Summary
Электроформования является увлекательным метод, используемый для изготовления микро к нано-волокон из широкого спектра материалов. Молекулярная запутывание учредительных полимеров в прядильного раствора имеет важное значение для успешного электропрядения. Мы приводим протокол для использования реологические оценить electrospinnability двух биополимеров, крахмала и пуллулан.
Abstract
Электроформования является увлекательным техники для изготовления микро чтобы нано-волокон из широкого спектра материалов. Для биополимеров, молекулярной запутывание учредительных полимеров в прядильного раствора было установлено, что необходимым условием для успешного электропрядения. Реология является мощным инструментом для исследования молекулярной конформации и взаимодействия биополимеров. В этом докладе, мы демонстрируем протокол для использования реологические оценить electrospinnability двух биополимеров, крахмала и пуллулан, от их диметилсульфоксид (ДМСО) / вода дисперсии. Были получены Правильно сформированные крахмал и пуллулан волокон со средним диаметром в субмикронных к микронного. Electrospinnability оценивали путем визуального и микроскопическим наблюдением волокон, образованных. Соотнося реологические свойства дисперсий в их electrospinnability, мы показываем, что конформации молекулы, молекулярного запутанности, и сдвиговой вязкости влияют избранныхrospinning. Реология не только полезно в выборе растворителя системы и оптимизации процессов, но и в понимании механизма формирования волокна на молекулярном уровне.
Introduction
Электроформования является метод, который способен производить непрерывную микро к нано-волокон из широкого спектра материалов. Она получила повышение академической и отраслевой интерес 1. Хотя установка и практика электропрядения кажется простым, способность прогнозировать electrospinnability и управлять свойствами волокна остается проблемой. Причина может заключаться в том, что существует множество факторов, влияющих на процесс электропрядения 2 и процесс, особенно пути, по которому волокна, хаотический 1. Часто эмпирический "готовить-и-посмотреть" подход используется для скрининга потенциальных electrospinnable материалы. Тем не менее, для получения лучшего контроля над процессом электропрядения и результирующие свойства волокна, более полное понимание механизмов, которые управляют electrospinnability требуется. Некоторые исследователи обнаружили, что молекулярная запутывание полимеров в прядильного раствора является эссенциял условием для успешного электропрядения 3 до 5.
Реология является мощным инструментом для исследования молекулярной конформации и взаимодействия в полимерных дисперсий. Например, Макки и соавт. исследовали конформации молекулы линейные и разветвленные поли (этилен-со-терефталат-этиленизофталата) сополимеров в растворителе, содержащем хлороформ / диметилтерефталата (7/3, об / об), и определили, что концентрация полимера должен быть 2-2.5x концентрация запутанность для успешного электропрядения 4.
Существует в настоящее время возрождение интереса к волокон из биополимеров, потому что их преимуществ в способности к биологическому разложению, биосовместимость, и возобновляемость по отношению отношению их синтетические аналоги. Однако практикующие столкнуться со многими проблемами, связанными как правило, от их структурной сложности, трудности в термической обработке и низших механических свойств. Крахмал, содержащийся в растительных тканях, является Амонг наиболее распространенными и недорогими биополимеры на земле. Чистые крахмал волокна изготовлены с использованием электро-мокрого прядения аппарат недавно были описаны 6. Пуллулан представляет собой линейный полисахарид получают внеклеточно некоторыми бактериями. Правильное чередование (1 → 4) и (1 → 6) глюкозидные связи, как полагают, отвечает за несколько отличительных свойств пуллулан, в том числе отличной волокна / пленкообразующего возможностей 7,8. Электроформования пуллулана волокон из водной дисперсии, как сообщается посредством ряда исследователей 9,10. В наших предыдущих публикаций, electrospinnability из двух биополимеров, крахмала и 11 пуллулановыми 12, уже обсуждалось. Настоящий доклад посвящен демонстрации протокол для использования реологические принципы в исследовании electrospinnability этих двух биополимеров.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1 прядильного раствора Подготовка
- Подготовить диапазон концентраций биополимеров быть исследованы (на 0,1% до 30%, вес / объем) и не забудьте рассмотреть содержание влаги в биополимера порошка в этих расчетах. Для каждой концентрации, взвешивают биополимер (крахмал или пуллулан) порошка в 50 мл пробирку. Добавить водный диметилсульфоксид решение (ДМСО) и мешалку.
