Summary
静电是用来从各种材料制作的微纳米级纤维的迷人的技术。在纺丝液的构成聚合物的分子缠结是成功的电纺丝是必不可少的。我们提出了一个协议，利用流变评估两个生物聚合物，淀粉的支链淀粉的electrospinnability。
Abstract
静电是一种令人着迷的技术制造微纳米级纤维的各种材料。为生物聚合物，在纺丝原液的构成聚合物的分子缠结被发现是成功的静电纺丝的基本先决条件。流变学是一个强大的工具来探测生物聚合物的分子构象和互动。在本报告中，我们证明了协议用于利用流变学来评价两种生物聚合物，淀粉和支链淀粉的electrospinnability，从他们的二甲亚砜（DMSO）/水分散液。良好的淀粉和普鲁兰多糖纤维中的亚微米到微米范围内的平均直径分别获得。 Electrospinnability通过肉眼和显微镜观察所形成的纤维进行评价。通过关联分散到其electrospinnability的流变学特性，我们证明了分子构象，分子的缠结和剪切粘度都影响选rospinning。流变不仅是有用的溶剂体系的选择和过程的优化，而且还了解的纤维形成的机制在分子水平上。
Introduction
静电纺丝是一种技术，其能够从各种各样的材料生产连续微纳米级纤维。它已经获得了越来越多的学术和产业的利益1。虽然设置和静电的做法看似简单，预测electrospinnability和控制纤维性能的能力仍然是一个挑战。其原因可能在于这一事实有影响的电纺丝过程2和过程，特别是由光纤行进的路径，是混沌1许多因素。往往是经验的“煮和 - 看”的方法，用于筛选潜在electrospinnable材料。然而，为了更好地控制电纺丝过程和所得纤维的性能，支配electrospinnability所需的机制的一个更完整的理解。一些研究人员已经发现，在纺丝原液的聚合物的分子缠结是一个essentia升前提成功的静电3-5。
流变学是一个强大的工具来探测分子构象和互动的聚合物分散体。例如，McKee 等 。研究了线性的含有氯仿/对苯二甲酸二甲酯（7:3，V / V）的分子构象和支链聚（对苯二甲酸乙二酯 - 共 - 间苯二甲酸乙二醇酯）的共聚物在溶剂中，并确定该聚合物的浓度必须是2-2.5x纠缠浓度为成功的静电4。
有从的，因为它们的生物降解性，生物相容性和可再生相，以对比它们的合成的对应的优点的生物聚合物在纤维目前新的兴趣。然而，从业者面临来自其结构的复杂性，难以热加工和差的机械性能一般产生许多挑战。淀粉，植物组织中发现，是阿蒙G于地球上最丰富和廉价的生物聚合物。纯淀粉纤维的使用电-湿式纺丝装置最近被描述6制成。普鲁兰多糖是由某种细菌细胞外产生的线性多糖。 （1→4）和（1→6） 经常交替糖苷键被认为是负责支链淀粉的几个独特的性质，包括优异的纤维/薄膜形成能力7,8。从水分散体的支链淀粉的纤维的静电纺丝已经报道了许多研究者9,10。在我们先前的出版物中，两个生物聚合物，淀粉11和支链淀粉12 electrospinnability，已经讨论过。本报告侧重于展示协议利用流变学原理，这两种生物聚合物的electrospinnability的调查。
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Protocol
1，纺丝原液的制备
- 准备进行调查一系列生物聚合物的浓度（0.1％〜30％，W / V），并一定要考虑生物聚合物粉末在这些计算中的水分含量。对于每个浓度，称量该生物聚合物（淀粉或支链淀粉）的粉末置于50ml试管中。添加水二甲基亚砜（DMSO）溶液和搅拌棒。
- 将管子放入沸水与磁力搅拌器加热板不断搅拌。
- 经过约1小时，熄火并允许该分散冷却至室温。分散体，然后准备进行流变试验和静电。
2，稳定剪切流变
