تشابك الجزيئية وElectrospinnability من البوليمرات الحيوية
Summary
Electrospinning هي تقنية رائعة المستخدمة لصنع الجزئي لألياف نانو النطاق من مجموعة واسعة من المواد. التورط الجزيئي للبوليمرات المكونة في مخدر الغزل ضروري لelectrospinning ناجحة. نقدم بروتوكول لاستخدام الريولوجيا لتقييم electrospinnability اثنين من البوليمرات الحيوية والنشا وpullulan.
Abstract
Electrospinning هي تقنية رائعة لافتعال الجزئي لألياف نانو النطاق من مجموعة واسعة من المواد. لالبوليمرات الحيوية، وجد التورط الجزيئي للبوليمرات المكونة في الغزل منشطات أن يكون شرطا أساسيا لنجاح electrospinning. الريولوجيا هو أداة قوية للتحقيق في التشكل الجزيئي والتفاعل من البوليمرات الحيوية. في هذا التقرير، علينا أن نظهر بروتوكول لاستخدام الريولوجيا لتقييم electrospinnability اثنين من البوليمرات الحيوية والنشا وpullulan، من هم ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) / التفرق المياه. تم الحصول بشكل جيد النشا والألياف pullulan مع متوسط أقطار في submicron على نطاق ميكرون. تم تقييم Electrospinnability عن طريق الملاحظة البصرية ومجهرية من الألياف تشكيلها. خلال ربط الخصائص الريولوجية من التفرق إلى electrospinnability، وعلينا أن نبرهن على التشكل الجزيئي، التشابك الجزيئي، واللزوجة القص كلها تؤثر المنتخبrospinning. الريولوجيا ليست مفيدة فقط في اختيار نظام المذيبات وعملية التحسين، ولكن أيضا في فهم آلية تشكيل الألياف على المستوى الجزيئي.
Introduction
Electrospinning هو الاسلوب الذي هي قادرة على انتاج الجزئي المستمر لألياف نانو النطاق من مجموعة واسعة من المواد. وقد اكتسب زيادة الأكاديمية والصناعية الفائدة 1. على الرغم من أن الإعداد وممارسة electrospinning تبدو واضحة، والقدرة على التنبؤ والتحكم electrospinnability خصائص الألياف لا تزال تشكل تحديا. السبب قد يكمن في حقيقة أن هناك العديد من العوامل التي تؤثر على عملية electrospinning 2 والعملية، وخاصة الطريق التي يقطعها الألياف، هو الفوضى 1. غالبا ما يستخدم هذا النهج "المطبخ ونظرة" التجريبية لفحص المواد electrospinnable المحتملة. ومع ذلك، للسيطرة أفضل على عملية electrospinning وخصائص الألياف الناتجة، فهم أكثر اكتمالا لآليات التي تحكم electrospinnability هو مطلوب. وقد وجد الباحثون أن العديد من التورط الجزيئي للبوليمرات في مخدر الغزل هو ضروريهل شرطا مسبقا لنجاح electrospinning 3- 5.
الريولوجيا هو أداة قوية للبحث في التشكل الجزيئي والتفاعل في التفرق البوليمر. على سبيل المثال، ماكي وآخرون. التحقيق في التشكل الجزيئي للبولي الخطية وتشعبت (الاثيلين تيريفثاليت-CO-isophthalate الإثيلين) بوليمرات في المذيبات التي تحتوي على الكلوروفورم / تيريفثالات ثنائي ميثيل (7/3، V / V)، وقرر أن تركيز البوليمر كان لا بد 2-2.5x تركيز التشابك لelectrospinning ناجح 4.
هناك اهتمام متجدد حاليا في الألياف من البوليمرات الحيوية بسبب مزاياها في التحلل البيولوجي، توافق مع الحياة، والتجديد وجها لوجه نظرائهم الاصطناعية. بعد الممارسين مواجهة العديد من التحديات التي تنشأ عادة من تعقيدها الهيكلي، وصعوبة في المعالجة الحرارية والخواص الميكانيكية رديئة. النشا، وجدت في الأنسجة النباتية، هو آمونز والبوليمرات الحيوية الأكثر وفرة وغير مكلفة على وجه الأرض. ملفقة الألياف النشا النقي باستخدام الأجهزة الكهربائية الرطب الغزل وصفت مؤخرا 6. Pullulan هو السكاريد خطي إنتاج خارج الخلية بواسطة بكتيريا معينة. التناوب المنتظم لل(1 → 4) و (1 → 6) ويعتقد أن السندات glucosidic أن تكون مسؤولة عن العديد من الخصائص المميزة لpullulan، بما في ذلك الألياف الممتاز / فيلم تشكيل قدرة 7،8. تم الإبلاغ عن Electrospinning من الألياف pullulan من تشتت مائي من قبل عدد من الباحثين 9،10. في منشوراتنا السابقة، electrospinnability اثنين من البوليمرات الحيوية والنشا 11 و 12 pullulan، تم مناقشتها. يركز هذا التقرير على إثبات بروتوكول لاستخدام مبادئ الريولوجية في التحقيق في electrospinnability هذه البوليمرات الحيوية اثنين.
Protocol
Representative Results
Discussion
الريولوجيا هي أداة أساسية لدراسة معالجة البوليمرات، بما في ذلك الألياف الغزل التقليدي وelectrospinning 13. من الدراسات ثابتة القص الريولوجية البوليمر التشكل وتفاعلاتها في مذيبات مختلفة يمكن حلها (الشكلان 2 و 3). لا بتركيزات عالية بما فيه الكفاية لجزي?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويتم تمويل هذا العمل جزئيا من قبل المعهد الوطني للوزارة الزراعة الأميركية للأغذية والزراعة، برنامج المنح التنافسية الوطنية، البرنامج الوطني مبادرة بحوث 71.1 سنة المالية 2007 ومنحة رقم 2007-35503-18392، والمعاهد الوطنية للصحة، ومعهد للحساسية والأمراض المعدية ، 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 |
References
- 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).
