Электроформования является увлекательным метод, используемый для изготовления микро к нано-волокон из широкого спектра материалов. Молекулярная запутывание учредительных полимеров в прядильного раствора имеет важное значение для успешного электропрядения. Мы приводим протокол для использования реологические оценить electrospinnability двух биополимеров, крахмала и пуллулан.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Молекулярная Запутанность и Electrospinnability биополимеров
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Электроформования является увлекательным техники для изготовления микро чтобы нано-волокон из широкого спектра материалов. Для биополимеров, молекулярной запутывание учредительных полимеров в прядильного раствора было установлено, что необходимым условием для успешного электропрядения. Реология является мощным инструментом для исследования молекулярной конформации и взаимодействия биополимеров. В этом докладе, мы демонстрируем протокол для использования реологические оценить electrospinnability двух биополимеров, крахмала и пуллулан, от их диметилсульфоксид (ДМСО) / вода дисперсии. Были получены Правильно сформированные крахмал и пуллулан волокон со средним диаметром в субмикронных к микронного. Electrospinnability оценивали путем визуального и микроскопическим наблюдением волокон, образованных. Соотнося реологические свойства дисперсий в их electrospinnability, мы показываем, что конформации молекулы, молекулярного запутанности, и сдвиговой вязкости влияют избранныхrospinning. Реология не только полезно в выборе растворителя системы и оптимизации процессов, но и в понимании механизма формирования волокна на молекулярном уровне.
Введение
Электроформования является метод, который способен производить непрерывную микро к нано-волокон из широкого спектра материалов. Она получила повышение академической и отраслевой интерес 1. Хотя установка и практика электропрядения кажется простым, способность прогнозировать electrospinnability и управлять свойствами волокна остается проблемой. Причина может заключаться в том, что существует множество факторов, влияющих на процесс электропрядения 2 и процесс, особенно пути, по которому волокна, хаотический 1. Часто эмпирический "готовить-и-посмотреть" подход используется для скрининга потенциальных electrospinnable материалы. Тем не менее, для получения лучшего контроля над процессом электропрядения и результирующие свойства волокна, более полное понимание механизмов, которые управляют electrospinnability требуется. Некоторые исследователи обнаружили, что молекулярная запутывание полимеров в прядильного раствора является эссенциял условием для успешного электропрядения 3 до 5.
Реология является мощным инструментом для исследования молекулярной конформации и взаимодействия в полимерных дисперсий. Например, Макки и соавт. исследовали конформации молекулы линейные и разветвленные поли (этилен-со-терефталат-этиленизофталата) сополимеров в растворителе, содержащем хлороформ / диметилтерефталата (7/3, об / об), и определили, что концентрация полимера должен быть 2-2.5x концентрация запутанность для успешного электропрядения 4.
Существует в настоящее время возрождение интереса к волокон из биополимеров, потому что их преимуществ в способности к биологическому разложению, биосовместимость, и возобновляемость по отношению отношению их синтетические аналоги. Однако практикующие столкнуться со многими проблемами, связанными как правило, от их структурной сложности, трудности в термической обработке и низших механических свойств. Крахмал, содержащийся в растительных тканях, является Амонг наиболее распространенными и недорогими биополимеры на земле. Чистые крахмал волокна изготовлены с использованием электро-мокрого прядения аппарат недавно были описаны 6. Пуллулан представляет собой линейный полисахарид получают внеклеточно некоторыми бактериями. Правильное чередование (1 → 4) и (1 → 6) глюкозидные связи, как полагают, отвечает за несколько отличительных свойств пуллулан, в том числе отличной волокна / пленкообразующего возможностей 7,8. Электроформования пуллулана волокон из водной дисперсии, как сообщается посредством ряда исследователей 9,10. В наших предыдущих публикаций, electrospinnability из двух биополимеров, крахмала и 11 пуллулановыми 12, уже обсуждалось. Настоящий доклад посвящен демонстрации протокол для использования реологические принципы в исследовании electrospinnability этих двух биополимеров.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1 прядильного раствора Подготовка
- Подготовить диапазон концентраций биополимеров быть исследованы (на 0,1% до 30%, вес / объем) и не забудьте рассмотреть содержание влаги в биополимера порошка в этих расчетах. Для каждой концентрации, взвешивают биополимер (крахмал или пуллулан) порошка в 50 мл пробирку. Добавить водный диметилсульфоксид решение (ДМСО) и мешалку.
- Поместите пробирку в кипящую воду при постоянном перемешивании с помощью магнитной мешалки плитке.
- После примерно 1 ч, выключить тепло и позволяют дисперсия остыть до комнатной температуры. Затем дисперсию готов к реологической тестирования и электропрядения.
