Summary
Elektro ist eine faszinierende Technik, die zur Mikro zu nanoskaligen Fasern aus einer Vielzahl von Materialien zu fertigen. Molekulare Verschlingung der Polymerbestandteile in der Spinnlösung ist wichtig für eine erfolgreiche Elektro. Wir präsentieren ein Protokoll für die Verwendung Rheologie, die electrospinnability von zwei Biopolymere, Stärke und Pullulan bewerten.
Abstract
Elektro ist eine faszinierende Technik, um aus einer Vielzahl von Materialien zu fertigen Mikro zu nanoskaligen Fasern. Für Biopolymere, wurde molekularen Verschlingung der Polymerbestandteile in der Spinnlösung gefunden, eine wesentliche Voraussetzung für eine erfolgreiche Elektro sein. Die Rheologie ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um die molekulare Konformation und Interaktion von Biopolymeren zu untersuchen. In diesem Bericht zeigen wir das Protokoll für die Verwendung, um die Rheologie electrospinnability von zwei Biopolymeren, Stärke und Pullulan zu bewerten, aus ihren Dimethylsulfoxid (DMSO) / Wasser-Dispersionen. Wohlgeformte Stärke und Pullulan Fasern mit mittleren Durchmessern im Submikrometerbereich zu Mikrometer-Bereich erhalten. Electrospinnability wurde durch visuelle und mikroskopische Untersuchung des gebildeten Fasern ausgewertet. Durch Korrelieren der rheologischen Eigenschaften der Dispersionen, ihre electrospinnability zeigen wir, dass die molekulare Konformation, molekulare Verhakung und Scherviskosität beeinflussen Electrospinning. Rheologie ist nicht nur nützlich bei der Lösungsmittelsystem Auswahl und Prozessoptimierung, sondern auch für das Verständnis des Mechanismus der Faserbildung auf molekularer Ebene.
Introduction
Elektrospinnen ist eine Technik, in der Lage, kontinuierliche Mikro um nanoskalige Fasern aus einer Vielzahl von Materialien ist. Es wird zunehmend akademischen und industriellen Interesse 1. Obwohl das Setup und die Praxis der Elektro scheinen einfach, bleibt die Fähigkeit, vorherzusagen und zu kontrollieren electrospinnability Fasereigenschaften eine Herausforderung. Der Grund mag in der Tatsache, dass es viele Faktoren, die das Elektrospinnverfahren 2 und den Prozess, vor allem den Weg von der Faser reiste, ist chaotisch 1 Einfluss liegen. Oft eine empirische "Koch-und-aussehen"-Ansatz wird für das Screening von potenziellen elektroverspinnbaren Materialien verwendet. Um jedoch eine bessere Kontrolle über das Elektrospinnverfahren und der resultierenden Fasereigenschaften, ein besseres Verständnis der Mechanismen, die electrospinnability regeln erforderlich gewinnen. Einige Forscher haben herausgefunden, dass molekulare Verhakung von Polymeren in der Spinnlösung ist eine essential Voraussetzung für eine erfolgreiche Elektro 3-5.
Die Rheologie ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um molekulare Konformation und Interaktion in Polymerdispersionen zu untersuchen. Zum Beispiel McKee et al. untersuchten die molekularen Konformation des linearen und verzweigten Poly (ethylenterephthalat-co-Ethylenisophthalat-Copolymer) in einem Lösungsmittel Chloroform / Dimethylterephthalat (3.7, v / v) enthält, und bestimmt, dass die Polymerkonzentration auf 2-2.5x sein die Verstrickung Konzentration für eine erfolgreiche Elektro 4.
