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Artigo de método

Rumo Biomimicking Madeira: Fabricados free-standing Filmes de nanocellulose, lignina, e uma policátion sintético

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DOI:

10.3791/51257

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17 de junho de 2014

 ,  ,  , 
1Institute for Critical Technology and Applied Science, Virginia Tech, 2Macromolecules and Interfaces Institute, Virginia Tech, 3Institute for Food Safety and Health, Illinois Institute of Technology- Moffett Campus, 4Wood, Cellulose, and Paper Research Department, University of Guadalajara, 5Department of Sustainable Biomaterials, Virginia Tech, 6Sustainable Nanotechnology Interdisciplinary Graduate Education Program, Virginia Tech

Neste artigo

Resumo

O objetivo desta pesquisa foi o de formar planta sintética tecido da parede celular usando montagem camada por camada de fibrilas nanocellulose e lignina isolado montado a partir de suspensões aquosas diluídas. Foram utilizadas as técnicas de medição de superfície de microbalança de cristal de quartzo e de microscopia de força atómica para monitorizar a formação do material nanocompósito de polímero-polímero.

Resumo

Materiais de madeira são compostos de paredes celulares de plantas que contêm uma parede celular secundária em camadas composto por polímeros de polissacáridos estruturais e lignina. Camada por camada (LbL) processo de montagem que se baseia no conjunto de moléculas de cargas opostas de soluções aquosas foi usada para construir um filme composto independente de polímeros de madeira isolados de lignina e celulose oxidada nanofibril (NFC). Para facilitar a montagem destes polímeros carregados negativamente, de um polielectrólito de carga positiva, de poli (cloreto de diallyldimethylammomium) (PDDA), foi utilizado como uma camada de ligação para criar esta parede celular modelo simplificado. O processo de adsorção em camadas foi estudado quantitativamente utilizando microbalança de cristal de quartzo com monitoramento dissipação (QCM-D) e elipsometria. Os resultados mostraram que a camada de massa / espessura por camada adsorvida aumentou como uma função do número total de camadas. A cobertura da superfície das camadas adsorvidas foi estudada com microscopia de força atômica (AFM).A cobertura completa da superfície com a lignina em todos os ciclos de deposição foi encontrado para o sistema, no entanto, a cobertura de superfície por NFC aumentou com o número de camadas. O processo de adsorção foi realizada durante 250 ciclos (500) em bicamadas um acetato de celulose (CA) do substrato. Transparente LBL montado filmes estacionárias nanocompósitos foram obtidos quando o substrato CA foi depois dissolvido em acetona. Microscopia eletrônica de varredura (MEV) das seções transversais fraturadas mostrou uma estrutura lamelar, ea espessura por ciclo de adsorção (PDDA-lignina-PDDA-NC) foi estimada em 17 nm para dois tipos de lignina diferentes usados ​​no estudo. Os dados indicam uma película com uma arquitectura altamente controlado onde nanocellulose e lignina são espacialmente depositado em nanoescala (um nanocompósitos polímero-polímero), semelhante ao que é observado na parede celular nativa.

Introdução

Há um grande interesse de obter produtos químicos e combustíveis adicionais a partir de biomassa, como o carbono seqüestrado pelas plantas durante a fotossíntese é parte do atual ciclo de CO 2. A maioria de carbono retido (42-44%) está na forma de celulose, um polímero composto por unidades de glucopiranose β de 1 a 4 ligações; quando hidrolisado, a glicose pode ser utilizada como reagente principal para a fermentação em combustíveis à base de álcool. No entanto, a arquitectura da parede celular de plantas lenhosas evoluiu para milênios criando um material que é resistente à degradação no ambiente natural 1. Esta estabilidade se transfere para o processamento industrial de materiais lenhosos, como culturas energéticas fazendo celulose de difícil acesso, isolar e quebra em glicose. Um olhar mais atento a ultra-estrutura da parede celular secundária revela que é um nanocompósito polímero composto de microfibrilas de celulose paracristalinas camadas incorporado em uma matriz amorfa de lignina e bainhaicelluloses 2-4. As microfibrilas de celulose orientadas longitudinalmente tem um diâmetro de cerca de 2-5 nm, que são agregados em conjunto com outros hetero-polissacarideos, para formar unidades maiores de 5 feixes de fibrilas. Os feixes de fibrilas são embutidos em um complexo de lignina-hemicelulose composto de um polímero amorfo de unidades fenilpropanol, com algumas ligações com outros hetero-polissacarídeos como glucoronoxylan 4. Além disso, esta estrutura é ainda organizado em camadas ou lamelas, em toda a parede celular secundária lignificação 6-8. As enzimas, como as celulases, têm um tempo muito difícil o acesso de celulose dentro da parede da célula, uma vez que se encontra na sua forma de fibrilas e incorporado na lenhina. O ponto crucial de verdadeiramente fazer combustíveis de base biológica e plataformas de produtos químicos renováveis ​​a realidade é desenvolver processos que permitem economicamente a sacarificação de celulose em sua forma nativa.

