Summary
エレクトロスピニングは、多種多様な材料からナノスケールの繊維にミクロを製造するために使用される魅力的な技術である。紡糸原液中の成分ポリマーの分子絡み合いが成功エレクトロスピニングのために必須である。私たちは、2つの生体高分子、デンプンおよびプルランのelectrospinnabilityを評価するためにレオロジーを利用するためのプロトコルを提示する。
Abstract
エレクトロスピニングは、多種多様な材料からナノスケールの繊維にマイクロ作製する魅力的な技術である。バイオポリマーは、紡糸原液中の成分ポリマーの分子絡み合いが成功したエレクトロスピニングのための必須の前提条件であることが見出された。レオロジーは、生体高分子の分子コンフォメーションとの相互作用を調査するための強力なツールです。本稿では、それらのジメチルスルホキシド（DMSO）/水分散液から、2の生体高分子、デンプンおよびプルランのelectrospinnabilityを評価するためにレオロジーを利用するためのプロトコルを示しています。ミクロン範囲にサブミクロンの平均直径を持つ整形式デンプン及びプルラン繊維が得られた。 Electrospinnabilityが形成された繊維の視覚的な顕微鏡観察により評価した。彼らのelectrospinnabilityに分散液のレオロジー特性を相関させることによって、私たちは、分子の立体配座は、分子の絡み合い、せん断粘度はすべて当選者に影響を与えることを実証しているrospinning。レオロジーは、溶媒系の選択およびプロセスの最適化において有用であるだけでなく、分子レベルで繊維形成のメカニズムを理解していない。
Introduction
エレクトロスピニングは、多種多様な材料からナノスケールの繊維に連続したマイクロを生成することができる技術である。これは、増加し、学術および産業の関心1を得ています。セットアップとエレクトロスピニングの実施は簡単なように見えるが、繊維特性をelectrospinnabilityを予測し、制御する能力は、課題である。その理由は、多くのエレクトロスピニング工程2に影響を与える要因、プロセス、繊維が移動特にパスが存在するという事実にあるのかもしれない、カオス1である。しばしば経験的な「クック·アンド·ルック」アプローチは、潜在的electrospinnable物質をスクリーニングするために使用される。しかしながら、電界紡糸プロセス及び結果として得られる繊維の特性より良好な制御を得るために、electrospinnabilityを支配するメカニズムのより完全な理解が必要である。いくつかの研究者は、紡糸原液中のポリマーの分子の絡み合いは、エッセンであることを見出した成功したエレクトロスピニング3〜5はLの前提条件。
レオロジーは、ポリマー分散液中の分子の立体配座との相互作用を調査するための強力なツールです。例えば、マッキーら 。クロロホルム/ジメチルテレフタレート（7/3、v / v）を含む溶媒中で線形の分子配座および分枝状ポリ（エチレンテレフタレート - コ - エチレンテレフタレート）共重合体を調査し、ポリマー濃度が2-2.5xをする必要があったと判断さ成功したエレクトロスピニング4用の絡み合い濃度。
なぜなら、生分解性、生体適合性、および気力それらの合成対応更新性におけるそれらの利点のバイオポリマーからの繊維で現在新たな関心がある。しかし、専門家は、その構造の複雑さ、熱加工と劣る機械的性質の困難さから、一般的に発生する多くの課題に直面する。植物組織に見られるデンプンは、アモンですgの地球上で最も豊富で安価なバイオポリマー。最近6に記載された純粋な澱粉繊維は、電気湿式紡糸装置を使用して製造。プルランは、ある種の細菌によって細胞外に生産さ線状多糖類である。 （1→4）および（1→6） の規則的な交互のグルコシド結合は機能7,8を形成する優れた繊維/フィルムを含むプルランのいくつかの独特の特性の原因であると考えられている。水性分散液からプルラン繊維の電界紡糸は、研究者9,10の数で報告されている。われわれの以前の出版物では、2つのバイオポリマー、デンプン11及びプルラン12のelectrospinnabilityは、議論されている。このレポートは、これらの2つの生体高分子のelectrospinnabilityの調査にレオロジーの原則を利用するためのプロトコルを示すに焦点を当てています。
