Enchevêtrement moléculaire et Electrospinnability de biopolymères
Summary
Électrofilage est une technique utilisée pour fabriquer fascinant de micro-fibres à l'échelle nanométrique dans une grande variété de matériaux. Enchevêtrement moléculaire des polymères constitutifs de la solution de filage est essentiel pour la réussite électrofilage. Nous présentons un protocole pour l'utilisation de la rhéologie d'évaluer la electrospinnability de deux biopolymères, amidon et pullulane.
Abstract
Électrofilage est une technique pour fabriquer des micro fascinant de fibres à l'échelle nanométrique dans une grande variété de matériaux. Pour biopolymères, enchevêtrement moléculaire des polymères constitutifs de la solution de filage a été trouvé à être une condition préalable essentielle pour électrofilature succès. La rhéologie est un outil puissant pour sonder la conformation moléculaire et l'interaction des biopolymères. Dans ce rapport, nous démontrons le protocole à utiliser pour évaluer la rhéologie electrospinnability de deux biopolymères, de l'amidon et le pullulane, de leur sulfoxyde de diméthyle (DMSO) / dispersion d'eau. Bien formés amidon et fibres de pullulane avec des diamètres moyens dans la submicronique pour ordre du micron ont été obtenus. Electrospinnability a été évaluée par observation visuelle et microscopique des fibres formées. En corrélant les propriétés rhéologiques des dispersions à leur electrospinnability, nous démontrons que la conformation moléculaire, enchevêtrement moléculaire et la viscosité de cisaillement affectent tous élusrospinning. La rhéologie est non seulement utile dans le choix du système de solvant et d'optimisation de processus, mais également à la compréhension du mécanisme de formation de la fibre à un niveau moléculaire.
Introduction
Électrofilage est une technique qui est capable de produire en continu de micro-fibres à l'échelle nanométrique dans une grande variété de matériaux. Il a gagné en intérêt académique et industrielle 1. Bien que la configuration et la pratique de électrofilature semblent simples, la capacité de prévoir et de contrôler electrospinnability propriétés de la fibre reste un défi. La raison peut résider dans le fait qu'il ya beaucoup de facteurs qui influent sur le processus de électrofilature 2 et le processus, en particulier le chemin parcouru par la fibre, est chaotique 1. Souvent, une approche empirique "cook-and-look" est utilisé pour le dépistage des matériaux electrospinnable potentiels. Cependant, pour obtenir un meilleur contrôle sur le processus de électrofilature et les propriétés des fibres obtenues, une compréhension plus complète des mécanismes qui régissent electrospinnability est nécessaire. Plusieurs chercheurs ont constaté que l'enchevêtrement moléculaire de polymères dans la solution de filage est une essential condition préalable pour l'électrofilage réussie de 3 à 5.
La rhéologie est un outil puissant pour sonder la conformation moléculaire et d'interaction dans des dispersions de polymères. Par exemple, McKee et al. étudié la conformation moléculaire linéaire et ramifié poly (éthylène téréphtalate-co-isophtalate d'éthylène), les copolymères dans un solvant contenant un mélange chloroforme / téréphtalate de diméthyle (3.7, v / v), et a déterminé que la concentration en polymère doit être 2-2.5x la concentration d'enchevêtrement pour électrofilature succès 4.
Il est actuellement un regain d'intérêt dans les fibres de biopolymères en raison de leurs avantages en biodégradabilité, la biocompatibilité et de renouvellement vis-à-vis de leurs homologues synthétiques. Pourtant, les praticiens sont confrontés à de nombreux défis découlant généralement de leur complexité structurelle, de la difficulté dans le traitement thermique et les propriétés mécaniques inférieures. Amidon, qui se trouve dans les tissus végétaux, est among biopolymères les plus abondants et bon marché sur la terre. Fibres d'amidon pur fabriqués en utilisant un appareil d'électro-filage au mouillé ont été récemment décrit 6. Le pullulane est un polysaccharide linéaire de façon extracellulaire produite par certaines bactéries. L'alternance régulière de (1 → 4) et (1 → 6) glucosidiques sont soupçonnés d'être responsables de plusieurs propriétés distinctives de pullulane, y compris une excellente fibre / filmogène capacité 7,8. Électrofilage de fibres de dispersion aqueuse de pullulane a été rapportée par plusieurs chercheurs 9,10. Dans nos publications antérieures, le electrospinnability de deux biopolymères, amidon 11 et 12 pullulane, a été discutée. Ce rapport met l'accent sur la démonstration du protocole pour l'utilisation de principes rhéologiques à l'enquête de la electrospinnability de ces deux biopolymères.
Protocol
Representative Results
Discussion
La rhéologie est un outil essentiel pour étudier le traitement des polymères, y compris le filage de fibres classiques et électrofilage 13. D'après les études régulières cisaillement rhéologiques, la conformation des polymères et leurs interactions dans différents solvants peuvent être résolus (figures 2 et 3). A des concentrations suffisamment élevées pour ne pas les molécules de biopolymères se chevauchent les uns aux autres, leur dépendance à la conc…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail est financé en partie par l'Institut national de l'USDA pour l'alimentation et l'agriculture, Programme national de l'octroi des subventions, Programme national de l'Initiative de recherche 71,1 exercice 2007, Grant n ° 2007-35503-18392, et les instituts nationaux de la santé, Institut pour l'allergie et des maladies infectieuses , 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).