- Поместите пробирку в кипящую воду при постоянном перемешивании с помощью магнитной мешалки плитке.
- После примерно 1 ч, выключить тепло и позволяют дисперсия остыть до комнатной температуры. Затем дисперсию готов к реологической тестирования и электропрядения.
2 Устойчивый сдвиг Реология
- Прогреть реометре и установите температуру стадии при 20 ° С. Калибровка разрыв между (мм конуса 25 используется) зонд и стадии (пластины).
- Нагрузка 0,41 мл дисперсии биополимеров на центр сцены и снизить зонд для установки positiна (0,053 мм зазора для 25 мм конуса). Убедитесь, что дисперсия равномерно распределяет в зазоре.
- Выполните реологические тест со следующими экспериментальными параметрами: режим развертки: войти, начальную скорость: 100 сек -1, окончательная ставка: 0,1 сек -1, указывает на декаду: 10, задержки перед меры: 5 сек, время измерения: 10 сек, и направления в меру: два (оба по часовой стрелке и против часовой стрелки).
- Анализ реологических данных для оценки соответствующие концентрации дисперсионные для электропрядения испытания.
- Участок очевидные вязкости сдвига против скорости сдвига в зависимости от концентрации полимера. Для каждой кривой потока, приближенных вязкости при нулевом сдвиге, η 0, фактическим или экстраполированных значений (например, при низких концентрациях, когда данные при низких скоростях сдвига ненадежны) для кажущейся вязкости при 0,1 сек - 1.
- Рассчитать удельную вязкость: η уд = (η 0 - η ы)/ η с, где η с является вязкость растворителя.
- Участок конкретные вязкости как функцию концентрации. Определить полуразбавленном unentangled и запутанные режимов. Полуразбавленном unentangled режим начинается с низкого конца концентрации с небольшим наклоном, и полуразбавленном запутались режим имеет больший наклон, следующего за unentangled режима. Подходящие модели степенной регрессии в обоих режимах. Значения мощности являются склоны (концентрация зависимость) в полуразбавленных unentangled и запутанных режимов на двойном логарифмическом. Пересечение двух встроенными линий является концентрация запутанности, с £.
3 электропрядения Параметр Вариация
- Сборка установки электроформования, как показано на рисунке 1. Нагрузка шприц с дисперсией соответствующего состава, например, 15% (вес / объем) крахмал или пуллулан в 100% ДМСО, на шприцевой насос. Клип провод высокого напряжения (постулироватьив) к игле. Подключение коагуляционной ванне, содержащей чистый этанол к земле путем погружения провод заземления (отрицательный) в ванну. Используйте домкрат лаборатории для регулировки расстояния между иглой шприца и коагуляции ванной. Погрузить металлическую сетку в ванне для сбора волокнистого мата после электропрядения.
- Крутить биополимер в следующие диапазоны параметров: скорость подачи от 0,1 до 0,4 мл / ч, спиннинг расстоянии от 5 до 10 см, и напряжение от 0 до 15 кВ.
- Начните с вращающимся расстоянии 5 см. Для первой скорости подачи (0,1 мл / ч), нарастить напряжение медленно от 0 В. Обратите внимание на форме дисперсии, экструдированного на кончике иглы и отметить когда дисперсия капает разгоняется и удлиненные.
- Обратите внимание на напряжение, при котором крошечные струи, инициированный с поверхности капель, указывающий electrospinnability раствора. Запишите напряжение, при котором непрерывный струя инициирует, если таковые имеются.
