Molekylär fastna och Electrospinnability av biopolymerer

Summary

Electro är en fascinerande teknik som används för att tillverka mikro-till nanoskala fibrer från en mängd olika material. Molekylär sammanflätning av de ingående polymererna i spinnvätskan är avgörande för framgångsrik electro. Vi presenterar ett protokoll för att utnyttja reologi att utvärdera electrospinnability två biopolymerer, stärkelse och pullulan.

Abstract

Electro är en fascinerande teknik för att tillverka mikro-till nanoskala fibrer från en mängd olika material. För biopolymerer, var molekylär sammanflätning av de ingående polymererna i spinnvätskan visat sig vara en viktig förutsättning för framgångsrik electro. Reologi är ett kraftfullt verktyg för att undersöka den molekylära konformation och interaktion av biopolymerer. I denna rapport visar vi protokollet för att utnyttja reologi att utvärdera electrospinnability två biopolymerer, stärkelse och pullulan, från deras dimetylsulfoxid (DMSO) / vatten dispersioner. Välformulerade stärkelse och pullulan fibrer med medeldiametrar i submikron till mikron erhölls. Electrospinnability utvärderades genom visuell och mikroskopisk observation av de bildade fibrerna. Genom att korrelera de reologiska egenskaperna hos dispersionerna till deras electrospinnability, visar vi att molekylkonformation, molekylär hoptrassling och skjuwiskositet alla påverka utvaldarospinning. Reologi är inte bara användbara i lösningsmedelssystem urval och processoptimering, men också för att förstå mekanismen för fiberbildning på en molekylär nivå.

Introduction

Electro är en teknik som är kapabel att producera kontinuerlig mikro-till nanoskala fibrer från en mängd olika material. Det har fått allt akademiskt och industriellt intresse ^1. Även om installationen och praktik av electro verka okomplicerat, fortfarande förmågan att förutsäga electrospinnability och styra fiberegenskaper en utmaning. Orsaken kan ligga i det faktum att det finns många faktorer som påverkar electrospinning process ² och processen, i synnerhet den bana av fibrer, är kaotisk ^1. Ofta en empirisk "cook-and-look" metod används för screening av potentiella electrospinnable material. Men för att få bättre kontroll över electroprocessen och resulterande fiberegenskaper, en mer fullständig förståelse av de mekanismer som styr electrospinnability krävs. Flera forskare har funnit att molekyl intrassling av polymerer i spinnvätskan är en essential förutsättning för framgångsrika electro ^{3 5.}

Reologi är ett kraftfullt verktyg för att undersöka molekylära konformation och interaktion i polymerdispersioner. Exempelvis McKee et al. sökte den molekylära konformationen av rak och grenad poly (etylentereftalat-sam-etylenisoftalat) sampolymerer i ett lösningsmedel innehållande kloroform / dimetyltereftalat (7/3, vol / vol), och fastställt att polymerkoncentrationen var tvungen att vara 2-2.5x snärj koncentration för framgångsrik electro ^4.

Det finns idag ett förnyat intresse för fiber från biopolymerer grund av deras fördelar i biologisk nedbrytbarhet, biokompatibilitet och förnybarhet gentemot deras syntetiska motsvarigheter. Ändå utövare konfrontera många utmaningar som i allmänhet från deras strukturella komplexitet, svårigheter att termisk behandling och sämre mekaniska egenskaper. Stärkelse, som finns i växtvävnader, är among den mest förekommande och billiga biopolymerer på jorden. Rena stärkelsefibrer tillverkas med användning av en elektro-våtspinning anordning beskrevs nyligen ^6. Pullulan är en linjär polysackarid som produceras extracellulärt av vissa bakterier. Den regelbundna växlingen av (1 → 4) och (1 → 6) glukosidbindningar tros vara ansvarig för flera särskiljande egenskaper pullulan, inklusive utmärkt fiber / filmbildande förmåga ^7,8. Elektrospinning av pullulan fibrer från vattendispersion har rapporterats av flera forskare ^9,10. I våra tidigare publikationer, electrospinnability två biopolymerer, stärkelse ¹¹ och pullulan ^12, varit har diskuterats. Denna rapport fokuserar på att visa protokollet för att utnyttja reologiska principer i utredningen av electrospinnability av dessa två biopolymerer.