Es ist derzeit das Interesse an Fasern aus Biopolymeren wegen ihrer Vorteile in der biologischen Abbaubarkeit, Biokompatibilität und Erneuerbarkeit gegenüber den synthetischen Gegenstücke. Doch Praktiker stellen viele Herausforderungen, die sich in der Regel aus ihrer strukturellen Komplexität, Schwierigkeiten bei der thermischen Behandlung und schlechtere mechanische Eigenschaften. Stärke, in pflanzlichen Geweben gefunden wird, ist Among die am häufigsten vorkommenden Biopolymeren und preiswert auf der Erde. Reine Stärkefasern hergestellt unter Verwendung eines elektroNassSpinnApparatur wurden kürzlich beschriebenen 6. Pullulan ist ein extrazellulär durch bestimmte Bakterien lineares Polysaccharid. Der regelmäßige Wechsel von (1 → 4) und (1 → 6) Glucosidbindungen sind vermutlich für mehrere markante Eigenschaften Pullulan, einschließlich ausgezeichneter Faser / Filmbildungsfähigkeit 7,8 verantwortlich zu sein. Elektrospinnen von Pullulan Fasern aus wässriger Dispersion wurde durch eine Reihe von Forschern 9,10 berichtet. In unseren früheren Veröffentlichungen, die von zwei electrospinnability Biopolymere, Stärke 11 und 12 Pullulans, wurde diskutiert. Dieser Bericht konzentriert sich auf die Vorführung des Protokolls für die Verwendung rheologischen Prinzipien bei der Untersuchung des electrospinnability dieser beiden Biopolymere.
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Protocol
1. Spinnlösung Vorbereitung
- Bereiten Sie eine Reihe von Biopolymer-Konzentrationen (bis 30% 0,1%, w / v) untersucht werden und sicher sein, um den Feuchtigkeitsgehalt der Biopolymer-Pulver in diesen Berechnungen zu berücksichtigen. Für jede Konzentration, wiegen das Biopolymer (Stärke oder Pullulan) Pulver in einem 50 ml-Reagenzglas. Fügen wässrigen Dimethylsulfoxid (DMSO)-Lösung und einen Rührstab.
- Das Röhrchen wird in kochendes Wasser unter ständigem Rühren auf einem Magnetrührer Heizplatte.
- Nach ca. 1 Stunde, schalten Sie die Hitze und lassen Dispersion auf Raumtemperatur abkühlen. Die Dispersion ist dann bereit für rheologische Tests und Elektro.
2. Stationäre scherrheologie
- Aufwärmen der Rheometer und die Bühne Temperatur bei 20 ° C. Kalibrieren Sie den Abstand zwischen der Sonde (25 mm Konus verwendet werden) und die Bühne (Platte).
- Last 0,41 ml der Biopolymer-Dispersion auf die Mitte der Bühne und senken Sie die Sonde, um die positi eingestelltauf (0,053 mm Abstand für 25 mm Konus). Stellen Sie sicher, dass die Dispersion gleichmäßig innerhalb der Lücke verbreitet.
- Führen Sie die rheologischen Test mit den folgenden experimentellen Parameter: Sweep-Modus: log, Anfangsgeschwindigkeit: 100 s -1, Schlussrate: 0,1 s -1, Punkte pro Jahrzehnt: 10, Verzögerung, bevor Maßnahme: 5 sec, Messung Zeit: 10 sec, und Richtungen pro Takt: zwei (beide im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn).
- Rheologischen Daten analysieren, um geeignete Dispersions Konzentrationen für das Elektro Studien schätzen.
- Plotten scheinbaren Scherviskositäten gegen Schergeschwindigkeiten als Funktion der Polymerkonzentration. Für jede Stromkurve, ungefähre Null-Scherviskositäten η 0, durch die tatsächliche oder extrapolierten Werte (beispielsweise bei niedrigen Konzentrationen, wo die niedrige Scherratendaten unzuverlässig sind) für die scheinbare Viskosität bei 0,1 sec - 1.
- Berechnen Sie die spezifische Viskosität: η sp = (η 0 - η s)/ Η s, wobei s η ist die Viskosität des Lösungsmittels.
- Plotten spezifischen Viskositäten als Funktion der Konzentration. Identifizieren halbverdünnten unverflochtene und verstrickt Regime. Die halbverdünnten unverflochtene Regime beginnt mit dem niedrigen Konzentration Ende mit einem kleinen Hang, und die halbverdünnten Regime verstrickt hat eine größere Steigung nach der unverflochtene Regimes. Fit Potenzgesetz Regressionsmodelle in beiden Regimen. Die Leistungswerte sind die Pisten (Konzentrationsabhängigkeit) in halbverdünnten unverflochtene und verstrickt Regime auf einer log-log-Plot. Der Schnittpunkt der beiden Linien ist die Einbau Verstrickung Konzentration, c e.