- Изучите полный ассортимент для каждого из трех parameteRS и записные успешные условия формования. Сбор волокна только тогда, когда существует непрерывный струей из наконечника.
- Через несколько минут после сбора, промыть фибролит с чистого этанола. Поместите волокнистого мата в эксикаторе, содержащем осушитель под вакуумом.
- Повторите для каждой концентрации биополимера для полной характеристики.
Рис.1 Схематическое изображение электро-мокрого прядения установки. Дисперсия биополимер экструзии из шприца. Высокого напряжения постоянного тока обеспечивает высокое напряжение к тупой иглой и оснований ванны коагуляции. Полимер струи от кончика иглы проходит через прямой путь, а затем развивается быстрое путь взбитые (ака битья нестабильность).
4 морфологическое описание
- Отрежьте кусок сухого мата и обездвижить его на пенек SEM с помощью копировальной ленты.
- Загрузите образец окурок в прибор SEM и получать изображения для анализа.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Были получены кривые расхода биополимера дисперсий в зависимости от концентрации биополимеров и концентрация ДМСО в растворителе. Два представительные данные показывают кривые текучести крахмала (Фиг.2А) и пуллулан (фиг.2В) в зависимости от их концентрации в чистом ДМСО растворителе. Конкретные вязкости в виде зависимости от концентрации биополимера (Рисунок 3А крахмала и фиг.3Б для пуллулан). Из этих участков, концентрации запутанности были получены в качестве перехвата из встроенными линий в полуразбавленном unentangled и полуразбавленном запутались режимов.
Рисунок 2 кривые расхода (А) Gelose 80 крахмала и (В) пуллулан в чистом ДМСО в качестве функна концентрации (%, вес / объем) при 20 ° С. На обоих рисунках, крахмал и пуллулан низких концентраций были менее вязкой, чтобы производить достаточное количество крутящего момента при низких скоростях сдвига. Эти ненадежные данные, таким образом, не нанесены. В общем, эти два биополимеры показал ньютоновское поведение при низких концентрациях, т.е. вязкость при сдвиге очевидно, не зависит от скорости сдвига. Сдвиге стало очевидным, как их концентрации возрастает, особенно за пределы 10% (вес / объем). Тем не менее поведение разжижения при сдвиге был слаб. 15% и 20% (масса / объем) дисперсии пуллулана только показал на ранней стадии юридической области питания на высоких скоростях сдвига, в то время как крахмал дисперсии не показали значительное снижение вязкости в диапазоне скорости сдвига от 0,1 до 100 сек - 1. Печатается с разрешения из работы 11, Copyright (2012) Американского химического общества, и с разрешения из работы 12, Copyright (2014) Elsevier.
Рисунок 3 Участок удельной вязкости по сравнению с (А) Gelose 80 крахмала и (б) пуллулана концентрации в чистом ДМСО. Склоны встроенными линий в полуразбавленном unentangled (левая сторона) и полуразбавленном запутавшись (правая сторона) режимы указывают концентрационную зависимость удельной вязкости, ака масштабирования зависимость 4. Пуллулан показал сильную зависимость концентрации, чем крахмала в запутанном режима. Точка пересечения двух встроенными линий было названо в качестве концентрационного запутанность (с £), при котором биополимеры начинают перекрываться в дисперсии. Крахмал требует более высокой концентрации, чем пуллулан, чтобы начать запутывание. Печатается с разрешения из работы 11, Copyright (2012) Американского химического общества, и с разрешения из работы 12, Copyright (2014) Elsevier.
