Name: Entanglement Molecular e Electrospinnability de Biopolímeros (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-09-03T15:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 59 s
Description: Aprenda a avaliar a eletrofiabilidade de biopolímeros como amido e pullulano usando métodos reológicos. Este protocolo correlaciona viscosidade com desempenho de eletrofiação.

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Este trabalho é financiado em parte pelo Instituto Nacional de USDA para a Agricultura ea Alimentação, Programa Nacional de Bolsas Competitivas, Programa Nacional de Pesquisa Iniciativa 71,1 FY 2007 como Grant No. 2007-35503-18392, e os Institutos Nacionais de Saúde, Instituto de Alergia e Doenças Infecciosas , R33AI94514-03.

1. Spinning Dope Preparação <ol><li> 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. </li><li> Colocar o tubo em água a ferver com agitação constante sobre uma placa de agitação magnética. </li><li> 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. </li></ol> 2 Firme cisalhamento Reologia <ol><li> 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). </li><li> 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. </li><li> 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). </li><li> Analisar dados reológicos para estimar concentrações de dispersão apropriados para eletrofiação ensaios. <ol><li> 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. </li><li> Calcular viscosidade específica: η sp = (η 0 - η s)η / s, onde s η é a viscosidade do solvente. </li><li> 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. </li></ol></li></ol> 3. Electrospinning parâmetro de variação <ol><li> 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. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> 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. </li><li> Repita a operação para cada concentração de biopolímero para a caracterização completa. </li></ol><img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51933/51933fig1highres.jpg" width="500"> 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<ol><li> Corte um pedaço de tapete de fibra seca e imobilizá-lo em um suporte de SEM utilizando fita de carbono. </li><li> Coloque o stub amostra no instrumento SEM e obtenção de imagens para análise. </li></ol>

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</ol>

Os autores declaram que não têm nada a revelar.

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),</...

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 &quot;cook-e-olhar&quot; 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.

<table><tbody><tr><td>Gelose 80 Ingestão de amido</td><td>Usado</td><td></td><td>como está</td></tr><tr><td>Pullulan</td><td>Hayashibara Co. Ltd</td><td></td><td>Usado como está</td></tr><tr><td>Dimetilsulfóxido BDH</td><td>Chemicals</td><td>BDH1115-4LP</td><td></td></tr><tr><td>Etanol</td><td>VWR International</td><td>89125-172</td> Rheometer <td>de 200 provas</td></tr><tr><td></td><td>TA Instruments</td><td>ARES&nbsp;</td><td>Geometria do cone e da placa de 50 mm</td></tr><tr><td>Seringa (10 ml)</td> <td>Becton, Dickinson and Company</td><td>309604</td><td>Seringa com Luer-Lok&reg; Dica</td></tr><tr><td>Gerador de alta tensão</td><td>Gamma High Voltage Research, Inc.</td>Bomba de seringa <td>ES40P</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Hamilton Company</td><td>81620</td><td></td></tr><tr><td>Microscópio eletrônico de varredura ambiental</td><td>FEI Company</td><td>Quanta 200</td><td>para fibras de amido</td></tr><tr><td>Microscópio eletrônico de varredura ambiental</td><td>Phenom-World</td><td>Phenom G2 Pro</td><td>para fibras de pullulan</td></tr></tbody></table>

entanglement molecular e electrospinnability de biopolímeros

Molecular Entanglement and Electrospinnability of Biopolymers

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.

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...

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.

Entanglement Molecular e Electrospinnability de Biopolímeros

Electrospinning is a fascinating technique to fabricate micro- to nano-scale fibers from a wide variety of materials. For biopolymers, molecular ...

