Name: W kierunku biomimiki drewna: wytwarzane wolnostojące folie z nanocelulozy, ligniny i syntetycznej polikacji (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-06-17T22:45:00.000+00:00
Duration: 11 min 26 s
Description: Poznaj metodę warstwowego składania nanocelulozy i ligniny w celu naśladowania struktury ścian komórkowych roślin. Technika ta umożliwia precyzyjną kontrolę organizacji materiałów biomimetycznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Ta praca była wspierana głównie przez program doktorancki Instytutu Technologii Krytycznych i Nauk Stosowanych (ICTAS) w Virginia Tech, Virginia Tech Graduate School wspierającej program Zrównoważonej Nanotechnologii, a także przez Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych, numer grantu NIFA 2010-65504-20429. Autorzy dziękują również wkładowi Ricka Caudilla, Stephena McCartneya i W. Travisa Churcha w tę pracę.

1. Preparat z celulozy nanofibrylowanej55
<ol>
	<li>Ustaw kolbę z trzema szyjkami o pojemności 3 litrów z 2 litrami wody dejonizowanej, mieszadłem górnym i sondą pH.</li>
	<li>Do kolby dodać deligtynowaną miazgę siarczanową o jasności 88% (20 g, 1% (w/v, w przeliczeniu na suchą masę)), 1-oksyl 2,2,6,6-tetrametylopiperirydyny (TEMPO) (0,313 g, 0,1 mmol/g celulozy) i bromek sodu (NaBr, 2,0 g, 1 mmol/g celulozy).
	<ol>
		<li>Wymieszaj włókno miazgi z mieszadłem górnym, aż włókno zostanie rozproszone i nie będzie widać żadnych agregatów w reakcji. 
		Uwaga: Dyspersję można wspomóc poprzez zmieszanie gnojowicy z wodą przed dodaniem miazgi do kolby o pojemności 3 l.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Rozpocząć utlenianie przez powolne dodawanie 12% roztworu podchlorynu sodu (NaClO, 51,4 ml, 5 mmol na g celulozy) do mieszaniny reakcyjnej. 
	Uwaga: Aby zapewnić spójność podczas całej reakcji, należy użyć pompy strzykawkowej do dostarczania NaClO z szybkością wstrzykiwania 1,5 ml/min.</li>
	<li>Napełnić drugą strzykawkę wodorotlenkiem sodu (NaOH, 0,5 M) i ręcznie odmierzać kroplami roztwór alkaliczny do kolby, aby utrzymać pH na poziomie 10 ± 0,2.</li>
	<li>Monitoruj zmianę pH w czasie, a gdy wszystkie dostępne grupy hydroksylowe na celulozie zostaną utlenione, pH nie będzie już spadać, a reakcja zostanie zakończona.</li>
	<li>Dodaj nadmiar EtOH, aby zużyć pozostały NaClO. Około 6 ml 200-procentowego EtOH zużyje wszystkie 100 mmol oryginalnego NaClO.</li>
	<li>Przefiltruj i dokładnie umyj utlenione włókno oczyszczoną wodą, aby usunąć odczynniki, aż pH będzie neutralne. Użyj wirówki koszowej lub urządzenia filtrującego, takiego jak lejek Büchnera, aby odzyskać włókno. Przechowuj włókno w temperaturze 4 °C do czasu dalszego użycia. 
	Uwaga: Po zakończeniu eksperymentu błonnik powinien mieć zawartość kwasu karboksylowego, określoną za pomocą miareczkowania konduktometrycznego, od 1,0 do 1,5 mmol na gram włókna. Różnica w wyglądzie włókna po utlenieniu TEMPO powinna być niewielka.</li>
	<li>Stwórz 3% (w/v, w przeliczeniu na suchą masę) zawiesinę utlenionej miazgi TEMPO i zmiksuj w blenderze Warring, aż zawiesina stanie się lepka, a ostrza zaczną wirować w powietrzu z powodu żelowania zawiesiny. 
