Summary
El objetivo de esta investigación fue formar tejido de la pared celular vegetal sintético usando asamblea capa por capa de fibrillas nanocellulose y aislada lignina montado a partir de suspensiones acuosas diluidas. Se han usado técnicas de medición de la superficie de la microbalanza de cristal de cuarzo y microscopía de fuerza atómica para monitorizar la formación del material nanocompuesto de polímero-polímero.
Abstract
Materiales de madera se componen de paredes celulares de las plantas que contienen una pared celular secundaria en capas compuesto por polímeros estructurales de los polisacáridos y la lignina. Se utilizó proceso de ensamblaje capa por capa (LBL) que se basa en el ensamblaje de moléculas de carga opuesta a partir de soluciones acuosas para construir una película de material compuesto autoportante de polímeros de madera aislados de la lignina y la celulosa oxidada nanofibrillas (NFC). Para facilitar el montaje de estos polímeros cargados negativamente, un polielectrolito cargado positivamente, poli (cloruro de diallyldimethylammomium) (PDDA), fue utilizado como una capa de enlace para crear esta pared celular modelo simplificado. El proceso de adsorción en capas se estudió cuantitativamente usando microbalanza de cristal de cuarzo con monitorización de disipación (QCM-D) y elipsometría. Los resultados mostraron que la masa capa / espesor por capa adsorbida aumenta como una función del número total de capas. La cobertura de la superficie de las capas adsorbidas se estudió con microscopía de fuerza atómica (AFM).La cobertura completa de la superficie con la lignina en todos los ciclos de deposición se encontró para el sistema, sin embargo, la cobertura de la superficie por la NFC aumentó con el número de capas. El proceso de adsorción se llevó a cabo durante 250 ciclos (500 bicapas) en un acetato de celulosa (CA) sustrato. Se obtuvieron LBL montado películas de nanocompuestos exentas transparentes cuando el sustrato CA se disolvió luego en acetona. Microscopía electrónica de barrido (SEM) de las secciones transversales fracturados mostró una estructura laminar, y el espesor por ciclo de adsorción (PDDA-lignina-PDDA-NC) se estimó en 17 nm para dos tipos diferentes de lignina utilizados en el estudio. Los datos indican una película con arquitectura altamente controlado donde nanocellulose y lignina se depositan espacialmente en la escala nanométrica (un nanocompuestos de polímero-polímero), similar a lo que se observa en la pared celular nativa.
Introduction
Hay un gran interés para obtener productos químicos y combustibles adicionales a partir de biomasa, como el carbono secuestrado por las plantas durante la fotosíntesis es parte del ciclo actual de CO 2. La mayoría de carbono secuestrado (42-44%) es en la forma de celulosa, un polímero compuesto de unidades de glucopiranosa β 1-4-vinculados; cuando se hidroliza, la glucosa se puede utilizar como reactivo primario para la fermentación en combustibles a base de alcohol. Sin embargo, la arquitectura de la pared celular de las plantas leñosas ha evolucionado durante miles de años, creando un material que es resistente a la degradación en el medio ambiente natural 1. Esta estabilidad se traslada a la transformación industrial de los materiales leñosos, tales como los cultivos energéticos que hacen de celulosa de difícil acceso, aislar y desglose en glucosa. Una mirada más cercana a la ultraestructura de la pared celular secundaria revela que es un nanocompuesto de polímero compuesta de microfibrillas de celulosa paracristalina capas incrustadas en una matriz amorfa de la lignina y el dobladilloicelluloses 2-4. Las microfibrillas de celulosa orientadas longitudinalmente tienen un diámetro de aproximadamente 2-5 nm, que se agregan junto con otros hetero-polisacáridos para formar unidades más grandes de los haces de fibrillas 5. Los haces de fibrillas están incrustados en un complejo lignina-hemicelulosa compuesta de un polímero amorfo de unidades fenilpropanol con algunos vínculos con otros hetero-polisacáridos como glucoronoxylan 4. Además, esta estructura se organiza además en capas, o laminillas, a lo largo de la pared celular secundaria lignificada 6-8. Las enzimas, tales como celulasas, tienen un tiempo muy difícil acceder a celulosa dentro de la pared celular tal como se encuentra en su forma de fibrillas y incrustado en lignina. El quid de lo que verdaderamente combustibles de base biológica y plataformas químicas renovables una realidad es el desarrollo de procesos que permitan económicamente la sacarificación de la celulosa en su forma nativa.
Las nuevas tecnologías químicas y de imagen están ayudando en la víaudy de los mecanismos implicados en la sacarificación de la celulosa 9,10. Gran parte del trabajo se ha centrado en la formación de imágenes confocal Raman 11 y microscopía de fuerza atómica 12 para estudiar la composición química de la pared celular y la morfología. Ser capaz de seguir de cerca los mecanismos de deslignificación y sacarificación es un paso adelante significativo, impactando la conversión de la celulosa en glucosa. Sacarificación de superficies de celulosa modelo se analizó por medición de las tasas de cinética enzimática con una microbalanza de cristal de cuarzo con monitorización de disipación (QCM-D) 13. Sin embargo, las paredes celulares nativas son muy complejos como se indica anteriormente, y esto crea ambigüedad de cómo los diferentes procesos de conversión de cambiar la estructura de la pared celular vegetal (peso molecular del polímero, enlaces químicos, la porosidad). Modelos autoportantes de las sustancias de la pared celular de composición estructural conocido abordarían esta preocupación y permitir la integración de muestras en química y la imaginación del estado-de-arteequipos ng.
