Molekylær Indvikling og Electrospinnability biopolymerer

Summary

Electrospinning er et fascinerende teknik, der anvendes til at fremstille mikro-til nanoskala fibre fra en bred vifte af materialer. Molekylær sammenfiltring af de konstituerende polymerer i spindeopløsningen er afgørende for en vellykket electrospinning. Vi præsenterer en protokol for at udnytte rheologi at evaluere electrospinnability af to biopolymerer, stivelse og pullulan.

Abstract

Electrospinning er et fascinerende teknik til at fabrikere mikro til nano-skala fibre fra en bred vifte af materialer. For biopolymerer blev molekylær sammenfiltring af de konstituerende polymerer i spindeopløsningen sig at være en væsentlig forudsætning for en vellykket electrospinning. Rheologi er et kraftfuldt værktøj til at undersøge den molekylære kropsbygning og interaktion af biopolymerer. I denne rapport, vi demonstrere protokollen for at udnytte rheologi at evaluere electrospinnability af to biopolymerer, stivelse og pullulan, fra deres dimethylsulfoxid (DMSO) / vanddispersioner. Velformede stivelse og pullulan fibre med en gennemsnitlig diameter i submikron- til mikrometer blev opnået. Electrospinnability blev vurderet ved visuel og mikroskopisk iagttagelse af de dannede fibre. Ved at korrelere de rheologiske egenskaber af dispersionerne til deres electrospinnability, viser vi, at molekylær konformation, molekylær sammenfiltring og forskydningsviskositet alle påvirke udvalgterospinning. Rheologi er ikke kun anvendelig i udvælgelsen opløsningsmiddelsystem og procesoptimering, men også i at forstå mekanismen for fiberdannelse på molekylært niveau.

Introduction

Electrospinning er en teknik, der er i stand til at producere kontinuerlig mikro til nanoskala fibre fra en bred vifte af materialer. Det har fået stigende akademisk og industriel interesse ^1. Selvom opsætningen og praksis electrospinning synes ligetil, evnen til at forudsige electrospinnability og kontrollere fiberegenskaber fortsat en udfordring. Grunden kan ligge i det faktum, at der er mange faktorer, der påvirker elektrospinningsprocessen ² og den proces, især den bane af fibre, er kaotisk ^1. Ofte en empirisk "cook-and-look" fremgangsmåde anvendes til screening af potentielle electrospinnable materialer. Men for at få bedre kontrol over elektrospinningsprocessen og resulterende fiberegenskaber, en mere fuldstændig forståelse af de mekanismer, der styrer electrospinnability er påkrævet. Flere forskere har fundet, at molekylær sammenfiltring af polymerer i spindeopløsningen er en væsenl forudsætning for en vellykket electrospinning ^{3- 5.}

Rheologi er et kraftfuldt værktøj til at undersøge molekylære kropsbygning og interaktion i polymerdispersioner. For eksempel McKee et al. undersøgte den molekylære konformation af lineære og forgrenede poly (ethylenterephthalat-co-ethylenisophthalat) copolymerer i et opløsningsmiddel indeholdende chloroform / dimethylterephthalat (7/3, v / v), og fastslog, at polymerkoncentrationen skulle være 2-2.5x entanglement koncentrationen for en vellykket electrospinning ^4.

Der er i øjeblikket fornyet interesse for fibre fra biopolymerer på grund af deres fordele i bionedbrydelighed, biokompatibilitet og fornyelighed over for deres syntetiske modparter. Alligevel praktikere konfrontere mange udfordringer, der følger generelt fra deres strukturelle kompleksitet, vanskelighed ved varmebehandling og dårligere mekaniske egenskaber. Stivelse, der findes i plantevæv, er Among den mest udbredte og billige biopolymerer på jorden. Pure stivelse fibre fremstillet ved hjælp af en elektro-vådspinding apparat blev for nylig beskrevet ^6. Pullulan er et lineært polysaccharid produceres ekstracellulært ved visse bakterier. Den regelmæssige vekslen af (1 → 4) og (1 → 6) -glucosidbindinger menes at være ansvarlig for adskillige karakteristiske egenskaber af pullulan, herunder fremragende fiber / filmdannende kapacitet ^7,8. Electrospinning pullulan fibre fra vandig dispersion er blevet rapporteret af en række forskere ^9,10. I vores tidligere publikationer har electrospinnability af to biopolymerer, stivelse ¹¹ og pullulan ^12, er blevet drøftet. Denne rapport fokuserer på at demonstrere protokollen for at udnytte reologiske principper i efterforskningen af ​​electrospinnability af disse to biopolymerer.