	Uwaga: Niższe stężenia nie działają tak skutecznie na fibrylację celulozy.
	<ol>
		<li>Rozcieńczyć zmieszaną zawiesinę do 0,1% (w/v) i kontynuować mieszanie, aż zawiesina stanie się przezroczysta.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Osadzanie filmu warstwa po warstwie do eksperymentów QCM-D
<ol>
	<li>Przygotować następujące roztwory wodne i dostosować każdy roztwór z 0,1 M NaOH do pH 10,5: wodny roztwór buforowy (woda i NaOH), 0,5% (m/v) wodny roztwór chlorku polidiallilodimetyloamoniowego (PDDA) i 0,01% (m/v) ligniny. Dostosuj pH zawiesiny 0,1% NFC do 8,0, 
	Uwaga: pH dla tych eksperymentów było podwyższone, ponieważ wcześniej wykazano, że lignina adsorbuje się w mniej zagregowanym stanie w zasadowym pH56.</li>
	<li>Kryształ kwarcu pokryty złotem należy czyścić zgodnie z zaleceniem producenta, aby użyć roztworu bazowego piranii [UWAGA] (stężony w stosunku 3:1 NH4OH:H 2O2 w temperaturze 60 °C) przez 10 minut.
	<ol>
		<li>Opłucz kryształy oczyszczoną wodą, wysusz suszarką w strumieniuN2 i natychmiast włóż do celi przepływowej mikrowagi kwarcowej, aby uniknąć zanieczyszczenia powietrzem.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przepuścić bufor przez komórkę przepływową, aby uzyskać podstawową odpowiedź rezonansowego kryształu wystawionego na działanie cieczy.
	<ol>
		<li>Umieść warstwę PDDA na krysztale kwarcu, wystawiając kryształ kwarcu na działanie roztworu PDDA na 5 minut.</li>
		<li>Po 5 minutach przełącz się z powrotem na roztwór buforowy. 
		Uwaga: Ten proces w kroku 2.3 tworzy reakcję jednowarstwową, w której ilość osadzonego polimeru można określić bez wpływu lepkości roztworu polimeru.</li>
		<li>Powtórzyć adsorpcję innych polimerów w następującej kolejności z płukaniem buforem między każdym etapem: PDDA (+) (etap 2.3.1); lignina (-); PDDA(+); oraz NFC(-). Powtórz cykl 4 razy, aby zdeponować łącznie 16 warstw polimerów i nanocząstek.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Osadzanie warstwy po warstwie do eksperymentów AFM i elipsometrii
<ol>
	<li>Przyklej okrągły krążek miki do szklanego szkiełka mikroskopowego za pomocą szybkiego kleju epoksydowego. Po utwardzeniu kleju przymocuj kawałek taśmy do krążka miki. Oderwij taśmę, powodując rozszczepienie powierzchni miki.
	<ol>
		<li>Oczyść płytkę krzemową kwaśną piranią [UWAGA] (3:1 H2SO4:H2O2) przez 20 minut, a następnie znacznie spłucz w wodzie przed nałożeniem warstwy.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Roztworami przygotowanymi w ppkt 2.1 zanurzyć świeżo rozdrobnioną mikę, która jest przymocowana do szkiełka podstawowego lub świeżo oczyszczoną płytkę krzemową w każdym roztworze, postępując zgodnie z tą samą sekwencją protokołu opisaną w 2.3.3. 
	Uwaga: Ta technika stworzy warstwy polimerów na każdej z tych powierzchni, które można wprowadzić odpowiednio do AFM lub elipsometru.</li>
	<li>Zobrazuj osadzone warstwy za pomocą mikroskopu sił atomowych. Podczas zbierania obrazów próbki należy używać trybu kontaktu przerywanego i wsporników z końcówkami krzemowymi o promieniu 10 nm (stała sprężystości 42 N/m). Ustaw rozmiar skanu na 2,5 x 2,5 μm, punkt skanowania na 512 i całkowanie 10, aby zebrać określone obrazy próbek.</li>