Hay una escasez de modelos de pared celular y los pocos disponibles se pueden clasificar como mezclas de materiales poliméricos y celulosa o celulosa bacteriana 14, composites polimerizados enzimática de lignina polisacárido 15-17, o las superficies del modelo 18-21 regenerados. Algunos modelos que comienzan a parecerse a la pared celular son las muestras que contienen precursores o análogos polimerizados enzimáticamente en presencia de celulosa en su forma microfibrilar lignina. Sin embargo, estos materiales sufren de la falta de la arquitectura de capa organizada. Una ruta simple para la creación de materiales nanocompuestos con la arquitectura organizada es el (LBL) técnica de capa por capa de ensamblaje, basado en la adsorción secuencial de polímeros o nanopartículas con cargas complementarias o grupos funcionales para formar películas de material compuesto de varias capas organizadas 22-25. Nanocompuestos híbridos autoportantes de alta resistencia, realizados por LbL deposición de polímero y nanoparticles, han sido reportados por Kotov et al. 26-30. Entre muchas otras aplicaciones, películas LbL también han sido investigados para su uso potencial en el suministro terapéutico 31, las membranas de células de combustible 32,33, baterías 34, y lignocelulósico 35-37 modificación de la superficie de la fibra. Materiales compuestos El reciente interés en celulosa nanoescala basados han conducido a la preparación y caracterización de multicapas LbL de nanocristales de celulosa (CNC) preparados por hidrólisis de ácido sulfúrico de fibras de celulosa, y polielectrolitos cargados positivamente 38-43. Estudios similares también se han llevado a cabo con nanocristales de celulosa obtenidas de tunicina marina y polielectrolitos catiónicos 44, CNC y xiloglucano 45 y CNC y quitosano 46. LbL formación de múltiples capas de celulosas carboxilados nanofibrillated (SNF), obtenidas por homogeneización a alta presión de fibras de pasta con polielectrolitos catiónicos también ha sidoestudiado 47-49. La preparación, propiedades y aplicaciones de los CNC y celulosa nanofibrillated se han revisado en detalle 50-53.
El presente estudio consiste en el examen de la técnica LbL como una forma potencial de montar polímeros lignocelulósicos aislados (como nanocellulose y lignina) de forma ordenada como el primer paso hacia un compuesto lignocelulósico biomimético con estructura laminar. La técnica LbL fue seleccionado para sus condiciones de procesamiento benignos tales como, la temperatura ambiente, la presión, y el agua como el disolvente, que son condiciones para la formación de material compuesto natural de 54. En este estudio nos informe sobre la multicapa acumulación de componentes de madera constitutivos, a saber microfibrillas de celulosa a partir de la 1-tetrametilpiperidina oxilo (TEMPO) oxidación mediada de la pulpa y el aislado de lignina en películas laminares exentas. Dos ligninas diferentes se utilizan de diferentes técnicas de extracción, uno de una lignina técnica de la organosolv proceso de fabricación de pasta, y el otro un lignina aislada de un molino de bolas con menos modificaciones durante el aislamiento. Estos compuestos se combinan con un polielectrolito sintético en este estudio inicial para demostrar la viabilidad de la realización de películas exentas estables con arquitectura similar a la pared celular nativo.
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Protocol
1. Nanofibrillated Celulosa Preparación 55
- Configuración de un 3 L matraz de tres cuellos con 2 L de agua desionizada, un agitador superior, y sonda de pH.
- Añadir la pulpa deslignificada Kraft, 88% de brillo (20 g, 1% (w / v, base de peso seco)), 2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxilo (TEMPO) (0,313 g, 0,1 mmoles / g de celulosa) , y bromuro de sodio (NaBr, 2,0 g, 1 mmol / g de celulosa) en el matraz.
- Mezclar la fibra de la pasta con el agitador de cabeza hasta que la fibra se dispersa y no hay agregados se puede ver en la reacción.
Nota: La dispersión puede ser ayudado mediante la mezcla de la suspensión en agua antes de la adición de la pulpa en el matraz de 3 L.
- Mezclar la fibra de la pasta con el agitador de cabeza hasta que la fibra se dispersa y no hay agregados se puede ver en la reacción.
- Iniciar la oxidación por adición lenta de una solución 12% de hipoclorito de sodio (NaClO, 51,4 ml, 5 mmol por g de celulosa) a la mezcla de reacción.
Nota: Para la consistencia a lo largo de la reacción, utilizar una bomba de jeringa para entregar el NaClO con una velocidad de inyección de 1,5 ml / min. - Llene una segunda wi jeringahidróxido º de sodio (NaOH, 0,5 M) y metro manualmente la solución de álcali en el matraz gota a gota para mantener el pH a 10 ± 0,2.
- Monitorear el cambio en el pH con el tiempo y una vez que se oxidan todos los grupos hidroxilo accesibles sobre la celulosa el pH ya no disminuye y la reacción es completa.
- Añadir el exceso de EtOH para consumir restante de NaClO. Aproximadamente 6 ml de prueba 200 EtOH consumirán todos 100 mmol del NaClO originales.
- Filtrar y lavar la fibra oxidada a fondo con agua purificada para eliminar los reactivos hasta que el pH es neutro. Utilice una centrífuga de cesta o algún dispositivo de filtración como un embudo Büchner para recuperar la fibra. Almacenar la fibra a 4 ° C hasta su uso posterior.
Nota: En la terminación del experimento, la fibra debe tener un contenido de ácido carboxílico, tal como se determina mediante valoración conductimétrica, entre 1,0 a 1,5 mmol por gramo de fibra. Debe haber poca diferencia en la apariencia de la fibra después de la oxidación TEMPO. - Crear un 3% (W / V, base de peso seco) de suspensión de la pulpa oxidada de TEMPO y se mezclan en un mezclador Warring hasta que la suspensión se vuelve viscosa y las cuchillas empiecen a girar en el aire debido a la gelificación de la suspensión.
Nota: Las concentraciones más bajas no funcionan tan eficazmente para fibrilar la celulosa.- Diluir la suspensión mezclada a 0,1% (w / v) y continuar mezclando hasta que la suspensión se vuelve transparente.