3. Das Elektroparametervariation
- Montieren Sie den Elektro Aufbau wie in Abbildung 1 dargestellt. Legen Sie die Spritze mit Dispersions entsprechender Zusammensetzung, zB 15% (w / v) Stärke oder Pullulan in 100% DMSO, auf die Spritzenpumpe. Clip der Hochspannungsleitung (postulierenIVE) an der Nadel. Schließen Sie den Gerinnungs Bad mit reinem Ethanol auf Masse durch Eintauchen der Masseleitung (negativ) in die Badewanne. Verwenden Sie eine Hebebühne, um den Abstand zwischen der Spritze und Nadel Koagulierbad einzustellen. Tauchen Sie ein Metallnetz in der Badewanne, um die Fasermatte nach Elektrospinning zu sammeln.
- Drehen Sie das Biopolymer in der folgenden Parameterbereiche: Förderrate von 0,1 bis 0,4 ml / h, Entfernung von Spinn 5 bis 10 cm, und die Spannung von 0 bis 15 kV.
- Beginnen mit einer Spinn Abstand von 5 cm. Zum ersten Förderrate (0,1 ml / h), die Spannung bis Rampe langsam von 0 V Achten Sie auf die Form der Dispersion an der Nadelspitze extrudiert und beachten, wenn die Tropf Dispersion wird beschleunigt und dann länglich.
- Beachten Sie die Spannung, bei der ein kleiner Strahl aus der Tropfenoberfläche eingeleitet, was electrospinnability der Lösung. Aufzeichnen der Spannung an dem ein kontinuierlicher Strahl einleitet, falls vorhanden.
- Untersuchen Sie das komplette Programm für jede der drei parameters und Mitteilungs erfolgreichen Spinnbedingungen. Sammeln der Fasern nur, wenn es einen kontinuierlichen Strahl von der Spitze.
- Nach ein paar Minuten sammeln, spülen Sie die Fasermatte mit reinem Ethanol. Legen Sie die Fasermatte in einem Exsikkator mit Trockenmittel im Vakuum.
- Wiederholen Sie für jede Biopolymer-Konzentration für eine vollständige Charakterisierung.
Abbildung 1 Schematische Darstellung des elektro Naßspinnen Einrichtung. Das Biopolymer Dispersion aus einer Spritzenpumpe extrudiert. Ein Hochspannungsgleichstromnetzteil bietet eine hohe Spannung an den stumpfen Nadel und Gelände die Gerinnungs Badewanne. Das Polymer-Jet von der Nadelspitze bewegt sich durch einen geraden Weg und entwickelt eine schnelle Schlag Weg (auch bekannt als Prügel Instabilität) dann.
4. Morphologische Charakterisierung
- Schneiden Sie ein Stück getrockneten Fasermatte und immobilisieren sie auf eine SEM-Stub mit Kohlenstoffband.
- Legen Sie die Probe in die Stub SEM Instrument und Bilder zu erhalten für die Analyse.
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Representative Results
Fließkurven der Biopolymer-Dispersionen als Funktion der Konzentration Biopolymer und DMSO-Konzentration in dem Lösungsmittel erhalten. Zwei repräsentative Zahlen zeigen die Fließkurven der Stärke (2A) und Pullulans (2B) in Abhängigkeit von ihrer Konzentration in reinem DMSO Lösungsmittel. Die spezifischen Viskositäten wurden gegen Biopolymer-Konzentration (3A für Stärke und 3B für Pullulans) aufgetragen. Aus diesen Grundstücken wurden Verstrickung Konzentrationen als Schnittpunkt der angepassten Linien in halbverdünnten unverflochtene und halbverdünnten Regime verstrickt erhalten.