Protocol

1 Spinning Dope Förberedelse

1. Förbered en rad biopolymera koncentrationer som skall undersökas (0,1% till 30%, vikt / volym) och se till att överväga fukthalt biopolymeren pulvret i dessa beräkningar. För varje koncentration, väga biopolymeren (stärkelse eller pullulan) pulvret i en 50 ml provrör. Lägg vattenhaltig dimetylsulfoxid (DMSO)-lösning och en omrörarstav.
2. Placera röret i kokande vatten under konstant omrörning på en magnetisk omrörare värmeplatta.
3. Efter ca 1 h, stänga värmen och låt dispersionen svalna till rumstemperatur. Dispersionen är sedan klar för reologisk testning och elektrospinning.

2 Steady Shear Rheology

1. Värm upp reometer och ange scenen temperaturen vid 20 ° C. Kalibrera klyftan mellan sonden (25 mm kon används) och scenen (plattan).
2. Load 0,41 ml biopolymeren spridning på mitten av scenen och sänk sonden för att ställa in positipå (0,053 mm spalt för 25 mm kon). Se till att spridningen sprids jämnt i gapet.
3. Utför reologiska testet med följande experimentella parametrar: svep Läge: log, initial hastighet: 100 sek ^-1, sluthastighet: 0,1 sek ^-1, pekar per decennium: 10, fördröjning innan åtgärd: 5 sek, mäta tid: 10 sek, och anvisningar per takt: två (både medurs och moturs).
4. Analysera reologiska data för att uppskatta lämpliga spridningskoncentrationer för elektrospinning prövningar.
   1. Plotta skenbara skjuv-viskositeter mot skjuvhastigheter som en funktion av polymerkoncentrationer. För varje flödeskurva, ungefärliga noll skjuvning viskositet, η _0, av de faktiska eller extrapolerade värden (t ex vid låga koncentrationer där data låg skjuvning hastighet är opålitliga) för skenbar viskositet på 0.1 sek ^{- 1.}
   2. Beräkna specifik viskositet: η _sp = (η ₀ - η _s)/ η _s, där η _s är viskositeten hos lösningsmedlet.
   3. Plotta specifika viskositeter som en funktion av koncentrationen. Identifiera semidilute unentangled och hoptrasslade regimer. Den semidilute unentangled regimen börjar från den lägre delen koncentration med en liten lutning, och semidilute intrasslade regimen har en större lutning efter unentangled regimen. Fit power-lag regressionsmodeller i båda regimerna. De effektvärden är i backen (koncentrationsberoende) i semidilute unentangled och intrasslade regimer på ett log-log plot. Skärningspunkten mellan de båda utrustade linjer är sammanflätning koncentrationen, c _e.