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Protocol
1スピニングドープ準備
- 調査されるべき生体高分子濃度の範囲を準備します（0.1％〜30％、w / v）の、これらの計算では、バイオポリマー粉末の含水率を考慮してください。各濃度について50mlの試験管にバイオポリマー（デンプン、プルラン）粉末の重量を量る。水性ジメチルスルホキシド（DMSO）溶液と撹拌棒を加える。
- マグネチックスターラーホットプレート上で一定に攪拌しながら沸騰したお湯にチューブを置きます。
- 約1時間後、加熱をオフにし、分散液が室温に冷却させる。次に、分散液をレオロジーテストやエレクトロスピニングの準備ができています。
2定常せん断レオロジー
- レオメーターをウォームアップし、20℃のステージ温度を設定します。プローブ（使用25mmのコーン）とステージ（プレート）の間のギャップを校正します。
- ステージの中央への生体高分子分散の荷重0.41ミリリットルとPOSITIを設定するためのプローブを下げる（25mmのコーンのための0.053ミリメートルギャップ）について。分散が均等にギャップ内に広がっていることを確認します。
- 掃引モード：ログインし、初期速度：100秒-1、最終速度：0.1秒-1、十年ごとのポイント：10、対策前の遅延：5秒、小節時間：10秒、以下の実験パラメータでレオロジー試験を行う拍子や方向：2（反時計回りの両方）。
- 試験をエレクトロスピニングするための適切な分散濃度を推定するレオロジーデータを分析します。
- ポリマー濃度の関数としてせん断速度に対する見掛けのせん断粘度をプロットします。 0.1秒での見かけの粘度（低せん断速度のデータは信頼性が低い低濃度で、 例えば ）実際の、または外挿した値で、各フローカーブ、おおよそのゼロせん断粘度、η0、の場合- 1。
- 比粘度を計算し、ηSP =（η0 - η 秒 ）ηsは溶媒の粘度である/ηsで、。
- 濃度の関数として特定の粘度をプロットします。 semidilute交絡と絡み合った体制を識別します。 semidilute交絡政権は、小さな傾きで低濃度端から始まり、semidiluteもつれ政権は交絡政権、次のより大きな傾斜を有する。双方の体制に合わせるべき乗則回帰モデル。電力値は、両対数プロット上semidilute交絡と絡み合った体制での斜面（濃度依存性）である。 2近似直線の交点が絡み合い濃度はC eは 。
3エレクトロスピニングパラメータ変動
- 図1に示すように電界紡糸セットアップを組み立てます。シリンジポンプ上に、100％のDMSO中の15％（w / v）のデンプンまたはプルラン、 たとえば 、適切な組成の分散体と注射器をロードします。 POSIT（高電圧ワイヤークリップ針にIVE）。浴にアース線（マイナス）を浸漬することによって地面に純粋なエタノールを含む凝固槽を接続します。注射針と凝固浴との間の距離を調整するためにラボジャッキを使用してください。エレクトロスピニング後に繊維マットを収集する浴中に金属メッシュを浸す。
- 次のパラメータに生体高分子をスピン範囲：0〜15 kVの0.1〜0.4ミリリットル/時間から速度、5〜10センチメートルスピニング距離、電圧を養う。
- 5cmのスピニング距離から始めます。最初の送り速度（0.1ミリリットル/時）の場合は、0 V針の先端で押し出し、分散液の形状に注意を払い、滴下分散が加速した後、伸長した際に注意してから、ゆっくりと電圧が上昇します。
- 小さなジェットは、溶液のelectrospinnabilityを示す、落下面から開始する電圧に注意してください。もしあれば、継続的なジェットが開始する電圧を記録します。
- 3 parameteのそれぞれのための完全な範囲を調べRSとノート成功紡糸条件。先端から連続ジェットがある場合にのみ繊維を収集します。
- 収集の数分後、純粋なエタノールで繊維マットをすすぐ。真空下で乾燥剤入りデシケーター中に繊維マットを置きます。
- 完全な特性のために、各生体高分子濃度について繰り返します。
エレクトロ湿式紡糸セットアップの図1概念図。バイオポリマー分散液をシリンジポンプから押し出される。高電圧DC電源は、鈍針を接地凝固浴に高電圧を提供する。針の先端からのポリマージェットはまっすぐな道を通って移動した後、急速なホイップ·パス（別名泡立て不安定）を開発しています。