Protocol

1. spindeopløsningen Forberedelse

1. Forbered en række biopolymer koncentrationer, der skal undersøges (0,1% til 30%, w / v) og sørg for at overveje fugtindholdet biopolymerens pulver i disse beregninger. For hver koncentration, vejer biopolymeren (stivelse eller pullulan) pulver i et 50 ml reagensglas. Tilføj vandig dimethylsulfoxid (DMSO) opløsning og en omrører.
2. Glasset anbringes i kogende vand under konstant omrøring på en magnetomrører kogeplade.
3. Efter omkring 1 time slukkes varmen og lad dispersionen afkøle til stuetemperatur. Dispersionen er derefter klar til rheologisk prøvning og elektrospinning.

2. Steady Shear Rheologi

1. Varm op reometeret og sætte scenen temperatur ved 20 ° C. Kalibrer kløften mellem sonden (25 mm kegle brugt) og scenen (plade).
2. Belastning 0,41 ml biopolymerens spredning på midten af ​​scenen og sænk sonden at indstille Posi-på (0,053 mm hul til 25 mm konus). Sørg for, at spredningen jævnt spreder i hullet.
3. Udfør reologiske test med følgende eksperimentelle parametre: feje: log, initial: 100 sek ^-1, endelige sats: 0,1 sek ^-1, peger per årti: 10, forsinkelse, før foranstaltningen: 5 sek, måle tid: 10 sek, og retninger for hver foranstaltning: to (både med og mod uret).
4. Analyser reologiske data til at anslå passende dispersionsegenskaber koncentrationer i electrospinning forsøg.
   1. Plot tilsyneladende forskydningsviskositet mod forskydningshastigheder som en funktion af polymerkoncentrationer. For hver flowkurve, tilnærmelsesvis nul forskydningsviskositet, η _0, af den faktiske eller ekstrapolerede værdier (fx ved lave koncentrationer, hvor de lave forskydningshastighed data er upålidelige) for tilsyneladende viskositet på 0,1 sek ^{- 1.}
   2. Beregn specifik viskositet η _sp = (η ₀ - η _r)/ η _s, hvor η _er viskositeten af opløsningsmidlet.
   3. Plot specifikke viskositeter som en funktion af koncentration. Identificer semidilute unentangled og sammenfiltrede regimer. Den semidilute unentangled regime begynder fra den lave koncentration ende med en lille hældning, og semidilute viklet regime har en større hældning efter unentangled regime. Fit power-lov regressionsmodeller i begge regimer. De elektriske værdier er skråninger (koncentrationsafhængighed) i semidilute unentangled og sammenfiltrede regimer på en log-log plot. Skæringspunktet mellem de to indbyggede linjer er koncentrationen entanglement, C _e.