2. Deposición capa por capa de película para experimentos QCM-D
- Preparar las siguientes soluciones acuosas y ajustar cada solución con 0,1 M de NaOH a un pH de 10,5: solución tampón acuosa (agua y NaOH); 0.5% (w / v) de solución acuosa de cloruro de polidialildimetilamonio (PDDA); y 0,01% (w / v) de lignina. Ajustar el pH de la suspensión de la NFC 0,1% a 8,0.
Nota: El pH para estos experimentos fue elevado, ya que se había demostrado que la lignina se adsorbe en un estado menos agregado en pH alcalino 56. - Limpioun cristal de cuarzo recubierto de oro tras la recomendación del fabricante de la utilización de una solución Piranha base de [PRECAUCIÓN] (03:01 NH4OH concentrado: H 2 O 2 a 60 ° C) durante 10 min.
- Enjuague los cristales con agua purificada, secar en una corriente de N 2, e insertar inmediatamente en la célula de flujo de microbalanza de cristal de cuarzo para evitar la contaminación del aire.
- Pasar el tampón a través de la celda de flujo para obtener una respuesta de línea de base del cristal resonante expuesta al líquido.
- Depositar una capa de PDDA sobre el cristal de cuarzo mediante la exposición del cristal de cuarzo a la solución PDDA durante 5 min.
- Después de 5 min cambiar de nuevo a la solución tampón.
Nota: Este proceso en el paso 2.3 crea una respuesta única capa donde la cantidad de polímero depositado puede ser determinada sin el efecto de la viscosidad de la solución de polímero. - Repita la adsorción de otros polímeros en la siguiente secuencia con un tampón de rinseguridad entre cada paso: PDDA (+) (paso 2.3.1); lignina (-); PDDA (+); y NFC (-). Repita los 4x de ciclo para depositar 16 capas totales de polímeros y nanopartículas.
3. Deposición capa por capa de película por AFM y Elipsometría Experimentos
- Pegar un disco circular de la mica a un portaobjetos de microscopio de vidrio usando un adhesivo epoxi rápida. Después el adhesivo se cura, coloque un pedazo de cinta adhesiva en el disco de mica. Pele la cinta de distancia haciendo que la superficie de la mica para escindir.
- Limpie una oblea de silicio con pirañas ácido [ATENCIÓN] (03:01 H 2 SO 4 H 2 O 2) durante 20 minutos seguido de un enjuague significativo en agua antes de la capa de deposición.
- Con las soluciones preparadas en 2.1, sumergir ya sea la mica recién cortado que se une a un portaobjetos de vidrio o una oblea de silicio recién limpiada en cada solución siguiendo la misma secuencia de protocolo descrito en 2.3.3.
Nota: Esta técnica creará capas de POlymers sobre cada una de estas superficies que se pueden insertar en el AFM o elipsómetro, respectivamente. - Imagen de las capas depositadas con un microscopio de fuerza atómica. Utilice el modo de contacto intermitente y voladizos con 10 puntas de silicona radio nm (primavera constante 42 N / m) en la recogida de imágenes de la muestra. Establezca el tamaño de escaneo como 2,5 x 2,5 m, el punto de exploración como 512 y la ganancia integral de 10 para recoger imágenes de muestra específicos.
- Para la medición del espesor de las capas con AFM de las películas LbL secos, use una punta de pipeta de plástico blando y la cicatriz de una línea a través de la superficie de las películas LbL preparado sobre la superficie de la mica.
- Películas fuerte LBL para la medición de elipsometría en obleas de silicio. Mida el espesor de película seca con una fase elipsómetro modulada a una longitud de onda de 632,8 nm, utilizando el ángulo múltiplo de modo incidencia. Varíe los ángulos entre 85 º y 65 º en intervalos de 1 °.
4. Preparación de autoportante LBL Cine
- Corte un25.4 x 7.6 mm rectángulo de acetato de celulosa (CA) película (DS 2,5), que es de 0,13 mm de espesor y se unen a balancín automatizado.
Nota: El acetato de celulosa de 3,0 DS no es soluble en acetona de modo DS 2.5 se prefiere para recuperar las películas en capas. - Llene cada vaso de precipitados de 500 ml con soluciones de PDDA, lignina, y nanocellulose de acuerdo a la concentración y el pH en el paso 2.1.
- Llenar tres vasos de precipitados adicionales con tampón acuoso para utilizar como una solución de enjuague para cada ciclo de deposición.
- Programar el brazo de la cuchara de proceder en la misma secuencia como se indica en 2.3.3.
Nota: Es importante utilizar una solución de aclarado diferente después de cada solución de polímero respectiva, porque en el proceso de capa por capa, algún polímero que no está fuertemente unido a la superficie se desorber. La contaminación cruzada de las soluciones de enjuague provoca rápidamente la precipitación de complejos de polielectrolitos, que pueden adsorber como "defectos" a la superficie de la película.
- Cambie las soluciones en elvaso de precipitados durante 250 ciclos periódicamente a medida que comienzan a aparecer turbia debido a los complejos coloidales. Una opción es automatizar la renovación de la solución mediante el uso de la bomba peristáltica para entregar una solución fresca o tampón de cloruro de polivinilo (PVC) de contenedores a medida con entradas y salidas.
Nota: soluciones agitados en los contenedores ayudan a mejorar la difusión de los polielectrolitos a la superficie. - Recorte con cuidado los bordes de la muestra seca con tijeras exponiendo el borde CA y coloque en un plato de Petri de vidrio cubierto lleno de acetona para disolver el CA.
Nota: Las dos películas están aislados después de este experimento de la parte delantera y trasera de la CA. - Remoje las películas aisladas en acetona durante 24 horas y enjuague películas repetidamente con acetona para maximizar la eliminación de CA residual.
