朝仿生学木：纳米纤维素，木质素的装配式自由站立电影和合成聚阳离子

摘要

本研究的目的是使用纳米纤维素纤维的层 - 层组装和分离木质素从稀的水性悬浮液组合，以形成合成的植物细胞壁组织。石英晶体微量天平和原子力显微镜的表面测量技术被用来监测聚合物 - 聚合物纳米复合材料的形成。

摘要

木质材料是由含有层状次生细胞壁多糖和木质素的结构的聚合物组成的植物细胞壁。层 - 层（层层）装配方法，其依赖于从水溶液中带相反电荷的分子的装配来建立木质素和氧化nanofibril纤维素（NFC）的孤立木聚合物的一个独立的复合膜。为方便这些带负电荷的聚合物的组装，带正电荷的聚电解质，聚（diallyldimethylammomium氯化物）（PDDA），被用来作为连接层，以创建该简化模型的细胞壁。分层吸附过程是用石英晶体微量天平与散热监控（QCM-D）和椭偏仪定量研究。结果表明，每一层吸附层的质量/厚度增加，层的总数的函数。吸附层的表面覆盖度，研究了原子力显微镜（AFM）。与木质素在所有的沉积循环的表面的完全覆盖，发现该系统，但是，表面覆盖由NFC随层数。吸附过程进行了250个周期（500个双层）的醋酸纤维素（CA）的衬底。透明自由站立LBL组装纳米复合薄膜，获得当CA衬底后溶解于丙酮中。断裂横截面的扫描电子显微镜（SEM）显示出层状结构，并且每个吸附循环（PDDA-木质素PDDA-NC）的厚度估计为17纳米的研究中使用了两种不同类型的木素。数据表明与高度控制的体系结构，其中纳米纤维素和木质素在空间上沉积的纳米级（聚合物 - 聚合物纳米复合材料），类似的是，在本机细胞壁观察到的膜。

引言

有极大的兴趣，从生物质中获得额外的化学品和燃料，如碳光合作用过程中螯合植物是当前的CO ₂循环的一部分。大部分固碳（42-44％）是在纤维素的形式，一个β1-4-连接的吡喃葡萄糖单元组成的聚合物;当水解时，葡萄糖可被用作主要的反应物用于发酵成基于酒精的燃料。然而，木本植物细胞壁架构已经进化了数千年创造能抵抗降解在自然环境中¹的材料。这种稳定延续到工业加工的木质材料，如能源作物使得纤维素难以进入，隔离和分解成葡萄糖。仔细看看次生壁的超微结构表明，它是嵌入在木质素和下摆的无定形基质分层次晶纤维素微纤维组成的聚合物纳米复合材料icelluloses ^2-4。纵取向的纤维素微纤丝的直径为约2-5纳米，这是与其它杂多糖聚合在一起，形成更大的纤维束⁵的单元。原纤维束被嵌入在木质素半纤维素复合体的苯基丙醇单位的某些联系到其它杂多糖像glucoronoxylan ⁴的无定形聚合物构成。此外，这种结构进一步组织成层，或片状结晶，整个木质化次生壁^6-8。酶，如纤维素酶，有一个非常困难的时间的细胞壁内访问纤维素，因为它被发现在它的原纤维形式和嵌入在木质素。真正使生物基燃料和可再生化学平台成为现实的关键是开发流程，在经济允许的纤维素的原生形式的糖化。

新的化学和成像技术正在帮助在ST参与纤维素^9,10的糖化的机制UDY。许多工作都集中在拉曼共焦成像¹¹和原子力显微镜¹²来研究细胞壁的化学组成和形态。如果能够紧跟脱木素和糖化机制是一个显著的进步，影响纤维素转化为葡萄糖。模型表面的纤维素糖化，通过测量酶动力学速率与石英晶体微量天平与散热监控^{（QCM-D）13}分析。然而，原生细胞壁如上面所指出的高度复杂的，并且这创造了不同的转换过程是如何改变植物细胞壁（聚合物的分子量，化学连接，孔隙率）的结构，歧义。细胞壁物质与已知结构组成的自立式机型会解决这个问题，并允许样品融入最先进的化学和想象力NG设备。