4。形態学的特性評価
- 乾燥した繊維マットの部分をカットし、カーボンテープを使用したSEMスタブの上に固定化する。
- SEM装置内に試料スタブをロードし、分析のための画像を取得する。
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Representative Results
バイオポリマーの濃度や溶媒中のDMSO濃度の関数としてのバイオポリマー分散液の流動曲線が得られた。二つの代表的な数値は、純粋なDMSO溶媒中のそれらの濃度の関数として澱粉（ 図2A）およびプルラン（ 図2B）の流動曲線を示す。具体的な粘度は、バイオポリマーの濃度（プルラン用デンプンおよび図3Bは図3A）に対してプロットした。これらのプロットから、絡み合い濃度がsemidilute交絡とsemidiluteもつれレジームにおける近似直線の切片として得られた。
図2のフローfuncti純粋なDMSO中の（A）ゲロース80澱粉及び（B）プルランの曲線濃度のオン（％、w / v）で20℃で。両方の図において、低濃度のデンプンおよびプルラン、低剪断速度で十分なトルクを生成するために低粘度であった。これらの信頼性の低いデータは、このようにプロットされていませんでした。見かけの剪断粘度が剪断速度とは無関係であった、すなわち 、一般的には、2つのバイオポリマーは、低濃度でニュートン挙動を示した。ずり減粘は、（w / v）の特に10％を超えて、その濃度が増加するにつれて明らかになった。しかし、ずり減粘挙動は弱かった。 15％および20％の澱粉分散液は、0.1〜100秒の剪断速度範囲にわたって粘度の有意な減少を示さなかった（w / v）のプルラン分散液のみ、高剪断速度時ベキ乗則領域の初期段階を示した- 1。 refの11から、著作権（2012）米国化学会、およびref 12、著作権（2014）エルゼビアの許可を受けて許可を得て転載。
（A）に対する比粘度の図3のプロット80デンプンゲロースと純粋なDMSO中の（B）プルラン濃度。 semidilute交絡（左側）における近似直線の傾き及びsemidiluteもつれ（右側）政権は、別名の依存4スケーリング 、比粘度の濃度依存性を示している。プルランは、絡み合った領域における澱粉よりも強い濃度依存性を示した。 2近似直線の切片は、生体高分子を分散液中にオーバーラップし始める時に絡み合い濃度（C E）として命名した。デンプンは交絡起動するプルランよりも高い濃度を必要とした。 refの11から、著作権（2012）米国化学会、およびref 12、著作権（2014）エルゼビアの許可を受けて許可を得て転載。
エレクトロスピニングは、すべてのために試行されましたelectrospinnabilityの観点で判断バイオポリマー分散液、及び結果は、繊維の電界紡糸の間、 すなわち形成能ジェット、および形態が形成された。良いelectrospinnabilityの分散が小滴のない連続で滑らかな繊維が得られ、安定した連続ジェットを形成した。エレクトロスピニングすることができませんでした分散液は、安定したジェットを形成するか、または不安定性を泡立て開発することができませんでした。小さ な液滴または太い繊維いずれかが凝固浴中に堆積させた。 図4は、代表的な善と、その外観から評価する貧困層の繊維を示している。 図5は 、それぞれ、溶媒にDMSOの濃度を変化させてelectrospinnabilityの評価を要約し、でんぷんやプルランのための分散液中の生体高分子。 100秒での濃度、せん断粘度をエンタングルするためにさらに-1 electrospinnabilityの領域が示されたバイオポリマーの濃度は、（ 図6）に対してプロットした。 >
図4：良い（左）と劣悪（右）、デンプンおよびプルラン繊維の走査電子顕微鏡写真。図（赤丸）のように貧しい繊維はビーズ、ブレーク、および液滴を持っているかもしれない良い繊維は、滑らかな連続し、ランダムに配向します。 （a）は、10％（w / v）のゲロース80デンプン95％（v / v）のDMSO、（b）は、8％（w / v）のゲロース80デンプン80％（v / v）のDMSO、（c）は17で40％（v / v）のDMSO中の％（w / v）のプルラン、80％（d）において9％（w / v）のプルラン（v / v）のDMSO。 refの11から、著作権（2012）米国化学会、およびref 12、著作権（2014）エルゼビアの許可を受けて許可を得て転載。