3. Electrospinning Parameter Variation

1. Saml elektrospinningsprocessen opsætningen som vist i figur 1. Læg sprøjten med dispersion af passende sammensætning, fx 15% (vægt / volumen) stivelse eller pullulan i 100% DMSO, på sprøjtepumpen. Klip den høje spænding ledning (positive) til nålen. Tilslut koaguleringsbadet indeholder ren ethanol til jord ved at nedsænke jordledningen (negativ) i badet. Brug en lab jack at justere afstanden mellem kanylen og koaguleringsbadet. Fordyb et metalgitter i badet til at indsamle fibermåtten efter electrospinning.
2. Spin biopolymeren i følgende parameterområder: tilspænding 0,1-0,4 ml / time, spinning afstand fra 5 til 10 cm, og spændingen fra 0 til 15 kV.
   1. Start med en spinding afstand af 5 cm. For første tilspænding (0,1 ml / h), rampe spændingen langsomt fra 0 V. Vær opmærksom på formen af ​​dispersionen ekstruderet ved nålespidsen og bemærke, når den dryppende dispersion accelereres og derefter langstrakt.
   2. Bemærk den spænding, ved hvilken en lille stråle initieres fra drop overflade, hvilket indikerer electrospinnability af opløsningen. Optag spændingen på der indleder en kontinuerlig stråle, hvis nogen.
   3. Undersøg det komplette sortiment for hver af de tre parameteRS og note succesfulde spinning forhold. Saml fibrene, når der er en kontinuerlig stråle fra spidsen.
3. Efter et par minutter af indsamling, skyl fibermåtten med ren ethanol. Placer fibermåtten i en ekssikkator indeholdende tørremiddel under vakuum.
4. Gentag proceduren for hver biopolymere koncentration for fuldstændig karakterisering.

Figur 1. Skematisk tegning af elektro-wet-spinning opsætningen. Er Biopolymeren dispersion ekstruderet fra en sprøjte pumpe. En høj spænding DC strømforsyning giver høj spænding til stump nål og grunde koaguleringsbadet. Polymeren stråle fra nålens spids bevæger sig gennem en lige vej og derefter udvikler en hurtig piskning sti (alias piskning ustabilitet).

4. Morfologisk karakterisering

1. Klip et stykke tørret fiber måtten og immobilisere det på en SEM-stub ved hjælp af kulstof tape.
2. Indlæse prøve stub i SEM instrumentet og få billederne til analyse.

Representative Results

Flow kurver biopolymer dispersioner som en funktion af biopolymer koncentration og DMSO-koncentration i opløsningsmiddel blev opnået. To repræsentative tal viser de flowkurver stivelse (figur 2A) og pullulan (figur 2B) som en funktion af deres koncentration i ren DMSO opløsningsmiddel. De specifikke viskositeter blev plottet mod koncentrationen biopolymer (figur 3A for stivelse og 3B for pullulan). Af disse grunde blev entanglement koncentrationer opnået som skæringen af ​​de monterede linjer i semidilute unentangled og semidilute indfiltret regimer.

Figur 2. Flow-kurver for (A) Gelose 80 stivelse og (B) pullulan i rent DMSO som en funpå koncentration (%, w / v) ved 20 ° C. I begge figurer, stivelse og pullulan af lave koncentrationer var mindre tyktflydende til at producere tilstrækkelig drejningsmoment ved lave forskydningshastigheder. Disse upålidelige data blev derfor ikke plottet. I almindelighed er de to biopolymerer viste newtonsk opførsel ved lave koncentrationer, dvs den tilsyneladende forskydningsviskositet var uafhængig af forskydningshastigheden. Forskydningsfortynding blev tilsyneladende som deres koncentrationen stiger, især over 10% (w / v). Alligevel forskydningsfortyndingsopførsel var svag. 15% og 20% (w / v) pullulan dispersioner viste kun den tidlige fase af kraftlov regionen ved høje forskydningshastigheder, medens stivelsesdispersioner ikke viser signifikant reduktion i viskositet over forskydningshastighed området fra 0,1 til 100 sek ^{- 1.} Genoptrykt med tilladelse fra ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, og med tilladelse fra ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Figur 3. Plot af specifik viskositet versus (A) Gelose 80 stivelse og (B) pullulan koncentration i ren DMSO. Skråningerne af de monterede linjer i semidilute unentangled (venstre side) og semidilute viklet (højre side) regimer angives koncentrationen afhængighed af specifik viskositet, alias skalering afhængighed ^4. Pullulan viste stærkere koncentration afhængighed end stivelse i sammenfiltrede regime. Skæringen af de to indbyggede linjer blev betegnet som entanglement koncentration (c _e), hvor biopolymerer begynder at overlappe i dispersion. Stivelse krævede en højere koncentration end pullulan at begynde indfiltringsnet. Genoptrykt med tilladelse fra ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, og med tilladelse fra ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Electrospinning blev forsøgt for helebiopolymer dispersioner og resultater vurderes ud fra electrospinnability, dvs jet evne til at danne under electrospinning, og morfologi af fibrene dannet. En dispersion af god electrospinnability dannede en stabil og kontinuerlig stråle, der resulterede i kontinuerlige og glatte fibre uden dråber. En dispersion, der ikke var i stand til at electrospin ikke kunne danne en stabil stråle eller udvikle piskning ustabilitet. Enten bittesmå dråber eller tykke fibre blev indsat på koaguleringsbadet. Figur 4 viser repræsentative gode og dårlige fibre evalueret fra deres udseende. Figur 5 opsummerer evaluering af electrospinnability ved varierende koncentrationer af DMSO i opløsningsmiddel, og biopolymeren i dispersion til stivelse og pullulan henholdsvis . Ud over sammenfiltringsfarezoner koncentrationer forskydningsviskositet på 100 ^sek-1 blev plottet mod biopolymer koncentration, hvor regioner electrospinnability blev betegnet (figur 6). >

