Molecular Forviklinger og Electrospinnability av Biopolymere

Summary

Elektrospinning er en fascinerende teknikk som brukes til å fremstille mikro-til nano-skala fibre fra et bredt spekter av materialer. Molecular filtring av de konstituerende polymerer i spinning dop er avgjørende for vellykket electrospinning. Vi presenterer en protokoll for anvendelse av reologi for å evaluere electrospinnability av to biopolymerer, stivelse og pullulan.

Abstract

Elektrospinning er en fascinerende teknikk for å fremstille mikro-til nano-skala fibre fra et bredt spekter av materialer. For biopolymerer, ble molekylær sammenfiltring av de konstituerende polymerer i spinning dope seg å være en viktig forutsetning for vellykket electrospinning. Rheology er et kraftig verktøy for å undersøke molekylære konformasjon og samhandling av biopolymerer. I denne rapporten viser vi protokollen for å utnytte rheology å evaluere electrospinnability av to biopolymerer, stivelse og pullulan, fra deres dimethylsulfoxyd (DMSO) / vanndispersjoner. Vel-dannet stivelse og pullulan fibre med en gjennomsnittlig diameter i submikrometer-til mikrometer område ble oppnådd. Electrospinnability ble evaluert ved visuell og mikroskopisk observasjon av de dannede fibre. Ved å korrelere de reologiske egenskapene til de dispersjoner til deres electrospinnability demonstrerer vi at molekylær konformasjon, molekylær sammenfiltring, og skjærkraftviskositet alle påvirker utvalgterospinning. Reologi er ikke bare anvendbare i oppløsningsmiddelsystem utvalg og prosessoptimalisering, men også for å forstå mekanismen for fiberdannelse på et molekylært nivå.

Introduction

Elektrospinning er en teknikk som er i stand til å produsere kontinuerlig mikro-til nano-skala fibre fra et bredt spekter av materialer. Det har fått økende akademisk og industriell interesse ^en. Selv om oppsett og praktisering av electro virke grei, evnen til å forutsi electrospinnability og kontrollere fiberegenskaper er fortsatt en utfordring. Grunnen til dette kan ligge i det faktum at det er mange faktorer som påvirker elektrospinning prosess ^2, og prosessen, spesielt banen tilbakelagt av fiber, er ^en kaotisk. Ofte en empirisk "cook-and-look" tilnærming blir brukt for screening potensielle electrospinnable materialer. Men for å få bedre kontroll over prosessen, og elektrospinning resulterende fiberegenskaper, en mer fullstendig forståelse av mekanismene som styrer electrospinnability er nødvendig. Flere forskere har funnet at molekylær sammenfiltring av polymerer i spinning dop er en vesentl forutsetning for vellykket electro ^{3- fem.}

Rheology er et kraftig verktøy for å sondere molekylær konformasjon og samhandling i polymerdispersjoner. For eksempel, McKee et al. undersøkte molekyl konformasjon av lineære og forgrenede poly (etylen-tereftalat-co-etylen-isoftalat) kopolymerer i et oppløsningsmiddel inneholdende kloroform / dimetyl-tereftalat (7/3, volum / volum), og bestemt til at polymerkonsentrasjonen måtte være 2-2.5x forviklinger konsentrasjon for vellykket electro ^fire.

Det er for tiden fornyet interesse for fiber fra biopolymerer grunn av sine fordeler i nedbrytbarhet, biokompatibilitet, og fornybarhet vis-à-vis sine syntetiske motstykker. Likevel utøvere konfrontere mange utfordringer som oppstår vanligvis fra deres strukturelle kompleksitet, problemer med termisk prosessering og dårligere mekaniske egenskaper. Stivelse, som finnes i plantemateriale, er among de mest tallrike og rimelige biopolymerer på jorden. Pure stivelsesfibre fremstilt ved hjelp av en elektro-våt-spinneapparat ble nylig beskrevet ^6.. Pullulan er et lineært polysakkarid produsert ekstracellulært av visse bakterier. Det vanlige veksling av (1 → 4) og (1 → 6) glukosidiske obligasjoner antas å være ansvarlig for flere særegne egenskaper pullulan, inkludert utmerket fiber / filmdannende evne ^7,8. Elektrospinning av pullulan fibre fra vandige dispersjon har blitt rapportert av flere forskere ^9,10. I våre tidligere publikasjoner, er electrospinnability av to biopolymerer, stivelse ¹¹ og pullulan ^12, har blitt diskutert. Denne rapporten fokuserer på å demonstrere protokollen for å utnytte reologiske prinsipper i etterforskningen av electrospinnability av disse to biopolymerer.