3. Electroparametervariation

1. Montera electrokonfigurationen som visas i figur 1. Fyll sprutan med dispersionen av lämplig sammansättning, till exempel, 15% (vikt / volym) stärkelse eller pullulan i 100% DMSO, på sprutpumpen. Clip högspänningstråden (positive) till nålen. Anslut koaguleringsbad innehållande ren etanol till jord genom nedsänkning av jordledningen (negativ) i badet. Använd ett labb jack för att justera avståndet mellan nålen och koaguleringsbad. Doppa ett metallnät i badet för att samla in de fibermattan efter elektrospinning.
2. Snurra biopolymeren i följande parameter varierar: matning 0,1-0,4 ml / timme, spinning avstånd från 5 till 10 cm, och spänningen från 0 till 15 kV.
   1. Börja med en snurrande avstånd av 5 cm. För första matningen (0,1 ml / h), ramp spänningen upp långsamt från 0 V. Observera formen av dispersionen extruderas på nålspetsen och notera när droppspridning accelereras och sedan långsträckt.
   2. Notera spänningen vid vilken en liten stråle initieras från drop ytan, vilket indikerar electrospinnability av lösningen. Anteckna den spänning, vid vilken en kontinuerlig stråle initierar, om något.
   3. Undersök komplett sortiment för var och en av de tre parameters och notis framgångsrika spinning förhållanden. Samla fibrerna endast när det finns en kontinuerlig stråle från spetsen.
3. Efter några minuter att samla in, skölj fibermatta med ren etanol. Placera fibermattan i en exsickator som innehåller torkmedel i vakuum.
4. Upprepa för varje biopolymer koncentration för fullständig karakterisering.

Figur 1 Schematisk ritning av den elektro-våtspinning setup. Biopolymeren dispersionen extruderas från en sprutpump. En hög spänning för strömförsörjning ger hög spänning till den trubbiga kanylen och skäl koaguleringsbadet. Polymertrålen från nålspetsen färdas genom en rak bana och sedan utvecklar en snabb vispbana (aka spöstraff instabilitet).

4. Morfologisk Karakterisering

1. Klipp en bit torkat fibermatta och immobilisera den på en SEM stöta använder kol tejp.
2. Ladda provet stöta in i SEM instrumentet och få bilder för analys.

Representative Results

Flödeskurvor för biopolymeren dispersioner såsom en funktion av biopolymer koncentration och DMSO-koncentrationen i lösningsmedlet erhölls. Två representativa siffror visar flödeskurvorna för stärkelse (Figur 2A) och pullulan (figur 2B) som funktion av deras koncentration i ren DMSO lösningsmedel. De specifika viskositeter avsattes mot biopolymerer koncentration (figur 3A för stärkelse och figur 3B för pullulan). Från dessa tomter var intrassling koncentrationer erhålls som skärningen av de monterade linjer i semidilute unentangled och semidilute intrasslade regimer.

Figur 2 Flödes kurvor av (A) Gelose 80 stärkelse och (B) pullulan i ren DMSO som en funktipå av koncentration (%, vikt / volym) vid 20 ° C. I båda figurerna, stärkelse och pullulan av låga koncentrationer var mindre trögflytande för att producera tillräckligt vridmoment vid låga skjuvhastigheter. Dessa otillförlitliga uppgifter var således inte ritas. I allmänhet är de två biopolymerer visade newtonska beteende vid låga koncentrationer, dvs den sken skjuwiskositeten var oberoende av skjuvhastighet. Skjuvförtunning blev uppenbart när deras koncentration ökar, i synnerhet efter den 10% (vikt / volym). Yet skjuvtunnande beteende var svag. Den 15% och 20% (vikt / volym) pullulan dispersioner visade bara den tidiga fasen av effekt lagen regionen vid höga skjuvhastigheter, medan stärkelsedispersioner inte visade signifikant reduktion i viskositet över skjuvhastigheten intervallet 0,1-100 sek ^{- 1.} Återges med tillstånd från ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, och med tillstånd från ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Figur 3 Tomt på specifik viskositet kontra (A) Gelose 80 stärkelse och (B) pullulan koncentration i ren DMSO. Sluttningarna av de monterade linjer i semidilute unentangled (vänster sida) och semidilute intrasslade (höger sida) regimer visar koncentrationsberoendet av specifik viskositet, alias skalning beroendet ^4. Pullulan visade starkare koncentrationsberoende än stärkelse i intrasslad regimen. Skärningen av de två monterade linjerna betecknades som trasslar koncentration (c _e) där biopolymerer börjar överlappa i förskingringen. Stärkelse krävs en högre koncentration än pullulan att börja snärjande. Återges med tillstånd från ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, och med tillstånd från ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Electro försöktes för alla debiopolymera dispersioner och resultat bedöms i termer av electrospinnability, dvs strålbildande förmåga under elektrospinning, och morfologi av fibrerna bildas. En dispersion av god electrospinnability bildade en stabil och kontinuerlig stråle som resulterade i kontinuerliga och jämna fibrer utan droppar. En dispersion som inte kunde electrospin kunde inte bilda en stabil stråle eller utveckla piska instabilitet. Antingen små droppar eller tjocka fibrer insatta koaguleringsbadet. Figur 4 visar representativa bra och dåliga fibrer utvärderas från deras utseende. Figur 5 sammanfattar utvärderingen av electrospinnability vid olika koncentrationer av DMSO i lösningsmedel och biopolymeren i dispersion stärkelse och pullulan, respektive . Förutom hoptrassling koncentrationer, skjuv-viskositeter vid 100 sek ^-1 plottades mot biopolymer koncentration, där regioner av electrospinnability betecknades (Figur 6). >