Novas tecnologias químicas e de imagem estão auxiliando na ruaudy dos mecanismos envolvidos na sacarificação de 9,10 celulose. Muito trabalho tem-se centrado em Raman confocal de imagem 11 e microscopia de força atômica de 12 para estudar a composição química da parede celular e morfologia. Ser capaz de acompanhar de perto os mecanismos de deslignificação e sacarificação é um passo significativo para a frente, impactando a conversão de celulose em glicose. Sacarificação de superfícies de celulose modelo foi analisado por medir as taxas cinéticas de enzimas com uma microbalança de cristal de quartzo com monitoramento dissipação (QCM-D) 13. No entanto, as paredes celulares são nativas altamente complexa, como indicado acima, e isto cria a ambiguidade de como diferentes processos de conversão de alterar a estrutura da parede da célula da planta (peso molecular do polímero, ligações químicas, de porosidade). Modelos de instalação livre das substâncias da parede celular com composição estrutural conhecido iria resolver este problema e permitir a integração de amostras em química e imaginação estado-da-arteequipamentos ng.

Existe uma falta de modelos da parede celular e outros disponíveis podem ser categorizados como misturas de materiais de polímero e de celulose regenerada ou de celulose bacteriana 14, enzimaticamente polimerizados compósitos de lignina-polissacarídeo 15-17, 18-21 ou superfícies do modelo. Alguns modelos que começam a assemelhar-se a parede da célula são as amostras que contêm lenhina ou análogos precursores polimerizados enzimaticamente na presença de celulose, na sua forma microfibrilar. No entanto, estes materiais sofrem de falta de arquitectura camada organizada. Uma rota simples para a criação de materiais nanocompósitos com arquitetura organizada é o (LbL) técnica camada por camada de montagem, com base na adsorção seqüencial de polímeros ou nanopartículas com encargos complementares ou grupos funcionais de forma organizada filmes compostos de várias camadas 22-25. Free-standing nanocompósitos híbridos de alta resistência, feitos por deposição LbL de polímero e nanoparticles, têm sido relatados por Kotov et al. 26-30. Entre muitas outras aplicações, filmes automontados também têm sido investigados por seu uso potencial na entrega terapêutico 31, as membranas das células de combustível 32,33, as baterias de 34, e da superfície de fibras lignocelulósicas modificação 35-37. Materiais compósitos O interesse recente na celulose nanoescala baseados levaram à preparação e caracterização de multicamadas LbL de nanocristais de celulose (CNC), preparados por hidrólise com ácido sulfúrico, de fibras de celulose, e polielectrólitos positivamente carregados 38-43. Estudos semelhantes também foram realizados com nanocristais de celulose obtidos a partir tunicin marinha e polieletrólitos catiônicos 44, CNC e xiloglucano 45 e CNC e quitosana 46. LbL multicamadas de celuloses carboxiladas nanofibrillated (SNF), obtidas por homogeneização de alta pressão, de fibras de celulose com polielectrólitos catiónicos tem sido tambémEstudou 47-49. A preparação, propriedades e aplicação de CNCs e celulose nanofibrillated foram revistos em detalhe 50-53.

O presente estudo envolve a análise da técnica LbL como uma forma potencial para montar polímeros lignocelulósicos isolados (como nanocellulose e lignina) de forma ordenada como o primeiro passo no sentido de uma composição lignocelulósica biomimético com estrutura lamelar. A técnica de automontagem foi seleccionado para as suas condições de processamento benignas, tais como, a temperatura ambiente, a pressão, e água como o solvente, que são as condições para a formação de compósitos singular 54. Neste estudo, um relatório sobre o multicamadas acúmulo de componentes de madeira constitutivos, ou seja, as microfibrilas de celulose da tetrametilpiperidin 1-oxi (TEMPO) oxidação mediada de celulose e lignina isolada em filmes lamelares free-standing. Dois ligninas diferentes são usadas de diferentes técnicas de extração, um a lignina técnica do organosolv processo de polpação, e por outro uma lignina isolada da bola de moagem com menos alteração durante o isolamento. Estes compostos são combinados com um polieletrólito sintético neste estudo inicial para demonstrar a viabilidade de tornar estáveis ​​filmes free-standing com arquitetura semelhante à parede celular nativa.