Abbildung 2. Fließkurven von (A) Gelose 80 Stärke und (B) Pullulans in reinem DMSO als Funktiauf der Konzentration (%, w / v) bei 20 ° C aufweist. In beiden Figuren, Stärke und Pullulan niedrigen Konzentrationen waren weniger viskos, um ausreichendes Drehmoment bei niedrigen Scherraten zu erhalten. Diese unzuverlässige Daten wurden daher nicht dargestellt. Im allgemeinen zeigten die beiden Biopolymere Newtonsches Verhalten bei niedrigen Konzentrationen, nämlich die scheinbare Scherviskosität war unabhängig von der Schergeschwindigkeit. Scherverdünnung wurde deutlich, als die Konzentration erhöht, insbesondere mehr als 10% (w / v). Doch die Scherverdünnungsverhalten war schwach. Die (w / v) Pullulans Dispersionen zeigten nur die Frühphase des Potenzgesetz Region auf hohen Scherraten, während die Stärkedispersionen haben signifikante Reduktion der Viskosität über der Schergeschwindigkeitsbereich nicht zeigen, von 0,1 bis 100 sec 15% und 20% - 1. Mit Genehmigung nach Lit. 11, Copyright (2012) American Chemical Society, und mit Genehmigung nach Lit. 12, Copyright (2014) Elsevier nachgedruckt.
Abbildung 3. Auftragung der spezifischen Viskosität in Abhängigkeit von (A) Gelose 80 Stärke und (B) Pullulans Konzentration in reinem DMSO. Die Steigungen der angepassten Linien in halbverdünnten unverflochtene (linke Seite) und halbverdünnten verstrickt (rechte Seite) Regime zeigen die Konzentrationsabhängigkeit der spezifischen Viskosität, auch bekannt als die Skalierung Abhängigkeit 4. Pullulans zeigten stärkere Konzentrationsabhängigkeit als Stärke in der verschränkten Regimes. Der Schnittpunkt der beiden Linien ausgestattet wurde als die Verstrickung Konzentration (c e), bei der Biopolymere beginnen, in der Dispersion überlappen bezeichnet. Stärke benötigt eine höhere Konzentration als Pullulans zu starten verwickeln. Mit Genehmigung nach Lit. 11, Copyright (2012) American Chemical Society, und mit Genehmigung nach Lit. 12, Copyright (2014) Elsevier nachgedruckt.
Elektrospinnen wurde für alle versuchtenBiopolymer Dispersionen und Ergebnisse in Bezug auf electrospinnability beurteilt, dh Strahlbildungsfähigkeit beim Elektro, und die Morphologie der Fasern gebildet. Eine Dispersion gute electrospinnability bildeten eine stabile und kontinuierliche Jet, der in kontinuierliche und glatte Fasern ohne Tröpfchen geführt. Eine Dispersion, die nicht in der Lage, elektrospinnen konnte eine stabile Jet nicht zu bilden oder zu entwickeln, peitschen Instabilität war. Entweder winzige Tröpfchen oder dicke Fasern wurden in das Koagulationsbad abgeschieden. Figur 4 zeigt repräsentative gute und schlechte Fasern nach ihrem Aussehen beurteilt. Abbildung 5 fasst Auswertung electrospinnability in variierenden Konzentrationen von DMSO in Lösungsmittel und das Biopolymer in Dispersion für Stärke und Pullulan, jeweils . Neben Konzentrationen Scherviskositäten bei 100 sec -1 Verschränkung wurden gegen Biopolymer Konzentration, wo Regionen electrospinnability wurden bezeichnet (Figur 6) dargestellt. >
Abbildung 4: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von guter (links) und schlechten (rechts) Stärke und Pullulan Fasern. Gute Fasern glatt, kontinuierlich und zufällig orientiert, während die armen Fasern können Perlen, Pausen und Tröpfchen wie in der Abbildung (rote Kreise) gezeigt. (A) 10% (w / v) Gelose 80 Stärke in 95% (v / v) DMSO, (b) 8% (w / v) Gelose 80 Stärke in 80% (v / v) DMSO, (c) 17 % (w / v) Pullulan in 40% (v / v) DMSO, und (d) 9% (w / v) Pullulan in 80% (v / v) DMSO. Mit Genehmigung nach Lit. 11, Copyright (2012) American Chemical Society, und mit Genehmigung nach Lit. 12, Copyright (2014) Elsevier nachgedruckt.
