Molecolare Entanglement e Electrospinnability di biopolimeri

Summary

Electrospinning è una tecnica affascinante utilizzata per fabbricare micro fibre di nano-scala da una grande varietà di materiali. Entanglement molecolare dei polimeri costituenti della droga filatura è essenziale per electrospinning successo. Vi presentiamo un protocollo per l'utilizzo reologia per valutare la electrospinnability di due biopolimeri, amido e pullulano.

Abstract

Electrospinning è una tecnica affascinante per fabbricare micro fibre di nano-scala da una grande varietà di materiali. Per i biopolimeri, entanglement molecolare dei polimeri costituenti della droga filatura è risultata essere una condizione essenziale per il successo electrospinning. Reologia è un potente strumento per sondare la conformazione molecolare e l'interazione di biopolimeri. In questo rapporto, dimostriamo il protocollo per l'utilizzo reologia per valutare la electrospinnability di due biopolimeri, amido e pullulano, dalla loro dimetilsolfossido (DMSO) / dispersioni di acqua. Sono state ottenute le fibre di amido e Pullulan ben formati con diametri medi del submicron di gamma micron. Electrospinnability è stata valutata mediante osservazione visiva e microscopica delle fibre formate. Correlando le proprietà reologiche delle dispersioni al loro electrospinnability, dimostriamo che la conformazione molecolare, entanglement molecolare e viscosità di taglio tutti fattori che influiscono elettirospinning. Reologia non è utile solo in selezione del sistema solvente e ottimizzazione del processo, ma anche nella comprensione del meccanismo di formazione della fibra a livello molecolare.

Introduction

Electrospinning è una tecnica che è in grado di produrre micro continua a fibre nanoscala da un'ampia varietà di materiali. Esso ha acquisito sempre maggiore accademico e industriale di interesse ^1. Anche se la messa a punto e la pratica della elettrofilatura sembra semplice, la capacità di prevedere electrospinnability e controllare le proprietà della fibra rimane una sfida. Il motivo può risiedere nel fatto che ci sono molti fattori che influenzano il processo elettrospinning ² e il processo, soprattutto percorsa dalla fibra, è caotica ^1. Spesso un approccio "cuoco-e-guardare" empirica viene utilizzato per lo screening di potenziali materiali electrospinnable. Tuttavia, per ottenere un migliore controllo sul processo elettrofilatura e proprietà delle fibre che ne derivano, una più completa comprensione dei meccanismi che governano electrospinnability è richiesto. Diversi ricercatori hanno scoperto che l'entanglement molecolare dei polimeri nella droga filatura è un essential prerequisito per il successo elettrofilatura ^{3 5.}

Reologia è un potente strumento per sondare conformazione molecolare e l'interazione in dispersioni polimeriche. Per esempio, McKee et al. indagato la conformazione molecolare lineare e ramificata poli (etilene tereftalato-co-etilene isoftalato) copolimeri in un solvente contenente cloroformio / dimetil tereftalato (7/3, v / v), e determinato che la concentrazione del polimero doveva essere 2-2.5x la concentrazione di entanglement per elettrofilatura successo ^4.

Non ci sono attualmente rinnovato interesse per le fibre da biopolimeri a causa dei loro vantaggi in biodegradabilità, biocompatibilità, e rinnovabilità nei confronti dei loro omologhi sintetici. Eppure i praticanti affrontare molte sfide che derivano generalmente dalla loro complessità strutturale, la difficoltà nella lavorazione termica e inferiori proprietà meccaniche. L'amido, che si trova nei tessuti vegetali, è among i biopolimeri più abbondanti e poco costosi sulla terra. Fibre di amido Pure fabbricati utilizzando un apparato elettro-filatura a umido sono stati recentemente descritti ^6. Pullulan è un polisaccaride lineare prodotta extracellulare da alcuni batteri. L'alternanza regolare di (1 → 4) e (1 → 6) obbligazioni glucosidici sono da ritenersi responsabili per diverse proprietà distintive di pullulan, tra cui eccellente fibra / filmogeno capacità di ^7,8. Electrospinning di fibre pullulano di dispersione acquosa è stata riportata da un certo numero di ricercatori ^9,10. Nelle nostre precedenti pubblicazioni, l'electrospinnability di due biopolimeri, amido ¹¹ e Pullulan ^12, è stato discusso. Questa relazione si concentra sulla dimostrazione del protocollo per l'utilizzo dei principi reologiche nelle indagini della electrospinnability di questi due biopolimeri.

Protocol

1 Spinning Dope Preparazione Preparare una serie di concentrazioni di biopolimeri da indagare (0,1% al 30%, w / v) ed essere sicuri di prendere in considerazione il contenuto di umidità della polvere biopolimero in questi calcoli. Per ogni concentrazione, pesare il biopolimero (amido o pullulano) in polvere in una provetta da 50 ml. Aggiungere la soluzione acquosa dimetilsolfossido (DMSO) e un ancoretta. Posizionare il tubo in acqua bollente con agitazione costante su un agitatore magnetico piastra…

Representative Results

Curve di flusso delle dispersioni biopolimeri in funzione della concentrazione biopolimero e la concentrazione di DMSO in solvente sono stati ottenuti. Due figure rappresentative mostrano le curve di flusso di amido (Figura 2A) e pullulano (Figura 2B) in funzione della loro concentrazione nel solvente DMSO puro. Le viscosità specifiche sono state rilevate in concentrazioni biopolimero (Figura 3A per l'amido e la Figura 3B per pullulano). Da queste …

Discussion

Reologia è uno strumento essenziale per studiare la lavorazione di polimeri, tra cui fibra di filatura convenzionale e electrospinning ^13. Dagli studi di taglio costante reologiche del polimero, conformazione e le loro interazioni in diversi solventi possono essere risolti (figure 2 e 3). A concentrazioni non abbastanza alti per le molecole di biopolimeri si sovrappongono tra loro, la loro dipendenza concentrazione è stata di circa 1,4 (Figura 3), che era i…

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