Hacia Biomimicking Madera: Fabricada en monobloque películas de nanocellulose, lignina, y una Policatión sintético

Summary

El objetivo de esta investigación fue formar tejido de la pared celular vegetal sintético usando asamblea capa por capa de fibrillas nanocellulose y aislada lignina montado a partir de suspensiones acuosas diluidas. Se han usado técnicas de medición de la superficie de la microbalanza de cristal de cuarzo y microscopía de fuerza atómica para monitorizar la formación del material nanocompuesto de polímero-polímero.

Abstract

Materiales de madera se componen de paredes celulares de las plantas que contienen una pared celular secundaria en capas compuesto por polímeros estructurales de los polisacáridos y la lignina. Se utilizó proceso de ensamblaje capa por capa (LBL) que se basa en el ensamblaje de moléculas de carga opuesta a partir de soluciones acuosas para construir una película de material compuesto autoportante de polímeros de madera aislados de la lignina y la celulosa oxidada nanofibrillas (NFC). Para facilitar el montaje de estos polímeros cargados negativamente, un polielectrolito cargado positivamente, poli (cloruro de diallyldimethylammomium) (PDDA), fue utilizado como una capa de enlace para crear esta pared celular modelo simplificado. El proceso de adsorción en capas se estudió cuantitativamente usando microbalanza de cristal de cuarzo con monitorización de disipación (QCM-D) y elipsometría. Los resultados mostraron que la masa capa / espesor por capa adsorbida aumenta como una función del número total de capas. La cobertura de la superficie de las capas adsorbidas se estudió con microscopía de fuerza atómica (AFM).La cobertura completa de la superficie con la lignina en todos los ciclos de deposición se encontró para el sistema, sin embargo, la cobertura de la superficie por la NFC aumentó con el número de capas. El proceso de adsorción se llevó a cabo durante 250 ciclos (500 bicapas) en un acetato de celulosa (CA) sustrato. Se obtuvieron LBL montado películas de nanocompuestos exentas transparentes cuando el sustrato CA se disolvió luego en acetona. Microscopía electrónica de barrido (SEM) de las secciones transversales fracturados mostró una estructura laminar, y el espesor por ciclo de adsorción (PDDA-lignina-PDDA-NC) se estimó en 17 nm para dos tipos diferentes de lignina utilizados en el estudio. Los datos indican una película con arquitectura altamente controlado donde nanocellulose y lignina se depositan espacialmente en la escala nanométrica (un nanocompuestos de polímero-polímero), similar a lo que se observa en la pared celular nativa.

Introduction

Hay un gran interés para obtener productos químicos y combustibles adicionales a partir de biomasa, como el carbono secuestrado por las plantas durante la fotosíntesis es parte del ciclo actual de CO _2. La mayoría de carbono secuestrado (42-44%) es en la forma de celulosa, un polímero compuesto de unidades de glucopiranosa β 1-4-vinculados; cuando se hidroliza, la glucosa se puede utilizar como reactivo primario para la fermentación en combustibles a base de alcohol. Sin embargo, la arquitectura de la pared celular de las plantas leñosas ha evolucionado durante miles de años, creando un material que es resistente a la degradación en el medio ambiente natural ^1. Esta estabilidad se traslada a la transformación industrial de los materiales leñosos, tales como los cultivos energéticos que hacen de celulosa de difícil acceso, aislar y desglose en glucosa. Una mirada más cercana a la ultraestructura de la pared celular secundaria revela que es un nanocompuesto de polímero compuesta de microfibrillas de celulosa paracristalina capas incrustadas en una matriz amorfa de la lignina y el dobladilloicelluloses ^2-4. Las microfibrillas de celulosa orientadas longitudinalmente tienen un diámetro de aproximadamente 2-5 nm, que se agregan junto con otros hetero-polisacáridos para formar unidades más grandes de los haces de fibrillas ^5. Los haces de fibrillas están incrustados en un complejo lignina-hemicelulosa compuesta de un polímero amorfo de unidades fenilpropanol con algunos vínculos con otros hetero-polisacáridos como glucoronoxylan ^4. Además, esta estructura se organiza además en capas, o laminillas, a lo largo de la pared celular secundaria lignificada ^6-8. Las enzimas, tales como celulasas, tienen un tiempo muy difícil acceder a celulosa dentro de la pared celular tal como se encuentra en su forma de fibrillas y incrustado en lignina. El quid de lo que verdaderamente combustibles de base biológica y plataformas químicas renovables una realidad es el desarrollo de procesos que permitan económicamente la sacarificación de la celulosa en su forma nativa.