	<li>Do pomiaru grubości warstw z AFM wysuszonych folii LbL należy użyć końcówki do pipety z miękkiego tworzywa sztucznego i narysować linię w poprzek powierzchni przygotowanych folii LbL na powierzchni miki.</li>
	<li>Osadzanie folii LBL do pomiaru elipsometrii na płytkach krzemowych. Zmierz grubość suchej warstwy za pomocą elipsometru z modulacją fazy o długości fali 632,8 nm przy użyciu trybu wielokrotnego kąta padania. Zmieniaj kąty w zakresie od 85° do 65° w odstępach co 1°.</li>
</ol>
4. Przygotowanie wolnostojącej folii LBL
<ol>
	<li>Wytnij prostokąt o wymiarach 25,4 x 7,6 mm z folii z octanu celulozy (CA) (DS 2,5) o grubości 0,13 mm i przymocuj do automatycznego ramienia czerpaka. 
	Uwaga: Octan celulozy DS 3.0 nie jest rozpuszczalny w acetonie, dlatego DS 2.5 jest preferowany do odzyskiwania warstwowych warstw.</li>
	<li>Napełnić każdą zlewkę o pojemności 500 ml roztworami PDDA, ligniny i nanocelulozy zgodnie ze stężeniem i pH w kroku 2.1.
	<ol>
		<li>Napełnić trzy dodatkowe zlewki wodnym buforem, który ma być stosowany jako roztwór płuczący dla każdego cyklu osadzania.</li>
		<li>Zaprogramować ramię łyżki tak, aby postępowało w tej samej kolejności, jak podano w 2.3.3. 
		Uwaga: Ważne jest, aby po każdym roztworze polimeru stosować inny roztwór do płukania, ponieważ w procesie warstwa po warstwie część polimeru, który nie jest ściśle związany z powierzchnią, ulega desorpcji. Zanieczyszczenie krzyżowe roztworów płuczących szybko powoduje wytrącanie się kompleksów polielektrolitowych, które mogą adsorbować się jako "defekty" na powierzchni folii.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Okresowo zmieniaj roztwory w zlewce podczas 250 cykli, ponieważ zaczynają wydawać się mętne z powodu kompleksów koloidalnych. Opcjonalnie można zautomatyzować odnawianie roztworu za pomocą pompy perystaltycznej do dostarczania świeżego roztworu lub buforu do specjalnie wykonanych pojemników z polichlorku winylu (PVC) z wlotami i wylotami. 
	Uwaga: Mieszane roztwory w pojemnikach pomagają zwiększyć dyfuzję polielektrolitów na powierzchnię.</li>
	<li>Ostrożnie przyciąć krawędzie wysuszonej próbki nożyczkami, odsłaniając krawędź CA i umieścić w przykrytej szklanej szalce Petriego wypełnionej acetonem w celu rozpuszczenia CA. 
	Uwaga: Po tym eksperymencie wyizolowano dwie folie z przodu i z tyłu CA.</li>
	<li>Namocz izolowane folie w acetonie przez 24 godziny i kilkakrotnie spłucz folie acetonem, aby zmaksymalizować usunięcie resztek CA.</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Wytwarzanie nanocellulozy
Do wytwarzania nanocellulozy niezbędna jest skuteczna utleniająca obróbka włókien celulozy w celu łatwiejszej fibrylacji. Proces utleniania jest kontrolowany przez dostępny podchloryn sodu, który należy dodawać powoli w określonych ilościach, zależnie od masy celulozy. Jedną z przyczyn ograniczonego utleniania jest przechowywanie roztworu podchlorynu sodu przez dłuższy czas. Obniżona efektywność utleniania jest zauważalna w trakcie reakcji; w przypadku prawidłowego przeb...