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Representative Results
QCM-D Análisis de Structured Fabrication Woody Película de polímero
La adsorción LbL de la lignina, NFC y PDDA se monitorizó en tiempo real con QCM-D en dos experimentos diferentes que implican dos tipos de ligninas. Este método de análisis es muy sensible para detectar cambios en la frecuencia cuando las moléculas se adsorben a la superficie del cristal de cuarzo La Figura 1 contiene una descripción detallada de la respuesta QCM-D en un ciclo de deposición, que implica dos bicapas (PDDA:. HMWL y PDDA: Carolina del Norte). Los datos representan el cambio en la frecuencia normalizada y la disipación del séptimo armónico (el instrumento detecta la frecuencia fundamental y los armónicos impares 3-13). Una línea de base se obtuvo primero con pH 10,5 agua Milli-Q (denominado como tampón), seguido de la introducción del polímero catiónico, PDDA. La introducción de este polímero (etapa 1) se asocia con una disminución en Delta F, y un aumento correspondiente en Delta D. Esta respuesta es atribuciónTed a una combinación de adsorción de PDDA en el sustrato de cuarzo recubierto de oro y el cambio en los efectos a granel del líquido en contacto con el cristal vibrante. Paso 1 fue seguido por una etapa de enjuague (paso 2) con el tampón para eliminar el exceso de polímero / no unido, y para negar la frecuencia y la disipación de respuesta debido a los efectos a granel de la solución de polímero. Por lo tanto, un enjuague se lleva a cabo después de cada etapa de adsorción de polímero. El cambio neto en el Df y Delta D desde la línea de base después del paso 2 se debe a la adsorción irreversible del PDDA. En el paso 3, la solución de lignina se introdujo, lo que resultó en una disminución en Delta F y un aumento correspondiente en Delta D. Paso 4, la etapa de enjuague causó un ligero aumento en Df, sin embargo, el Delta D se mantuvo sin cambios, lo que sugiere que la lignina se deposita como una capa rígida sobre la capa de PDDA cuando está en contacto con el sustrato de cuarzo recubierto de oro. Para depositar la segunda bicapa, (PDDA: NC), la solución PDDA se volvió a introducir en el lignicapa de n (paso 5). La introducción de la solución de PDDA se asoció con una ligera disminución en Delta F, y un aumento significativo en Delta D. Sin embargo, después de la caída inicial, hubo un aumento gradual en Delta F seguida de una meseta. Después del enjuague tampón (paso 6), el cambio neto en Df y Delta D después de la deposición del PDDA en la capa de lignina (Df = -31,6 Hz; Delta D = 1,3 x 10 -6) resultó ser ligeramente inferior a la capa anterior (Df = -33,2 Hz; Delta D = 1,7 x 10 -6). Este cambio es el resultado de una fuerte interacción entre PDDA y lignina 56,57, que puede haber causado la desorción parcial de la lignina unido débilmente depositado en el paso 3 (nota en la sección de AFM a continuación, la lignina permanece en el sistema). En el paso 7, la suspensión NC se introdujo en la capa de PDDA que resulta en un aumento en Delta F y una disminución correspondiente en Delta D. Se encontró que este cambio sea irreversible después de la etapa de enjuague (paso 8) lo que sugiere que NC ha sido irreversibLY deposita sobre PDDA. En el estudio actual sólo se realizaron cuatro ciclos de deposición (8 bicapas, 4 ciclos), porque se encontró que el cambio Delta F y Delta D más allá de este número de ciclos de no ser reproducibles. Figura 2 muestra el cambio normalizado en Delta F y Delta D de la séptima sobretono como resultado de la adsorción secuencial de polímeros PDDA, HMWL y NC después de cuatro ciclos de deposición. Cabe señalar que la adsorción de los polímeros no siguió un cambio lineal en Delta F y Delta D con la adición de cada bicapa, que también se ha observado con otros sistemas de LBL 49,58. La adsorción de LBL de Carolina del Norte, PDDA y OL (NC-PDDA-OL), que se muestra en la Figura 3, se encontró que siga el proceso de adsorción secuencial observado con NC-PDDA-HMWL. Sin embargo, se encontraron los sistemas a diferir con respecto a la cantidad exacta de los polímeros depositados en cada capa. La diferencia entre estos dos sistemas es debido al tipo de la lignina utilizado, como el gato polímero iónico y NC utilizados fueron los mismos en ambos sistemas.
Figura 1. Descripción de los pasos involucrados en el ciclo de deposición primero de LBL adsorción de NC-PDDA-HMWL. La figura muestra el cambio normalizado en Df y Delta D del 7 º armónico.
Figura 2. Frecuencia y la respuesta disipación de la séptima armónica como resultado de la adsorción de LBL de NC-PDDA-HMWL en 4 ciclos de deposición (8 bicapas).
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Figura 3. Frecuencia y la respuesta disipación de la séptima armónica como resultado de la adsorción de LBL de NC-PDDA-ol en 4 ciclos de deposición (8 bicapas).
Imaging Film Build-up con Microscopía de Fuerza Atómica
Imágenes de AFM mostraron una cobertura completa de la superficie con la lignina en la primera bicapa PDDA-lignina tanto para HMWL y OL (Figura 4). Los valores de rugosidad RMS para HMWL y OL fueron 1,6 y 3,8 nm, respectivamente. AFM imágenes de la primera bicapa PDDA-NC mostraron que la superficie no estaba completamente cubierta de fibrillas de NC, y reveló fibrillas NC dispersos en las imágenes mm 2.5 x 2.5 (Figura 5a, rugosidad RMS 1.6 nm). Sin embargo, como la capa de acumulación continuó, más uniformidad se encontró para las fibrillas depositadas, como se ve en la Figura 5b (RMS rugosidad de 5,3 nm). Resultados similares nosre visto con los datos QCM-D, como Delta F para NC cambió de mayor magnitud en los números de ciclo más altas. La masa adsorbida estimado utilizando el modelo de Johannsmanns para los ciclos 1 y 4 de la capa en el sistema NC NC-PDDA-HMWL fue de 1,11 ± 0,13 mg / m 2 y 5,44 ± 1,78 mg / m 2, respectivamente. Una tendencia similar se observó también con el sistema de NC-PDDA-OL con una masa NC estimado de 1,15 ± 0,09 y 5,46 ± 1,79 mg / m 2 para los ciclos 1 y 4, respectivamente. Estas estimaciones sugieren que la masa de la capa hidratada NC depositada en el cuarto ciclo de deposición es 4x mayor que la de la primera ciclo de deposición. El aumento de la masa asociada con NC de adsorción también se puede atribuir a la agua arrastrada en la estructura porosa creado por las fibras. Un aumento en la cantidad de agua atrapada, con el aumento de espesor de la capa ha sido reportado en sistemas que implican multicapas MFC 48,59. Imágenes de AFM muestran, además, la lignina adsorbido a lo largo de la Coate PDDAd fibrillas después de la etapa de deposición de lignina, como se ve en las imágenes después de 3 ciclos (Figuras 6A y B).
