מולקולרי הסתבכות וElectrospinnability של Biopolymers
Summary
Electrospinning היא טכניקה מרתקת נהגה לפברק מיקרו לסיבים בקנה מידה ננו ממגוון רחב של חומרים. הסתבכות מולקולרית של הפולימרים המרכיבים בסמי ספינינג היא חיונית לelectrospinning המוצלח. אנו מציגים פרוטוקול לניצול rheology להעריך electrospinnability של שני biopolymers, עמילן וpullulan.
Abstract
Electrospinning היא טכניקה מרתקת לפברק מיקרו לסיבים בקנה מידה ננו ממגוון רחב של חומרים. לbiopolymers, הסתבכות מולקולרית של הפולימרים המרכיבים בסמי ספינינג נמצאה תנאי הכרחי לelectrospinning המוצלח. Rheology הוא כלי רב עוצמה כדי לחקור את המבנה ואינטראקציה המולקולריים של biopolymers. בדוח זה, אנחנו מדגימים את הפרוטוקול לניצול rheology להעריך electrospinnability של שני biopolymers, עמילן וpullulan, מsulfoxide דימתיל (DMSO) / תפוצות מים. סיבי עמילן וpullulan בנויים היטב בקטרים ממוצע בsubmicron לטווח מיקרון התקבלו. Electrospinnability הוערך על ידי תצפית ויזואלית ומיקרוסקופית של הסיבים שנוצרו. באמצעות התאמת מאפייני rheological של תפוצות לelectrospinnability, אנו מראים כי קונפורמציה המולקולרית, הסתבכות מולקולרית, וצמיגות גזירה כל להשפיע נבחריםrospinning. Rheology הוא לא שימושי רק בבחירת מערכת ממס ואופטימיזציה של תהליך, אלא גם בהבנת מנגנון היווצרות סיבים ברמה מולקולרית.
Introduction
Electrospinning היא טכניקה שהוא מסוגל לייצר מיקרו הרציף לסיבים בקנה מידה ננו ממגוון רחב של חומרים. היא צברה עניין גובר אקדמי ותעשייתי 1. למרות שההתקנה והתרגול של electrospinning נראים פשוט, היכולת לחזות electrospinnability ולשלוט במאפייני סיבים עדיין מהווה אתגר. הסיבה נעוצה בעובדה שיש גורמים רבים המשפיעים על תהליך electrospinning 2 ותהליך, במיוחד בדרך נסעה בסיבים, הוא כאוטי 1. לעתים קרובות גישה "לבשל ו-להיראות" אמפירית משמשת לסינון חומרי electrospinnable פוטנציאליים. עם זאת, כדי להשיג שליטה טובה יותר על תהליך electrospinning ומאפייני סיבים כתוצאה, הבנתנו את המנגנונים ששולטים electrospinnability נדרש מלאה יותר. מספר חוקרים מצאו כי הסתבכות מולקולרית של פולימרים בסמי ספינינג היא Essentiaתנאי מוקדם לליטר electrospinning המוצלח 3 5.
Rheology הוא כלי רב עוצמה כדי לחקור מבנה ואינטראקציה מולקולריים בתפוצות פולימר. לדוגמא, מקי et al. חקר את קונפורמציה המולקולרית של יניארי ופולי מסועפים (isophthalate terephthalate שיתוף אתילן אתילן) קופולימרים בממס המכיל כלורופורם / terephthalate דימתיל (7/3, V / V), וקבע כי ריכוז הפולימר היה צריך להיות 2-2.5x ריכוז ההסתבכות לelectrospinning המוצלח 4.
יש עניין מחודש כעת בסיבים מbiopolymers בגלל היתרונות שלהם בפריקות ביולוגיות, biocompatibility, וrenewability כלפי מול עמיתיהם סינטטיים. עם זאת, מתרגלים להתמודד עם אתגרים רבים הנובעים בדרך כלל מהמורכבות המבנית שלהם, הקושי בעיבוד תרמי ותכונות מכאניות נחותות. עמילן, נמצא ברקמות צמח, הוא אמוןגרם biopolymers השפע ולא יקר ביותר על פני כדור הארץ. סיבי עמילן טהורים מפוברקים באמצעות מנגנון אלקטרו הרטוב ספינינג תואר 6 לאחרונה. Pullulan הוא פוליסכריד ליניארי מיוצר extracellularly על ידי חיידקים מסוימים. ההתחלפות הקבועה של (1 → 4) ו( 1 → 6) הם האמינו אג"ח glucosidic להיות אחראי על מספר מאפיינים ייחודיים של pullulan, כוללים סיבים מצוינים / סרט להרכיב 7,8 היכולת. Electrospinning של סיבי pullulan מפיזור מימיים כבר דווח על ידי מספר החוקרים 9,10. בפרסומים הקודמים שלנו, electrospinnability של שני biopolymers, עמילן 11 וpullulan 12, כבר דן. דו"ח זה מתמקד בהוכחת הפרוטוקול לניצול עקרונות rheological בחקירה של electrospinnability של שני biopolymers אלה.
Protocol
Representative Results
Discussion
Rheology הוא כלי חיוני כדי ללמוד את העיבוד של פולימרים, הכוללים סיבים ספינינג קונבנציונלי וelectrospinning 13. מהמחקרים יציבים גזירת rheological, קונפורמציה פולימר ויחסי הגומלין שלהם בממסים שונים ניתן לפתור (איורים 2 ו -3). בריכוזים לא גבוהים מספיק למולקולות biopo…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו ממומנת בחלקו על ידי המוסד למשרד החקלאות האמריקנית הלאומי למזון וחקלאות, תכנית מענקים תחרותיים לאומית, הלאומית למחקר תכנית יוזמה 71.1 2,007 פ.י. כגרנט 2007-35503-18392 מס, והמכונים הלאומיים לבריאות, מכון לאלרגיה ומחלות זיהומיות , 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).
