Entanglement Molecular e Electrospinnability de Biopolímeros

Resumo

Eletrofiação é uma técnica fascinante usado para fabricar fibras de micro-nano-escala a partir de uma ampla variedade de materiais. Enredamento molecular dos polímeros constituintes, o lubrificante de fiação é essencial para electrospinning bem sucedida. Apresenta-se um protocolo para a utilização da reologia para avaliar a electrospinnability de dois biopolímeros, o amido e o pululano.

Resumo

Eletrofiação é uma técnica fascinante de fabricar micro fibras de nano-escala a partir de uma ampla variedade de materiais. Para biopolímeros, emaranhamento molecular dos polímeros constituintes da droga fiação foi encontrado para ser um pré-requisito essencial para electrospinning sucesso. Reologia é uma poderosa ferramenta para sondar a conformação molecular e interação dos biopolímeros. Neste relatório, nós demonstramos o protocolo para a utilização de reologia para avaliar a electrospinnability de dois biopolímeros, amido e pululana, a partir de sua dimetilsulfóxido (DMSO) / dispersões de água. Bem-formados de amido e fibras pululano com diâmetros médios na ordem de mícrons para submicron foram obtidos. Electrospinnability foi avaliada por observação visual e microscópica das fibras formadas. Ao correlacionar as propriedades reológicas das dispersões a sua electrospinnability, nós demonstramos que a conformação molecular, enredamento molecular, e viscosidade de cisalhamento em afectar eleitorospinning. Reologia não só é útil na escolha do sistema solvente e optimização do processo, mas também para a compreensão do mecanismo de formação das fibras a um nível molecular.

Introdução

Eletrofiação é uma técnica que é capaz de produzir micro contínua às fibras de nano-escala a partir de uma ampla variedade de materiais. Ela ganhou um crescente interesse acadêmico e industrial ^1. Embora a instalação e prática de electrospinning parecer simples, a capacidade de prever e controlar electrospinnability propriedades das fibras permanece um desafio. A razão pode estar no fato de que existem muitos fatores que influenciam o processo de electrospinning ² eo processo, especialmente o caminho percorrido pela fibra, é caótico ^1. Muitas vezes, uma abordagem empírica "cook-e-olhar" é utilizado para triagem de potenciais materiais electrospinnable. No entanto, para obter um melhor controlo sobre o processo de electrospinning e as propriedades da fibra resultante, uma compreensão mais completa dos mecanismos que governam electrospinnability é necessária. Vários pesquisadores descobriram que o emaranhamento molecular de polímeros da droga fiação é uma essêncial pré-requisito para electrospinning sucesso ^{3 5.}

Reologia é uma ferramenta poderosa para investigar conformação molecular e interação em dispersões de polímeros. Por exemplo, McKee et al. investigaram a conformação molecular de cadeia linear ou ramificada, poli (tereftalato de etileno-co-isoftalato de etileno) copolímeros em um solvente contendo clorofórmio / tereftalato de dimetilo (7/3, v / v), e determinada a concentração do polímero que tinha de ser 2-2.5x a concentração de emaranhamento para electrospinning sucesso ^4.

Atualmente, há um interesse renovado em fibras de biopolímeros por causa de suas vantagens em biodegradabilidade, biocompatibilidade e renovabilidade vis-à-vis suas contrapartes sintéticas. No entanto, os profissionais enfrentam muitos desafios que surgem geralmente a partir de sua complexidade estrutural, dificuldade de processamento térmico e propriedades mecânicas inferiores. Amido, encontrados nos tecidos vegetais, é among biopolímeros mais abundantes e baratas na terra. Fibras de amido puro fabricado usando um aparelho eletro-extrusão húmida foram recentemente descritas ^6. Pullulan é um polissacarídeo linear produzido extracelular por bactérias. A alternância regular de (1 → 4) e (1 → 6) ligações glicosídicas acredita-se ser responsável por várias propriedades distintivas de pululana, incluindo excelente fibra / filme formando capacidade de ^7,8. Eletrofiação de fibras a partir de dispersão aquosa de pululano foi avaliado por um certo número de investigadores ^9,10. Em nossas publicações anteriores, o electrospinnability de dois biopolímeros, amido ¹¹ e ¹² de pululano, foi discutido. Este relatório centra-se em demonstrar o protocolo para a utilização de princípios reológicos na investigação do electrospinnability destes dois biopolímeros.

Protocolo

1. Spinning Dope Preparação

1. Prepara-se uma gama de concentrações de biopolímero ser investigados (0,1% a 30%, w / v) e ter a certeza de considerar o conteúdo do pó biopolímero nestes cálculos humidade. Para cada concentração, pesar o biopolímero (amido ou pululana) em pó em um tubo de ensaio de 50 ml. Adicionar solução aquosa de dimetil-sulfóxido (DMSO) e uma barra de agitação.
2. Colocar o tubo em água a ferver com agitação constante sobre uma placa de agitação magnética.
3. Após cerca de 1 hora, desligar o aquecimento e deixar a dispersão arrefecer até à temperatura ambiente. A dispersão é então pronto para o teste reológico e electrospinning.

