Summary
Électrofilage est une technique utilisée pour fabriquer fascinant de micro-fibres à l'échelle nanométrique dans une grande variété de matériaux. Enchevêtrement moléculaire des polymères constitutifs de la solution de filage est essentiel pour la réussite électrofilage. Nous présentons un protocole pour l'utilisation de la rhéologie d'évaluer la electrospinnability de deux biopolymères, amidon et pullulane.
Abstract
Électrofilage est une technique pour fabriquer des micro fascinant de fibres à l'échelle nanométrique dans une grande variété de matériaux. Pour biopolymères, enchevêtrement moléculaire des polymères constitutifs de la solution de filage a été trouvé à être une condition préalable essentielle pour électrofilature succès. La rhéologie est un outil puissant pour sonder la conformation moléculaire et l'interaction des biopolymères. Dans ce rapport, nous démontrons le protocole à utiliser pour évaluer la rhéologie electrospinnability de deux biopolymères, de l'amidon et le pullulane, de leur sulfoxyde de diméthyle (DMSO) / dispersion d'eau. Bien formés amidon et fibres de pullulane avec des diamètres moyens dans la submicronique pour ordre du micron ont été obtenus. Electrospinnability a été évaluée par observation visuelle et microscopique des fibres formées. En corrélant les propriétés rhéologiques des dispersions à leur electrospinnability, nous démontrons que la conformation moléculaire, enchevêtrement moléculaire et la viscosité de cisaillement affectent tous élusrospinning. La rhéologie est non seulement utile dans le choix du système de solvant et d'optimisation de processus, mais également à la compréhension du mécanisme de formation de la fibre à un niveau moléculaire.
Introduction
Électrofilage est une technique qui est capable de produire en continu de micro-fibres à l'échelle nanométrique dans une grande variété de matériaux. Il a gagné en intérêt académique et industrielle 1. Bien que la configuration et la pratique de électrofilature semblent simples, la capacité de prévoir et de contrôler electrospinnability propriétés de la fibre reste un défi. La raison peut résider dans le fait qu'il ya beaucoup de facteurs qui influent sur le processus de électrofilature 2 et le processus, en particulier le chemin parcouru par la fibre, est chaotique 1. Souvent, une approche empirique "cook-and-look" est utilisé pour le dépistage des matériaux electrospinnable potentiels. Cependant, pour obtenir un meilleur contrôle sur le processus de électrofilature et les propriétés des fibres obtenues, une compréhension plus complète des mécanismes qui régissent electrospinnability est nécessaire. Plusieurs chercheurs ont constaté que l'enchevêtrement moléculaire de polymères dans la solution de filage est une essential condition préalable pour l'électrofilage réussie de 3 à 5.
La rhéologie est un outil puissant pour sonder la conformation moléculaire et d'interaction dans des dispersions de polymères. Par exemple, McKee et al. étudié la conformation moléculaire linéaire et ramifié poly (éthylène téréphtalate-co-isophtalate d'éthylène), les copolymères dans un solvant contenant un mélange chloroforme / téréphtalate de diméthyle (3.7, v / v), et a déterminé que la concentration en polymère doit être 2-2.5x la concentration d'enchevêtrement pour électrofilature succès 4.
Il est actuellement un regain d'intérêt dans les fibres de biopolymères en raison de leurs avantages en biodégradabilité, la biocompatibilité et de renouvellement vis-à-vis de leurs homologues synthétiques. Pourtant, les praticiens sont confrontés à de nombreux défis découlant généralement de leur complexité structurelle, de la difficulté dans le traitement thermique et les propriétés mécaniques inférieures. Amidon, qui se trouve dans les tissus végétaux, est among biopolymères les plus abondants et bon marché sur la terre. Fibres d'amidon pur fabriqués en utilisant un appareil d'électro-filage au mouillé ont été récemment décrit 6. Le pullulane est un polysaccharide linéaire de façon extracellulaire produite par certaines bactéries. L'alternance régulière de (1 → 4) et (1 → 6) glucosidiques sont soupçonnés d'être responsables de plusieurs propriétés distinctives de pullulane, y compris une excellente fibre / filmogène capacité 7,8. Électrofilage de fibres de dispersion aqueuse de pullulane a été rapportée par plusieurs chercheurs 9,10. Dans nos publications antérieures, le electrospinnability de deux biopolymères, amidon 11 et 12 pullulane, a été discutée. Ce rapport met l'accent sur la démonstration du protocole pour l'utilisation de principes rhéologiques à l'enquête de la electrospinnability de ces deux biopolymères.