- 热身流变仪和设置阶段的温度在20℃。校准探头（用于25毫米锥形）和级（板）之间的间隙。
- 该生物聚合物分散体的负载0.41毫升到台上的中心和降低探头，设置positi在（0.053毫米差距25毫米锥）。确保分散均匀敷于间隙内。
- 用下面的实验参数进行流变学试验：扫描模式：日志，初始速度：100秒-1，最终速率：0.1秒-1，每十点：10，延迟测量结果之前：5秒，测量时间：10秒，而每小节的方向：2（顺时针和逆时针）。
- 分析流变数据来估算适当的分散浓度静电试验。
- 绘制表观剪切粘度对剪切速率的聚合物浓度的函数。针对每一个流的曲线，近似零剪切粘度，η0，由实际或外推值（ 例如 ，在低浓度时，其中的低剪切速率下的数据是不可靠的）为表观粘度在0.1秒- 1。
- 计算比粘度：ηSP =（η0 - ηS）/ηs，其中ηs是溶剂的粘度。
- 绘制特定粘度随浓度的函数。确定亚浓非缠结和纠缠制度。在亚浓非缠结政权从低浓度结尾加上一个小山坡开始，和亚浓纠缠制度具有更大的斜率以下非缠结制度。飞度幂回归模型中的两种制度。功率值是在一个log-log图亚浓非缠结和纠缠制度的斜坡（浓度依赖性）。两个拟合线的交点就是纠缠浓度， 居权证。
3，静电参数变化
- 组装静电设置为如图1中所示。装入注射器用的适当组合物的分散性， 例如 ，15％（重量/体积），淀粉或支链淀粉在100％DMSO中，到注射器泵。夹在高压线（POSITIVE）到针。通过浸渍的接地线（负）进入浴缸连接含有纯乙醇对地面的凝固浴中。用一个实验室千斤顶调整注射器针头和凝固浴之间的距离。沉浸金属网在洗澡后，静电收集纤维毡。
- 旋转生物聚合物在下列参数范围：进料速率为0.1至0.4毫升/小时，从5到10厘米纺丝距离，并且电压从0到15千伏。
- 开始用5厘米的纺丝距离。用于第一进给速率（0.1毫升/小时），缓慢地从0V。讲究斜坡电压上升至挤出在针尖分散体的形状，并注意滴分散体被加速，然后拉长。
- 请注意，在这一个微小的飞机从下拉表面引发，这说明解决方案的electrospinnability的电压。记录在其中的连续喷射启动，如果任何电压。
- 检查全系列为三个paramete的RS和记成功的纺丝条件。收集的纤维时，才会有从前端连续喷射。
- 收集了几分钟后，冲洗纤维毡用纯乙醇。将纤维毡为含真空除湿干燥器。
- 重复每个生物聚合物浓度为完整的特征。
电湿式纺丝机的图1示意图。生物聚合物分散体是由注射泵挤出。高压直流电源提供高电压的钝针和地面凝固浴。从针尖的聚合物射流穿过直通道，然后开发了快速搅打路径（又名搅打稳定性）。
4，形态特征
- 剪下一块干燥的纤维毡，并使用碳胶带固定其上的SEM存根。
- 将样品存根放入扫描电镜仪器获取图像进行分析。
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Representative Results
得到的生物聚合物的分散体作为生物聚合物的浓度和溶剂的DMSO浓度的函数的流动曲线。两种有代表性的图显示的淀粉（ 图2A）和支链淀粉（ 图2B）的流动曲线，作为其浓度在纯的DMSO溶剂的功能。特定粘度作图对生物聚合物的浓度（ 图3A为淀粉和图3B为支链淀粉）。从这些曲线，缠结浓度得到的半稀释非缠结和亚浓缠结制度的拟合线的截距。
图2：流量（一）琼脂糖80的淀粉和（B），普鲁兰多糖纯DMSO为functi曲线对浓度（％，重量/体积）在20℃下。在这两个图中，淀粉和低浓度的支链淀粉是低粘性的，以产生在低剪切速率足够的扭矩。这些不可靠的数据，因此并不绘制。在一般情况下，这两个生物聚合物表现出牛顿特性在低浓度时， 即表观剪切粘度是剪切速率无关。剪切稀化变得明显，它们的浓度增加，特别是超过10％（重量/体积）。然而，剪切变稀的行为是弱者。的15％和20％（重量/体积）的支链淀粉的分散体仅表现为幂律区的早期阶段时的高剪切速率，而淀粉分散体没有在粘度在剪切速率为0.1〜100秒显示显著还原- 1。从REF 12，著作权（2014）爱思唯尔授权转载自文献11，版权所有（2012）美国化学学会和许可。