Protocol

1. Spinning Dope Forberedelse

1. Tilbered en rekke konsentrasjoner biopolymer som skal undersøkes (0,1% til 30%, w / v), og være sikker på å vurdere fuktighetsinnholdet i pulveret biopolymer i disse beregningene. For hver konsentrasjon, vekt-biopolymer (stivelse eller pullulan) pulver i et 50 ml testrør. Legg vandig dimetylsulfoksyd (DMSO) løsning og en rørestav.
2. Anbring røret i kokende vann under konstant omrøring på en magnetrører kokeplate.
3. Etter omtrent 1 time, slå av varmen og tillate dispersjonen å avkjøle til romtemperatur. Dispersjonen er deretter klar for reologisk testing og elektrospinning.

2. Steady Shear Rheology

1. Varm opp rheometer og satte scenen temperatur på 20 ° C. Kalibrer spalten mellom sonden (25 mm membran som brukes) og trinn (plate).
2. Laste 0,41 ml av biopolymer dispersjonen på midten av scenen og senke sonden for å angi posipå (0,053 mm gap for 25 mm membran). Sørg for at spredningen jevnt sprer innenfor åpningen.
3. Utfør reologisk test med følgende eksperimentelle parametre: sweep-modus: log, innledende rate: 100 sek ^-1, slutthastighet: 0,1 sek ^-1, påpeker per tiår: 10, forsinkelse før mål: 5 sek, måle tid: 10 sek, og retninger per tiltak: to (både med og mot klokken).
4. Analyser reologiske data til å anslå riktig sprednings konsentrasjoner for electro prøvelser.
   1. Plott tilsynelatende skjær viskositet mot skjærhastigheter som en funksjon av polymerkonsentrasjonen. For hver strømningskurve, ikke nøyaktig null skjær viskositeter, η _0, av den faktiske eller ekstrapolerte verdier (f.eks, ved lave konsentrasjoner, hvor den lave skjærhastighet data er upålitelige) for tilsynelatende viskositet på 0,1 sek ^{- 1.}
   2. Beregn spesifikk viskositet: η _sp = (η ₀ - η _s)η / _s, hvor _s er η viskositeten av oppløsningsmidlet.
   3. Plott spesifikke viskositeter som en funksjon av konsentrasjon. Identifiser semidilute unentangled og viklet regimer. Den semidilute unentangled regimet begynner fra den lave konsentrasjonen enden med en liten skråning, og semidilute viklet regimet har en større skråning etter unentangled regime. Monter power-loven regresjonsmodeller i begge regimer. Strømverdiene er bakkene (konsentrasjonsavhengig) i semidilute unentangled og viklet regimer på en log-log plot. Skjæringspunktet mellom de to utstyrt linjene er forviklinger konsentrasjon, c _e.