Figur 4: Scanning-elektronmikrofotografier af god (venstre) og dårlig (til højre) stivelse og pullulan fibre. Gode ​​fibre er jævn, kontinuerlig og tilfældigt orienteret, mens fattige fibre kan have perler, pauser, og dråber, som vist i figuren (røde cirkler). (A) 10% (w / v) Gelose 80 stivelse i 95% (v / v) DMSO, (b) 8% (w / v) Gelose 80 stivelse i 80% (v / v) DMSO, (c) 17 % (w / v) pullulan i 40% (v / v) DMSO, og (d), 9% (w / v) pullulan i 80% (v / v) DMSO. Genoptrykt med tilladelse fra ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, og med tilladelse fra ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

jpg "width =" 500 "/>
Figur 5. Evaluering af electrospinnability af (A) Gelose 80 stivelse og (B) pullulan dispersioner som en funktion af DMSO-koncentration i opløsningsmiddel og biopolymeren koncentration i dispersionen: god electrospinnability (cirkler), dårlig electrospinnability (diamanter) og ude af stand til at electrospin (X'er). Skraverede områder groft repræsenterer electrospinnable regioner. Entanglement koncentrationer også cirka mærkes. Genoptrykt med tilladelse fra ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, og med tilladelse fra ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Figur 6. Shear viskositet (ved 100 ^sek.-1) i (A) Gelose 80 stivelse og (B) pullulan dispersioner som en funktionbiopolymer koncentration i forskellige DMSO / vand opløsningsmidler. Skraverede områder groft repræsenterer electrospinnable regionen. Genoptrykt med tilladelse fra ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, og med tilladelse fra ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Discussion

Rheologi er et vigtigt redskab til at studere behandling af polymerer, herunder traditionelle fiber spinding og electrospinning ^13. Fra den stadige shear reologiske undersøgelser, polymer kropsbygning og interaktion i forskellige opløsningsmidler kan løses (figur 2 og 3). Ved koncentrationer ikke er høj nok til biopolymer molekyler til overlappe hinanden, deres koncentration afhængighed var omkring 1,4 (figur 3), hvilket var i god overensstemmelse med rapporterede værdier af andre polymerer i godt opløsningsmiddel ^3,4. Efter biopolymer molekyler begynder at vikle den specifikke viskositet viste en meget højere afhængighed af koncentration. En større n værdi angiver en stærkere intermolekylære interaktion. Mange tilfældige spole polysaccharider viste lignende koncentration afhængighed, med en n-værdi på cirka 3,3 ^14. Pullulan viste stærkere samspil end stivelse i opløsningsmidler af high DMSO-indholdet, muligvis på grund af den molekylære beskaffenhed af de to biopolymerer. Den anvendte stivelse havde nogle stærkt forgrenede komponenter (~ 20% amylopectin), mens pullulan bør være lineær. Selvfølgelig ville molekylvægtene, som var ukendt, også have indflydelse.