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Abbildung 5. Bewertung der electrospinnability von (A) Gelose 80 Stärke und (B) Pullulans Dispersionen als Funktion der DMSO-Konzentration in Lösungsmittel und Biopolymer-Konzentration in der Dispersion: gut electrospinnability (Kreise), schlechte electrospinnability (Diamanten) und nicht in der Lage elektrospinnen (X). Schattierten Bereiche repräsentieren rund elektroverspinnbaren Regionen. Verschränkung Konzentrationen werden auch in etwa gekennzeichnet. Mit Genehmigung nach Lit. 11, Copyright (2012) American Chemical Society, und mit Genehmigung nach Lit. 12, Copyright (2014) Elsevier nachgedruckt.
Figur 6. Die Scherviskosität (bei 100 s -1) von (A) 80 Gelose Stärke und (B) Dispersionen von Pullulan als eine Funktionvon Biopolymer-Konzentration in verschiedenen DMSO / Wasser Lösungsmittel. Schraffierten Flächen stellen die rund elektroverspinnbaren Region. Mit Genehmigung nach Lit. 11, Copyright (2012) American Chemical Society, und mit Genehmigung nach Lit. 12, Copyright (2014) Elsevier nachgedruckt.
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Discussion
Rheologie ist ein wesentliches Instrument, um die Verarbeitung von Polymeren, einschließlich konventioneller Faserspinn und Elektrospinning 13 studieren. Von dem stationären Scher rheologischen Untersuchungen, Polymer-Konformation und ihre Wechselwirkungen in verschiedenen Lösungsmitteln gelöst werden kann (Figuren 2 und 3). Bei Konzentrationen nicht hoch genug für Biopolymermolekülen miteinander überlappen, war ihre Konzentrationsabhängigkeit rund 1,4 (Abbildung 3), die in guter Übereinstimmung mit wiesenen Werte der anderen Polymeren in guten Lösungsmittel 3,4 war. Nachdem die Biopolymermolekülen beginnen zu verwickeln, zeigte die spezifische Viskosität einen wesentlich höheren Konzentrationsabhängigkeit. Ein größerer Wert n zeigt eine stärkere intermolekulare Wechselwirkung. Viele Zufallsknäuel Polysaccharide zeigten ähnliche Konzentrationsabhängigkeit, mit einem n-Wert von etwa 3,3 14. Pullulans zeigten stärkere Wechselwirkung als Stärke in Lösungsmitteln high DMSO-Gehalt, die möglicherweise durch die molekulare Natur der beiden Biopolymere. Die verwendete Stärke hatte einige hochverzweigten Komponenten (ca. 20% Amylopektin), die Pullulan sollte linear sein. Natürlich würden die Molekulargewichte, die nicht bekannt waren, haben auch einen Einfluß.
Die Verschränkung Zusammenschluss von der Konformation des Biopolymers in der Dispersion ab. Zum Beispiel kann die Verschränkung der Stärkekonzentration in 92,5% (w / v) DMSO wässrige Lösung ist viel geringer als in reinem DMSO 11. Es impliziert, dass Stärkemoleküle existieren in einer gestreckten Konformation in 92,5% (w / v) DMSO wässrigen Lösung, so dass sie nehmen eine größere hydrodynamische Volumen und neigen dazu, leichter zu überlappen. Die Verschränkung Konzentrationen von Pullulan nicht so drastisch wie die der Stärke mit unterschiedlichen Lösungsqualität variieren, wahrscheinlich weil sowohl Wasser und DMSO sind gute Lösungsmittel für Pullulan und haben wenig Wirkung auf die molekulare Konformation. Wasser, das kein guterLösungsmittel für Stärke, machte das Szenario viel komplizierter, da ungelöste Stärkemoleküle würde die rheologischen Reaktion beeinflussen.