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良いelectrospinnability（丸）、貧しいelectrospinnability（菱形）、およびエレクトロスピニングすることができません：分散液中の溶媒および生体高分子濃度のDMSO濃度の関数としての（A）ゲロース80澱粉と、（B）プルラン分散液のelectrospinnabilityの図5の評価（Xは）。シャドーは大体electrospinnable領域を表す。エンタングルメントの濃度も約標識されている。 refの11から、著作権（2012）米国化学会、およびref 12、著作権（2014）エルゼビアの許可を受けて許可を得て転載。
図6せん断粘度（100秒-1）の関数として（A）ゲロース80澱粉及び（B）プルラン分散液の別のDMSO /水溶媒中の生体高分子濃度。シャドーは大体electrospinnable地域を表しています。 refの11から、著作権（2012）米国化学会、およびref 12、著作権（2014）エルゼビアの許可を受けて許可を得て転載。
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Discussion
レオロジーは、従来の紡糸やエレクトロスピニング13を含むポリマーの加工を、研究するための不可欠なツールです。定常せん断レオロジー研究、ポリマーコンフォメーションと異なる溶媒でのそれらの相互作用から解決することができる（ 図2および3）。バイオポリマー分子が互いに重なるために十分ではない高濃度で、それらの濃度依存性は、良溶媒3,4における他のポリマーの報告された値とよく一致したその周り1.4（ 図3）であった。バイオポリマー分子が絡み始めた後に、特定の粘度は濃度にはるかに高い依存性を示した。大きなn値は、より強い分子間相互作用を示している。多くのランダムコイル多糖は、約3.3 14のn値を、同様の濃度依存性を示した。プルランはHIGの溶媒中でのデンプンより強い相互作用を示した2生体高分子の分子の性質に起因する可能性が時間のDMSO含有量、。プルランは線形であるべきながら使用されるデンプンは、いくつかの高度に分岐した成分（〜20％のアミロペクチン）を有していた。もちろん、未知であった分子量は、また影響を有するであろう。
エンタングルメント濃縮は、分散液中の生体高分子の立体配座に依存するであろう。例えば、92.5％デンプンの絡み合い濃度（w / v）のDMSO水溶液を純粋DMSO 11のそれよりもはるかに低い。それは、より大きな流体力学的体積を占め、より容易に重なる傾向があるように、デンプン分子はDMSO水溶液（w / v）の92.5％に、より拡張されたコンホメーションで存在することを意味する。プルランの絡み合い濃度は、水およびDMSOの両方がプルランのための良い溶媒であり、分子の立体配座にほとんど影響を与えないためか、など大幅に溶剤の品質を変化させた澱粉の場合と変化しなかった。良くない水、澱粉のための溶媒は、溶解していないデンプン分子がレオロジー応答に影響を与えるので、シナリオは非常に複雑になる。
良い繊維を紡糸するためには、濃度が1.2から2.7になると、それぞれのデンプンおよびプルラン、（ 図4および5）のために絡み合い濃度1.9-2.3xしなければならなかった。この範囲は、おそらくまた、プルランのための溶媒に少ないコンフォメーションの違いによる狭い。これは、ポリマーが相互に絡み合い始める絡み合い濃度での分散が、electrospinnableではなかったことに注意することは興味深かった。おそらく、既に静的低剪断条件下で確立されている可能性があり、したがって、強化された、十分な絡み合いが必要とされるエレクトロスピニングに妨げ鎖重なり長距離ポリマーの相互作用に関与する高いせん断力。また、剪断粘度も重要な役割（ 図6）を果たした。 electrospinnable澱粉とプルランdispersイオンは2.2 Pa·secでの上限を、100秒-1でのせん断粘度の同様の範囲に入る。