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Protocol
1. Dope Spinning Préparation
- Préparez une gamme de concentrations de biopolymères à étudier (0,1% à 30%, p / v) et assurez-vous de considérer la teneur en humidité de la poudre de biopolymère dans ces calculs. Pour chaque concentration, peser le biopolymère (amidon ou le pullulane) en poudre dans un tube à essai de 50 ml. Ajouter aqueuse de diméthylsulfoxyde (DMSO) solution et une barre d'agitation.
- Placer le tube dans l'eau bouillante avec une agitation constante sur un agitateur magnétique chauffant.
- Après environ 1 h, éteindre le feu et laisser refroidir la dispersion à la température ambiante. La dispersion est alors prêt pour les essais rhéologiques et électrofilage.
2. Steady cisaillement Rhéologie
- Faire chauffer le rhéomètre et régler la température de l'étape à 20 ° C. Calibrer l'écart entre le (mm cône 25 utilisé) sonde et la scène (plaque).
- Charge 0,41 ml de la dispersion de biopolymère sur le centre de la scène et descendre la sonde pour régler la positisur (écart de 0,053 mm pour 25 mm cône). Assurez-vous que la dispersion s'étend uniformément dans l'intervalle.
- Effectuer le test rhéologique avec les paramètres expérimentaux suivants: mode de balayage: log, le taux initial: 100 sec -1, le taux final: 0,1 sec -1, les points par décennie: 10, délai avant mesure: 5 secondes, mesurer le temps: 10 sec, et les directions par mesure: deux (deux dans le sens horaire et anti-horaire).
- Analyser les données rhéologiques pour estimer les concentrations de dispersion appropriées pour électrofilature essais.
- Tracer les viscosités de cisaillement apparente par rapport aux taux de cisaillement en fonction de la concentration de polymère. Pour chaque courbe de débit, approximatives viscosités de cisaillement zéro, η 0, par les valeurs réelles ou extrapolées (par exemple, à de faibles concentrations où les données à faible taux de cisaillement ne sont pas fiables) pour la viscosité apparente à 0,1 sec - 1.
- Calculer viscosité spécifique: η sp = (η 0 - η s)/ η s, où η s est la viscosité du solvant.
- Tracer les viscosités spécifiques en fonction de la concentration. Identifier les régimes non enchevêtrées et entremêlées de semi-dilution. Le régime de semi-dilution non enchevêtrées commence à partir de l'extrémité inférieure de concentration avec une petite pente, et le régime de semi-dilution empêtré a une plus grande pente sur le régime non enchevêtrées. Modèles en loi de puissance régression Fit dans les deux régimes. Les valeurs de puissance sont les pistes (de dépendance de concentration) dans les régimes non enchevêtrées et entremêlées de semi-dilution sur un terrain log-log. L'intersection des deux lignes ajustées est la concentration d'enchevêtrement, c e.
3. Électrofilage paramètre Variation
- Assembler l'installation d'électrofilage, comme illustré sur la figure 1. Charger la seringue avec la composition de dispersion approprié, par exemple, 15% (p / v) de l'amidon ou du pullulane dans 100% de DMSO, sur la pompe à seringue. Fixez le fil à haute tension (positive) à l'aiguille. Connecter le bain de coagulation contenant de l'éthanol pur à la masse en immergeant le fil de terre (négative) dans le bain. Utilisation d'un vérin de laboratoire pour régler la distance entre l'aiguille de seringue et le bain de coagulation. Immerger un treillis métallique dans le bain pour recueillir le mat de fibres après l'électrofilage.
- Faites tourner la biopolymère dans le paramètre suivant varie: débit d'alimentation de 0,1 à 0,4 ml / h, la distance filature de 5 à 10 cm, et la tension de 0 à 15 kV.
- Commencer avec une distance de filage de 5 cm. Pour la première vitesse d'alimentation (0,1 ml / h), la rampe de la tension lentement de 0 V. Faites attention à la forme de la dispersion extrudé à la pointe de l'aiguille et noter lorsque la dispersion de gouttes est accéléré et allongée.