有细胞壁模型的缺乏和几个可用的可归类为聚合物材料的共混物和再生纤维素或细菌纤维素^14，酶促聚合木质素-多糖复合物^15-17，或模型表面^18-21。一些开始像细胞壁模型是含有木质素前体或类似物的纤维素在其微纤丝的形式存在酶聚合的样品。然而，这些材料遭受缺乏组织层结构。为创造纳米复合材料与有组织架构的简单途径是层-层（层层）组装技术，基于聚合物或纳米粒子具有互补收费或官能团而形成有组织的多层复合膜^22-25连续吸附。高强度自立混合纳米复合材料，由聚合物层层沉积和做呐noparticles，已报告了科托夫等人 ^26-30。在许多其它应用中，膜的LbL还研究了其在治疗递送^31，燃料电池膜^32,33，电池^34，和木质纤维素纤维表面改性^35-37的潜在用途。在纳米纤维素的近期利益基复合材料导致纳米微晶纤维素（CNC）的制备纤维素纤维的硫酸水解，带正电荷的聚电解质层层^38-43多层膜的制备和表征。类似的研究也已开展与海洋tunicin和阳离子聚电解质^44，CNC和木葡聚糖⁴⁵获得纳米微晶纤维素，以及CNC和壳聚糖^46。层层叠层形成羧化纳米原纤维素（NFCS），由纸浆纤维与阳离子聚电解质的高压均质得到的也一直研究^47-49。的制备，性能和应用的CNC和纳米原纤维详细^50-53审阅。

本研究涉及层层技术，因为在一个有序的方式组装孤立的木质纤维素聚合物（如纳米纤维素和木质素）作为实现仿生木质纤维复合材料层状结构的第一步一种潜在方式的检验。的层层技术被选为其良性的加工条件，诸如环境温度，压力，和作为溶剂的水，这是自然形成的复合材料⁵⁴的条件。在本研究中，我们报告的多层叠合构木构件，即从四甲基哌啶1 - 氧基（TEMPO），纸浆和分离木质素的媒介氧化成自由站立的层状膜的纤维素微纤丝的。两种不同的木质素是从不同的提取技术使用，一个技术从邻木质素rganosolv制浆过程和分离过程中的其它的木质素分离自球磨​​以较少的修改。这些化合物相结合，与合成的聚电解质在此初步研究证明使稳定的自立式薄膜的体系结构类似于天然细胞壁的可行性。

研究方案

1，纳米原纤维素制备⁵⁵

1. 设置一个3升三颈烧瓶中加入2升去离子水，顶置式搅拌器和pH探头。
2. 添加脱去木质素的牛皮纸浆，88％的亮度（20克，1％（w / v的，干重为基准）），​​2,2,6,6 - 四甲基哌啶1 - 氧基（TEMPO）（0.313克，0.1毫摩尔/克纤维素）和溴化钠（溴化钠，2.0克，1毫摩尔/克纤维素）到烧瓶中。
   1. 用顶置式搅拌器混合的纸浆纤维，直到纤维被分散并且没有聚集体可以在反应中可以看出。
      注：分散可以通过将在水中的淤浆加入到纸浆的3升烧瓶中之前来辅助。
3. 通过缓慢加入次氯酸钠（次氯酸钠51.4毫升，5毫摩尔每克的纤维素）为12％溶液至反应混合物中开始氧化。
   注意：对于整个反应的一致性，使用注射器泵交付的NaClO为1.5毫升/分钟的喷射速率。
4. 填写第二注射器无线第氢氧化钠（NaOH，0.5M）并手动米的碱溶液到烧瓶中逐滴以维持pH值在10±0.2。
5. 监测pH值随时间的变化，一旦所有的纤维素可访问的羟基基团被氧化的pH值不再降低，反应完成。
6. 添加过量的乙醇消耗剩余的次氯酸钠。大约6毫升200标准乙醇将消耗所有100毫摩尔原次氯酸钠。
7. 过滤器和净化水彻底清洗氧化纤维去除试剂，直到pH为中性。使用篮式离心机或过滤一些设备，如：布氏漏斗以回收纤维。存储光纤在4°C，直到进一步使用。
   注意：在完成实验后，纤维应具有的羧酸含量，如由电导滴定法测定，每克纤维的1.0〜1.5毫摩尔。应该有TEMPO氧化后在外观上，纤维的差别不大。
8. 创建的TEMPO氧化纸浆的3％（w / v的，干重为基准）的浆料并混合在一战国搅拌器，直到浆料变得粘稠和叶片启动，因为该悬浮液的凝胶纺丝在空气中。
   注：较低浓度不作为有效的工作原纤化纤维素。
   1. 稀混合浆液至0.1％（重量/体积），并继续混合，直到悬浮液变成透明的。