2 Устойчивый сдвиг Реология
- Прогреть реометре и установите температуру стадии при 20 ° С. Калибровка разрыв между (мм конуса 25 используется) зонд и стадии (пластины).
- Нагрузка 0,41 мл дисперсии биополимеров на центр сцены и снизить зонд для установки positiна (0,053 мм зазора для 25 мм конуса). Убедитесь, что дисперсия равномерно распределяет в зазоре.
- Выполните реологические тест со следующими экспериментальными параметрами: режим развертки: войти, начальную скорость: 100 сек -1, окончательная ставка: 0,1 сек -1, указывает на декаду: 10, задержки перед меры: 5 сек, время измерения: 10 сек, и направления в меру: два (оба по часовой стрелке и против часовой стрелки).
- Анализ реологических данных для оценки соответствующие концентрации дисперсионные для электропрядения испытания.
- Участок очевидные вязкости сдвига против скорости сдвига в зависимости от концентрации полимера. Для каждой кривой потока, приближенных вязкости при нулевом сдвиге, η 0, фактическим или экстраполированных значений (например, при низких концентрациях, когда данные при низких скоростях сдвига ненадежны) для кажущейся вязкости при 0,1 сек - 1.
- Рассчитать удельную вязкость: η уд = (η 0 - η ы)/ η с, где η с является вязкость растворителя.
- Участок конкретные вязкости как функцию концентрации. Определить полуразбавленном unentangled и запутанные режимов. Полуразбавленном unentangled режим начинается с низкого конца концентрации с небольшим наклоном, и полуразбавленном запутались режим имеет больший наклон, следующего за unentangled режима. Подходящие модели степенной регрессии в обоих режимах. Значения мощности являются склоны (концентрация зависимость) в полуразбавленных unentangled и запутанных режимов на двойном логарифмическом. Пересечение двух встроенными линий является концентрация запутанности, с £.
3 электропрядения Параметр Вариация
- Сборка установки электроформования, как показано на рисунке 1. Нагрузка шприц с дисперсией соответствующего состава, например, 15% (вес / объем) крахмал или пуллулан в 100% ДМСО, на шприцевой насос. Клип провод высокого напряжения (постулироватьив) к игле. Подключение коагуляционной ванне, содержащей чистый этанол к земле путем погружения провод заземления (отрицательный) в ванну. Используйте домкрат лаборатории для регулировки расстояния между иглой шприца и коагуляции ванной. Погрузить металлическую сетку в ванне для сбора волокнистого мата после электропрядения.
- Крутить биополимер в следующие диапазоны параметров: скорость подачи от 0,1 до 0,4 мл / ч, спиннинг расстоянии от 5 до 10 см, и напряжение от 0 до 15 кВ.
- Начните с вращающимся расстоянии 5 см. Для первой скорости подачи (0,1 мл / ч), нарастить напряжение медленно от 0 В. Обратите внимание на форме дисперсии, экструдированного на кончике иглы и отметить когда дисперсия капает разгоняется и удлиненные.
- Обратите внимание на напряжение, при котором крошечные струи, инициированный с поверхности капель, указывающий electrospinnability раствора. Запишите напряжение, при котором непрерывный струя инициирует, если таковые имеются.
- Изучите полный ассортимент для каждого из трех parameteRS и записные успешные условия формования. Сбор волокна только тогда, когда существует непрерывный струей из наконечника.
- Через несколько минут после сбора, промыть фибролит с чистого этанола. Поместите волокнистого мата в эксикаторе, содержащем осушитель под вакуумом.
- Повторите для каждой концентрации биополимера для полной характеристики.
Рис.1 Схематическое изображение электро-мокрого прядения установки. Дисперсия биополимер экструзии из шприца. Высокого напряжения постоянного тока обеспечивает высокое напряжение к тупой иглой и оснований ванны коагуляции. Полимер струи от кончика иглы проходит через прямой путь, а затем развивается быстрое путь взбитые (ака битья нестабильность).
4 морфологическое описание
- Отрежьте кусок сухого мата и обездвижить его на пенек SEM с помощью копировальной ленты.
- Загрузите образец окурок в прибор SEM и получать изображения для анализа.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Были получены кривые расхода биополимера дисперсий в зависимости от концентрации биополимеров и концентрация ДМСО в растворителе. Два представительные данные показывают кривые текучести крахмала (Фиг.2А) и пуллулан (фиг.2В) в зависимости от их концентрации в чистом ДМСО растворителе. Конкретные вязкости в виде зависимости от концентрации биополимера (Рисунок 3А крахмала и фиг.3Б для пуллулан). Из этих участков, концентрации запутанности были получены в ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Реология является важным инструментом для изучения переработки полимеров, в том числе обычных волокон прядения и электропрядения 13. От стационарных сдвиговых реологических исследований, полимерной конформации и их взаимодействия в различных растворителях могут быть решены (рисунки 2 и 3). При концентрациях не достаточно высоких для молекулы биополимеров перекрываться друг с другом, их концентрация зависимость была примерно 1,4 (Рисунок 3), который был в хоро...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторы заявляют, что они не имеют ничего раскрывать.