Figur 4: Scanning elektronmikrofotografier av bra (vänster) och dåliga (höger) stärkelse och pullulan fibrer. Bra fibrer är jämn, kontinuerlig och slumpvis orienterade, medan dåliga fibrer kan ha pärlor, raster och droppar så som visas i figuren (röda cirklar). (A) 10% (vikt / volym) Gelose 80 stärkelse i 95% (volym / volym) DMSO, (b) 8% (vikt / volym) Gelose 80 stärkelse i 80% (volym / volym) DMSO, (c) 17 % (vikt / vol) pullulan i 40% (volym / volym) DMSO, och (d) 9% (vikt / vol) pullulan i 80% (volym / volym) DMSO. Återges med tillstånd från ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, och med tillstånd från ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

jpg "width =" 500 "/>
Figur 5 Utvärdering av electrospinnability av (A) Gelose 80 stärkelse och (B) pullulan dispersioner som en funktion av DMSO-koncentrationen i lösningsmedlet och biopolymeren koncentration i dispersionen: god electrospinnability (cirklar), dålig electrospinnability (diamanter), och oförmögen att electrospin (X: s). Skuggade områden representerar ungefär electrospinnable regioner. Sammanflätning koncentrationer också ungefär märkta. Återges med tillstånd från ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, och med tillstånd från ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Figur 6. Shear-viskositet (vid 100 sek ^-1) av (A) Gelose 80 stärkelse och (B) pullulan dispersioner som en funktionav biopolymer-koncentrationen i olika DMSO / vattenlösningsmedel. Skuggade områden utgör ungefär electrospinnable regionen. Återges med tillstånd från ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, och med tillstånd från ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Discussion

Reologi är ett viktigt verktyg för att studera behandlingen av polymerer, inklusive konventionell fiberspinning och electro ^13. Från de stadiga skjuvning reologiska studier, polymerkonforma och deras interaktioner i olika lösningsmedel kan lösas (figur 2 och 3). Vid koncentrationer inte tillräckligt höga för biopolymera molekyler för att överlappa varandra, deras koncentration beroende var cirka 1,4 (figur 3), vilket var i god överensstämmelse med redovisade värden för andra polymerer i god lösningsmedel ^3,4. Efter biopolymera molekylerna börjar trassla, den specifika viskositeten visade en mycket högre beroende på koncentration. En större n-värde indikerar en starkare inter interaktion. Många slumpmässiga spole polysackarider uppvisade liknande koncentrationsberoende, med ett n-värde på ca 3,3 ^14. Pullulan visade starkare samspel än stärkelse i lösningsmedel av high DMSO innehåll, möjligen på grund av den molekylära karaktären av de två biopolymerer. Stärkelsen används hade några mycket grenade komponenter (~ 20% amylopektin), medan pullulan sker linjärt. Naturligtvis skulle de molekylvikter, som var okänt, även ha ett inflytande.

