Molecular Enredo y Electrospinnability de Biopolímeros

Summary

Electrospinning es una técnica fascinante utilizado para fabricar fibras micro a nano-escala a partir de una amplia variedad de materiales. Entrelazamiento molecular de los polímeros constituyentes en la disolución de hilatura es esencial para electrospinning éxito. Se presenta un protocolo para la utilización de reología para evaluar la electrospinnability de dos biopolímeros, almidón y pululano.

Abstract

Electrospinning es una técnica fascinante para fabricar micro fibras a nano-escala a partir de una amplia variedad de materiales. Para biopolímeros, enredo molecular de los polímeros constituyentes en la solución de hilado se encontró que era un requisito previo esencial para electrospinning éxito. La reología es una herramienta poderosa para sondar la conformación molecular y la interacción de los biopolímeros. En este informe, demuestran el protocolo para la utilización de reología para evaluar la electrospinnability de dos biopolímeros, almidón y pullulan, desde su dimetilsulfóxido (DMSO) / dispersiones de agua. Se obtuvieron de almidón y fibras de pululano bien formados con diámetros medios en el rango submicrónico para micrones. Electrospinnability se evaluó por observación visual y microscópica de las fibras formadas. Al correlacionar las propiedades reológicas de las dispersiones a su electrospinnability, nos demuestran que la conformación molecular, enredo molecular y viscosidad de corte, afectan electorospinning. Reología no sólo es útil en la selección del sistema disolvente y la optimización de procesos, sino también en la comprensión del mecanismo de formación de la fibra en un nivel molecular.

Introduction

Electrospinning es una técnica que es capaz de producir micro continua a las fibras de nano-escala a partir de una amplia variedad de materiales. Se ha ganado un creciente interés académico e industrial ^1. Aunque la configuración y la práctica de electrospinning parecen sencillo, la capacidad de predecir y controlar electrospinnability propiedades de la fibra sigue siendo un reto. La razón puede estar en el hecho de que hay muchos factores que influyen en el proceso de electrospinning ² y el proceso, especialmente la trayectoria recorrida por la fibra, es caótico ^1. A menudo, un enfoque empírico "cocinar-y-mirar" se utiliza para la detección de materiales electrospinnable potenciales. Sin embargo, para tener un mejor control sobre el proceso de electrospinning y propiedades de la fibra resultantes, una comprensión más completa de los mecanismos que gobiernan electrospinnability se requiere. Varios investigadores han encontrado que el entrelazamiento molecular de polímeros en la disolución de hilatura es un infll requisito previo para electrospinning éxito ^{3 5.}

La reología es una poderosa herramienta para sondear conformación molecular y la interacción en dispersiones de polímeros. Por ejemplo, McKee et al. investigado la conformación molecular de lineal y ramificado de poli (tereftalato de etileno-co-isoftalato de etileno) copolímeros en un disolvente que contiene cloroformo / tereftalato de dimetilo (7/3, v / v), y ha determinado que la concentración de polímero tenía que ser 2-2,5 veces la concentración de entrelazamiento para electrospinning éxito ^4.

En la actualidad existe un interés renovado en las fibras de biopolímeros debido a sus ventajas en biodegradabilidad, biocompatibilidad, y renovabilidad vis-à-vis sus homólogos sintéticos. Sin embargo, los profesionales se enfrentan a muchos retos derivados generalmente de su complejidad estructural, la dificultad en el procesamiento térmico y las propiedades mecánicas inferiores. El almidón, que se encuentra en los tejidos vegetales, es among los biopolímeros más abundantes y de bajo costo en la tierra. Fibras de almidón puro fabricados utilizando un aparato electro-hilatura en húmedo se describió recientemente ^6. El pululano es un polisacárido lineal producida extracelularmente por ciertas bacterias. La alternancia regular de (1 → 4) y (1 → 6) enlaces glucosídicos se cree que son responsables de varias propiedades distintivas de pululano, incluida la fibra excelente / formadores de ^7,8 capacidad de película. Electrospinning de fibras de dispersión acuosa de pululano ha sido reportado por un número de investigadores ^9,10. En nuestras publicaciones anteriores, el electrospinnability de dos biopolímeros, almidón ¹¹ y ¹² de pululano, se ha discutido. Este informe se centra en la demostración del protocolo para la utilización de principios reológicas en la investigación de la electrospinnability de estos dos biopolímeros.

Protocol

1. Spinning Preparación Dope Prepare una serie de concentraciones de biopolímero que se investigue (0,1% a 30%, w / v) y asegúrese de considerar el contenido de humedad del polvo de biopolímero en estos cálculos. Para cada concentración, se pesa el biopolímero (almidón o pululano) polvo en un tubo de ensayo de 50 ml. Añadir dimetilsulfóxido acuoso solución (DMSO) y una barra de agitación. Se coloca el tubo en agua hirviendo con agitación constante en una placa caliente de agitación mag…

Representative Results

Se obtuvieron curvas de flujo de las dispersiones de biopolímero como una función de la concentración de biopolímero y la concentración de DMSO en disolvente. Dos figuras representativas muestran las curvas de flujo de almidón (Figura 2A) y pululano (Figura 2B) como una función de su concentración en disolvente DMSO puro. Las viscosidades específicas se representaron frente a la concentración de biopolímero (Figura 3A para el almidón y la Figura 3B</…

Discussion

La reología es una herramienta esencial para estudiar el procesamiento de polímeros, incluyendo la hilatura de fibra convencional y electrospinning ^13. De los estudios de cizalladura constantes reológicas, la conformación del polímero y sus interacciones en diferentes disolventes pueden ser resueltos (Figuras 2 y 3). A concentraciones no son suficientemente altos para las moléculas de biopolímero se solapen uno con el otro, su dependencia de la concentración fue de al…

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