Благодарности
Эта работа частично финансируется Национальным институтом Министерства сельского хозяйства США для производства продовольствия и ведения сельского хозяйства, Национальной программы конкурсных грантов, Национальной программы исследовательская инициатива 71,1 FY 2007 как грант № 2007-35503-18392 и Национальных Институтов Здоровья, Институт аллергологии и инфекционных заболеваний , R33AI94514-03.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Желоза 80 крахмал | Ingredion | Используется как есть | |
| Pullulan | Hayashibara Co. Ltd | Используется как есть | |
| Диметилсульфоксид | BDH Chemicals | BDH1115-4LP | |
| Этанол | VWR International | 89125-172 | 200 proof |
| Реометр | TA Instruments | ARES | Геометрия конуса и пластины 50 мм |
| Шприц (10 мл) | Becton, Dickinson and Company | 309604 | Шприц с Luer-Lok® Наконечник |
| Высоковольтный генератор | Gamma High Voltage Research, Inc. | ES40P | |
| Шприцевой насос | Hamilton Company | 81620 | |
| Сканирующий электронный микроскоп окружающей среды | FEI Company | Quanta 200 | для крахмальных волокон |
| Сканирующий электронный микроскоп | Phenom-World | Phenom G2 Pro | для пуллулановых волокон |
Ссылки
- Greiner, A., Wendorff, J. H. Functional self-assembled nanofibers by electrospinning. Self-aseembled nanomaterials. 1, 107-171 (2008).
- Ramakrishna, S., Fujihara, K., Teo, W. E., Lim, T. C., Ma, Z. An Introduction to Electrospinning and Nanofibers. , World Scientific. Singapore. (2005).
- Klossner, R. R., Queen, H. A., Coughlin, A. J., Krause, W. E. Correlation of Chitosan’s Rheological Properties and Its Ability to Electrospin. Biomacromolecules. 9 (10), 2947-2953 (2008).
- McKee, M. G., Wilkes, G. L., Colby, R. H., Long, T. E. Correlations of Solution Rheology with Electrospun Fiber Formation of Linear and Branched Polyesters. Macromolecules. 37 (5), 1760-1767 (2004).
- McKee, M. G., Hunley, M. T., Layman, J. M., Long, T. E. Solution rheological behavior and electrospinning of cationic polyelectrolytes. Macromolecules. 39 (2), 575-583 (2006).
- Kong, L., Ziegler, G. R. Fabrication of pure starch fibers by electrospinning. Food Hydrocolloids. 36, 20-25 (2014).
- Singh, R. S., Saini, G. K., Kennedy, J. F. Pullulan: microbial sources, production and applications. Carbohydrate Polymers. 73 (4), 515-531 (2008).
- Leathers, T. D. Biotechnological production and applications of pullulan. Applied Microbiology and Biotechnology. 62 (5), 468-473 (2003).
- Karim, M. R., Lee, H. W., et al. Preparation and characterization of electrospun pullulan/montmorillonite nanofiber mats in aqueous solution. Carbohydrate Polymers. 78 (2), 336-342 (2009).
- Stijnman, A. C., Bodnar, I., Hans Tromp, R. Electrospinning of food-grade polysaccharides. Food Hydrocolloids. 25 (5), 1393-1398 (2011).
- Kong, L., Ziegler, G. R. Role of molecular entanglements in starch fiber formation by electrospinning. Biomacromolecules. 13 (8), 2247-2253 (2012).
- Kong, L., Ziegler, G. R. Rheological aspects in fabricating pullulan fibers by electro-wet-spinning. Food Hydrocolloids. 38, 220-226 (2014).
- Han, C. D. Fiber Spinning Rheology and Processing of Polymeric Materials: Volume 2: Polymer Processing. , 257-304 (2007).
- Morris, E. R., Cutler, A. N., Ross-Murphy, S. B., Rees, D. A., Price, J. Concentration and shear rate dependence of viscosity in random coil polysaccharide solutions. Carbohydrate Polymers. 1 (1), 5-21 (1981).
- Thompson, C. J., Chase, G. G., Yarin, A. L., Reneker, D. H. Effects of parameters on nanofiber diameter determined from electrospinning model. Polymer. 48 (23), 6913-6922 (2007).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