. Figura 4 a) AFM Amplitud imágenes del PDDA sobre mica (5 x 5 m), b) MWL en PDDA (2,5 x 2,5 m), y c) OL en PDDA (2,5 x 2,5 m).
Figura 5. Imágenes Altura de NC sobre PDDA después de la primera (a) y el tercero (b) ciclo de deposición (2,5 x 2,5 m).
Figura 6. A) Amplitud y b) las imágenes de altura de HMWL después del ciclo de deposición cuarto (2,5 x 2,5 m). Las imágenes muestran partículas de lignina depositados en las fibrillas NC del 3er ciclo de deposición.
Autoportantes LBL Films
Películas LBL autoportantes se crearon después de 250 ciclos de deposición con cada ciclo de incorporación de dos PDDA, uno de lignina, y una capa nanocellulose. Se aislaron Las películas después de que el sustrato de acetato de celulosa se disolvió en acetona (Figura 7). La observación inicial de la película fue que era translúcida y flexible. Estas dos propiedades rara vez se asocian con compuestos a base de lignina que contienen una carga significativa de lignina. Las muestras de película se sumergieron en nitrógeno líquido durante 2 minutos una d aplicando una fuerza de flexión con un segundo juego de pinzas de ruptura de las muestras. SEM de las secciones transversales de crio-fractura de films LBL muestra una estructura laminar (Figuras 8a y b). El espesor de tanto NC-PDDA-HMWL y NC-PDDA-OL se encontró que era aproximadamente 4,3 micras, lo que implica un espesor medio de aproximadamente 17 nm por ciclo de deposición. Los datos de SEM indica un espesor significativamente mayor en comparación con las estimaciones de QCM-D. Sin embargo, las mediciones QCM-D se llevaron a cabo por sólo 4 ciclos de deposición (que alcanzan los límites del instrumento debido a la superficie viscoelástico). A partir de los resultados QCM-D, se observó que la capa de acumulación no fue lineal para los cuatro ciclos de deposición estudiados. Por lo tanto, los datos sugieren que requiere más de 4 ciclos de deposición para el aumento de grosor por ciclo a estabilizarse.
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Figura 7. Una película de independiente de la NC-PDDA-HMWL obtenido después de 250 ciclos de deposición. Las películas exentas se obtuvieron después de la disolución del sustrato acetato de celulosa en acetona.
Figura 8. Imágenes de SEM que muestran estructura laminar de las secciones transversales de las películas LBL crio-fractura después de 250 ciclos de deposición. Las películas libres de pie de a) NC-PDDA-HMWL yb) NC-PPDA-OL se obtuvieron después de que el acetato de celulosa sustrato se disolvió en acetona. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Fabricación de nanocellulose
Para la fabricación nanocellulose es necesaria la oxidación con éxito de la fibra de la pasta para la fibrilación fácil. La oxidación es controlada por hipoclorito de sodio disponible, que debe añadirse lentamente en cantidades conocidas sobre la base de la cantidad de celulosa. Una de las razones para la oxidación limitada surge desde el almacenamiento de la solución de hipoclorito de sodio durante períodos prolongados. Esta eficiencia de oxidación reducción, pueden utilizar durante la reacción; la suspensión de la pulpa debe tomar un color amarillento pálido, forma parte a través de la reacción durante la oxidación éxito. Si esto no ocurre, el contenido de ácido carboxílico de la fibra es por lo general debajo de los niveles que permiten fácil auricular.
La fibrilación de la fibra oxidada con contenido de ácido carboxílico por encima de 1,0 mmol / g de celulosa puede ocurrir por un número de diferentes métodos de tratamiento mecánico que producen resultados similares en nanocellulose tamaño de partícula. Ultrasonicaticon una bocina de alta potencia de sonicación durante períodos cortos de tiempo o la homogeneización con una célula de microfluidos son alternativas a la mezcla de la fibra oxidada. El primero proporciona una ruta para preparar los lotes individuales de 200 ml de suspensiones NFC o menos, mientras que el segundo ofrece una ruta para preparar litros de suspensiones nanocellulose. Experimentos anteriores utilizando microscopía de fuerza atómica han demostrado que estas fibrillas tienen una longitud de 530 ± 330 nm y un grosor de 1,4 ± 0,7 nm 60.
QCM-D viscoelástico Modeling
La masa y el espesor de las capas de polímero adsorbidas se pueden determinar por la relación de Sauerbrey. Sin embargo, el método sólo es válido si la capa depositada es rígida, y todo el sistema funciona como un resonador compuesto. Esta limitación se puede comprobar mediante el control de la dependencia de la frecuencia de los armónicos (Delta F / N). La Figura 9 muestra que con el aumento en el número de capas, los armónicos se muevenmás separados, lo que sugiere que a medida que aumenta el espesor, la respuesta de las películas tienden a ser viscoelástico y menos rígido 48. Para obtener una película más gruesa o viscoelástico, la naturaleza de la propagación de la onda acústica cizalla en y a través de la película afecta a la estimación de la masa acoplada 61. Por lo tanto, en tales casos, Delta F no es directamente proporcional a Delta M. Además, es fundamental entender que la masa estimada con QCM-D puede incluir agua junto debido a la hidratación y arrastre viscoso. La cantidad de agua junto varía dependiendo de la naturaleza de la película adsorbida, pero típicamente puede variar entre 1,5-4x la masa molar del material adsorbido 61.