Den hoptrassling koncentration skulle bero på konformationen av biopolymerer i dispersionen. Till exempel, (v w /) DMSO vattenhaltiga lösningen är snärj koncentrationen av stärkelse i 92,5% mycket lägre än i ren DMSO ^11. Det innebär att stärkelsemolekyler förekommer i en mer utsträckt konformation i 92,5% (vikt / volym) DMSO vattenlösning så att de upptar en större hydrodynamisk volym och tenderar att överlappa varandra lättare. Snärj koncentrationer av pullulan varierade inte så drastiskt som de av stärkelse med varierande lösningsmedel kvalitet, förmodligen eftersom både vatten och DMSO är goda lösningsmedel för pullulan och har liten effekt på den molekylära konformation. Vatten, vilket inte är ett bralösningsmedel för stärkelse, gjorde scenariot mycket komplicerad, eftersom oupplösta stärkelsemolekyler skulle påverka reologiska svaret.

För att spinna bra fibrer, koncentrationen måste vara 1,2-2,7 och 1.9-2.3x snärj koncentrationen för stärkelse och pullulan, respektive (figur 4 och 5). Detta område är smalare för pullulan, förmodligen också på grund av mindre konforma skillnad i lösningsmedlen. Det var intressant att notera att en dispersion vid sammanflätning koncentration, då polymerer börjar trassla med varandra, var inte electrospinnable. Förmodligen, hög skjuvkraft inblandad i electro hämma kedjan överlappning och lång räckvidd polymer interaktion som kanske har redan etablerats på statiska och låg skjuvning, och därmed en förbättrad och tillräcklig sammanflätning krävs. Dessutom skjuwiskositet spelade också en viktig roll (Figur 6). Den electrospinnable stärkelse och pullulan Dispersjoner faller i ett liknande utbud av skjuwiskositet vid 100 sek ^-1, med en övre gräns på 2,2 Pa-s.

Det förfarande som beskrivs häri kan modifieras i överensstämmelse med den utrustning och de material som används i andra studier. Upplösningen av polymerer är det första kritiska steget i detta protokoll, eftersom vi fann att delvis upplösta stärkelsedispersioner (t.ex. i 85% (vikt / volym) DMSO) producerade instabila stadig skjuwiskositet uppgifter som förhindrade en noggrann bestämning av c _e. Samtidigt genomför stadig skjuvning mätningar, föredrar vi att utgå från den högsta skjuvhastighet. Genom att göra så, är dispersionen jämnt fördelad inom gapet med hjälp av en hög skjuvhastighet. Den electrosteg krävs mycket praktik. Uppmärksamhet bör ägnas åt formförändring droppen på nålspetsen. Försiktighetsåtgärder under electro bör inte förbises. Den största faran för electro kommer från den höga spänningen som används i the process, även om den nuvarande är relativt låg. Electro experiment bör utföras i ett dragskåp för att driva ut lösningsmedelsångor som kan innebära hälsorisker om en är utsatt för det under en lång tid. Undvik nära avstånd och jämn kontakt mellan den laddade nålspetsen och koaguleringsbadet, eftersom dessa kommer att resultera i en kort och brandrisk.

De reologiska metoder som används i den aktuella studien har begränsningar. Till exempel bör det noteras att den faktiska skjuvhastighet involverad i electrospinning är mycket högre än 100 sek ^{-1 1.} Förutom att skjuva reologin studerades, töjningsflöde reologi, vilka kännetecknar den sträckning av dispersionen längs banan, kan också spela en viktig roll ^15. Den reometer användes i denna studie inte är i stånd att karakterisera töjningsviskositet.

Reologiska undersökningar kan ge värdefull information om biopolymerer konforma i dispersions och deras bearbetningsegenskaper. Detta protokoll är potentiellt användbart i electro många andra biopolymerer och blandningar, i form av lösningsmedels systemval, optimering av parametrar, och fiberbildande mekanismen på en molekylär nivå.

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