3. electro Parameter Variasjon

1. Monter elektrospinning oppsett som vist i figur 1. Last sprøyten med dispersjon av passende sammensetning, f.eks, 15% (vekt / volum) stivelse eller pullulan i 100% DMSO, på sprøytepumpe. Clip høyspentledningen (positive) til nålen. Koble koagulering bad inneholdende ren etanol til bakken ved å dyppe jordledningen (negativ) i badekaret. Bruk en lab jack å justere avstanden mellom sprøytespissen og koagulasjon bad. Fordyp et metallnett i badet for å samle fibermatten etter electro.
2. Spinn biopolymeren i det følgende parameter varierer: matehastighet 0,1 til 0,4 ml / time, spinne avstand fra 5 til 10 cm, og spenningen fra 0 til 15 kV.
   1. Start med en spinnende avstand på 5 cm. For det første matehastighet (0,1 ml / time), gradient spenningen opp langsomt fra 0 V. merke til formen på dispersjonen ekstruderes ved nålespissen, og merke seg når det drypper dispersjon akselereres og deretter langstrakt.
   2. Legg merke til den spenning ved hvilken en liten jet initiert på rulleoverflaten, noe som indikerer electrospinnability av løsningen. Spill spenningen som en kontinuerlig jet initierer, hvis noen.
   3. Undersøk komplett serie for hver av de tre parameteretrs og note vellykkede spinnende forhold. Samle fibrene bare når det er en kontinuerlig stråle fra spissen.
3. Etter noen minutter med å samle inn, skyll fibermatte med ren etanol. Plasser fibermatten i en eksikkator inneholdende tørkemiddel under vakuum.
4. Gjenta for hver biopolymer konsentrasjon for fullstendig karakterisering.

Figur 1. Skjematisk tegning av elektro-våt-spinne oppsett. Er biopolymer spredning ekstrudert fra en sprøytepumpe. En høyspent likestrøm gir høy spenning til stump nål og begrunnelse koagulering bad. Polymer jet fra nålespissen reiser gjennom en rett bane og deretter utvikler en rask pisking sti (aka pisking ustabilitet).

4. Morfologisk Karakterisering

1. Klipp et stykke tørket fiber matte og immobilisere den på en SEM spire ved hjelp av karbon tape.
2. Laste prøven spire inn i SEM instrument og få bilder for analyse.

Representative Results

Strømnings kurver av biopolymer dispersjoner som funksjon av biopolymer konsentrasjon og DMSO-konsentrasjonen i løsningsmidlet ble det erholdt. To representative tall viser strømnings kurver av stivelse (figur 2A) og pullulan (figur 2B) som en funksjon av deres konsentrasjon i ren DMSO oppløsningsmiddel. De spesifikke viscosities ble plottet mot biopolymer konsentrasjon (figur 3A for stivelse og Figur 3B for pullulan). Fra disse tomter, ble sammenfiltring konsentrasjoner innhentet som skjærings de monterte linjer i semidilute unentangled og semidilute viklet regimer.

Figur 2. Strømnings kurver av (A) Gelose 80 stivelse og (B) pullulan i ren DMSO som funksjonelleden konsentrasjon (%, w / v) ved 20 ° C. I begge figurer, stivelse og pullulan lave konsentrasjoner var mindre viskøs til å produsere tilstrekkelig dreiemoment ved lave skjærhastigheter. Disse upålitelige data ble dermed ikke plottet. Generelt er de to biopolymerer viste Newtonsk oppførsel ved lave konsentrasjoner, dvs. den tilsynelatende skjær viskositet var uavhengig av skjærhastigheten. Skjær tynning ble åpenbar da konsentrasjonen øker, særlig over 10% (w / v). Likevel skjærfortynningsoppførsel var svak. Den 15% og 20% (w / v) pullulan dispersjoner bare vise den tidlige fase av power law region ved høye skjærhastigheter, mens stivelse dispersjoner ikke viste signifikant reduksjon i viskositet i forhold til skjærhastighetsområde fra 0,1 til 100 sek ^{- 1.} Gjengitt med tillatelse fra ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, og med tillatelse fra ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Figur 3. Plot av spesifikk viskositet versus (A) Gelose 80 stivelse og (B) pullulan konsentrasjon i rent DMSO. Skråningene av de monterte linjer i semidilute unentangled (venstre side) og semidilute viklet (høyre side) regimer indikerer konsentrasjonen avhengighet av spesifikke viskositet, aka skalering avhengighet ^fire. Pullulan viste sterkere konsentrasjon avhengighet enn stivelse i fanget regime. Skjærings av de to utstyrt linjene ble betegnet som forviklinger konsentrasjon (c _e) hvor biopolymerer begynner å overlappe i spredning. Stivelse kreves en høyere konsentrasjon enn pullulan å starte sammenfiltring. Gjengitt med tillatelse fra ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, og med tillatelse fra ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Elektrospinning ble forsøkt for allebiopolymer dispersjoner og resultater vurderes i form av electrospinnability, dannet dvs. jet dannende evne under electro, og morfologi av fibrene. En dispersjon av god electrospinnability dannet en stabil og kontinuerlig stråle som resulterte i kontinuerlige og jevne fibre uten dråper. En dispersjon som ikke var i stand til å electrospin ikke kunne danne en stabil stråle eller utvikle pisking ustabilitet. Enten små dråper eller tykke fibre ble deponert i koagulering-bad. Figur 4 viser representative god og evaluert fra deres utseende dårlige fibre. Figur 5 oppsummerer vurderingen av electrospinnability ved varierende konsentrasjoner av DMSO i oppløsningsmiddel og biopolymeren i dispersjonen for stivelse og pullulan, hhv . I tillegg til vikler konsentrasjoner, skjær viskositet ved 100 sek ^-1 ble plottet mot konsentrasjonen biopolymer, hvor regioner av electrospinnability ble betegnet (figur 6). >