O objetivo geral deste procedimento é usar estudos radiológicos para avaliar a capacidade de spin eletro dos biopolímeros. Isso é feito preparando primeiro dispersões de biopolímeros em solvente. O segundo passo é executar testes de radiologia pura nas dispersões.Em seguida, as dispersões estão sujeitas à eletrofiação e sua capacidade de eletrorotação é observada. A etapa final é correlacionar os dados de viscosidade pura com a capacidade de eletrospin. Em última análise, um mapa de capacidade de eletrospin pode ser construído em função da concentração do biopolímero e da composição do solvente.Embora o método possa fornecer informações sobre o efeito da interação molecular na capacidade de eletrorotação do amido e do poluente, ele também pode ser aplicado à eletrofiação de outros sistemas poliméricos. Comece o protocolo preparando uma faixa de concentrações de massa de biopolímero. Produza amostras com concentrações de massa de 0,1 a 30% pesando primeiro o pó de biopolímero em um tubo de ensaio de 50 mililitros.Para este vídeo, o amido mostrado aqui ou polano é usado, leve em consideração o teor de umidade do pó antes de adicionar a solução aquosa de dimetilsulfóxido. Feito isso, coloque uma barra de agitação na solução de biopolímero. Coloque o tubo de ensaio em um béquer contendo água suficiente para imergir a amostra.Coloque-o em uma agitação magnética ou placa quente e comece a mexer constantemente enquanto leva a água para ferver. Mantenha isso por cerca de uma hora. Quando a hora terminar, desligue o fogo e deixe a dispersão esfriar até a temperatura ambiente.Uma vez à temperatura ambiente, a dispersão está pronta para testes radiológicos e eletrofiação. Antes do teste radiológico, aqueça o TER e ajuste a temperatura do estágio para 20 graus Celsius. Configure uma sonda cônica de 25 milímetros e calibre a lacuna entre ela e o palco.Quando estiver pronto. Carregue 0,41 mililitros da dispersão do biopolímero no centro do palco. Certifique-se de que a dispersão esteja no centro do palco.Abaixe a sonda para definir a posição. Certifique-se de que a dispersão se espalhe uniformemente dentro da lacuna. Realizar o teste radiológico em modo logarítmico, começando com uma taxa de cisalhamento de 100 por segundo e terminando em 0,1 por segundo.Faça medições no sentido horário e anti-horário após testar diferentes concentrações de polímero. Represente graficamente a viscosidade aparente em relação à taxa de cisalhamento para cada concentração no mesmo gráfico que neste gráfico para gelatina 80 amido em DMSO puro a 20 graus Celsius. Este é o enredo análogo para Polan.Use os dados para aproximar as viscosidades de cisalhamento zero a partir disso, determine e plote a viscosidade específica do solvente em função da concentração usando o gráfico de amido JELLOS 80. Como exemplo, a região com menor inclinação é o regime semidiluído e desembaraçado. A região com maior inclinação é o regime emaranhado semidiluído.A interseção das duas linhas ajustadas é a concentração de emaranhamento para amido em DMSO puro é de 6,88%A concentração de emaranhamento em Polan em DMSO puro é de 4,3%O próximo passo é montar a configuração de eletrofiação, que é feita em uma capela de exaustão por segurança. Consiste em uma bomba de seringa em um suporte que pode ser ajustado verticalmente. A bomba acomoda uma seringa com uma agulha romba orientada verticalmente.Estes são colocados acima de um banho de coagulação contendo etanol puro. Empregue uma fonte de alimentação CC de alta tensão e conecte um fio ao seu terminal de aterramento e estenda-o ao banho de coagulação. Para aterrar o banho de coagulação.Mergulhe a outra extremidade do fio no etanol e prenda-o. Em seguida, remova a seringa da bomba e encha-a com uma composição de dispersão acima da concentração de emaranhamento identificada. Nos experimentos radiológicos, monte a seringa na bomba.Em seguida, estenda um fio do terminal positivo da fonte de alimentação de alta tensão e prenda-o na agulha da seringa antes de girar eletro. Insira uma malha de metal na banheira para coletar o tapete de fibra. Defina também a distância entre a ponta da agulha e a superfície do banho de coagulação.A distância de rotação começa com uma distância de rotação de sete centímetros. Defina a taxa de alimentação da bomba de seringa para 0.1 mililitros por hora. Em seguida, começando em zero volts, aumente lentamente a tensão até um máximo de 15 quilovolts.Preste atenção à forma da dispersão extrudada na nota da ponta da agulha, quando a dispersão por gotejamento é acelerada e depois alongada. Continue o experimento explorando a faixa de taxas de alimentação de tensão de 0,1 a 0,4 mililitros por hora e distâncias de rotação de cinco a 10 centímetros. Se um jato contínuo for iniciado a partir da ponta, a eletrofiação foi alcançada, permitindo que as fibras se acumulem no banho.Certifique-se de registrar os parâmetros e coletar as fibras. Enxágue o tapete de fibra coletado com etanol puro. Em seguida, coloque-o em um dessecador contendo dessecante sob vácuo.Uma vez demonstrada a capacidade de rotação dos eletros, passar para outra dispersão e repetir os passos até que cada concentração de biopolímero tenha sido testada. Esta é uma imagem de microscópio eletrônico de varredura de fibras bem formadas produzidas a partir da eletrofiação da dispersão da Polônia. A dispersão formou um jato estável e contínuo e resultou em fibras lisas sem gotículas.Em contraste, estas são fibras spon mal formadas. Observe as minúsculas gotículas que resultam da dispersão sendo incapazes de formar um jato estável. Resultados semelhantes foram obtidos com gelatina 80 amido.Observe que as fibras espessas com superfície áspera resultam de uma dispersão que é muito viscosa para desenvolver instabilidade de chicoteamento. A fiação elétrica foi tentada para uma variedade de dispersões de polano e amido. Esses gráficos resumem a avaliação da capacidade de spin dos eletros em função do DMSO, concentração no solvente e concentração de biopolímero na dispersão.Boa capacidade de rotação dos eletros é denotada com círculos. A baixa capacidade de rotação dos eletros é marcada por diamantes. O X é marcado dispersões para as quais a eletrofiação não pôde ser alcançada.As concentrações de emaranhamento são aproximadamente rotuladas. As áreas sombreadas representam aproximadamente regiões de spin elétrico. Não se esqueça de que trabalhar com alta tensão de eletrofiação pode ser extremamente perigoso.Portanto, ao realizar o procedimento, tome precauções, como certificar-se de que o aplicativo pratique devidamente aterrado, trabalhar a capa do filme e evitar posturas de rotação curta.

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Bioengineering

Bioengenharia

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