Las nuevas tecnologías químicas y de imagen están ayudando en la víaudy de los mecanismos implicados en la sacarificación de la celulosa ^9,10. Gran parte del trabajo se ha centrado en la formación de imágenes confocal Raman ¹¹ y microscopía de fuerza atómica ¹² para estudiar la composición química de la pared celular y la morfología. Ser capaz de seguir de cerca los mecanismos de deslignificación y sacarificación es un paso adelante significativo, impactando la conversión de la celulosa en glucosa. Sacarificación de superficies de celulosa modelo se analizó por medición de las tasas de cinética enzimática con una microbalanza de cristal de cuarzo con monitorización de disipación (QCM-D) ^13. Sin embargo, las paredes celulares nativas son muy complejos como se indica anteriormente, y esto crea ambigüedad de cómo los diferentes procesos de conversión de cambiar la estructura de la pared celular vegetal (peso molecular del polímero, enlaces químicos, la porosidad). Modelos autoportantes de las sustancias de la pared celular de composición estructural conocido abordarían esta preocupación y permitir la integración de muestras en química y la imaginación del estado-de-arteequipos ng.

Hay una escasez de modelos de pared celular y los pocos disponibles se pueden clasificar como mezclas de materiales poliméricos y celulosa o celulosa bacteriana ^14, composites polimerizados enzimática de lignina polisacárido ^15-17, o las superficies del modelo ^18-21 regenerados. Algunos modelos que comienzan a parecerse a la pared celular son las muestras que contienen precursores o análogos polimerizados enzimáticamente en presencia de celulosa en su forma microfibrilar lignina. Sin embargo, estos materiales sufren de la falta de la arquitectura de capa organizada. Una ruta simple para la creación de materiales nanocompuestos con la arquitectura organizada es el (LBL) técnica de capa por capa de ensamblaje, basado en la adsorción secuencial de polímeros o nanopartículas con cargas complementarias o grupos funcionales para formar películas de material compuesto de varias capas organizadas ^22-25. Nanocompuestos híbridos autoportantes de alta resistencia, realizados por LbL deposición de polímero y nanoparticles, han sido reportados por Kotov et al. ^26-30. Entre muchas otras aplicaciones, películas LbL también han sido investigados para su uso potencial en el suministro terapéutico ^31, las membranas de células de combustible ^32,33, baterías ^34, y lignocelulósico ^35-37 modificación de la superficie de la fibra. Materiales compuestos El reciente interés en celulosa nanoescala basados ​​han conducido a la preparación y caracterización de multicapas LbL de nanocristales de celulosa (CNC) preparados por hidrólisis de ácido sulfúrico de fibras de celulosa, y polielectrolitos cargados positivamente ^38-43. Estudios similares también se han llevado a cabo con nanocristales de celulosa obtenidas de tunicina marina y polielectrolitos catiónicos ^44, CNC y xiloglucano ⁴⁵ y CNC y quitosano ^46. LbL formación de múltiples capas de celulosas carboxilados nanofibrillated (SNF), obtenidas por homogeneización a alta presión de fibras de pasta con polielectrolitos catiónicos también ha sidoestudiado ^47-49. La preparación, propiedades y aplicaciones de los CNC y celulosa nanofibrillated se han revisado en detalle ^50-53.

El presente estudio consiste en el examen de la técnica LbL como una forma potencial de montar polímeros lignocelulósicos aislados (como nanocellulose y lignina) de forma ordenada como el primer paso hacia un compuesto lignocelulósico biomimético con estructura laminar. La técnica LbL fue seleccionado para sus condiciones de procesamiento benignos tales como, la temperatura ambiente, la presión, y el agua como el disolvente, que son condiciones para la formación de material compuesto natural de ^54. En este estudio nos informe sobre la multicapa acumulación de componentes de madera constitutivos, a saber microfibrillas de celulosa a partir de la 1-tetrametilpiperidina oxilo (TEMPO) oxidación mediada de la pulpa y el aislado de lignina en películas laminares exentas. Dos ligninas diferentes se utilizan de diferentes técnicas de extracción, uno de una lignina técnica de la organosolv proceso de fabricación de pasta, y el otro un lignina aislada de un molino de bolas con menos modificaciones durante el aislamiento. Estos compuestos se combinan con un polielectrolito sintético en este estudio inicial para demostrar la viabilidad de la realización de películas exentas estables con arquitectura similar a la pared celular nativo.