Um einen guten Fasern zu spinnen, hatte die Konzentration von 1,2 bis 2,7 und die Verschlingung 1.9-2.3x Konzentration für Stärke und Pullulan, bzw. (Figuren 4 und 5). Dieser Bereich ist für schmalere Pullulan, wohl auch aufgrund der geringeren Unterschied in der Konformation der Lösemittel. Es war interessant festzustellen, dass eine Dispersion bei Verstrickung Konzentration, wenn Polymere beginnen, miteinander zu verwickeln, war nicht elektroverspinnbaren. Wahrscheinlich, hoch in Elektro behindern Kette Überlappung und Fernbereich Polymer-Wechselwirkung, die bereits bei statischen und niedrigen Scherbedingungen festgestellt haben, wurde vielleicht, und damit eine verbesserte und ausreichend Verstrickung erforderlich beteiligt Scherkraft. Zusätzlich Scherviskosität spielten eine wichtige Rolle (6). Die elektroverspinnbaren Stärke und Pullulan DispersIonen lassen sich in einem ähnlichen Bereich der Scherviskosität bei 100 s -1, mit einer oberen Grenze von 2,2 Pa · s.
Die hierin beschriebenen Verfahren können in Übereinstimmung mit der Ausrüstung und Materialien in anderen Studien verwendet modifiziert werden. Die Auflösung des Polymeren ist der erste kritische Schritt bei diesem Protokoll, da wir festgestellt, dass teilweise gelösten Stärkedispersionen (zum Beispiel in 85% (w / v) DMSO) hergestellt instabilen stationären Scherviskosität Daten, die eine genaue Bestimmung des C-E verhindert. Während der Durchführung stationären Schermessungen, ziehen wir es von der höchsten Scherrate starten. Dadurch wird die Dispersion gleichmäßig in dem Zwischenraum mit Hilfe von einer hohen Scherrate verteilt. Der Elektro Schritt erforderte viel Praxis. Aufmerksamkeit sollte der Formänderung des Tropfens an der Nadelspitze zu bezahlen. Sicherheitsvorkehrungen bei der Elektro sollte nicht vernachlässigt werden. Die Hauptgefahr von Elektro kommt von der Hochspannung in th verwendete Verfahren, obwohl die Strom relativ niedrig ist. Elektro Experimente sollten in einem Abzug, um Lösemitteldampf, die Gesundheitsrisiken darstellen können, wenn man es für eine lange Zeit ausgesetzt ist, zu vertreiben durchgeführt werden. Vermeiden Sie engen Abstand und sogar den Kontakt zwischen den geladenen Nadelspitze und der Gerinnungs Bad, da diese dann in einer kurzen und Brandgefahr führen.
Die in der aktuellen Studie verwendeten rheologischen Methoden zu tun haben Grenzen. Zum Beispiel ist zu beachten, dass die in Elektro beteiligten tatsächlichen Schergeschwindigkeit ist viel höher als 100 s -1, 1 ist. Neben Rheologie untersucht, Dehnungs Rheologie, die die Dehnung der Dispersion entlang der Trajektorie kenn Scherung kann auch eine wichtige Rolle 15. Die in dieser Studie verwendeten Rheometers ist nicht fähig zur Charakterisierung Dehnviskosität.
Rheologischen Studien können wertvolle Informationen über Biopolymer Konformation in dispe bietenrsions und ihre Verarbeitungseigenschaften. Dieses Protokoll ist potentiell in der Elektro viele andere Biopolymere und deren Mischungen nützlich, in Bezug auf die Lösungsmittelsystem Auswahl, Optimierung der Parameter und Faserbildungsmechanismus auf molekularer Ebene.
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Disclosures
Die Autoren erklären, dass sie nichts zu offenbaren haben.
Acknowledgments
Diese Arbeit wird teilweise durch das USDA National-Institut für Ernährung und Landwirtschaft, National Competitive Grants Program, National Research Initiative Programm 71,1 GJ 2007 finanziert als Grant No 2007-35503-18392 und National Institutes of Health, Institut für Allergie und Infektionskrankheiten , 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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