세포 외로 생산 선형 다당류이다. (1 → 4)와 (1 → 6)의 정규 교대는 glucosidic 채권은 능력 7,8를 형성하는 우수한 섬유 / 필름 포함 풀루 란의 여러 가지 독특한 속성에 대한 책임을 것으로 생각됩니다. 수성 분산액에서 풀루 섬유는 전기 방사 9,10 연구자들에 의해보고되었다. 이전 출판물에서이 바이오 폴리머, 전분 11, 풀루 란 (12)의 electrospinnability이 논의되고있다. 이 보고서는이 두 가지 생체 고분자의 electrospinnability의 조사에 유동 학적 원리를 활용하기위한 프로토콜을 시연에 초점을 맞추고 있습니다.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
프로토콜
1 회전 마약 준비
- 이러한 계산에서 생체 고분자 분말의 수분 함량을 고려 반드시 생체 고분자의 농도 범위 (/ V 와트, 30 %, 0.1 %)을 조사하도록 준비한다. 각각의 농도를 들어, 50 ㎖의 시험관에 생체 고분자 (전분 또는 풀루 란) 분말을 무게. 수성 디메틸 설폭 사이드 (DMSO) 용액과 교반 막대를 추가합니다.
- 자석 교반기의 핫 플레이트에 일정한 교반 끓는 물에 튜브를 놓습니다.
- 약 1 시간 후, 열을 끄고 분산액을 실온으로 냉각되도록. 분산 물을 유동 학적 검사와 전기 방사를위한 준비가되어있다.
2 꾸준한 전단 유변학
- 레오 미터를 따뜻하게하고 20 ° C에서 무대 온도를 설정합니다. 프로브 (사용 25mm 콘) 및 스테이지 (판) 사이의 격차를 보정합니다.
- 상기 스테이지의 중심 상 생체 고분자 분산액 0.41 ㎖의 부하 positi를 설정하는 프로브를 낮출(25mm 콘에 대한 0.053 mm 간격)에. 분산이 균등하게 간격 내에서 확산 있는지 확인합니다.
- 다음 실험 매개 변수 유변학 테스트를 수행 스윕 모드 : 로그인, 초기 속도 : 100 초 -1, 최종 속도 : 0.1 초 -1, 십 년간 당 포인트 : 10, 측정 전에 지연 : 5 초, 시간을 측정 : 10 초, 측정 기준과 방향 : 두 (시계 및 반 시계 방향 모두).
- 시험을 전기 방사에 적합한 분산 농도를 추정하기 위해 유동 학적 데이터를 분석 할 수 있습니다.
- 중합체 농도의 함수로서 전단 율 대 겉보기 전단 점도 플롯. 0.1 초에서 겉보기 점도 (낮은 전단 속도 데이터가 신뢰할 낮은 농도에서 예) 실제 또는 추정 값을 기준으로 각 플로우 곡선, 대략 제로 전단 점도, η 0, 용 - 1.
- 특정 점도를 계산 η 특검팀 = (η 0 - η들)η S는 용매의 점도 / s의 η.
- 농도의 함수로서 고유 점도 플롯. semidilute unentangled 얽힌 정권을 확인합니다. semidilute unentangled 정권 작은 기울기 저농도 끝에서 시작하고, semidilute 교락 정권 unentangled 정권 다음 더 큰 경사를 갖는다. 두 정권에 맞추기 지수 법칙 회귀 모델. 전력 값은 로그 - 로그 플롯에 semidilute unentangled 낙합 정권과 경사면 (농도 의존성)이다. 이 장착 선의 교차점 얽힘 농도, C 전자이다.
3 전기 방사 매개 변수 변화
- 예를 들면, 15 %도 1에 도시 된 바와 같이. 전기 방사 셋업 조립 적절한 조성물의 분산액으로 주사기를 부하 (/ w를 v) 100 % DMSO에서, 주사기 펌프 상 전분 또는 풀루. 멋 부리 (고전압 와이어 클립바늘에 필자). 화장실에 접지 와이어 (음)을 담가 땅에 순수 에탄올을 포함하는 응고 욕을 연결합니다. 주사기 바늘과 응고 욕 사이의 거리를 조정하기 위해 랩 잭을 사용. 전기 방사 한 후 섬유 매트를 수집 조에서 금속 메쉬 담가.
- 다음 매개 변수 범위의 생체 고분자를 스핀 : 이송 속도 0.1 ~ 0.4 ㎖ / 시간, 5-10cm 회전 거리와 전압에서 0 ~ 15 kV의에.
- 5cm의 회전 거리를 시작합니다. 제 이송 속도 (0.1 ㎖ / h)를 위해, 바늘 끝에서 압출 분산액의 형상으로 서서히 영 V. 결제주의로부터의 전압을 램프 업 및 적하 분산액 가속하고 기다란 때주의한다.