Istnieje duże zainteresowanie pozyskiwaniem dodatkowych chemikaliów i paliw z biomasy, ponieważ węgiel sekwestrowany przez rośliny podczas fotosyntezy jest częścią obecnego cyklu CO2. Większość sekwestrowanego węgla (42-44%) występuje w postaci celulozy, polimeru złożonego z β 1-4 połączonych jednostek glukopiranozy; Po hydrolizie glukoza może być stosowana jako główny reagent do fermentacji w paliwa na bazie alkoholu. Jednak architektura ścian komórkowych roślin drzewiastych ewoluowała przez tysiąclecia, tworząc materiał odporny na degradację w środowisku naturalnym1. Stabilność ta przenosi się na przemysłowe przetwarzanie materiałów drzewnych, takich jak rośliny energetyczne, co utrudnia dostęp do celulozy, jej izolację i rozkład na glukozę. Bliższe przyjrzenie się ultrastrukturze wtórnej ściany komórkowej ujawnia, że jest to nanokompozyt polimerowy złożony z warstwowych mikrowłókien celulozy parakrystalicznej osadzonych w amorficznej matrycy ligniny i hemiceluloz2-4. Zorientowane wzdłużnie mikrofibryle celulozy mają średnicę około 2-5 nm, które są agregowane razem z innymi heteropolisacharydami, tworząc większe jednostki wiązek włókienek5. Wiązki fibryli są osadzone w kompleksie ligninowo-hemicelulozowym złożonym z amorficznego polimeru jednostek fenylopropanolu z pewnymi wiązaniami z innymi heteropolisacharydami, takimi jak glukoronoksylan4. Co więcej, struktura ta jest dalej zorganizowana w warstwy lub blaszki w całej zdrewniałej wtórnej ścianie komórkowej6-8. Enzymy, takie jak celulazy, mają bardzo trudny dostęp do celulozy w ścianie komórkowej, ponieważ znajduje się ona w postaci włókienek i jest osadzona w ligninie. Sednem prawdziwego urzeczywistnienia biopaliw i odnawialnych platform chemicznych jest opracowanie procesów, które w ekonomiczny sposób pozwolą na scukrzaryzację celulozy w jej naturalnej postaci.
Nowe technologie chemiczne i obrazowania pomagają w badaniu mechanizmów związanych z scukrzaniem celulozy9,10. Wiele prac skupiło się na ramanowskim obrazowaniu konfokalnym11 i mikroskopii sił atomowych12 w celu zbadania składu chemicznego i morfologii ściany komórkowej. Możliwość dokładnego śledzenia mechanizmów delignifikacji i scukrzania jest znaczącym krokiem naprzód, wpływającym na konwersję celulozy do glukozy. Scukrzanie modelowych powierzchni celulozy analizowano, mierząc szybkość kinetyczną enzymów za pomocą mikrowagi kryształu kwarcu z monitorowaniem dyssypacji (QCM-D)13. Jednak natywne ściany komórkowe są bardzo złożone, jak wskazano powyżej, co powoduje niejednoznaczność, w jaki sposób różne procesy konwersji zmieniają strukturę ściany komórkowej rośliny (masa cząsteczkowa polimeru, wiązania chemiczne, porowatość). Wolnostojące modele substancji w ścianie komórkowej o znanym składzie strukturalnym rozwiązałyby ten problem i umożliwiłyby integrację próbek z najnowocześniejszym sprzętem chemicznym i obrazowania.
Brakuje modeli ścian komórkowych, a kilka dostępnych można sklasyfikować jako mieszanki materiałów polimerowych i regenerowanej celulozy lub celulozy bakteryjnej14, enzymatycznie polimeryzowane kompozyty ligninowo-polisacharydowe15-17 lub powierzchnie modelowe18-21. Niektóre modele, które zaczynają przypominać ścianę komórkową, to próbki zawierające prekursory lub analogi ligniny spolimeryzowane enzymatycznie w obecności celulozy w postaci mikrofibrylarnej. Jednak materiały te cierpią z powodu braku zorganizowanej architektury warstwowej. Prostą drogą do tworzenia materiałów nanokompozytowych o zorganizowanej architekturze jest technika składania warstwa po warstwie (LbL), polegająca na sekwencyjnej adsorpcji polimerów lub nanocząstek z komplementarnymi ładunkami lub grupami funkcyjnymi w celu utworzenia zorganizowanych wielowarstwowych warstw kompozytowych22-25. Wolnostojące hybrydowe nanokompozyty o wysokiej wytrzymałości, wytwarzane przez osadzanie LbL polimeru i nanocząstek, zostały opisane przez Kotov i wsp.26-30. Wśród wielu innych zastosowań, folie LbL zostały również zbadane pod kątem ich potencjalnego zastosowania w dostarczaniu terapeutycznym31, membranach ogniw paliwowych32,33, bateriach34 i modyfikacji powierzchni włókien lignocelulozowych35-37. Niedawne zainteresowanie materiałami kompozytowymi na bazie celulozy w nanoskali doprowadziło do przygotowania i scharakteryzowania wielowarstwowych nanokryształów celulozy (CNC) LbL otrzymanych w wyniku hydrolizy włókien celulozowych kwasem siarkowym oraz dodatnio naładowanych polielektrolitów38-43. Podobne badania przeprowadzono również z nanokryształami celulozy otrzymanymi z tunikiny morskiej i kationowych polielektrolitów44, CNC i ksylolukanu45 oraz CNC ichitozanu 46. Badano również wielowarstwowe tworzenie karboksylowanych nanofibrylowanych celuloz (NFC) LbL, otrzymane w wyniku wysokociśnieniowej homogenizacji włókien masy celulozowej z kationowymi polielektrolitami47-49. Przygotowanie, właściwości i zastosowanie CNC i celulozy nanofibrylowanej zostały szczegółowo omówione w50-53.
Obecne badanie obejmuje badanie techniki LbL jako potencjalnego sposobu na uporządkowane łączenie izolowanych polimerów lignocelulozowych (takich jak nanoceluloza i lignina) jako pierwszy krok w kierunku biomimetycznego kompozytu lignocelulozowego o strukturze blaszkowej. Technika LbL została wybrana ze względu na łagodne warunki przetwarzania, takie jak temperatura otoczenia, ciśnienie i woda jako rozpuszczalnik, które są warunkami naturalnego tworzenia kompozytów54. W niniejszej pracy przedstawiono wielowarstwowe nagromadzenie składników składowych drewna, a mianowicie mikrowłókien celulozy z utleniania masy celulozowej za pośrednictwem tetrametylopirydyny 1-oksylowej (TEMPO) i wyizolowanej ligniny do wolnostojących warstw lamelarnych. Z różnych technik ekstrakcji stosuje się dwie różne ligniny, jedną ligninę techniczną z procesu roztwarzania organosolv, a drugą ligninę wyizolowaną z mielenia kulowego z mniejszą modyfikacją podczas izolacji. Związki te są łączone z syntetycznym polielektrolitem w tym wstępnym badaniu, aby wykazać możliwość wytwarzania stabilnych wolnostojących folii o architekturze podobnej do natywnej ściany komórkowej.