Koncentrationen af ​​sammenfiltring vil afhænge af konformationen af ​​biopolymeren i dispersionen. For eksempel entanglement koncentration af stivelse i 92,5% (w / v) DMSO vandige opløsning er meget lavere end i ren DMSO ^11. Det indebærer, at stivelsesmolekyler eksisterer i en udvidet konformation i 92,5% (w / v) DMSO vandig opløsning, således at de har en større hydrodynamisk volumen og har tendens til lettere at overlappe. Entanglement koncentrationer af pullulan variere ikke så drastisk som dem af stivelse med varierende opløsningsmiddel kvalitet, sandsynligvis fordi både vand og DMSO er gode opløsningsmidler for pullulan og har ringe effekt på den molekylære konformation. Vand, som ikke er en godsolvens til stivelse, gjorde scenariet meget kompliceret, da uopløste stivelsesmolekyler vil påvirke reologiske respons.

At spinde gode fibre, koncentrationen skulle være 1,2-2,7 og 1.9-2.3x entanglement koncentrationen for stivelse og pullulan henholdsvis (figur 4 og 5). Dette område er snævrere for pullulan sandsynligvis også mindre konformation forskel i opløsningsmidler. Det var interessant at bemærke, at en dispersion ved sammenfiltring koncentration, når polymere begynder at sammenfiltre med hinanden, var ikke electrospinnable. Sandsynligvis høj forskydningskraft involveret i electrospinning hæmme kæde overlapning og langtrækkende interaktion polymer, der måske allerede har været etableret ved statiske og betingelser med lav forskydning og dermed en styrket og tilstrækkelig entanglement er påkrævet. Desuden forskydningsviskositet også spillede en vigtig rolle (figur 6). Den electrospinnable stivelse og pullulan dispersioner falder i en række lignende forskydningsviskositet på 100 ^sek-1, med en øvre grænse på 2,2 Pa · sek.

Den her beskrevne procedure kan ændres i korrespondance med udstyr og materialer, der anvendes i andre undersøgelser. Opløsningen af polymerer er det første afgørende skridt i denne protokol, fordi vi fandt, at delvist opløste stivelsesdispersioner (fx i 85% (w / v) DMSO) produceret ustabil konstant forskydningsviskositet data, der forhindrede en nøjagtig bestemmelse af C _e. Mens gennemføre steady shear målinger, foretrækker vi at starte fra den højeste shear rate. Ved at gøre dette, er spredningen jævnt fordelt i hullet ved hjælp af en høj shear rate. Elektrospinningsprocessen trin krævede meget praksis. Man bør være opmærksom på formen ændring af dråben på nålens spids. Sikkerhedsforanstaltninger under electrospinning bør ikke overses. Den største risiko for elektrospinning kommer fra den høje spænding, der anvendes i the proces, selv om den nuværende er forholdsvis lav. Electrospinning eksperimenter bør udføres i et stinkskab med henblik på at udvise opløsningsmiddeldampe der kan udgøre sundhedsfare, hvis man udsættes for det i lang tid. Undgå tæt afstand og jævn kontakt mellem den ladede nålespidsen og koaguleringsbadet, fordi disse vil resultere i en kort og brandfare.

De reologiske metoder i den aktuelle undersøgelse har begrænsninger. For eksempel bør det bemærkes, at den faktiske forskydningshastighed involveret i elektrospinning er meget højere end 100 sek ^{-1 1.} Ud over at forskyde rheologi undersøgt forlængelsesviskositeten rheologi, som kendetegner den strækning af dispersionen langs bane, kan også spille en vigtig rolle ^15. Reometeret anvendes i denne undersøgelse ikke er i stand til at karakterisere forlængelsesviskositeten viskositet.

Reologiske undersøgelser kan give værdifulde oplysninger om biopolymert kropsbygning i dispersions og deres bearbejdning egenskaber. Denne protokol er potentielt nyttig i elektrospinning mange andre biopolymerer og deres blandinger i form af valg af opløsningsmiddel-systemet, optimering af parametre og fiberdannende mekanisme på et molekylært niveau.

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