La Figura 9. Respuesta de frecuencia de los armónicos impares 5 a 11 como resultado de laLBL adsorción de PDDA, HMWL, y Carolina del Norte, que muestra la dependencia de la frecuencia de los armónicos como el número de capas aumenta.
El Modelo Johannsmann puede ser utilizado para tener en cuenta la limitación del modelo Sauerbrey. Este modelo alternativo determina la verdadera masa detectada de una capa viscoelástica, se ha utilizado para estudiar las características de adsorción de diferentes sistemas como complejos de polielectrolitos sobre sustratos de poliestireno 62, proteínas de sustrato de oro 63, y de celulosa microfibrilada en polielectrolitos 48,49. Figura 10 compara la masa superficial estimada con el modelo Johannsmann después de cuatro ciclos de deposición para los sistemas de NC-PDDA-HMWL y NC-PDDA-OL. Los valores de la masa adsorbida por ciclo y la masa de Carolina del Norte y lignina por ciclo se dan en la Tabla 1 y 2, respectivamente. De la comparación, se ve que la masa total adsorbido después de cuatro ciclos de adsorción es similar para lostanto NC-PDDA-HMWL y NC-PDDA-OL (29,38 ± 2,57 y 31,78 ± 2,44 mg / m 2, respectivamente). A partir de los cuatro ciclos de adsorción estudiados, la masa de lignina adsorbido en los dos primeros ciclos se observó que difieren entre los dos sistemas. La masa de HMWL adsorbido en ciclos de adsorción 1 y 2 eran casi dos veces la de OL (Tabla 2). Sin embargo, la masa de los dos ligninas diferentes adsorbidos en los ciclos 3 y 4 fueron similares. La masa de NC adsorbido en ambos sistemas fue similar, excepto para el ciclo 2, donde la masa de NC adsorbido en NC-PDDA-OL fue ligeramente superior a NC-PDDA-HMWL. Esta diferencia causado el comienzo del ciclo de 3 a tiene la misma cantidad de masa total de los dos sistemas. Estos resultados sugieren que después de los ciclos iniciales hay poca diferencia en el montaje para el tipo de lignina en las películas de material compuesto. Estos datos sugieren que las películas LbL de paredes de plantas modelo se pueden crear a partir de ligninas de diferentes orígenes biológicos y / o protocolos de aislamiento. Actualmenteno hay otros métodos que pueden hacer que los materiales de la pared celular autónomos modelo con ciertas ligninas de una estructura particular.
Figura 10. Areal masa estimada con el modelo de Johannsmann para NC-PDDA-HMWL (■) y NC-PDDA-OL (●) después de 4 ciclos de deposición.
| Ciclo # | Masa por ciclo (en mg / m 2) | Acumulativa en masa (mg / m 2) | ||
| NC-PDDA-HMWL | NC-PDDA-OL | NC-PDDA-HMWL | NC-PDDA-OL | |
| 1 | 6,72 ± 0,80 | 5,51 ± 0,63 | 6,72 ± 0,79 | 5.51 ± 0,63 |
| 2 | 5,03 ± 0,22 | 5,82 ± 0,50 | 11,76 ± 0,77 | 11.33 ± 0.45 |
| 3 | 7,37 ± 0,37 | 7,52 ± 0,66 | 19,14 ± 0,98 | 19,52 ± 0,73 |
| 4 | 10,23 ± 1,97 | 12,92 ± 1,93 | 29,38 ± 2,57 | 31,78 ± 2,44 |
Tabla 1. Areal masa estimada a partir de datos de QCM-D utilizando el modelo de Johannsmann durante 4 ciclos de deposición.
| Ciclo # | La lignina (mg / m 2) | Nanocellulose (mg / m 2) | ||
| NC-PDDA-HMWL | NC-PDDA-OL | NC-PDDA-HMWL | NC-PDDA-OL | 3,16 ± 0,26 | 1,56 ± 0,57 | 1,11 ± 0,13 | 1,15 ± 0,09 |
| 2 | 2,91 ± 0,32 | 1,30 ± 0,13 | 2,08 ± 0,36 | 3,18 ± 0,66 |
| 3 | 3,31 ± 0,39 | 3,77 ± 0,14 | 4,00 ± 0,38 | 3,22 ± 1,51 |
| 4 | 4,72 ± 0,64 | 4,22 ± 1,34 | 5,44 ± 1,78 | 5,46 ± 1,79 |
Tabla 2. Areal estimación de la masa de la lignina y NC utilizando el modelo de Johannsmann durante 4 ciclos de deposición.
Una comparación de los datos modelados después de cuatro ciclos de deposición de NC-PDDA-HMWL y NC-PDDA-OL (Figura 11 y Tabla 3) revela tendencias similares observadas con Johannsmann '; S modelo. La primera tendencia es la similitud de los espesores finales entre las películas con dos tipos de lignina para un límite de densidad de la película dada. Los espesores finales después de 4 ciclos de deposición para NC-PDDA-HMWL y NC-PDDA-ol con una densidad supuesta de 1000 kg / m 2 fueron 31,5 ± 3,5 y 30,4 ± 5,1 nm, respectivamente (Figura 12). Los espesores finales para la misma, con una densidad supuesta de 1400 kg / m 2, fueron 23,4 ± 2,8 y 22,1 ± 3,1 nm, respectivamente. La segunda tendencia se revela en el comienzo de la tercera ciclo en el que el cambio en el espesor es el mismo para los dos ligninas, como se encuentra para la estimación de la masa. El espesor de la capa de PDDA no se estimó debido a los cambios insignificantes o negativos en el espesor después de la adsorción de PDDA. Sin embargo, se observó que significativa capa secuencial acumulación no era posible sin la adsorción de PDDA después de la adsorción de NC o lignina (datos no mostrados). Este resultado indicates que la adsorción de la capa de enlace es un paso crítico en la secuencia de adsorción.