Figur 4: Skanning elektronmikro av god (til venstre) og dårlig (høyre) stivelse og pullulan fibre. Gode ​​fibre er jevn, kontinuerlig, og tilfeldig orientert, mens dårlige fibre kan ha perler, pauser, og dråper som er vist i figuren (røde sirkler). (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. Gjengitt med tillatelse fra ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, og med tillatelse fra ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

jpg "width =" 500 "/>
Figur 5. Evaluering av electrospinnability av (A) Gelose 80 stivelse og (B) pullulan dispersjoner som en funksjon av DMSO-konsentrasjonen i løsningsmidlet og biopolymer-konsentrasjon i dispersjonen: god electrospinnability (sirkler), dårlig electrospinnability (ruter), og ute av stand til å electrospin (X-er). Skraverte områdene representerer omtrent electrospinnable regioner. Sammenfilt konsentrasjoner er også ca merket. Gjengitt med tillatelse fra ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, og med tillatelse fra ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Figur 6. Skjær viskositet (ved 100 ^sek-1) med (A) Gelose 80 stivelse og (B) pullulan dispersjoner som en funksjonav biopolymer-konsentrasjon i forskjellige DMSO / vann løsningsmidler. Skraverte områdene representerer omtrent electrospinnable regionen. Gjengitt med tillatelse fra ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, og med tillatelse fra ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

Discussion

Reologi er et viktig verktøy for å studere behandlingen av polymerer, inkludert konvensjonelle fiber spinning og ¹³ elektrospinning. Fra den stadige skjær reologiske studier, polymer konformasjon og deres interaksjoner i ulike løsemidler kan løses (figur 2 og 3). Ved konsentrasjoner ikke er høye nok for biopolymer molekyler til å overlappe med hverandre, deres konsentrasjon avhengighet var omkring 1.4 (figur 3), som var i god overensstemmelse med verdiene som er rapportert av andre polymerer i godt løsemiddel ^3,4. Etter biopolymer molekyler begynner å komplisere, den spesifikke viskositet viste en mye høyere avhengighet av konsentrasjonen. En større n-verdi indikerer en sterkere inter interaksjon. Mange tilfeldige spiral polysakkarider viste lignende konsentrasjonsavhengig, med en n verdi på ca 3.3 ^14. Pullulan viste sterkere samhandling enn stivelse i løsemidler av high DMSO-innhold, muligens på grunn av den molekylære natur av de to biopolymerer. Stivelsen benyttet hadde noen høyt forgrenede komponenter (~ 20% amylopektin), mens den pullulan bør være lineær. Selvfølgelig ville de molekylvekter, som var ukjent, som også har en påvirkning.