<table><tbody><tr><td>Miazga siarczanowa</td><td>Weyerhaeuser</td><td>przekazał</td><td>poziom jasności 88%</td></tr><tr><td>Lignina organosolvowa</td><td>Sigma Aldrich</td><td>371017</td><td>wycofana</td></tr><tr><td>lignina z drewna liściastego</td><td>mielonego patrz odniesienie w artykule</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Chlorek polidiallilodimetyloamoniowy</td><td>Sigma Aldrich</td><td>409022</td><td>Mn = 7,2 x 104, Mw = 2,4 x 105</td></tr><tr><td>2,2,6,6-tetrametylopiridyna 1-oksyl (TEMPO)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>214000</td><td>katalityczne utlenianie pierwszorzędowych alkoholi do aldehydów o czystości 98%, masa cząsteczkowa wynosi 156,25 g/mol</td></tr><tr><td>Bromek sodu</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S4547</td><td>czystość &ge; 99,0%, masa cząsteczkowa 102,89</td></tr><tr><td>Podchloryn sodu</td><td>Sigma Aldrich</td><td>425044</td><td>klasa odczynnika, dostępny chlor 10 ~ 15%, masa cząsteczkowa 74,44 g / mol</td></tr><tr><td>Wodorotlenek sodu</td><td>VWR</td><td>BDH7221-4</td><td>0,5 N roztwór wodny, gęstość 1,02 g/ml, masa cząsteczkowa 40 g/mol</td></tr><tr><td>Wodorotlenek sodu</td><td>Acros Organics</td><td>AC12419-0010</td><td>0,1 N roztwór wodny, ciężar właściwy 1,0 g/ml, masa cząsteczkowa 40 g/ mol</td></tr><tr><td>Wodorotlenek amonu</td><td>Acros Organics</td><td>AC39003-0025</td><td>25% roztwór w wodzie, pH 13,6, gęstość 0,89, masa cząsteczkowa 35,04 g/mol</td></tr><tr><td>Nadtlenek wodoru</td><td>Fisher Scientific</td><td>H325-100</td><td>30,0 ~ 32,0% certyfikowany ACS, pH 3,3, gęstość 1,11</td></tr><tr><td>Arkusze miki</td><td>TED Pella</td><td>NC9655733</td><td>Pelco, klasa V5, 10 x 40 mm, 23 mm T, minimalna ilość powietrza i pęcherzyków, bardzo czysty</td></tr><tr><td>Kwas siarkowy</td><td>Fisher Scientific</td><td>A300-212</td><td>95,0 ~ 98,0 w/w%, certyfikowany ACS plus, masa cząsteczkowa 98,08 g / mol</td></tr><tr><td>Octan celulozy</td><td>McMaster Carr</td><td>8564K44</td><td>stopień podstawienia 2,5</td></tr><tr><td>Etanol</td><td>Decon Laboratories</td><td>04-355-223</td><td>200 dowód (100%), USP</td></tr><tr><td colspan="4">[nagłówek]</td></tr><tr><td>Aceton</td><td>Fisher Scientific</td><td>A18-4</td><td>czystość &ge; 99,5%, certyfikowany odczynnik klasy ACS, gęstość 0,79 g / ml, masa cząsteczkowa 58,08 g / mol</td></tr><tr><td>Pompa strzykawkowa</td><td>Aparat Harvard 552226</td><td></td><td>pompa 22 infuzja/wypłata ze standardowym uchwytem strzykawki, natężenie przepływu 0,002 i #956; l / godz. ~ 55,1 ml / min</td></tr><tr><td>System oczyszczania wody Mill-Q</td><td>EMD Millipore</td><td>D3-UV</td><td>Direct-Q, UV, przewodność wody 18,5 M i Omega; &#183; cm ze zbiornikiem 20 L</td></tr><tr><td>pH-metr</td><td>Mettler Toledo</td><td></td><td>SeverMulti</td></tr><tr><td>Balance</td><td>Mettler Toledo</td><td>AB135-S</td><td>dokładność 0,1 mg</td></tr><tr><td>Mikroskop sił atomowych</td><td>Asylum Research</td><td></td><td>MFP-3D, olimpijski mikroskop fluorescencyjny stopień</td></tr><tr><td>Elipsometr</td><td>Beaglehole Instrumenty</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Wirówka włóknista</td><td>nieznany</td><td></td><td>kosz styl wirówka</td></tr><tr><td>Waring blender Waring</td><td></td><td>Commercial</td>Procesor ultradźwiękowy Warics <td></td></tr><tr><td></td><td>Sonics</td><td></td><td>750 W, obudowa dźwiękowa</td></tr><tr><td>Mikrowaga kwarcowa z monitorowaniem dyssypacji (QCM-D)</td><td>Q-Sense Inc.</td><td>E4</td><td>mierzy częstotliwość podstawową 5 MHz i monitoruje nieparzyste alikwoty/harmoniczne od 3 ~ 13, używa pokrytych złotem piezoelektrycznych kryształów kwarcu</td></tr><tr><td>Zautomatyzowane ramię łyżki</td><td>Lynxmotion</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