- Notez la tension à laquelle un petit jet lancé à partir de la surface de la goutte, ce qui indique electrospinnability de la solution. Enregistrer la tension à laquelle un jet continu entame, le cas échéant.
- Examinez la gamme complète pour chacun des trois parameters et notes conditions de filage succès. Recueillir les fibres seulement quand il ya un jet continu de la pointe.
- Après quelques minutes de collecte, de rincer le matelas de fibres avec de l'éthanol pur. Placer le matelas de fibres dans un dessiccateur contenant un agent déshydratant sous vide.
- Répétez l'opération pour chaque concentration de biopolymère pour la caractérisation complète.
Figure 1: Représentation schématique de la configuration de l'électro-filage au mouillé. Dispersion de biopolymère est extrudé à partir d'une pompe à seringue. Un courant continu haute tension alimentation fournit la haute tension à l'aiguille émoussée et motifs du bain de coagulation. Le jet de la pointe de l'aiguille de polymère se déplace dans le droit chemin et se développe ensuite un chemin à fouetter rapide (aka fouetter instabilité).
4 Caractérisation morphologique
- Coupez un morceau de tapis de fibre séchée et l'immobiliser sur un MEB à l'aide de ruban de carbone.
- Chargez l'échantillon talon dans l'instrument SEM et obtenir des images pour l'analyse.
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Representative Results
les courbes d'écoulement des dispersions de biopolymères, en fonction de la concentration du biopolymère et la concentration en solvant DMSO ont été obtenus. Deux figures représentatives montrent les courbes d'écoulement de l'amidon (figure 2A) et le pullulane (figure 2B) en fonction de leur concentration dans le solvant de DMSO pur. Les viscosités spécifiques ont été tracées par rapport à la concentration de biopolymère (figure 3A pour l'amidon et la figure 3B pour pullulane). A partir de ces parcelles, les concentrations d'enchevêtrement ont été obtenus comme étant l'intersection des lignes ajustées à la non enchevêtrées de semi-dilution et les régimes de semi-dilution empêtré.
Figure 2: les courbes de débit de (A) 80 Gélose amidon et (B) dans du DMSO pur pullulane comme une fonctsur la concentration (% p / v) à 20 ° C. Dans les deux figures, le pullulane et l'amidon de faibles concentrations sont moins visqueux pour produire un couple suffisant à des taux de cisaillement faibles. Ces données peu fiables ne sont donc pas représentées. En général, les deux biopolymères ont montré un comportement newtonien à faible concentration, à savoir la viscosité de cisaillement apparente est indépendante du taux de cisaillement. Rhéofluidifiant est apparu que leur concentration augmente, surtout au-delà de 10% (p / v). Pourtant, le comportement de fluidification par cisaillement est faible. Les 15% et 20% (p / v) des dispersions de pullulane seulement montré la phase précoce de la région de loi de puissance à taux de cisaillement élevés, tandis que les dispersions de l'amidon n'ont pas montré une réduction significative de la viscosité dans la gamme de taux de cisaillement de 0,1 à 100 s - 1. Reproduit avec la permission de ref 11, Copyright (2012) de l'American Chemical Society, et avec la permission de ref 12, Copyright (2014) Elsevier.
Figure 3 Terrain de viscosité spécifique par rapport à (A) Gélose 80 amidon et (B) concentration pullulane dans le DMSO pur. Les pentes des droites ajustées en semi-dilution non enchevêtrées (côté gauche) et la semi-dilution empêtré (côté droit) régimes indiquent la fonction de la concentration de la viscosité spécifique, mise à l'échelle aka dépendance 4. Pullulan a montré la dépendance de plus forte concentration de l'amidon dans le régime enchevêtré. L'intersection des deux lignes ajustées a été nommé comme la concentration d'enchevêtrement (c e) au cours de laquelle les biopolymères commencent à se chevaucher dans la dispersion. L'amidon a nécessité une concentration plus élevée que le pullulane à commencer d'enchevêtrement. Reproduit avec la permission de ref 11, Copyright (2012) de l'American Chemical Society, et avec la permission de ref 12, Copyright (2014) Elsevier.