2 Firme cisalhamento Reologia

1. Aquecer o reómetro e ajustar a temperatura fase a 20 ° C. Calibra-se o intervalo entre o (25 mm cone utilizado) e a sonda de fase (placa).
2. Carga de 0,41 ml de dispersão de biopolímeros para o centro do palco e baixar a sonda para definir o positiem (gap 0,053 milímetros para 25 milímetros cone). Certifique-se de que a dispersão se espalha uniformemente dentro do fosso.
3. Realizar o teste reológico com os seguintes parâmetros experimentais: modo de varredura: registro, taxa inicial: 100 sec ^-1, taxa final: 0,1 seg ^-1, pontos por década: 10, atraso antes de medida: 5 seg, medir o tempo: 10 seg, e direções por medida: dois (tanto no sentido horário e anti-horário).
4. Analisar dados reológicos para estimar concentrações de dispersão apropriados para eletrofiação ensaios.
   1. Traçar viscosidades aparentes de cisalhamento em relação às taxas de corte como uma função de concentrações de polímero. Para cada curva de fluxo, aproximados viscosidades de cisalhamento zero, η _0, pelos valores reais ou extrapolados (por exemplo, em baixas concentrações, onde os dados de baixa velocidade de corte não são confiáveis) para viscosidade aparente em 0.1 seg ^{- 1.}
   2. Calcular viscosidade específica: η _sp = (η ₀ - η _s)η / _s, onde _s η é a viscosidade do solvente.
   3. Traçar viscosidades específicas como uma função da concentração. Identificar regimes unentangled e emaranhados semidilute. O regime unentangled semidilute começa a partir da extremidade de baixa concentração com uma pequena inclinação, e o regime de semidilute enredada tem um declive maior do seguinte regime unentangled. Modelos de regressão em lei de potência Fit em ambos os regimes. Os valores de potência são as encostas (dependência da concentração) em regimes unentangled e emaranhados semidilute em um gráfico log-log. A interseção das duas linhas de embutidos é a concentração de emaranhamento, c _e.

3. Electrospinning parâmetro de variação

1. Montar a configuração de electrospinning, como mostrado na Figura 1. Coloque a seringa com a dispersão de uma composição adequada, por exemplo, 15% (w / v) de amido ou pululano em 100% de DMSO, sobre a bomba de seringa. Prenda o fio de alta tensão (positive) para a agulha. Ligar o banho de coagulação contendo etanol puro à terra através da imersão do fio de terra (negativa) para a banheira. Use uma tomada de laboratório para ajustar a distância entre a agulha da seringa e do banho de coagulação. Imergir uma malha de metal no banho de recolher a esteira de fibra após electrospinning.
2. Gire o biopolímero no seguinte parâmetro varia: taxa de alimentação de 0,1-0,4 ml / h, a distância de fiação 5-10 cm e voltagem de 0 a 15 kV.
   1. Comece com uma distância de fiação de 5 cm. Para a primeira taxa de alimentação (0,1 mL / hr), a tensão de rampa se lentamente a partir de 0 V. Pagamento atenção para a forma da dispersão de extrudido na ponta da agulha e observar quando a dispersão de gotejamento é acelerado e então alongada.
   2. Note-se a tensão em que um jacto de pequena iniciada a partir da superfície da gota, indicando electrospinnability da solução. Gravar a tensão na qual um jacto contínuo inicia, se houver.
   3. Examinar a gama completa para cada um dos três parameters E note condições de fiar sucesso. Recolher as fibras apenas quando existe um jacto contínuo a partir da ponta.
3. Depois de alguns minutos de recolha, lavar o tapete de fibra com etanol puro. Coloque a esteira de fibra para um exsicador contendo dessecante sob vácuo.
4. Repita a operação para cada concentração de biopolímero para a caracterização completa.

Figura 1 Desenho esquemático da configuração eletro-wet-girando. A dispersão biopolímero é expulso de uma bomba de seringa. A fonte de alimentação DC de alta tensão fornece alta tensão para a agulha sem corte e fundamentos do banho de coagulação. O jato de polímero a partir da ponta da agulha percorre um caminho em linha reta e, em seguida, desenvolve um caminho chicotadas rápido (aka chicotadas instabilidade).

4 Caracterização Morfológica

1. Corte um pedaço de tapete de fibra seca e imobilizá-lo em um suporte de SEM utilizando fita de carbono.
2. Coloque o stub amostra no instrumento SEM e obtenção de imagens para análise.

Resultados

As curvas de fluxo das dispersões de biopolímeros como uma função da concentração de biopolímero e concentração de DMSO em solvente foram obtidos. Dois números representativos mostram as curvas de fluxo de amido (Figura 2A) e pululano (Figura 2B), como uma função da sua concentração no solvente DMSO puro. As viscosidades específicas foram representados graficamente em função da concentração de biopolímero (Figura 3A, para o amido e a Figura 3B de pulula...

Discussão

Reologia é uma ferramenta essencial para estudar o processamento de polímeros, incluindo fiação de fibra convencional e Eletrofiação ^13. A partir dos estudos constantes cisalhamento reológicos, conformação de polímeros e suas interações em diferentes solventes podem ser resolvidos (Figuras 2 e 3). Em concentrações elevadas o suficiente para não moléculas biopoliméricas a sobrepor-se uns com os outros, a sua dependência da concentração foi de cerca de 1,4 (Figura 3),

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Gelose 80 Ingestão de amido	Usado		como está
Pullulan	Hayashibara Co. Ltd		Usado como está
Dimetilsulfóxido BDH	Chemicals	BDH1115-4LP
Etanol	VWR International	89125-172	de 200 provas
	TA Instruments	ARES	Geometria do cone e da placa de 50 mm
Seringa (10 ml)	Becton, Dickinson and Company	309604	Seringa com Luer-Lok® Dica
Gerador de alta tensão	Gamma High Voltage Research, Inc.	ES40P
	Hamilton Company	81620
Microscópio eletrônico de varredura ambiental	FEI Company	Quanta 200	para fibras de amido
Microscópio eletrônico de varredura ambiental	Phenom-World	Phenom G2 Pro	para fibras de pullulan

Rheometer Bomba de seringa