К Biomimicking Вуд: сварная свободно стоящие фильмы Nanocellulose, лигнин, и синтетический поликатиона

Общая цель следующего эксперимента состоит в том, чтобы создать имитацию высокоорганизованной вторичной клеточной стенки древесных растений, у которых нанофис целлюлозы нанесен слоями с лигнином. Это достигается путем окисления волокна пульпы для создания отрицательно заряженных карбоксилатных групп, позволяющих фибрилляцию в наноцеллюлозу, а также сборки с использованием абсорбции слой за слоем в качестве второго этапа, наноцеллюлоза осаждается в высокоорганизованные пленки, которые контролируются с помощью кварцевых кристаллических микровесов с мониторингом дисипации. Затем наноцеллюлоза собирается на растворимых подложках для создания отдельно стоящих пленок.

Получены результаты, показывающие высокоструктурированные древесные полимерные пленки на основе измерений микровесов кристаллов кварца и микроскопических измерений. Основное преимущество этой техники перед существующими методами, такими как литье растворителем, случайной смесью компонентов, заключается в том, что у вас есть контроль над тем, как материалы организованы внутри пленки, чтобы имитировать природные материалы, такие как дерево. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области целлюлозы по полям, например, как ферменты проникают через высокоструктурированную клеточную стенку растений, чтобы превратить целлюлозу в формуемые сахара?

Для начала установите трехлитровую колбу с тремя горлышками с двумя литрами деионизированной воды, верхним расположением мешалки и датчиком pH. Добавьте в колбу достойную крафтовую мякоть, темп яркости 88% и бромид натрия. Как подробно описано в текстовом протоколе, смешайте волокно мякоти с верхним перемешиванием до тех пор, пока волокно не рассеется и в реакции не будет видно агрегатов. Начните окисление, медленно добавляя 12%-ный раствор гипохлорита натрия в реакционную смесь через шприцевой насос, который подает гипохлорит натрия со скоростью впрыска 1,5 миллилитра в минуту.

Наполните второй шприц гидроксидом натрия и вручную отмерьте раствор щелочи в колбу по каплям, чтобы поддерживать pH на уровне 10 плюс-минус 0,2. Отслеживайте изменение pH с течением времени. Как только все доступные гидроксильные группы целлюлозы окислятся, pH больше не будет снижаться, и реакция будет завершена.

Затем добавьте избыток этилового спирта, чтобы употребить оставшийся гипохлорит натрия. Примерно шесть миллилитров этилового спирта 200 градусов потребляют все 100 миллимоль исходного гипохлорита натрия. Отфильтруйте и тщательно промойте окисленное волокно очищенной водой, чтобы удалить реагенты до тех пор, пока pH не станет нейтральным.

Затем используйте корзинчатую центрифугу или какое-либо фильтрующее устройство, такое как воронка для букнера, чтобы восстановить клетчатку. Затем создайте 3%-ную суспензию из окисленной целлюлозы темпо и взбивайте в борющемся блендере до тех пор, пока суспензия не станет вязкой, а лопасти не начнут вращаться на воздухе из-за гелеобразования в суспензии, разбавьте смешанную суспензию до 0,1% и продолжайте смешивать, пока суспензия не станет прозрачной. Приготовьте водные растворы, перечисленные в текстовом протоколе, и отрегулируйте каждый раствор с 0,1 молярного гидроксида натрия до pH 10,5.

Очистите кристалл кварца с золотым покрытием в соответствии с рекомендацией производителя использовать базовый раствор пираньи в течение 10 минут. Затем промойте кристаллы очищенной водой и высушите их феном в потоке газообразного азота. После высыхания немедленно вставьте кристалл кварца в ячейку микробаланса кварцевого кристалла, чтобы избежать загрязнения воздухом.

Пропустите буфер через проточную ячейку, чтобы получить базовую реакцию резонирующего кристалла, подвергшегося воздействию жидкости. Затем нанесите слой PDDA на кристалл кварца, подвергнув кристалл кварца воздействию раствора PDDA в течение пяти минут. Через пять минут переключитесь обратно на буферный раствор.

Повторите абсорбцию других полимеров в последовательности, указанной в текстовом протоколе, с промывкой буфера между каждым этапом. Повторите цикл четыре раза, чтобы нанести 16 слоев полимеров и наночастиц. Приклейте круглый диск из слюды к предметному стеклу стеклянного микроскопа с помощью быстрого эпоксидного клея.

После того, как клей застынет, прикрепите кусок ленты к диску из слюды. Снимите ленту, в результате чего поверхность слюды расколется. Затем окуните в каждый приготовленный раствор только что расщепленную слюду, которая прикреплена к предметному стеклу, следуя той же последовательности, что и раньше.