w kierunku biomimiki drewna: wytwarzane wolnostojące folie z nanocelulozy, ligniny i syntetycznej polikacji

Towards Biomimicking Wood: Fabricated Free-standing Films of Nanocellulose, Lignin, and a Synthetic Polycation

Materiały drzewne składają się z roślinnych ścian komórkowych, które zawierają warstwową wtórną ścianę komórkową złożoną ze strukturalnych polimerów polisacharydów i ligniny. Proces składania warstwa po warstwie (LbL), który opiera się na składaniu przeciwnie naładowanych cząsteczek z roztworów wodnych, został wykorzystany do zbudowania wolnostojącej warstwy kompozytowej z izolowanych polimerów drewna ligniny i utlenionej celulozy nanofibrylowej (NFC). Aby ułatwić montaż tych ujemnie naładowanych polimerów, dodatnio naładowany polielektrolit, chlorek poli(diallilodimetyloamumium) (PDDA), został użyty jako warstwa łącząca w celu stworzenia tej uproszczonej modelowej ściany komórkowej. Proces adsorpcji warstwowej badano ilościowo przy użyciu mikrowagi kryształów kwarcu z monitorowaniem dyssypacji (QCM-D) i elipsometrią. Wyniki pokazały, że masa/grubość warstwy na zaadsorbowaną warstwę wzrosła w funkcji całkowitej liczby warstw. Pokrycie powierzchni zaadsorbowanych warstw badano za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM). Dla systemu stwierdzono całkowite pokrycie powierzchni ligniną we wszystkich cyklach osadzania, jednak pokrycie powierzchni przez NFC zwiększało się wraz z liczbą warstw. Proces adsorpcji prowadzono przez 250 cykli (500 dwuwarstw) na podłożu z octanu celulozy (CA). Przezroczyste, wolnostojące folie nanokompozytowe zmontowane LBL uzyskano po rozpuszczeniu substratu CA w acetonie. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) pękniętych przekrojów poprzecznych wykazała strukturę blaszkowatą, a grubość na cykl adsorpcji (PDDA-Lignin-PDDA-NC) oszacowano na 17 nm dla dwóch różnych typów ligniny użytych w badaniu. Dane wskazują na film o ściśle kontrolowanej architekturze, w którym nanoceluloza i lignina są przestrzennie osadzane w nanoskali (nanokompozyty polimerowo-polimerowe), podobnie jak w natywnej ścianie komórkowej.