图3地块的具体粘度与（A）琼脂糖80淀粉和纯DMSO（二）普鲁兰多糖浓度。在亚浓非缠结（左侧）的拟合线和缠绕的半稀释的斜率（右侧）制度表示的浓度的比浓粘度的依赖，又名缩放依赖性4。普鲁兰多糖表现出比淀粉的纠缠政权强大浓度依赖性。两个拟合线的截距被命名为纠缠浓度（C E）在其生物聚合物开始在分散重叠。淀粉所需的浓度高于普鲁兰开始纠缠不清。从REF 12，著作权（2014）爱思唯尔授权转载自文献11，版权所有（2012）美国化学学会和许可。
静电纺丝试图对所有的生物聚合物的分散体，并判断在electrospinnability方面的结果， 即喷射的纤维的静电纺丝过程中形成的能力，和形态形成。好electrospinnability的色散形成了稳定和连续喷射，导致连续和光滑的纤维无水滴。分散体，这是无法静电纺丝不能形成稳定的喷射或开发鞭打不稳定。任一微小液滴或粗纤维被沉积到凝固浴中， 图4示出了代表良好，并从它们的外观进行评价差的纤维。 图5以不同的DMSO溶剂中的浓度和生物高分子中分散的淀粉和支链淀粉总结electrospinnability的评价，分别。除了 纠缠浓度，剪切粘度在100秒-1作图对生物聚合物的浓度，其中electrospinnability的区域被表示为（ 图6）。 >
图4：好（左）和差（右）的淀粉和支链淀粉的纤维的扫描电子显微镜照片。良好的纤维是平滑的，连续的和随机取向的，而差的纤维可以具有珠粒，休息和液滴，如图中所示（红色圆圈）。 （A）10％（重量/体积）琼脂糖80淀粉在95％（体积/体积）的DMSO，（B）8％（重量/体积）琼脂糖80淀粉在80％（体积/体积）的DMSO，（三）17 ％（重量/体积）的支链淀粉在40％（体积/体积）的DMSO，和（d）9％（重量/体积）的支链淀粉在80％（体积/体积）的DMSO。从REF 12，著作权（2014）爱思唯尔授权转载自文献11，版权所有（2012）美国化学学会和许可。
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图5的评价（A） 的琼脂糖80淀粉和（B）的支链淀粉分散体electrospinnability作为溶剂和生物聚合物的浓度，在分散的DMSO浓度的函数：良好electrospinnability（圆圈），electrospinnability差（菱形），以及无法静电纺丝（X的）。阴影区域大致代表electrospinnable地区。纠缠的浓度也大致标注。从REF 12，著作权（2014）爱思唯尔授权转载自文献11，版权所有（2012）美国化学学会和许可。
图6剪切粘度（一）琼脂糖80的淀粉和（B）分散普鲁兰多糖的功能（在100秒-1）在不同的DMSO /水溶剂中的生物聚合物的浓度。阴影部分大致代表了electrospinnable区域。从REF 12，著作权（2014）爱思唯尔授权转载自文献11，版权所有（2012）美国化学学会和许可。
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Discussion
流变学是研究聚合物，包括常规纤维纺丝和静电13的处理的一个重要工具。从稳态剪 切流变学研究，聚合物的构象和它们在不同溶剂中的相互作用可以得到解决（ 图2和3）。在浓度不够高的生物聚合物分子彼此重叠，它们的浓度依赖性为1.4左右（ 图3），这是与其它聚合物的良溶剂3,4报道值相符。经过生物聚合物分子开始纠缠，具体粘度表现出的浓度要高得多的依赖。较大的N值表示一个强大的分子间相互作用。许多无规线圈多糖表现出类似的浓度依赖性，具有大约3.3 14的n值。普鲁兰多糖表现出比淀粉相互作用较强HIG中的溶剂ħDMSO含量，这可能是由于两种生物聚合物的分子性质。所使用的淀粉有一些高度支化的组分（约20％支链淀粉），而支链淀粉应该是线性的。当然，分子量，这是未知的，也有一定的影响。