Электроформования была предпринята попытка для всехбиополимеров дисперсии, и результаты судить по electrospinnability, т.е. способность струи формирования во электропрядения, и морфология волокон формируется. Дисперсия хорошей electrospinnability сформировали стабильную и непрерывную струю, в результате непрерывных и гладких волокон без капель. Дисперсия, что был не в состоянии electrospin не мог образовывать стабильную струю или разработать взбивания нестабильности. Либо крошечные капельки или толстые волокна были депонированы в коагуляционной ванне. Рисунок 4 показывает представительство хороших и плохих волокна оцениваются по их внешности. Рисунок 5 суммирует оценку electrospinnability на различных концентраций ДМСО в растворителе и биополимер в дисперсии для крахмала и пуллулан, соответственно . В дополнение к запутанности концентрации, сдвига вязкости при 100 с -1 в виде зависимости от концентрации биополимера, где были обозначать регионы electrospinnability (Рисунок 6). >
Рисунок 4: Сканирование электронной микрофотографии хорошей (слева) и плохой (справа) крахмала и пуллулановыми волокон. Хорошие волокна гладким, непрерывным, и ориентированы случайным образом, в то время как бедные волокна могут иметь бусы, перерывы и капли, как показано на рисунке (красные кружки). (А) 10% (вес / объем) Gelose 80 Крахмал в 95% (об / об) ДМСО, (б) 8% (вес / объем) Gelose 80 Крахмал в 80% (об / об) ДМСО, (с) 17 % (вес / объем) пуллулан в 40% (об / об) ДМСО, и (г) 9% (вес / объем) пуллулана в 80% (об / об) ДМСО. Печатается с разрешения из работы 11, Copyright (2012) Американского химического общества, и с разрешения из работы 12, Copyright (2014) Elsevier.
JPG "ширина =" 500 "/>
Рисунок 5 Оценка electrospinnability (А) Gelose 80 крахмал и (B) пуллулановыми дисперсий в зависимости от концентрации ДМСО в концентрации растворителя и биополимеров в дисперсии: хорошее electrospinnability (кружки), плохое electrospinnability (алмазы), и не в состоянии electrospin (крестики). Затемненные области примерно представляют electrospinnable регионы. Концентрации сцепленность также примерно помечены. Печатается с разрешения из работы 11, Copyright (2012) Американского химического общества, и с разрешения из работы 12, Copyright (2014) Elsevier.
Рисунок 6 сдвига вязкость (при 100 сек -1) из (а) Gelose 80 крахмала и (В) пуллулановыми дисперсий в зависимостиконцентрации биополимеров в различных растворителей ДМСО / вода. Затемненные области примерно представляют electrospinnable регион. Печатается с разрешения из работы 11, Copyright (2012) Американского химического общества, и с разрешения из работы 12, Copyright (2014) Elsevier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Реология является важным инструментом для изучения переработки полимеров, в том числе обычных волокон прядения и электропрядения 13. От стационарных сдвиговых реологических исследований, полимерной конформации и их взаимодействия в различных растворителях могут быть решены (рисунки 2 и 3). При концентрациях не достаточно высоких для молекулы биополимеров перекрываться друг с другом, их концентрация зависимость была примерно 1,4 (Рисунок 3), который был в хорошем согласии с сообщенных значений других полимеров в хорошем растворителя 3,4. После того, как начать молекул биополимеров, чтобы втянуть, удельная вязкость показали значительно более высокую зависимость от концентрации. Большее значение п указывает на сильное межмолекулярное взаимодействие. Многие случайные полисахариды катушки показал аналогичный концентрационную зависимость, с н стоимостью около 3,3 14. Пуллулан показали сильное взаимодействие, чем крахмала в растворителях, теплицач содержание ДМСО, возможно, вследствие молекулярной природы двух биополимеров. Крахмал, используемый имел некоторые сильно разветвленные компоненты (~ 20% амилопектина), в то время как пуллулан должна быть линейной. Конечно, молекулярные массы, которые были неизвестны, также оказывают влияние.