Визуализируйте осажденные слои с помощью атомно-силового микроскопа. Используйте прерывистый контактный режим и консоли с радиусом 10 нанометров. Силиконовые наконечники при сборе изображений образца набора.

Размер сканирования 2,5 на 2,5 мкм. Точка сканирования в виде пяти 12 и интегральное усиление 10 для сбора конкретных образцов изображений для измерения толщины слоев с помощью FM высушенных послойных пленок. Используйте мягкий пластиковый наконечник для пипетки и проведите линию по поверхности подготовленной пленки слой за слоем на поверхности MICA.

Чтобы начать приготовление отдельно стоящей пленки слой за слоем, вырежьте прямоугольник размером 25,4 мм на 7,6 мм из пленки ацетата целлюлозы толщиной 0,13 мм и прикрепите его к автоматизированному манипулятору ковша. Затем наполните каждый стакан объемом 500 миллилитров растворами PDDA, лигнина и наноцеллюлозы в соответствии с концентрацией. И PH. Заполните три дополнительные стакана водным буфером для использования в качестве промывочного раствора для каждого цикла осаждения.

Запрограммируйте манипулятор ковша так, чтобы он действовал в той же последовательности, что и раньше. Меняйте растворы в стакане в течение 250 циклов периодически, так как они начинают казаться мутными из-за коллоидных комплексов. После осаждения аккуратно обрежьте ножницами края высушенного образца, обнажив край ацетата целлюлозы, и поместите в закрытую стеклянную чашку Петри, наполненную ацетоном, чтобы растворить ацетат целлюлозы.

В качестве заключительного шага замочите изолированные пленки в ацетоне на 24 часа. Многократно промывайте пленки ацетоном для максимального удаления остаточного ацетата целлюлозы перед анализом с помощью сканирующей электронной микроскопии, послойное поглощение окисленной лигнином нанофиалцеллюлозы и PDDA контролировалось в режиме реального времени с помощью QCMD для обнаружения изменений частоты при поглощении молекул к поверхности кристалла кварца. Данные представляют собой нормализованное изменение частоты и рассеивание седьмого обертона.

Сначала был получен исходный уровень воды с pH 10,5 MQ, за которым последовало введение ионного полимера PDDA. Введение этого полимера связано с уменьшением частоты и соответствующим увеличением диппенации. Эта реакция объясняется комбинацией поглощения PDDA на покрытой золотом кварцевой подложке и изменением объемных эффектов жидкости при контакте с вибрирующим кристаллом.

За этим следовала стадия промывки буфером для удаления избытка несвязанного полимера и сведения на нет частоты реакции дисипации из-за объемного воздействия полимерного раствора. Чистое изменение частоты и диссипации от исходного уровня обусловлено необратимым поглощением PDDA. Затем вводили раствор лигнина, что приводило к снижению частоты и соответствующему увеличению диссипации.

Затем кристалл снова промывался, что вызывало небольшое увеличение частоты. Тем не менее, диссипация осталась неизменной, что позволяет предположить, что лигнин осаждается в виде жесткого слоя поверх слоя PDDA при контакте с покрытой золотом кварцевой подложкой для осаждения второго бислоя, раствор PDDA повторно вводится поверх слоя лигнина. Внедрение решения PDDA было связано с незначительным снижением частоты и значительным увеличением диссипации.

Однако после первоначального падения наблюдалось постепенное увеличение частоты, за которым последовало плато после промывки буфером. Было обнаружено, что чистое изменение частоты и диссипации после осаждения PDDA на слое лигнина было несколько ниже, чем в предыдущем слое. Это изменение является результатом сильного взаимодействия между PDDA и лигнином, которое могло вызвать частичную десорбцию слабосвязанного лигнина.

Раствор наноцеллюлозы вводили на слой PDDA, что приводило к снижению частоты и соответствующему увеличению диссипации. Это изменение было признано необратимым после этапа промывки, предполагая, что наноцеллюлоза была необратимо нанесена на PDDA Изображения атомно-силовой микроскопии показывают лигнин, абсорбированный вдоль FIS с покрытием PDDA после этапа осаждения лигнина, как видно на изображениях после трех циклов на изображениях амплитуды и высоты, сканирующая электронная микроскопия криоразрушенных поперечных сечений отдельно стоящих послойных пленок показывает пластинчатую структуру. Было обнаружено, что толщина двух различных типов составляет примерно 4,3 микрона, что подразумевает среднюю толщину примерно 17 нанометров за цикл осаждения.

Пытаясь выполнить эту процедуру, важно помнить, что окисление P-волокна является ключом к успеху создания нановолокон. После просмотра этого видео у вас должно быть хорошее понимание того, как выделять наноцеллюлозу и использовать процедуры послойной сборки для создания материалов со структурированной наноразмерной архитектурой.