Électrofilage a été tentée pour l'ensemble de l'dispersions de biopolymères, et les résultats jugés en termes de electrospinnability, c'est à dire la capacité à former jet pendant électrofilage, et la morphologie des fibres formées. Une dispersion de bon electrospinnability formé un jet stable et continue qui a abouti à fibres continues et lisses sans gouttelettes. Une dispersion qui n'était pas en mesure de electrospin ne pouvait pas former un jet stable ou développer fouetter instabilité. Soit les fines gouttelettes ou de fibres d'épaisseur a été déposé dans le bain de coagulation. Figure 4 montre bien représentatif et fibres pauvres évalués à partir de leur apparence. Figure 5 résume l'évaluation de electrospinnability à des concentrations de DMSO dans du solvant et le biopolymère de dispersion variable pour l'amidon et le pullulane, respectivement . En plus de l'enchevêtrement des concentrations, les viscosités de cisaillement de 100 s-1 ont été tracée contre la concentration de biopolymère, où les régions de electrospinnability ont été notés (figure 6). >
Figure 4: microscopie électronique à balayage de la bonne (à gauche) et pauvres (à droite) de l'amidon et des fibres de pullulane. Bonnes fibres sont lisses, continus et orientées de manière aléatoire, tandis que les fibres pauvres peuvent avoir des perles, les pauses, et les gouttelettes, comme indiqué sur la figure (cercles rouges). (A) 10% (p / v) 80 Gélose à l'amidon à 95% (v / v) de DMSO, (b) 8% (p / v) 80 Gélose à l'amidon à 80% (v / v) de DMSO, (c) 17 % (p / v) de pullulane dans 40% (v / v) de DMSO, et (d) 9% (p / v) de pullulane dans 80% (v / v) de DMSO. Reproduit avec la permission de ref 11, Copyright (2012) de l'American Chemical Society, et avec la permission de ref 12, Copyright (2014) Elsevier.
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Figure 5 Évaluation de electrospinnability de (A) Gélose 80 amidon et (B) des dispersions de pullulane en fonction de la concentration de DMSO dans la concentration du solvant et biopolymère dans la dispersion: bon electrospinnability (cercles), pauvre electrospinnability (diamants), et incapable de electrospin (les X). Les zones ombrées représentent environ régions electrospinnable. Concentrations enchevêtrement sont également environ étiquetés. Reproduit avec la permission de ref 11, Copyright (2012) de l'American Chemical Society, et avec la permission de ref 12, Copyright (2014) Elsevier.
Figure 6 viscosité de cisaillement (100 s-1) de (A) 80 gélose amidon et (B) les dispersions de pullulane en tant que fonctionde concentration de biopolymère dans différents solvants DMSO / eau. Les zones ombrées représentent environ la région electrospinnable. Reproduit avec la permission de ref 11, Copyright (2012) de l'American Chemical Society, et avec la permission de ref 12, Copyright (2014) Elsevier.
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Discussion
La rhéologie est un outil essentiel pour étudier le traitement des polymères, y compris le filage de fibres classiques et électrofilage 13. D'après les études régulières cisaillement rhéologiques, la conformation des polymères et leurs interactions dans différents solvants peuvent être résolus (figures 2 et 3). A des concentrations suffisamment élevées pour ne pas les molécules de biopolymères se chevauchent les uns aux autres, leur dépendance à la concentration était d'environ 1,4 (Figure 3), ce qui est en bon accord avec les valeurs rapportées des autres polymères en bon solvant 3,4. Une fois que les molécules de biopolymère commencent à s'enchevêtrer, la viscosité spécifique a montré une dépendance à la concentration beaucoup plus élevée. Une valeur supérieure de n indique une interaction intermoléculaire forte. De nombreux polysaccharides hélicoïdaux aléatoires ont montré la dépendance de la concentration similaire, avec une valeur de n de l'ordre de 3,3 14. Pullulan montré une interaction plus forte que l'amidon dans des solvants de high teneur en DMSO, probablement en raison de la nature moléculaire des deux biopolymères. L'amidon utilisé avait des composants hautement ramifiés (~ 20% d'amylopectine), tandis que le pullulane doit être linéaire. Bien sûr, les poids moléculaires, qui étaient inconnues, auraient également une influence.