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Protocolo

1. Nanofibrillated Celulose Preparação 55

  1. Configuração de 3 L balão de três tubuladuras com 2 L de água desionizada, um agitador de topo, e sonda de pH.
  2. Adicionar pasta kraft deslenhificada, 88% de brilho (20 g, 1% (w / v, com base no peso seco)), 2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxilo (TEMPO) (0,313 g, 0,1 mmol / g celulose) e brometo de sódio (NaBr, 2,0 g, 1 mmol / g celulose) ao balão.
    1. Misturar a fibra de celulose com o agitador suspenso até que a fibra é dispersa e não agregados podem ser vistos na reacção.
      Nota: A dispersão pode ser auxiliada por mistura da pasta em água antes da adição da pasta de papel para o balão de 3 L.
  3. Inicia-se a oxidação por adição lenta de uma solução a 12% de hipoclorito de sódio (NaClO, 51,4 ml, 5 mmol por g de celulose) à mistura de reacção.
    Nota: Para consistência ao longo da reacção, usar uma bomba de seringa, para proporcionar o NaClO com uma taxa de injecção de 1,5 ml / min.
  4. Encha um segundo wi seringahidróxido de po de sódio (NaOH, 0,5 M) e de um medidor manualmente a solução alcalina para o balão gota a gota, para manter o pH a 10 ± 0,2.
  5. Monitorizar a variação do pH ao longo do tempo e uma vez que todos os grupos hidroxilo acessíveis sobre a celulose são oxidados o pH já não vai diminuir e a reacção está completa.
  6. Adicionar excesso de EtOH para consumir restante NaClO. Aproximadamente 6 ml de EtOH de prova 200 irá consumir todos os 100 mmol de NaClO originais.
  7. Filtra-se e lava-se a fibra completamente oxidada com água purificada para remover os reagentes até pH neutro. Use uma centrífuga de cesto ou algum dispositivo de filtração de um funil de Buchner para recuperar a fibra. Armazenar a fibra a 4 ° C até à sua utilização.
    Nota: Após a conclusão da experiência, a fibra deverá ter um conteúdo de ácido carboxílico, tal como determinado por titulação conductométrica, entre 1,0 a 1,5 mmol por grama de fibra. Deve haver pouca diferença em aparência da fibra após a oxidação TEMPO.
  8. Criar um 3% (w / v, com base no peso seco) a pasta de celulose oxidada TEMPO e misturar num misturador Warring até a suspensão torna-se viscosa e as pás começam a girar no ar devido a gelificação da suspensão.
    Nota: As concentrações mais baixas não funcionam tão eficazmente para fibrilar de celulose.
    1. Dilui-se a pasta combinada a 0,1% (w / v) e continuar a misturar até a suspensão se tornar transparente.

2. Camada por camada Film Deposition para Experimentos QCM-D

  1. Preparar as seguintes soluções aquosas e ajustar cada solução com NaOH 0,1 M a um pH de 10,5: solução tampão aquosa (água e NaOH); 0,5% (w / v) de solução aquosa de cloreto de polydiallyldimethylammonium (PDDA); e 0,01% (w / v) de lignina. Ajustar o pH da suspensão NFC 0,1% a 8,0.
    Nota: O pH para estas experiências foi elevada, porque foi anteriormente demonstrado que a lignina é adsorvido num estado menos agregado em pH alcalino 56.
  2. Limpoum cristal de quartzo revestidos com ouro seguindo recomendações do fabricante, utilizando uma solução de base de piranha [CUIDADO] (3:1 concentrada de NH 4 OH: H 2 O 2 a 60 ° C) durante 10 min.
    1. Lavar os cristais com água purificada, secar sob uma corrente de N 2, e imediatamente inserir na célula de fluxo de microbalança de cristal de quartzo, para evitar a contaminação do ar.
  3. Passe o tampão através da célula de fluxo para obter uma resposta de linha de base do cristal ressonante exposta ao líquido.
    1. Depositar uma camada de PDDA sobre o cristal de quartzo, expondo o cristal de quartzo para a solução PDDA durante 5 min.
    2. Após 5 min voltar para a solução tampão.
      Nota: O processo no passo 2.3 cria uma resposta única camada, onde a quantidade de polímero depositado pode ser determinada sem o efeito da viscosidade da solução de polímero.
    3. Repetir a adsorção de outros polímeros com a seguinte sequência com um tampão de rinse entre cada passo: PDDA (+) (passo 2.3.1); lenhina (-); PDDA (+); e NFC (-). Repita as 4x ciclo para depositar 16 camadas no total de polímeros e nanopartículas.

