Moleculaire Verstrengeling en Electrospinnability van Biopolymeren

Samenvatting

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.

Samenvatting

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.

Inleiding

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.

Resultaten

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 conc...

Discussie

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 go...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Gelose 80 starch	Ingredion		Gebruikt zoals het is
Pullulan	Hayashibara Co. Ltd		Gebruikt zoals het is
Dimethyl sulfoxide	BDH Chemicals	BDH1115-4LP
Ethanol	VWR International	89125-172	200 proof
Rheometer	TA Instruments	ARES	50 mm kegel en plaat geometrie
Spuit (10 ml)	Becton, Dickinson and Company	309604	Spuit met Luer-Lok® Tip
Hogespanningsgenerator	Gamma High Voltage Research, Inc.	ES40P
Spuitpomp	Hamilton Company	81620
Omgevingsscannende elektronenmicroscoop	FEI Company	Quanta 200	voor zetmeelvezels
Omgevingsscannende elektronenmicroscoop	Phenom-World	Phenom G2 Pro	voor pullulaanvezels