La concentration d'enchevêtrement dépend de la conformation du biopolymère à la dispersion. Par exemple, la concentration de l'amidon dans l'enchevêtrement de 92,5% (p / v) de solution aqueuse de DMSO est très inférieure à celle dans du DMSO pur 11. Il implique que les molécules d'amidon existent dans une conformation plus étendue dans 92,5% (p / v) de solution aqueuse de DMSO de sorte qu'ils occupent un volume hydrodynamique plus grande tendance à se chevaucher et plus facilement. Les concentrations d'enchevêtrement de pullulane ne varient pas de façon aussi radicale que celles de l'amidon avec une qualité variable solvant, sans doute parce que l'eau et le DMSO sont de bons solvants pour le pullulane et ont peu d'effet sur la conformation moléculaire. L'eau, qui n'est pas un bonsolvant pour l'amidon, a fait le scénario bien compliqué, puisque les molécules d'amidon non dissous aurait une incidence sur la réponse rhéologique.
Pour tourner bonnes fibres, la concentration doit être 1.2 à 2.7 et 1.9-2.3x la concentration d'enchevêtrement pour l'amidon et le pullulane, respectivement (figures 4 et 5). Cette gamme est plus étroite pour le pullulane, probablement aussi en raison de moins de différence de conformation dans les solvants. Il est intéressant de noter que la dispersion à la concentration d'enchevêtrement, lorsque des polymères commencent à s'enchevêtrer les uns aux autres, n'était pas electrospinnable. Probablement, la force de cisaillement élevé impliqué dans électrofilature entraver chevauchement de la chaîne et de l'interaction de polymère à longue portée qui auraient déjà été mis en place dans des conditions de cisaillement statiques et faibles, et donc un enchevêtrement amélioré et suffisante est nécessaire. En outre, la viscosité de cisaillement a également joué un rôle important (figure 6). L'amidon electrospinnable et dispers pullulaneions entrent dans la même gamme de viscosité de cisaillement à 100 s -1, avec une limite supérieure de 2,2 Pa · s.
La procédure décrite ici peut être modifiée en correspondance avec le matériel et les matériaux utilisés dans d'autres études. La dissolution de polymères est la première étape critique dans ce protocole, car nous avons trouvé que les dispersions d'amidon partiellement dissous (par exemple, dans 85% (p / v) de DMSO) produit instable données stable de viscosité de cisaillement qui empêchait une détermination précise de c e. Bien que la réalisation de mesures de cisaillement stable, nous préférons commencer par le taux de cisaillement élevé. Ce faisant, la dispersion est distribuée de manière uniforme à l'intérieur de la fente à l'aide d'un taux de cisaillement élevé. L'étape de électrofilature requis beaucoup de pratique. Une attention particulière devrait être accordée à la modification de la forme de la goutte à la pointe de l'aiguille. Consignes de sécurité pendant électrofilature ne doivent pas être négligés. Le principal danger de électrofilature vient de la haute tension utilisés dans eProcédé de e, bien que le courant est relativement faible. expériences de Électrofilage doivent être effectuées dans une hotte pour chasser les vapeurs de solvants qui peuvent présenter des risques pour la santé si l'on est exposé à elle pendant une longue période. Eviter tout contact avec la distance et même entre la pointe de l'aiguille chargée et le bain de coagulation, car ceux-ci se traduira par un risque à court et à feu.
Les méthodes rhéologiques utilisés dans la présente étude ont des limites. Par exemple, il convient de noter que le taux de cisaillement effectif impliqué dans électrofilage est très supérieure à 100 s-1 1. En plus de la rhéologie de cisaillement étudiée, de la rhéologie à l'allongement, qui caractérisent l'étirage de dispersion le long de la trajectoire, peuvent également jouer un rôle important 15. Le rhéomètre utilisé dans cette étude ne sont pas capables de caractériser viscosité à l'allongement.
Études rhéologiques peuvent fournir de précieuses informations sur la conformation biopolymère dans dispersions et leurs propriétés de traitement. Ce protocole est potentiellement utile dans électrofilage de nombreux autres biopolymères et leurs mélanges, en termes de choix du système solvant, l'optimisation de paramètres, et les fibres formant mécanisme au niveau moléculaire.
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Disclosures
Les auteurs déclarent qu'ils n'ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail est financé en partie par l'Institut national de l'USDA pour l'alimentation et l'agriculture, Programme national de l'octroi des subventions, Programme national de l'Initiative de recherche 71,1 exercice 2007, Grant n ° 2007-35503-18392, et les instituts nationaux de la santé, Institut pour l'allergie et des maladies infectieuses , 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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