Analiza QCM-D procesu wytwarzania strukturyzowanej warstwy polimeru drzewnego
Adsorpcję LbL ligniny, NFC i PDDA monitorowano w czasie rzeczywistym za pomocą QCM-D w dwóch różnych eksperymentach z wykorzystaniem dwóch typów ligniny. Ta metoda analizy jest bardzo czuła w wykrywaniu zmian częstotliwości podczas adsorpcji cząsteczek na powierzchni kryształu kwarcowego. Rysunek 1 zawiera szczegółowy opis odpowiedzi QCM-D w jednym cyklu nanoszenia, który obejmuje dwie dwuwarstwy (PDDA:...

Celem tych badań było stworzenie syntetycznej tkanki ściany komórkowej roślinnej przy użyciu warstwa po warstwie składania włókienek nanocelulozowych i izolowanej ligniny złożonej z rozcieńczonych zawiesin wodnych. Techniki pomiaru powierzchni mikrowagi kryształów kwarcu i mikroskopii sił atomowych zostały wykorzystane do monitorowania tworzenia polimerowo-polimerowego materiału nanokompozytowego.

W kierunku biomimiki drewna: wytwarzane wolnostojące folie z nanocelulozy, ligniny i syntetycznej polikacji

Woody materials are comprised of plant cell walls that contain a layered secondary cell wall composed of structural polymers of polysaccharides and ...

Ogólnym celem następnego eksperymentu jest stworzenie modelu wysoce zorganizowanej wtórnej ściany komórkowej roślin zdrewniałych, w której nanowłókna celulozy są osadzane warstwowo wraz z ligniną. Osiąga się to poprzez utlenianie włókien celulozowych w celu wytworzenia ujemnie naładowanych grup karboksylowych, co umożliwia fibrylację do nanocelulozy, a w drugim kroku – montaż z wykorzystaniem adsorpcji warstwa po warstwie. Nanoceluloza jest osadzana w formie wysoce zorganizowanych filmów, których powstawanie jest monitorowane za pomocą kwarcowej mikrowagi z pomiarem dyssypacji. Następnie nanoceluloza jest osadzana na rozpuszczalnych podłożach w celu stworzenia wolnostojących filmów.Uzyskane wyniki, oparte na pomiarach za pomocą mikrowagi kwarcowej oraz badaniach mikroskopowych, wykazują obecność silnie ustrukturyzowanych polimerowych filmów z drewna. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak odlewanie z roztworu przypadkowej mieszaniny składników, jest możliwość kontrolowania sposobu organizacji materiałów w obrębie filmu, aby naśladować materiały naturalne, takie jak drewno. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie celulo

towards-biomimicking-wood-fabricated-free-standing-films

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

W kierunku naśladowania drewna: Wytwarzane samodzielnie stojące folie z nanocelulozy, ligniny i syntetycznego polykatyoni

Prezentujemy nowatorską metodę produkcji sztywnych i wytrzymałych krótkich preform z włókien naturalnych przy użyciu procesu produkcji papieru. Celuloza bakteryjna działa jednocześnie jako spoiwo dla luźnych włókien i zapewnia sztywność preformom włókien. Preformy te mogą być nasączane żywicą w celu uzyskania prawdziwie zielonych, hierarchicznych kompozytów.

Produkcja wytrzymałych pform z włókien naturalnych wykorzystujących celulozę bakteryjną jako spoiwo

Schematy syntezy w celu przygotowania wysoce stabilnych nanocząsteczek włochatych na bazie włókien drzewnych i funkcjonalnych biopolimerów na bazie celulozy zostały szczegółowo opisane.

Wysoce stabilne, funkcjonalne włochate nanocząstki i biopolimery z włókien drzewnych: w kierunku zrównoważonej nanotechnologii

Tutaj demonstrujemy nowatorską metodę ekologicznej i zrównoważonej produkcji wysoce stabilnych termicznie i karboksylowanych nanokryształów celulozy (CNC) i nanowłókien (CNF) przy użyciu wysoce nadających się do recyklingu stałych kwasów dikarboksylowych.

Ekologiczna i tania produkcja stabilnych termicznie i karboksylowanych nanokryształów i nanowłókien celulozy z wykorzystaniem wysoce nadających się do recyklingu kwasów dikarboksylowych

To badanie przedstawia metodologię przygotowania 3D, biodegradowalnych, pianopodobnych rusztowań komórkowych opartych na biokompatybilnych elastomerach ciekłokrystalicznych o łańcuchu bocznym (LCE). Eksperymenty z mikroskopią konfokalną pokazują, że podobne do piany LCE pozwalają na przyłączanie komórek, proliferację i spontaniczne ustawianie mioblastów C2C12.