本明細書中に記載された手順は、他の研究で使用される機器や材料に対応して変更することができる。私たちは、C e の正確な決定を妨げ、不安定な定常せん断粘度データを生成し（ 例えば 、v）のDMSOを（/ wの85％に）が部分的に溶解したデンプン分散物を見つけたので、ポリマーの溶解は、このプロトコルの最初の重要なステップである。定常せん断測定を行っている間、私たちは最高の剪断速度から開始することを好む。そうすることにより、分散液を均一に高剪断速度の助けによりギャップ内に分配される。電界紡糸工程は、多くの練習を必要とした。注意が針の先端での液滴の形状変化にご注意ください。エレクトロスピニング時の安全上のご注意を無視してはならない。エレクトロスピニングの主な危険が目に使用される高電圧から来る電子プロセスは、現在も比較的低い。電界紡糸実験は、一方が長い間それに曝されると健康被害をもたらす可能性溶媒蒸気を排出するために、ドラフト内で実施すべきである。近い距離を避け、これらがショートし、火災の危険をもたらすためであっても、帯電した針の先端と凝固浴との接触。
本研究で用いたレオロジーの方法には制限を持っています。例えば、それは、エレクトロスピニングに関与する実際の剪断速度100秒-1よりもはるかに高いことに留意すべきである。レオロジー研究せん断に加えて、軌道に沿って分散の延伸を特徴付ける伸長レオロジーも、重要な役割を果たしている可能性がある15。本研究で用いたレオメータは、伸長粘度を特徴付けることができない。
レオロジー研究はdispeに生体高分子の立体構造に関する貴重な情報を提供することができるrsionsとその加工特性。このプロトコルは、溶媒系の選択の点で、多くの他のバイオポリマーおよびそれらの混合物のエレクトロスピニングのパラメータの最適化潜在的に有用であり、繊維は、分子レベルでのメカニズムを形成する。
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Disclosures
著者らは、開示することは何もないことを宣言します。
Acknowledgments
この作品は、食料農業USDA国立研究所、国立競争補助金プログラム、国家研究イニシアティブプログラム71.1 2007年度によって部分的に資金を供給されているアレルギー感染病に対する認可番号2007-35503-18392、および国立衛生研究所、研究所など、R33AI94514-03。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Gelose 80 starch | Ingredion | Used as it is | |
| Pullulan | Hayashibara Co. Ltd | Used as it is | |
| Dimethyl sulfoxide | BDH Chemicals | BDH1115-4LP | |
| Ethanol | VWR International | 89125-172 | 200 proof |
| Rheometer | TA Instruments | ARES | 50 mm cone and plate geometry |
| Syringe (10 ml) | Becton, Dickinson and Company | 309604 | Syringe with Luer-Lok® Tip |
| High voltage generator | Gamma High Voltage Research, Inc. | ES40P | |
| Syringe pump | Hamilton Company | 81620 | |
| Environmental scanning electron microscope | FEI Company | Quanta 200 | for starch fibers |
| Environmental scanning electron microscope | Phenom-World | Phenom G2 Pro | for pullulan fibers |
References
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