Protocol

1. Nanofibrillated Celulosa Preparación 55 Configuración de un 3 L matraz de tres cuellos con 2 L de agua desionizada, un agitador superior, y sonda de pH. Añadir la pulpa deslignificada Kraft, 88% de brillo (20 g, 1% (w / v, base de peso seco)), 2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxilo (TEMPO) (0,313 g, 0,1 mmoles / g de celulosa) , y bromuro de sodio (NaBr, 2,0 g, 1 mmol / g de celulosa) en el matraz. Mezclar la fibra de la pasta con el agitador de cabeza hasta que la fibra se d…

Representative Results

QCM-D Análisis de Structured Fabrication Woody Película de polímero La adsorción LbL de la lignina, NFC y PDDA se monitorizó en tiempo real con QCM-D en dos experimentos diferentes que implican dos tipos de ligninas. Este método de análisis es muy sensible para detectar cambios en la frecuencia cuando las moléculas se adsorben a la superficie del cristal de cuarzo La Figura 1 contiene una descripción detallada de la respuesta QCM-D en un ciclo de deposición, que impli…

Discussion

Fabricación de nanocellulose

Para la fabricación nanocellulose es necesaria la oxidación con éxito de la fibra de la pasta para la fibrilación fácil. La oxidación es controlada por hipoclorito de sodio disponible, que debe añadirse lentamente en cantidades conocidas sobre la base de la cantidad de celulosa. Una de las razones para la oxidación limitada surge desde el almacenamiento de la solución de hipoclorito de sodio durante períodos prolongados. Esta eficiencia de oxidación redu…

Materials

sulfate pulp	Weyerhaeuser	donated	brightness level of 88%
organosolv lignin	Sigma Aldrich	371017	discontinued
hardwood milled wood lignin	see reference in paper
polydiallyldimethylammonium chloride	Sigma Aldrich	409022	Mn = 7.2×10^4, Mw=2.4×10^5
2,2,6,6-Tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO)	Sigma Aldrich	214000	catalytic oxidation of primary alcohols to aldehydes with a purity of 98%, molecular weight is 156.25g/mol
sodium bromide	Sigma Aldrich	S4547	purity ≥99.0%, molecular weight 102.89
sodium hypochlorite	Sigma Aldrich	425044	reagent grade, available chlorine 10~15%, molecular weight 74.44g/mol
sodium hydroxide	VWR	BDH7221-4	0.5N aqueous solution, density 1.02g/ml, molecular weight 40 g/mol
sodium hydroxide	Acros Organics	AC12419-0010	0.1N aquesous solution, specific gravity 1.0 g/ml, molecular weight 40 g/mol
ammonium hydroxide	Acros Organics	AC39003-0025	25% solution in water, pH 13.6, density 0.89, molecular weight 35.04 g/mol
hydrogen peroxide	Fisher Scientific	H325-100	30.0~32.0% certified ACS, pH 3.3, density 1.11
Mica sheets	TED Pella	NC9655733	Pelco, grade V5, 10×40mm, 23mm T, minimum air and bubbles, very clean
sulfuric acid	Fisher Scientific	A300-212	95.0~98.0 w/w%, certified ACS plus, molecular weight 98.08 g/mol
cellulose acetate	McMaster Carr	8564K44	degree of substitution 2.5
ethanol	Decon Laboratories	04-355-223	200 proof (100%), USP
acetone	Fisher Scientific	A18-4	purity ≥99.5%, certified ACS reagent grade, density 0.79 g/ml, molecular weight 58.08 g/mol
syringy pump	Harvard Apparatus	552226	pump 22 infusion/withdraw with standard syringe holder, flow rate 0.002 ul/h~55.1ml/min
Mill-Q water purification system	EMD Millipore	D3-UV	Direct-Q, UV, water conductivity 18.5 MΩ cm with 20 liter reservair
pH meter	Mettler Toledo		SeverMulti
balance	Mettler Toledo	AB135-S	accuracy 0.1mg
atomic force microscope	Asylum Research		MFP-3D, Olympic fluorescent microscope stage
ellipsometer	Beaglehole Instruments
fiber centrifuge	unknown		basket style centrifuge
Warring blender	Warring		Commercial
ultrasonic processor	Sonics		Sonics 750W, sound enclosure
Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D)	Q-Sense Inc.	E4	measure fundamental frequency of 5MHz, and monitor odd number overtones/harmonics from 3~13, use gold-coated piezoelectric quartz crystals
automatted dipper arm	Lynxmotion