生体高分子の分子エンタングルメントとElectrospinnability
Summary
エレクトロスピニングは、多種多様な材料からナノスケールの繊維にミクロを製造するために使用される魅力的な技術である。紡糸原液中の成分ポリマーの分子絡み合いが成功エレクトロスピニングのために必須である。私たちは、2つの生体高分子、デンプンおよびプルランのelectrospinnabilityを評価するためにレオロジーを利用するためのプロトコルを提示する。
Abstract
エレクトロスピニングは、多種多様な材料からナノスケールの繊維にマイクロ作製する魅力的な技術である。バイオポリマーは、紡糸原液中の成分ポリマーの分子絡み合いが成功したエレクトロスピニングのための必須の前提条件であることが見出された。レオロジーは、生体高分子の分子コンフォメーションとの相互作用を調査するための強力なツールです。本稿では、それらのジメチルスルホキシド（DMSO）/水分散液から、2の生体高分子、デンプンおよびプルランのelectrospinnabilityを評価するためにレオロジーを利用するためのプロトコルを示しています。ミクロン範囲にサブミクロンの平均直径を持つ整形式デンプン及びプルラン繊維が得られた。 Electrospinnabilityが形成された繊維の視覚的な顕微鏡観察により評価した。彼らのelectrospinnabilityに分散液のレオロジー特性を相関させることによって、私たちは、分子の立体配座は、分子の絡み合い、せん断粘度はすべて当選者に影響を与えることを実証しているrospinning。レオロジーは、溶媒系の選択およびプロセスの最適化において有用であるだけでなく、分子レベルで繊維形成のメカニズムを理解していない。
Introduction
エレクトロスピニングは、多種多様な材料からナノスケールの繊維に連続したマイクロを生成することができる技術である。これは、増加し、学術および産業の関心1を得ています。セットアップとエレクトロスピニングの実施は簡単なように見えるが、繊維特性をelectrospinnabilityを予測し、制御する能力は、課題である。その理由は、多くのエレクトロスピニング工程2に影響を与える要因、プロセス、繊維が移動特にパスが存在するという事実にあるのかもしれない、カオス1である。しばしば経験的な「クック·アンド·ルック」アプローチは、潜在的electrospinnable物質をスクリーニングするために使用される。しかしながら、電界紡糸プロセス及び結果として得られる繊維の特性より良好な制御を得るために、electrospinnabilityを支配するメカニズムのより完全な理解が必要である。いくつかの研究者は、紡糸原液中のポリマーの分子の絡み合いは、エッセンであることを見出した成功したエレクトロスピニング3〜5はLの前提条件。
レオロジーは、ポリマー分散液中の分子の立体配座との相互作用を調査するための強力なツールです。例えば、マッキーら 。クロロホルム/ジメチルテレフタレート（7/3、v / v）を含む溶媒中で線形の分子配座および分枝状ポリ（エチレンテレフタレート – コ – エチレンテレフタレート）共重合体を調査し、ポリマー濃度が2-2.5xをする必要があったと判断さ成功したエレクトロスピニング4用の絡み合い濃度。
なぜなら、生分解性、生体適合性、および気力それらの合成対応更新性におけるそれらの利点のバイオポリマーからの繊維で現在新たな関心がある。しかし、専門家は、その構造の複雑さ、熱加工と劣る機械的性質の困難さから、一般的に発生する多くの課題に直面する。植物組織に見られるデンプンは、アモンですgの地球上で最も豊富で安価なバイオポリマー。最近6に記載された純粋な澱粉繊維は、電気湿式紡糸装置を使用して製造。プルランは、ある種の細菌によって細胞外に生産さ線状多糖類である。 （1→4）および（1→6） の規則的な交互のグルコシド結合は機能7,8を形成する優れた繊維/フィルムを含むプルランのいくつかの独特の特性の原因であると考えられている。水性分散液からプルラン繊維の電界紡糸は、研究者9,10の数で報告されている。われわれの以前の出版物では、2つのバイオポリマー、デンプン11及びプルラン12のelectrospinnabilityは、議論されている。このレポートは、これらの2つの生体高分子のelectrospinnabilityの調査にレオロジーの原則を利用するためのプロトコルを示すに焦点を当てています。
Protocol
Representative Results
Discussion
レオロジーは、従来の紡糸やエレクトロスピニング13を含むポリマーの加工を、研究するための不可欠なツールです。定常せん断レオロジー研究、ポリマーコンフォメーションと異なる溶媒でのそれらの相互作用から解決することができる（ 図2および3）。バイオポリマー分子が互いに重なるために十分ではない高濃度で、それらの濃度依存性は、良溶媒…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、食料農業USDA国立研究所、国立競争補助金プログラム、国家研究イニシアティブプログラム71.1 2007年度によって部分的に資金を供給されているアレルギー感染病に対する認可番号2007-35503-18392、および国立衛生研究所、研究所など、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 |
Referências
- 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).