Концентрация переплетение будет зависеть от конформации биополимера в дисперсии. Например, концентрация запутывание крахмала в 92,5% (вес / объем) водного раствора ДМСО намного ниже, чем в чистом ДМСО 11. Это означает, что существует молекулы крахмала в более широком конформации в 92,5% (вес / объем) водного раствора ДМСО так, что они занимают большую гидродинамический объем и, как правило, перекрывают более легко. Перепутанности концентрации пуллулан меняется не столь резко, как у крахмала с различного качества растворителя, вероятно, потому, что и вода, и ДМСО являются хорошими растворителями для пуллулан и мало влияют на конформации молекулы. Вода, которая не является хорошимрастворитель для крахмала, сделал сценарий гораздо сложнее, так как нерастворенные молекулы крахмала повлияет на реологические ответ.
Чтобы спина хорошие волокна, концентрация должна быть 1,2-2,7 и 1.9-2.3x концентрацию запутывания для крахмала и пуллулан соответственно (рис 4 и 5). Этот диапазон уже, для пуллулан, вероятно, также в связи с меньшим разности конформации в растворителях. Было интересно отметить, что дисперсия при концентрации запутанности, когда полимеры начинают запутывать друг с другом, не было electrospinnable. Вероятно, высокая поперечная сила участвует в электропрядения затрудняют цепи перекрытия и дальнего полимерной взаимодействия, что, возможно, уже установленного на статических и низких условиях сдвига, и, таким образом, усиливается и достаточно запутанность требуется. Кроме того, вязкость сдвига также играет важную роль (рисунок 6). Electrospinnable крахмал и пуллулан Dispersионы попадают в аналогичном диапазоне вязкости сдвига при 100 с -1, с верхней границей 2,2 Па · с.
Процедура, описанная в данном документе может быть изменена в соответствии с оборудования и материалов, используемых в других исследованиях. Растворение полимеров является первым важным шагом в этом протоколе, потому что мы обнаружили, что частично растворенные крахмала дисперсий (например, в 85% (вес / объем) ДМСО) производится нестабильную устойчивый данные вязкости при сдвиге, не позволявшая точное определение с £. При проведении устойчивые сдвига измерений, мы предпочитаем, чтобы начать с самой высокой скорости сдвига. Поступая таким образом, дисперсию равномерно распределены внутри зазора с помощью высокой скорости сдвига. Шаг электропрядения требуется много практики. Следует обратить внимание на изменение формы капли на кончике иглы. Меры предосторожности во время электропрядения не следует пренебрегать. Главная опасность электропрядения происходит от высокого напряжения, используемого в гоэлектронной процесс, хотя в настоящее время является относительно низким. Электроформования эксперименты должны быть выполнены в вытяжном шкафу для того, чтобы изгнать паров растворителя, который может представлять опасность для здоровья, если подвергается воздействию на него в течение длительного времени. Избегать расстояние и даже контакт между заряженным кончика иглы и коагуляционной ванне, потому что это приведет к коротким и пожарной опасности.
Реологические методы, используемые в настоящем исследовании есть ограничения. Например, следует отметить, что фактическая скорость сдвига участвует в электроформования значительно выше, чем 100 сек -1 1. В дополнение к сдвигу реологических учился, удлинении реологические, характеризующих растяжение дисперсии вдоль траектории, также могут играть важную роль 15. Реометр использованы в этом исследовании, не способен характеризующий вязкость при удлинении.
Реологические исследования могут предоставить ценную информацию о биополимера конформации в dispersions и их технологические свойства. Этот протокол является потенциально полезными в электроформования многих других биополимеров и их смесей, с точки зрения выбора системы растворителей, оптимизации параметров, и волокна механизма формирования на молекулярном уровне.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют, что они не имеют ничего раскрывать.
Acknowledgments
Эта работа частично финансируется Национальным институтом Министерства сельского хозяйства США для производства продовольствия и ведения сельского хозяйства, Национальной программы конкурсных грантов, Национальной программы исследовательская инициатива 71,1 FY 2007 как грант № 2007-35503-18392 и Национальных Институтов Здоровья, Институт аллергологии и инфекционных заболеваний , 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).