. Figura 11 Espesor estima con el modelo de Voigt (negro) en comparación con el espesor estimado con la ecuación Sauerbrey (séptimo armónico; gris). La densidad de la película se supone que es 1000 kg / m 2.
Figura 12. Comparación del espesor estimado con el modelo de Voigt para NC-PDDA-HMWL (■) y NC-PDDA-OL (●) después de 4 ciclos de deposición con una densidad supuesta de 1000 kg / m 2.
la Tabla 3. Los valores de espesor elipsometría de la primera ciclo de deposición dieron una estimación cerca del espesor modelo de Voigt, con una densidad supuesta de 1000 kg / m 2. El valor de espesor elipsometría del primer ciclo es casi 2-3x más grande que cada uno de los ciclos de 2-4. Este fenómeno está relacionado con las diferencias en PDDA deposición en el primer ciclo en relación con los otros ciclos. A partir de los experimentos QCM-D, la capa inicial PDDA en el oro se encuentra para ser ~ 2 nm de espesor. Sin embargo, hubo un cambio insignificante o negativo en la masa / espesor cuando PDDA se introdujo más de NC o lignina. Una respuesta similar se observó en un estudio anterior que involucraba LBL adsorción de lignina kraft y PDDA, donde se observó una acumulación lineal de espesor de la película a pesar de que era insignificante adsorción PDDA 56. Cuanto más bajovalores de espesor elipsometría de la segunda a través de ciclos de deposición cuarto en comparación con la primera ciclo se pueden atribuir a un cambio en la conformación de la capa de PDDA cuando se deposita sobre el oro. Sin embargo, la relativamente pequeña de adsorción de PDDA en ciclos de 2-4 es suficiente para continuar el proceso de montaje LBL. Hay una diferencia significativa entre la elipsometría y el espesor QCM-D en los tercero y cuarto ciclos, como se encontró el espesor Voigt estimada (basado en una densidad de 1000 kg / m 2) a ser el doble que el espesor de elipsometría tanto para NC- sistemas PDDA-HMWL y NC-PDDA-OL. Este resultado relativa a los datos QCM-D implica además una naturaleza viscoelástica creciente de las películas a medida que avanza la acumulación de capa. Se sugiere que las capas superiores son más porosa en comparación con las capas inferiores que sostienen el agua atrapada adicional. Por otra parte, NC utilizado en este estudio está decorado con grupos carboxilo en la posición C6 (contenido de carboxilo de 1,0 mmol / g de celulosa), que hace que el FibeCódigo de producto más hidrófilo. Grupos aniónicos que decoran el NC conduce a la capa de ser hidratado y viscosa, por lo tanto, la desviación de la relación Sauerbrey; la relación es aplicable sólo para las películas delgadas y elásticas.
| Ciclo # | NC-PDDA-HMWL (nm) | NC-PDDA-OL (nm) | ||||
| Voigt | Voigt | Elipsometría | Voigt | Voigt | Elipsometría | |
| (1000 kg / m 2) | (1400 kg / m 2) | (1000 kg / m 2) | (1400 kg / m 2) | |||
| 1 | 7,2 ± 1,0 | 5,0 ± 0,4 | 7,5 ± 0,3 | 5,1 ± 1,0 | 4,0 ± 0,5 | 6,1 ± 0,1 |
| 2 | 12,0 ± 1,1 | 8.8 ± 10.0 | 10,4 ± 0,6 | 11.0 ± 1.3 | 8,0 ± 0,7 | 8,1 ± 0,3 |
| 3 | 20,5 ± 1,5 | 14,4 ± 1,1 | 12,0 ± 0,3 | 19,0 ± 2,3 | 13.2 ± 1.3 | 11.7 ± 0.1 |
| 4 | 31,5 ± 3,5 | 23.4 ± 2.8 | 14,5 ± 0,3 | 30,4 ± 5,1 | 22.1 ± 3.1 | 13.8 ± 0.5 |
Tabla 3. Espesor acumulado después de cada ciclo de adsorción estimada por el modelo Voigt, con densidades asumidos de 1000 y 1400 kg / m 3, y el espesor estimado por elipsometrıa durante 4 ciclos de deposición.
Para investigar la validez de los espesores estimados por elipsometrıa, se realizó una prueba de marcar el AFM tanto en NC-PDDA-HMWL y NC-PDDA-OL después de las cuatrociclos de deposición sobre una oblea de Si. El perfil de la altura de la prueba de marcar dio un espesor promedio de 15.1 ± 0.9 nm y 17,3 ± 3,0 nm, respectivamente, para NC-PDDA-HMWL y NC-PDDA-OL, respectivamente. Estos valores son similares en magnitud a los medidos por elipsometría (Tabla 3). Elipsometría resultó en las mediciones más pequeños (óptica, seco), seguido por AFM (perfil de altura, seco), y QCM-D (masa detectada, estimada a partir de estado hidratado).
