Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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 "cook-e-olhar" 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.
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Protocol
1. Spinning Dope Preparação
- 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.
- Colocar o tubo em água a ferver com agitação constante sobre uma placa de agitação magnética.
- 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.
2 Firme cisalhamento Reologia
- 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).
- 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.
- 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).
- Analisar dados reológicos para estimar concentrações de dispersão apropriados para eletrofiação ensaios.
- 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.
- Calcular viscosidade específica: η sp = (η 0 - η s)η / s, onde s η é a viscosidade do solvente.
- 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.
3. Electrospinning parâmetro de variação
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Repita a operação para cada concentração de biopolímero para a caracterização completa.
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
- Corte um pedaço de tapete de fibra seca e imobilizá-lo em um suporte de SEM utilizando fita de carbono.
- Coloque o stub amostra no instrumento SEM e obtenção de imagens para análise.
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Representative Results
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 pululano). A partir dessas parcelas, as concentrações de emaranhamento foram obtidos como a interceptação das linhas embutidos na semidilute unentangled e os regimes semidilute embaraçados.
Figura 2 as curvas de fluxo (A) de amido Gelose 80 e (B) de pululano em DMSO puro como um funcina de concentração (%, w / v) a 20 ° C. Em ambas as figuras, o amido e o pululano de baixas concentrações eram menos viscoso para produzir torque suficiente com taxas de corte baixas. Estes dados não confiáveis, portanto, não foram plotados. Em geral, os dois biopolímeros apresentaram comportamento newtoniano a baixas concentrações, isto é, a viscosidade de corte aparente era independente da velocidade de corte. Cisalhamento diluir tornou-se aparente que os seus aumentos de concentração, especialmente acima de 10% (w / v). No entanto, o comportamento pseudoplástico era fraco. A 15% e 20% (w / v) de pululano dispersões só mostraram a fase precoce da região da lei de potência em taxas de cisalhamento elevadas, enquanto as dispersões de amido não mostram redução significativa na viscosidade durante o intervalo da velocidade de corte de 0,1 a 100 sec - 1. Reproduzido com permissão de ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, e com permissão de ref 12, Copyright (2014) Elsevier.
Figura 3 Lote de viscosidade específica contra (A) amido Gelose 80 e (B), a concentração de pululano em DMSO puro. As inclinações das linhas de embutidos em semidilute unentangled (lado esquerdo) eo semidilute enredado regimes (lado direito) indicam a dependência da concentração de viscosidade específica, também conhecido como escalar dependência 4. Pullulan mostrou dependência da concentração mais forte do que o amido no regime emaranhado. A intersecção das duas linhas de embutidos foi denominado como a concentração de emaranhamento (c e) em que biopolímeros começar a sobrepor-se na dispersão. Amido necessário uma concentração maior do que pululana para começar a enredar. Reproduzido com permissão de ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, e com permissão de ref 12, Copyright (2014) Elsevier.
Eletrofiação foi tentada por todo odispersões de biopolímeros, e os resultados julgados em termos de electrospinnability, ou seja, jet capacidade de formação durante eletrofiação, e morfologia das fibras formadas. Uma dispersão de boa electrospinnability formado um jacto estável e contínua, que resultou em fibras contínuas e lisas sem gotículas. A dispersão que não foi capaz de electrospin não conseguiu formar um jato estável ou desenvolver chicotadas instabilidade. Ou as gotículas minúsculas ou fibras grossas foram depositados no banho de coagulação. Figura 4 mostra um bom representante de fibras e pobres avaliadas pela sua aparência. Figura 5 resume a avaliação de electrospinnability com concentrações variáveis de DMSO em solvente e o biopolímero em dispersão de amido e o pululano, respectivamente . Além disso, as concentrações de emaranhamento viscosidades de cisalhamento a 100 seg -1 foram plotados contra a concentração de biopolímeros, em que as regiões de electrospinnability foram denotadas (Figura 6). >
Figura 4: microscopia eletrônica de varredura de bom (à esquerda) e pobre em amido (direita) e fibras de pululano. Bons fibras são suave e contínua, e orientadas aleatoriamente, enquanto que as fibras podem ter grânulos pobres, pausas e gotículas, como mostrado na figura (círculos vermelhos). (A) 10% (w / v) de amido Gelose 80 em 95% (v / v) de DMSO, (b) 8% (w / v) de amido Gelose 80 em 80% (v / v) de DMSO, (c) 17 % (w / v) de pululano em 40% (v / v) de DMSO, e (d) 9% (w / v) de pululano em 80% (v / v) de DMSO. Reproduzido com permissão de ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, e com permissão de ref 12, Copyright (2014) Elsevier.
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Figura 5 Avaliação de electrospinnability de (A) amido Gelose 80 e (B) dispersões de pululano como uma função da concentração de DMSO na concentração de solvente e a dispersão do biopolímero em: bom electrospinnability (círculos), pobre electrospinnability (losangos), e incapaz de electrospin (X) da. As áreas sombreadas representam aproximadamente regiões electrospinnable. Concentrações de emaranhamento também são aproximadamente rotulado. Reproduzido com permissão de ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, e com permissão de ref 12, Copyright (2014) Elsevier.