Den sammenfilt konsentrasjon vil avhenge av konformasjon av biopolymer i dispersjonen. For eksempel, (v w /) DMSO vandig løsning er den sammenfilt konsentrasjonen av stivelse i 92,5% mye lavere enn i ren DMSO ^11. Det innebærer at stivelsesmolekylene foreligger i en mer utvidet konformasjon i 92,5% (w / v) DMSO, vandig løsning, slik at de opptar et større hydrodynamisk volum og har en tendens til å overlappe hverandre mer enkelt. Sammenfiltring konsentrasjoner av pullulan ikke variere så drastisk som de av stivelse med varierende oppløsningsmiddel kvalitet, sannsynligvis fordi både vann og DMSO er gode oppløsningsmidler for pullulan og har liten effekt på molekyl konformasjon. Vann, som ikke er en godløsemiddel for stivelse, gjorde scenario mye komplisert, siden uoppløste stivelsesmolekyler ville påvirke reologisk respons.

For å spinne gode fibre, konsentrasjonen måtte være 1,2 til 2,7, og 1.9-2.3x forviklinger konsentrasjonen for stivelse og pullulan, henholdsvis (figurene 4 og 5). Dette område er smalere for pullulan, sannsynligvis også på grunn av mindre konformasjon forskjell i oppløsningsmidlene. Det var interessant å merke seg at en spredning på forviklinger konsentrasjon, når polymerer begynner å komplisere med hverandre, var ikke electrospinnable. Sannsynligvis høy skjærkraft som er involvert i elektrospinning vanskeliggjøre kjede overlapp og lang polymer interaksjon som kanskje allerede har blitt etablert ved statiske og lave skjærbetingelser, og dermed en forbedret og tilstrekkelig sammenfiltring er nødvendig. I tillegg skjærkraftviskositet også spilt en viktig rolle (figur 6). Den electrospinnable stivelse og pullulan dispersioner faller inn i en tilsvarende rekke-skjær-viskositet ved 100 sek ^-1, med en øvre grense på 2,2 Pa sek.

Fremgangsmåten som her er beskrevet kan bli modifisert i samsvar med det utstyr og materiell som benyttes i andre studier. Oppløsningen av polymerer er det første avgjørende skritt i denne protokollen, fordi vi har funnet at det delvis oppløste stivelse dispersjoner (f.eks, i 85% (w / v) DMSO) produserte ustabile jevn skjærkraftviskositet data som forhindret en nøyaktig bestemmelse av c _e. Mens gjennomføre jevn skjær målinger, foretrekker vi å starte fra det høyeste skjærhastighet. Ved å gjøre slik, blir dispersjonen jevnt fordelt innenfor åpningen med hjelp av en høy skjærhastighet. Den electro trinnet kreves mye praksis. Oppmerksomhet bør vies til formen endring av dråpene på nålespissen. Sikkerhetsregler under electro bør ikke bli neglisjert. Den største fare for elektrospinning kommer fra den høye spenning som brukes i the prosessen, er forholdsvis lav, selv om den gjeldende. Elektrospinning eksperimenter bør utføres i et avtrekksskap for å utvise løsningsmiddeldamp som kan medføre helsefare hvis man er utsatt for det i lang tid. Unngå tett avstand og jevn kontakt mellom det ladede nålespissen og koagulering badekaret, fordi disse vil resultere i en kort og brannfare.

De reologiske metoder som benyttes i den aktuelle studien har begrensninger. For eksempel bør det bemerkes at den faktiske skjærhastighet som er involvert i elektrospinning er mye høyere enn 100 sek ^{-1 1.} I tillegg til skjær reologi studert, elongational reologi, noe som karakteriserer strekking av dispersjonen langs banen, kan også spille en viktig rolle ^15. Reometeret brukt i denne studien er ikke i stand til å karakterisere elongational viskositet.

Reologiske studier kan gi verdifull informasjon om biopolymer konformasjon i spredtrsions og deres bearbeidingsegenskaper. Denne protokollen er potensielt nyttige i elektrospinning av mange andre biopolymerer og deres blandinger, i form av oppløsningsmiddelsystem markering, optimalisering av parameterne, og fiberdannende mekanisme på et molekylært 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