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
Representative Results
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Arbetet finansieras delvis av USDA Institutet för livsmedel och jordbruk, Nationella Konkurrenskraftiga Grants Program, National Research Initiative Program 71,1 FY 2007 som Grant nr 2007-35503-18392 och National Institutes of Health, Institutet för Allergi och Smittskydds , R33AI94514-03.
Materials
| Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| 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. , (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. Electrospinning of food-grade polysaccharides. Food Hydrocolloids. 25 (5), 1393-1398 (2011).
- 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).