3. Camada por camada Film Deposition para AFM e Elipsometria Experimentos

  1. Cole um disco circular de mica para uma lâmina de vidro usando um adesivo epóxi rápida. Após as curas adesivas, coloque um pedaço de fita para o disco de mica. Descasque a fita longe causando a superfície da mica para clivar.
    1. Limpar uma bolacha de silício com piranha ácido [CUIDADO] (3:1 H 2 SO 4: H 2 O 2), durante 20 minutos, seguido de enxaguamento em água significativo antes da deposição de camadas.
  2. Com as soluções preparadas em 2.1, mergulhar ou a mica recém clivada que está ligado a uma lâmina de vidro ou uma pastilha de silício recém limpos em cada solução seguindo a mesma sequência de protocolo apresentado na 2.3.3.
    Nota: Esta técnica irá criar camadas de polymers em cada uma destas superfícies que podem ser inseridos na AFM ou elipsometria, respectivamente.
  3. Imagem das camadas depositadas com um microscópio de força atômica. Use o modo de contato intermitente e vigas com 10 dicas de silício raio nm (primavera constante 42 N / m) para a coleta de imagens da amostra. Definir o tamanho da digitalização como 2,5 x 2,5 mM, ponto digitalização como 512 e ganho integral de 10 para coletar amostras de imagens específicas.
  4. Para a medição da espessura das camadas com AFM dos filmes secos LbL, utilizar uma pipeta de ponta de plástico macio e uma linha de cicatriz em toda a superfície dos filmes LbL preparados na superfície da mica.
  5. Depósito filmes LBL para medição elipsometria em wafers de silício. Medir a espessura da película seca com um elipsómetro fase modulada num comprimento de onda de 632,8 nm, utilizando o ângulo de modo múltiplo incidência. Variar os ângulos entre 85 ° e 65 °, a intervalos de 1 °.

4. Preparação de Free-pé LBL Film

  1. Corte um25,4 x 7,6 milímetros retângulo de acetato de celulose (CA) filme (DS 2.5) que é de 0,13 mm de espessura e anexar ao braço de carga automatizado.
    Nota: O acetato de celulose de DS 3.0 não é solúvel em acetona assim DS 2,5 é preferido para recuperar os filmes em camadas.
  2. Encher cada copo de 500 ml com soluções de PDDA, lenhina, e nanocellulose acordo com a concentração e o pH no passo 2.1.
    1. Encha três provetas adicionais com tampão aquoso para utilizar como uma solução de enxaguamento para cada ciclo de deposição.
    2. Programe o braço de escavação para prosseguir na mesma seqüência como relatado na 2.3.3.
      Nota: É importante a utilização de uma solução de lavagem diferente depois de cada solução de polímero respectivo porque no processo de camada-a-camada, um polímero que não está firmemente ligado à superfície será dessorver. A contaminação cruzada das soluções de lavagem rapidamente faz com que a precipitação dos complexos de polielectrólitos, os quais podem absorver como "defeitos" para a superfície da película.
  3. Altere as soluções naproveta durante 250 ciclos periodicamente à medida que começam a aparecer por causa do tempo nublado complexos coloidais. Uma opção é automatizar a renovação da solução por meio de bomba peristáltica para entregar solução fresca ou buffer de policloreto de vinila (PVC) recipientes feitos com entradas e saídas.
    Nota: As soluções agitadas na recipientes ajudar a melhorar a difusão dos polielectrólitos para a superfície.
  4. Aparar cuidadosamente as arestas da amostra seca com tesouras expondo a borda CA e colocar em uma placa de Petri de vidro coberto cheio com acetona para dissolver o CA.
    Nota: Dois filmes são isolados após esta experiência a partir da frente e traseira do CA.
  5. Soak filmes isolado em acetona durante 24 horas e lavar repetidamente com acetona filmes para maximizar a remoção de CA residual.