缠结浓度将取决于在该分散液中的生物聚合物的构象。例如，淀粉在92.5％的缠结浓度（重量/体积）的DMSO水溶液是远低于在纯DMSO中11。这意味着，在一个更扩展的构象存在于92.5％的淀粉分子（重量/体积）的DMSO水溶液中以使它们占据了较大的流体动力学体积，并趋向于更容易地重叠。支链淀粉的缠绕浓度没有变化为显着的那些淀粉具有不同溶剂的质量，这可能是因为水和DMSO都是良溶剂的支链淀粉和对分子的构象的影响不大。水，这是不是一个好溶剂淀粉，制成场景复杂得多，因为不溶解的淀粉分子会影响流变响应。
纺好的纤维中，浓度必须是1.2-2.7和1.9-2.3x缠结浓度为淀粉和支链淀粉，分别（ 图4和5）。这个范围是支链淀粉窄，大概也由于在溶剂中较少的构象差异。这是非常有趣地注意到，在缠结浓度的分散体中，当聚合物开始相互缠结，没有electrospinnable。大概，涉及可能已经建立在静态和低剪切条件，从而增强和足够缠结，需要静电阻碍链重叠和长范围的聚合物相互作用的高剪切力。此外，剪切粘度也发挥了重要作用（ 图6）。该electrospinnable淀粉和普鲁兰DISPERS离子陷入了类似的一系列剪切粘度在100秒-1，用2.2帕·秒的上限。
本文所描述的方法可以对应于该设备与在其他研究中所使用的材料进行修改。聚合物的溶解是在这个协议中的第一个关键步骤，因为我们发现，部分溶解的淀粉分散体（ 例如 ，在85％（W / V）的DMSO）产生，阻止准确测定居权证不稳定的稳态剪 切粘度数据。在进行稳态剪切测量，我们宁愿从最高剪切速率下启动。通过这样做，将分散液均匀地通过高剪切速率的帮助分布在间隙内。静电纺丝工序需要大量的实践。应注意，以液滴的针尖的形状变化。静电纺丝过程中的安全注意事项是不容忽视的。静电纺丝的主要危险来自于日使用高压ê过程中，虽然在当前是比较低的。电纺丝实验应在通风橱中以驱逐溶剂蒸气可能构成对健康的危害，如果一个被暴露于它很长一段时间来进行。避免接近的距离，甚至在带电针尖和凝固浴之间的联系，因为这些会导致短路和火灾的危险。
在目前的研究中所用的流变性的方法是有限制的。例如，应当注意的是，涉及在电纺丝的实际剪切速度是大于100秒-1 1高得多。除了 剪切流变学研究，伸长流变，其特征分散体的拉伸沿着轨迹，也可发挥重要作用15。在本研究中使用的流变仪是不能够表征拉伸粘度的。
流变学研究可以提供有关dispe生物大分子构象有价值的信息rsions和其加工性能。该协议是在许多其他生物聚合物及其共混静电可能有用，在溶剂系统的选择，参数优化和纤维形成机制在分子水平上。
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Disclosures
作者宣称，他们什么都没有透露。
Acknowledgments
这项工作是由美国农业部国家研究所的粮食和农业，国家竞争力的资助计划，国家研究计划项目71.1 2007年度部分资金作为批准号：2007-35503-18392和美国国立卫生研究院，研究院过敏和传染病，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
- 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.
- 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).
