Moleculaire Verstrengeling en Electrospinnability van Biopolymeren
Summary
Electrospinning is een fascinerende techniek om micro nano-schaal vezels te vervaardigen uit een grote verscheidenheid aan materialen. Moleculaire verstrengeling van de samenstellende polymeren in de spindotering is essentieel voor een succesvolle elektrospinproces. We presenteren een protocol voor het gebruik van de reologie van de electrospinnability van twee biopolymeren, zetmeel en pullulan evalueren.
Abstract
Electrospinning is een fascinerende techniek om micro fabriceren nanoschaal vezels uit een grote verscheidenheid aan materialen. Voor biopolymeren, moleculaire verstrengeling van de samenstellende polymeren in de spindotering bleek een essentiële voorwaarde voor een succesvolle elektrospinproces zijn. Reologie is een krachtig hulpmiddel om de moleculaire conformatie en interactie van biopolymeren sonde. In dit verslag tonen we het protocol voor gebruik rheologie de electrospinnability twee biopolymeren, zetmeel en pullulan evalueren van hun dimethylsulfoxide (DMSO) / water dispersies. Goed gevormde zetmeel en pullulan vezels met een gemiddelde diameter van de sub-micron tot micron werden verkregen. Electrospinnability werd geëvalueerd door visuele en microscopische waarneming van de gevormde vezels. Door het correleren van de reologische eigenschappen van de dispersies om hun electrospinnability, dat de moleculaire conformatie, moleculaire verstrengeling en afschuifviscositeit tonen we allemaal van invloed uitverkorenenrospinning. Reologie is niet alleen bruikbaar oplosmiddelsysteem selectie en procesoptimalisatie, maar ook begrip van het mechanisme van de vorming vezel op een moleculair niveau.
Introduction
Electrospinning is een techniek die kan produceren continue micro nano-schaal vezels uit een grote verscheidenheid aan materialen. Ze heeft opgedaan toenemende wetenschappelijke en industrieel belang 1. Hoewel de opzet en de praktijk van elektrospinnen lijkt eenvoudig, de mogelijkheid om electrospinnability vezels eigenschappen voorspellen en te beheersen blijft een uitdaging. De reden kan in het feit dat er veel factoren die de elektrospinproces 2 en het proces, met name de weg die de vezel, chaotisch 1 liggen. Vaak een empirische "kook-en-kijk" benadering wordt gebruikt voor het screenen van potentiële electrospinnable materialen. Echter, om een betere controle over de elektrospinproces en resulterende vezels eigenschappen, een meer volledig begrip van de mechanismen die electrospinnability regeren nodig krijgen. Verschillende onderzoekers hebben ontdekt dat moleculaire verstrengeling van polymeren in de spindotering is een essential voorwaarde voor een succesvolle elektrospinnen 3 5.
Reologie is een krachtig hulpmiddel om de moleculaire conformatie en interactie sonde in de polymeer dispersies. Bijvoorbeeld, McKee et al. onderzochten de moleculaire conformatie van lineaire en vertakte poly (ethyleentereftalaat-co-ethyleenisoftalaat) copolymeren in een oplosmiddel dat chloroform / dimethyltereftalaat (7/3, v / v), en vastgesteld dat de polymeerconcentratie moest 2-2.5x de verstrengeling concentratie voor een succesvolle elektrospinproces 4.
Er is momenteel een hernieuwde belangstelling voor vezels uit biopolymeren vanwege hun voordelen in de biologische afbreekbaarheid, biocompatibiliteit en verduurzaming ten opzichte van hun synthetische tegenhangers. Toch beoefenaars geconfronteerd met vele uitdagingen in het algemeen als gevolg van hun complexe structuur, moeite met thermische verwerking en inferieure mechanische eigenschappen. Zetmeel, in plantenweefsels is among de meest overvloedige en goedkope biopolymeren op aarde. Pure zetmeel vezels vervaardigd met een elektro-natspinnen inrichting werden onlangs beschreven 6. Pullulan is een lineair polysaccharide extracellulair door bepaalde bacteriën. De regelmatige afwisseling van (1 → 4) en (1 → 6) glucosidebindingen worden verondersteld verantwoordelijk voor een aantal onderscheidende eigenschappen van pullulan, waaronder uitstekende vezel / film vormend vermogen 7,8 te zijn. Electrospinning van pullulan vezels uit waterige dispersie is gemeld door een aantal onderzoekers 9,10. In onze eerdere publicaties, de electrospinnability van twee biopolymeren, zetmeel 11 en pullulan 12, is besproken. Dit rapport richt zich op het aantonen van het protocol voor het gebruik van rheologische uitgangspunten in het onderzoek van de electrospinnability van deze twee biopolymeren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Reologie is een essentieel instrument om de verwerking van polymeren, met inbegrip van conventionele vezels spinnen en elektrospinnen 13 bestuderen. Van de constante afschuiving reologische studies, polymeerconformatie en hun interacties in verschillende oplosmiddelen kunnen worden opgelost (figuren 2 pt 3). Bij concentraties niet hoog genoeg biopolymeer moleculen elkaar overlappen, de afhankelijkheid van de concentratie was ongeveer 1.4 (figuur 3), die in go…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk wordt gedeeltelijk gefinancierd door de USDA Nationaal Instituut voor Voeding en Landbouw, National Competitive Grants Program, National Research Initiative Program 71,1 boekjaar 2007 als Grant No 2007-35503-18392 en National Institutes of Health, Instituut voor Allergie en Infectieziekten , 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).