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Resultados

QCM-D Análise de Structured Polymer Fabrication Woody Film

A adsorção LbL de lignina, NFC e PDDA foi monitorada em tempo real com QCM-D em dois experimentos diferentes envolvendo dois tipos de lignina. Este método de análise é muito sensível para detectar alterações na frequência, quando as moléculas de adsorver à superfície do cristal de quartzo Figura 1 contém uma descrição pormenorizada da resposta QCM-D em um ciclo de deposição, que envolve duas bicamadas (PDDA:. HMWL e PDD...

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Discussão

Fabricação de nanocellulose

Para a fabricação nanocellulose é necessária a oxidação com êxito da fibra da polpa para fácil atrial. A oxidação é controlado por hipoclorito de sódio disponível, que deve ser adicionado lentamente em quantidades conhecidas com base na quantidade de celulose. Uma razão para a oxidação limitada surge a partir da armazenagem da solução de hipoclorito de sódio durante períodos prolongados. Isso reduziu a eficiência de oxidação pode ser observado durante a reação; a pas...

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Divulgações

Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado principalmente pelo programa do Instituto de Crítica de Tecnologia e Ciências Aplicadas (ICTAS) na Universidade Virginia Tech, a tecnologia Graduate School Virginia do Doutorado Acadêmico para apoiar o programa de Nanotecnologia Sustentável, e também os Estados Unidos Departamento de Agricultura, NIFA número de concessão 2010-65504-20429. Os autores também agradecer as contribuições de Rick Caudill, Stephen McCartney, e W. Travis Igreja para este trabalho.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Polpa de sulfatoWeyerhaeuserdoounível de brilho de 88%
de lignina OrganosolvSigma Aldrich371017descontinuada
Lignina de madeira moída de madeira duraver referência no papel
Cloreto de polidialildimetilamônioSigma Aldrich409022Mn = 7,2 x 104, Mw = 2,4 x 105
2,2,6,6-Tetrametilpiperidina 1-oxil (TEMPO)Sigma Aldrich214000oxidação catalítica de álcoois primários em aldeídos com pureza de 98%, peso molecular é 156,25 g/mol
Brometo de sódioSigma AldrichS4547pureza ≥ 99,0%, peso molecular 102,89
Hipoclorito de sódioSigma Aldrich425044grau de reagente, cloro disponível 10~15%, peso molecular 74,44 g/mol
Hidróxido de sódioVWRBDH7221-40,5 N solução aquosa, densidade 1,02 g/ml, peso molecular 40 g/mol
Hidróxido de sódioAcros OrganicsAC12419-00100,1 N solução aquosa, gravidade específica 1,0 g/ml, peso molecular 40 g/ mol
Hidróxido de amônioAcros OrganicsAC39003-0025Solução de 25% em água, pH 13,6, densidade 0,89, peso molecular 35,04 g/mol
Peróxido de hidrogênioFisher ScientificH325-10030,0~32,0% certificado ACS, pH 3,3, densidade 1,11
Folhas de micaTED PellaNC9655733Pelco, grau V5, 10 x 40 mm, 23 mm T, ar mínimo e bolhas, muito limpo
ÁcidosulfúricoFisher ScientificA300-21295,0~98,0 w/w%, certificado ACS plus, peso molecular 98,08 g/mol
Acetato de celuloseMcMaster Carr8564K44grau de substituição 2,5
EtanolDecon Laboratories04-355-223200 prova (100%), USP
[header]
AcetonaFisher ScientificA18-4pureza ≥ 99,5%, grau de reagente ACS certificado, densidade 0,79 g/ml, peso molecular 58,08 g/mol
Bomba de seringade 552226Harvard Apparatus22 infusão/retirada com suporte de seringa padrão, vazão 0,002 μ l/hr~55.1 ml/min
Sistema de purificação de água Mill-QEMD MilliporeD3-UVDirect-Q, UV, condutividade da água 18.5 MΩ · cm com reservatório de 20 L
medidor de pHMettler ToledoSeverMulti
BalanceMettler ToledoAB135-Sprecisão 0,1 mg
Microscópio de força atômicaAsylum ResearchMFP-3D, estágio de microscópio fluorescente olímpico
ElipsômetroBeaglehole Instrumentos
Centrífuga de fibracesta desconhecida centrífuga estilo
Waring liquidificadorWaringProcessador
ultrassônicoSonics Sonics750 W, gabinete de som
Microbalança de cristal de quartzo com monitoramento de dissipação (QCM-D)Q-Sense Inc.E4mede a frequência fundamental de 5 MHz e monitora harmônicos / harmônicos de números ímpares de 3 ~ 13, usa cristais de quartzo piezoelétricos revestidos de ouro
Braço de concha automatizadoLynxmotion
Bomba comercial

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