Synteza biokompatybilnych pianek elastomerowych ciekłokrystalicznych jako rusztowań komórkowych do przestrzennych hodowli komórkowych 3D

Przedstawiono metodę syntezy aerożeli kompozytowych z bioszablonowego palladu z nanowłókien celulozowych. Powstałe w ten sposób kompozytowe materiały aerożelowe oferują potencjał w zastosowaniach związanych z katalizą, wykrywaniem i magazynowaniem wodoru.

Metoda syntezy aerożeli kompozytowych z biofibry palladowej z nanowłókien celulozowych

Trzy kluczowe kroki tego protokołu to: i) opracowanie właściwego składu i konsystencji tuszu hydrożelowego celulozy, ii) drukowanie 3D rusztowań w różnych strukturach porów z dobrą wiernością kształtu i wymiarów oraz iii) demonstracja właściwości mechanicznych w symulowanych warunkach ciała do regeneracji chrząstki.

Drukowane w 3D porowate rusztowania hydrożelowe z celulozy nanokompozytowej

Delitynizowane zagęszczone drewno stanowi nowy, obiecujący, lekki, wysokowydajny i pochodzenia biologicznego materiał o dużym potencjale, aby w przyszłości częściowo zastąpić kompozyty wzmocnione włóknem naturalnym lub włóknem szklanym. Przedstawiamy tutaj dwie wszechstronne ścieżki produkcji i pokazujemy możliwość tworzenia złożonych części kompozytowych.

Wytwarzanie i projektowanie wysokowydajnych kompozytów drewnopochodnych

Przykład podejścia opartego na zamkniętej pętli w kierunku gospodarki materiałowej o obiegu zamkniętym jest opisany tutaj. Przedstawiono cały zrównoważony cykl, w którym półaromatyczne poliestry pochodzenia biologicznego są projektowane poprzez polimeryzację, depolimeryzację, a następnie repolimeryzację z niewielkimi zmianami w ich wydajności lub właściwościach końcowych.

Zaprojektowany do recyklingu molekularnego: półaromatyczny polimer pochodzenia biologicznego na bazie ligniny

Opracowano wszechstronny proces wytłaczania dwuślimakowego, który zapewnia efektywną termo-mechano-chemiczną obróbkę wstępną biomasy lignocelulozowej, co prowadzi do zwiększenia średniego współczynnika proporcji włókien. Naturalne spoiwo może być również dodawane w sposób ciągły po rafinacji włókien, co prowadzi do powstania płyt pilśniowych pochodzenia biologicznego o ulepszonych właściwościach mechanicznych po prasowaniu na gorąco otrzymanego materiału wytłaczanego.

Proces wytłaczania dwuślimakowego do produkcji odnawialnych płyt pilśniowych

Ten protokół podkreśla metodę szybkiej oceny biokompatybilności krystalicznego tuszu biomateriałowego z nanocelulozy (CNC)/agarozy z komórkami tucznymi pochodzącymi ze szpiku kostnego myszy pod względem żywotności komórek i fenotypowej ekspresji receptorów powierzchniowych komórki, Kit (CD117) i receptora IgE o wysokim powinowactwie (FcεRI).

Wytwarzanie krystalicznego atramentu z biomateriału agarozowego z nanocelulozą do hodowli komórek tucznych pochodzących ze szpiku kostnego

Opisujemy nowatorskie, proste metodologie syntezy i charakterystyki biokompatybilnych mikro- i submikronowych cząsteczek ligniny. Preparaty te zapewniają łatwe podejście do wykorzystania heteropolimeru, a także alternatywę dla racjonalnego projektowania wielofunkcyjnych matryc nośnikowych z potencjalnymi zastosowaniami w biomedycynie, technologii farmaceutycznej i przemyśle spożywczym.

Zielona synteza, charakterystyka, enkapsulacja i pomiar potencjału uwalniania nowych mikro-/submikronowych cząstek alkaliów ligniny

Poznaj metodę warstwowego składania nanocelulozy i ligniny w celu naśladowania struktury ścian komórkowych roślin. Technika ta umożliwia precyzyjną kontrolę organizacji materiałów biomimetycznych.

W kierunku biomimiki drewna: wytwarzane wolnostojące folie z nanocelulozy, ligniny i syntetycznej polikacji

Przeglądaj więcej filmów