Molecular Forviklinger og Electrospinnability av Biopolymere

Summary

Elektrospinning er en fascinerende teknikk som brukes til å fremstille mikro-til nano-skala fibre fra et bredt spekter av materialer. Molecular filtring av de konstituerende polymerer i spinning dop er avgjørende for vellykket electrospinning. Vi presenterer en protokoll for anvendelse av reologi for å evaluere electrospinnability av to biopolymerer, stivelse og pullulan.

Abstract

Elektrospinning er en fascinerende teknikk for å fremstille mikro-til nano-skala fibre fra et bredt spekter av materialer. For biopolymerer, ble molekylær sammenfiltring av de konstituerende polymerer i spinning dope seg å være en viktig forutsetning for vellykket electrospinning. Rheology er et kraftig verktøy for å undersøke molekylære konformasjon og samhandling av biopolymerer. I denne rapporten viser vi protokollen for å utnytte rheology å evaluere electrospinnability av to biopolymerer, stivelse og pullulan, fra deres dimethylsulfoxyd (DMSO) / vanndispersjoner. Vel-dannet stivelse og pullulan fibre med en gjennomsnittlig diameter i submikrometer-til mikrometer område ble oppnådd. Electrospinnability ble evaluert ved visuell og mikroskopisk observasjon av de dannede fibre. Ved å korrelere de reologiske egenskapene til de dispersjoner til deres electrospinnability demonstrerer vi at molekylær konformasjon, molekylær sammenfiltring, og skjærkraftviskositet alle påvirker utvalgterospinning. Reologi er ikke bare anvendbare i oppløsningsmiddelsystem utvalg og prosessoptimalisering, men også for å forstå mekanismen for fiberdannelse på et molekylært nivå.

Introduction

Elektrospinning er en teknikk som er i stand til å produsere kontinuerlig mikro-til nano-skala fibre fra et bredt spekter av materialer. Det har fått økende akademisk og industriell interesse ^en. Selv om oppsett og praktisering av electro virke grei, evnen til å forutsi electrospinnability og kontrollere fiberegenskaper er fortsatt en utfordring. Grunnen til dette kan ligge i det faktum at det er mange faktorer som påvirker elektrospinning prosess ^2, og prosessen, spesielt banen tilbakelagt av fiber, er ^pt kaotisk. Ofte en empirisk "cook-and-look" tilnærming blir brukt for screening potensielle electrospinnable materialer. Men for å få bedre kontroll over prosessen, og elektrospinning resulterende fiberegenskaper, en mer fullstendig forståelse av mekanismene som styrer electrospinnability er nødvendig. Flere forskere har funnet at molekylær sammenfiltring av polymerer i spinning dop er en vesentl forutsetning for vellykket electro ^{3- fem.}

Rheology er et kraftig verktøy for å sondere molekylær konformasjon og samhandling i polymerdispersjoner. For eksempel, McKee et al. undersøkte molekyl konformasjon av lineære og forgrenede poly (etylen-tereftalat-co-etylen-isoftalat) kopolymerer i et oppløsningsmiddel inneholdende kloroform / dimetyl-tereftalat (7/3, volum / volum), og bestemt til at polymerkonsentrasjonen måtte være 2-2.5x forviklinger konsentrasjon for vellykket electro ^fire.

Det er for tiden fornyet interesse for fiber fra biopolymerer grunn av sine fordeler i nedbrytbarhet, biokompatibilitet, og fornybarhet vis-à-vis sine syntetiske motstykker. Likevel utøvere konfrontere mange utfordringer som oppstår vanligvis fra deres strukturelle kompleksitet, problemer med termisk prosessering og dårligere mekaniske egenskaper. Stivelse, som finnes i plantemateriale, er among de mest tallrike og rimelige biopolymerer på jorden. Pure stivelsesfibre fremstilt ved hjelp av en elektro-våt-spinneapparat ble nylig beskrevet ^6.. Pullulan er et lineært polysakkarid produsert ekstracellulært av visse bakterier. Det vanlige veksling av (1 → 4) og (1 → 6) glukosidiske obligasjoner antas å være ansvarlig for flere særegne egenskaper pullulan, inkludert utmerket fiber / filmdannende evne ^7,8. Elektrospinning av pullulan fibre fra vandige dispersjon har blitt rapportert av flere forskere ^9,10. I våre tidligere publikasjoner, er electrospinnability av to biopolymerer, stivelse ¹¹ og pullulan ^12, har blitt diskutert. Denne rapporten fokuserer på å demonstrere protokollen for å utnytte reologiske prinsipper i etterforskningen av electrospinnability av disse to biopolymerer.

Protocol

1. Spinning Dope Forberedelse Tilbered en rekke konsentrasjoner biopolymer som skal undersøkes (0,1% til 30%, w / v), og være sikker på å vurdere fuktighetsinnholdet i pulveret biopolymer i disse beregningene. For hver konsentrasjon, vekt-biopolymer (stivelse eller pullulan) pulver i et 50 ml testrør. Legg vandig dimetylsulfoksyd (DMSO) løsning og en rørestav. Anbring røret i kokende vann under konstant omrøring på en magnetrører kokeplate. Etter omtrent 1 time, slå av varmen o…

Representative Results

Strømnings kurver av biopolymer dispersjoner som funksjon av biopolymer konsentrasjon og DMSO-konsentrasjonen i løsningsmidlet ble det erholdt. To representative tall viser strømnings kurver av stivelse (figur 2A) og pullulan (figur 2B) som en funksjon av deres konsentrasjon i ren DMSO oppløsningsmiddel. De spesifikke viscosities ble plottet mot biopolymer konsentrasjon (figur 3A for stivelse og Figur 3B for pullulan). Fra disse tomter, ble sammenfi…

Discussion

Reologi er et viktig verktøy for å studere behandlingen av polymerer, inkludert konvensjonelle fiber spinning og ¹³ elektrospinning. Fra den stadige skjær reologiske studier, polymer konformasjon og deres interaksjoner i ulike løsemidler kan løses (figur 2 og 3). Ved konsentrasjoner ikke er høye nok for biopolymer molekyler til å overlappe med hverandre, deres konsentrasjon avhengighet var omkring 1.4 (figur 3), som var i god overensstemmelse med verdi…

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