- 작은 제트 솔루션의 electrospinnability를 나타내는 드롭 표면에서 시작되는 전압을합니다. 연속 제트가있는 경우, 시작되는 전압을 기록한다.
- 세 paramete 각각에 대한 전체 범위를 검토RS 및 참고 성공적인 방사 조건. 끝에서 연속 제트있을 때에 만 섬유를 수집.
- 수집 몇 분 후, 순수 에탄올로 섬유 매트를 헹군다. 진공 상태에서 건조를 포함하는 데시 케이 터에 섬유 매트를 놓습니다.
- 완전한 특성에 대한 각 생체 고분자의 농도에 대해 반복합니다.
전기 - 습식 방사 셋업도 1은 개략도. 생체 고분자 분산액을 주사기 펌프로부터 압출된다. 고전압 DC 전원이 무딘 바늘 근거 응고 욕에 높은 전압을 제공한다. 바늘 끝에서 폴리머 제트는 직선 경로를 통해 이동 한 다음 (일명 불안정성을 흔든다) 빠른 휘핑 경로를 개발하고 있습니다.
(4) 형태 학적 특성
- 건조 섬유 매트의 조각을 잘라 탄소 테이프를 사용 SEM 스텁에 그것을 고정시킨다.
- SEM 악기로 샘플 스텁을로드하고 분석을 위해 이미지를 얻을 수 있습니다.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
결과
생체 고분자 농도 및 용매 DMSO 농도의 함수로서 생체 고분자 분산액의 유동 곡선을 구 하였다. 두 대표적인 수치는 순수한 DMSO 용매에서의 농도의 함수로서 전분 (도 2A) 및 플루 란 (도 2b)의 유동 곡선을 나타낸다. 특정 점도는 생체 고분자 농도 (전분 그림 3a 및 풀루 란 그림 3B) 역모를 꾸몄다되었다. 이들 플롯에서, 엉킴 농도 semidilute unentangled 및 semidilute 교락 정권 끼워 라인 절편으로 얻었다.
도 2 플로우를 funct...
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
토론
레올 종래 섬유 방적을 포함하고 13 전기 방사 중합체의 처리를 연구하는 필수적인 도구이다. 정상 전단 유동 학적 연구, 고분자 형태 및 다른 용매에서의 상호 작용에서 해결 될 수 있습니다 (그림 2와 그림 3). 생체 고분자 분자들이 서로 중첩하기에 충분한 높은 농도에서, 그들의 농도 의존성은 좋은 용매 3,4 다른 중합체의보고 된 값과 잘 일치이었다 약 1.4 (도 3)이었다. 생체 고분자의 분자가 얽히게하기 시작한 후, 특정 점도는 농도에 훨씬 높은 의존성을 보였다. 큰 n 값은 강한 분자간 상호 작용을 나타낸다. 많은 랜덤 코일 다당류는 약 3.3 (14)의 n 값과 유사한 농도 의존성을 보였다. 풀루 란은 HIG의 용매에 전분보다 더 강한 상호 작용을 보여 주었다아마도이 때문에 생체 고분자의 분자 성질 H의 DMSO 함량. 풀루 란은 선형해야하는 동안 사용되는 전분, 고도로 분기 구성 요소 (~ 20...
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
공개 사항
저자들은 공개 아무것도 없다는 것을 선언합니다.
감사의 글
이 작품은 음식과 농업에 대한 USDA 국립 연구소, 국립 경쟁 보조금 프로그램, 국가 연구 이니셔티브 프로그램 71.1 FY 2007에 의해 부분적으로 자금 지원 알레르기 및 감염성 질환 그랜트 번호 2007-35503-18392, 보건 국립 연구소, 연구소 등 , R33AI94514-03.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| Gelose 80 전분 | Ingredion | 사용됨 | |
| Pullulan | Hayashibara Co. Ltd | 그대로 사용됨 | |
| Dimethyl sulfoxide | BDH Chemicals | BDH1115-4LP | |
| Ethanol | VWR International | 89125-172 | 200 proof |
| Rheometer | TA Instruments | ARES | 50mm 콘 및 플레이트 형상 |
| 주사기 (10 ml) | Becton, Dickinson and Company | 309604 | Luer-Lok® 주사기; 팁 |
| 고전압 발전기 | Gamma High Voltage Research, Inc. | ES40P | |
| 주사기 펌프 | Hamilton Company | 81620 | |
| 전분 섬유용 | 환경 주사 전자 현미경 | FEI Company | Quanta 200 |
| 풀루란 섬유용 | 환경 주사 전자 현미경 | Phenom-World | Phenom G2 Pro |
참고문헌
- 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).
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
재인쇄 및 허가