Diferencias de lignina
Los dos tipos de ligninas utilizadas en este estudio fueron lignina organosolv (OL, Sigma Aldrich, Inc) y madera molida lignina de la madera aisladas previamente en nuestros laboratorios y recientemente caracterizados para este estudio (HMWL) 64. Análisis GPC de muestras acetilados de HMWL y OL mostró un Mn de 5300 y 1300 g / mol, respectivamente. La fracción de aromáticos: acetato de hidrógeno alifático determinada a partir del análisis de 1H RMN de las muestras de lignina que acetiladosre encontrado para ser 1,16:1, 0,26:1, respectivamente y para OL y HMWL. Por lo tanto, OL se encontró que tenía un contenido fenólico significativamente mayor, lo que explicaría un mayor número de grupos fenólicos ionizables a un pH elevado. El número ácido total de los dos lignina determinado por valoraciones conductometricos fue de 0,41 ± 0,02 y 0,34 ± 0,03 mmol / g respectivamente para OL y HMWL. El número de ácido se determina mediante valoración conductimétrica representa la contribución tanto de la fenólico y el contenido carboxílico presentes en la lignina. Por lo tanto la lignina cargada ligeramente superior, que tiene un peso molecular más bajo, se forma un espesor ligeramente más pequeño en el cambio de frecuencia inicial. A diferencia de la deposición suele ser notable para la adsorción de polielectrolitos sobre superficies cargadas como cargo segmento y MW cambio 65. En los dos primeros ciclos de deposición, la lignina Organosolv tiene una masa media de área de el valor de la lignina de madera molida. Esta tendencia también se observa con las meas elipsometríamensiones, como el grosor de la NC-PDDA-OL en el primer y segundo ciclo es inferior a NC-PDDA-HMWL. Sin embargo, este estudio muestra que existe un cambio mínimo en los tercero y cuarto ciclos, así como 250x cuando se repite el proceso. El gran número de ciclos en magnificar pequeñas diferencias en la adsorción. Los datos sugieren que la lignina con estructura dispar no afecta en gran medida la fabricación de películas exentas. Por lo tanto, cualquiera de las ligninas técnicas, disponibles de conversión de la biomasa en el papel, combustibles y productos químicos, o cuidadosamente aislados modelo ligninas se pueden utilizar para formar películas exentas con nanocellulose. Este hecho es significativo en que las ligninas de diferentes orígenes pueden ser seleccionados cuidadosamente para que las superficies de la pared celular de modelo.
El trabajo futuro debe integrar ricas capas de engarce hidroxilo (sintéticos tales como alcohol polivinílico o de base biológica como hemicelulosas) para reemplazar o aumentar la capa enlazador PDDA utilizado en el presente estudio para obtener un nanocompuesto estructuradapelícula que representa más de cerca la composición de la pared celular de la madera. La integración de las microfibrillas de celulosa y lignina a través de 17 nm está dentro del alcance de las estructuras de las paredes celulares nativas y proporciona un nuevo material modelo para servir como una pared artificial de células madera.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado principalmente por el programa del Instituto de Tecnología de la Crítica y Ciencias Aplicadas (ICTAS) en la Universidad Virginia Tech, el Virginia Tech Escuela del Académico de Doctorado para apoyar el programa de nanotecnología sostenible, así como el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, el número de concesión NIFA 2010-65504-20429. Los autores también agradecen los aportes de Rick Caudill, Stephen McCartney, y W. Travis Iglesia a este trabajo.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sulfate pulp | Weyerhaeuser | donated | brightness level of 88% |
| Organosolv lignin | Sigma Aldrich | 371017 | discontinued |
| Hardwood milled wood lignin | see reference in paper | ||
| Polydiallyldimethylammonium chloride | Sigma Aldrich | 409022 | Mn = 7.2 x 104, Mw = 2.4 x 105 |
| 2,2,6,6-Tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO) | Sigma Aldrich | 214000 | catalytic oxidation of primary alcohols to aldehydes with a purity of 98%, molecular weight is 156.25 g/mol |
| Sodium bromide | Sigma Aldrich | S4547 | purity ≥99.0%, molecular weight 102.89 |
| Sodium hypochlorite | Sigma Aldrich | 425044 | reagent grade, available chlorine 10~15%, molecular weight 74.44 g/mol |
| Sodium hydroxide | VWR | BDH7221-4 | 0.5 N aqueous solution, density 1.02 g/ml, molecular weight 40 g/mol |
| Sodium hydroxide | Acros Organics | AC12419-0010 | 0.1 N aquesous solution, specific gravity 1.0 g/ml, molecular weight 40 g/mol |
| Ammonium hydroxide | Acros Organics | AC39003-0025 | 25% solution in water, pH 13.6, density 0.89, molecular weight 35.04 g/mol |
| Hydrogen peroxide | Fisher Scientific | H325-100 | 30.0~32.0% certified ACS, pH 3.3, density 1.11 |
| Mica sheets | TED Pella | NC9655733 | Pelco, grade V5, 10 x 40 mm, 23 mm T, minimum air and bubbles, very clean |
| Sulfuric acid | Fisher Scientific | A300-212 | 95.0~98.0 w/w%, certified ACS plus, molecular weight 98.08 g/mol |
| Cellulose acetate | McMaster Carr | 8564K44 | degree of substitution 2.5 |
| Ethanol | Decon Laboratories | 04-355-223 | 200 proof (100%), USP |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acetone | Fisher Scientific | A18-4 | purity ≥99.5%, certified ACS reagent grade, density 0.79 g/ml, molecular weight 58.08 g/mol |
| Syringe pump | Harvard Apparatus | 552226 | pump 22 infusion/withdraw with standard syringe holder, flow rate 0.002 μl/hr~55.1 ml/min |
| Mill-Q water purification system | EMD Millipore | D3-UV | Direct-Q, UV, water conductivity 18.5 MΩ·cm with 20 L reservoir |
| pH meter | Mettler Toledo | SeverMulti | |
| Balance | Mettler Toledo | AB135-S | accuracy 0.1 mg |
| Atomic force microscope | Asylum Research | MFP-3D, Olympic fluorescent microscope stage | |
| Ellipsometer | Beaglehole Instruments | ||
| Fiber centrifuge | unknown | basket style centrifuge | |
| Waring blender | Waring | Commercial | |
| Ultrasonic processor | Sonics | Sonics 750 W, sound enclosure | |
| Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) | Q-Sense Inc. | E4 | measure fundamental frequency of 5 MHz, and monitor odd number overtones/harmonics from 3~13, use gold-coated piezoelectric quartz crystals |
| Automatted dipper arm | Lynxmotion |
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