Figura 6 cisalhamento viscosidade (a 100 seg -1) de (A) de amido Gelose 80 e (B) dispersões de pululano como uma funçãoconcentração de biopolímero em diferentes solventes de DMSO / água. As áreas sombreadas cerca de representar a região electrospinnable. Reproduzido com permissão de ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, e com permissão de ref 12, Copyright (2014) Elsevier.
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Discussion
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), que estava em boa concordância com os valores relatados de outros polímeros em bom solvente 3,4. Após as moléculas de biopolímeros iniciar a emaranhar, a viscosidade específica mostrou uma dependência muito mais elevado em concentração. Um maior valor n indica uma interação intermolecular forte. Muitos polissacarídeos bobina aleatórios apresentaram dependência da concentração semelhante, com um valor de n de aproximadamente 3,3 14. Pullulan apresentou interação mais forte do que o amido em solventes de high teor de DMSO, possivelmente devido à natureza molecular dos dois biopolímeros. O amido utilizado tinha alguns componentes altamente ramificada (~ 20% de amilopectina), enquanto que o pululano seja linear. É claro, os pesos moleculares, os quais eram desconhecidas, teria também uma influência.
A concentração de emaranhamento dependeria da conformação do biopolímero na dispersão. Por exemplo, a concentração de amido em emaranhamento de 92,5% (w / v) de solução aquosa de DMSO é muito menor do que em DMSO puro 11. Isso implica que as moléculas de amido existe numa conformação mais extensas em 92,5% (w / v) de solução aquosa de DMSO de modo a que eles ocupem um maior volume hidrodinâmico e tendem a sobrepor-se mais facilmente. As concentrações de emaranhamento de pululano não variou drasticamente, como aqueles de amido com diferentes graus de qualidade de solvente, provavelmente por causa tanto da água e DMSO são bons solventes para o pululano e têm pouco efeito sobre a conformação molecular. A água, que não é um bomsolvente para amido, fez o cenário muito complicado, uma vez que moléculas de amido não dissolvidas afetaria a resposta reológica.
Para girar boas fibras, a concentração tinha que ser 1,2-2,7 e 1.9-2.3x a concentração emaranhamento de amido e pululana, respectivamente (Figuras 4 e 5). Esta faixa é mais estreita para pululana, provavelmente também devido à menor diferença de conformação nos solventes. Foi interessante notar que uma dispersão com uma concentração de emaranhamento, quando os polímeros começam a entrelaçar uma com a outra, não foi electrospinnable. Provavelmente, força de cisalhamento elevado envolvido em electrospinning impedem cadeia sobreposição e interação polímero de longo alcance que podem já ter sido estabelecido em condições de cisalhamento estático e baixos, e, assim, um emaranhado reforçada e suficiente é necessária. Além disso, a viscosidade de cisalhamento também desempenhou um papel importante (Figura 6). O amido e electrospinnable DISPERS pululanoiões cair numa gama similar de viscosidade de corte de 100 seg -1, com um limite superior de 2,2 Pa-s.
O procedimento aqui descrito pode ser alterado em correspondência com o equipamento e os materiais utilizados nos outros estudos. A dissolução de polímeros é o primeiro passo crítico neste protocolo, porque descobrimos que as dispersões de amido parcialmente dissolvidos (por exemplo, em 85% (w / v) DMSO) produziu instável dados viscosidade de corte constante que impedia uma determinação precisa de c e. Durante a realização de medições de cisalhamento constante, preferimos começar a partir da maior taxa de cisalhamento. Ao fazer isso, a dispersão é uniformemente distribuída no interior do espaço com a ajuda de uma elevada taxa de corte. O passo electrospinning necessário muita prática. Deve-se atentar para a mudança de forma da gota na ponta da agulha. Precauções de segurança durante a eletrofiação não deve ser negligenciada. O principal perigo de electrospinning vem da alta voltagem usada em the processos, embora a corrente é relativamente baixo. Electrospinning experiências devem ser realizadas de um exaustor de fumos, de modo a expulsar o vapor de solvente que pode representar perigos para a saúde, se uma é exposto a ela durante um longo período de tempo. Evite curta distância e até mesmo contato entre a ponta da agulha carregada eo banho de coagulação, pois estes irão resultar em perigo de curto e incêndio.
Os métodos reológicos utilizados no estudo têm limitações. Por exemplo, deve notar-se que a taxa de corte real envolvido em electrospinning é muito maior do que 100 s-1 1. Além de cisalhamento reologia estudada, reologia alongamento, que caracterizam o alongamento de dispersão ao longo do percurso, podem também desempenhar um papel importante 15. O reômetro utilizado neste estudo não é capaz de caracterizar viscosidade de alongamento.
Estudos reológicos podem fornecer informações valiosas sobre a conformação do biopolímero em dispersions e suas propriedades de processamento. Este protocolo é potencialmente útil em electrospinning de muitos outros biopolímeros e suas misturas, em termos de seleção solvente sistema, otimização de parâmetros, e fibra de mecanismo de formação em nível molecular.
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Disclosures
Os autores declaram que não têm nada a revelar.
Acknowledgments
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.
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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