2，层 - 层薄膜沉积为QCM-D的实验

1. 制备下列水溶液并调整各溶液用0.1M的NaOH至pH为10.5：含水缓冲液（水和NaOH）; 0.5％（重量/体积）的聚二甲基二氯化物（PDDA）水溶液;和0.01％（重量/体积）的木质素。调整为0.1％的NFC悬浮液的pH至8.0。
   注：pH值对这些实验中被提升，因为它以前被显示，木质素吸附在一个不太凝聚状态，在碱性pH值^56。
2. 清洁镀金的石英晶体下使用base食人鱼的解决方案[注意]制造商的建议（3:1浓NH ₄ OH：H _{2 O 2}在60℃）10分钟。
   1. 冲洗晶体，纯净水，在N ₂气流吹干，并立即插入石英晶体微天平流动池，以避免污染的空气。
3. 通过缓冲器通过流动池，以获得谐振晶体暴露于液体的基线响应。
   1. 通过使石英晶体，以5分钟的PDDA溶液沉积层PDDA上的石英晶体。
   2. 5分钟后，切换到缓冲溶液中。
      注意：此过程在步骤2.3创建单个层的响应，其中可以在不将聚合物溶液粘度的效果来确定聚合物沉积的量。
   3. 用缓冲液R重复其它聚合物的吸附按照以下顺序樱雪各步骤之间：PDDA（+）（步骤2.3.1）;木质素（ - ）; PDDA（+）;和NFC（ - ）。重复循环4倍沉积聚合物和纳米粒子的共16层。

3，层 - 层薄膜沉积为AFM和椭偏实验

1. 胶云母的圆盘，以使用快速环氧树脂粘合剂的玻璃显微镜载片上。粘合剂固化后，贴上一块胶布云母光盘。剥离胶带离开造成的云母表面切割。
   1. 清洗硅片酸食人鱼[注意事项]（3:1 H ₂ SO _{4：H 2 O 2）20}分钟后，以层沉积之前显著冲洗水。
2. 用在2.1制备的溶液，浸要么是连接到在下面的协议在2.3.3中概述的相同顺序的各溶液载玻片或刚清洗干净的硅晶片新鲜剥离云母。
   注意：此方法将创建PO层lymers在每个这些表面可以分别插入的原子力显微镜或椭率计，的。
3. 图像的淀积层用原子力显微镜。采集样本的图像时使用间歇接触模式和悬臂与10纳米半径硅尖（弹簧常数42牛顿/米）。设置扫描尺寸为2.5×2.5微米，扫描点为512和10积分增益来收集特定的样本图像。
4. 用于与干燥的LbL膜的AFM层的厚度测量，使用柔软的塑料移液管尖端和疤痕的线横跨在云母表面制备的LbL膜的表面上。
5. 存款LBL薄膜椭偏测量到硅片上。测量干膜厚度与相位调制椭偏仪在632.8nm使用的发生率模式的多角度的波长。变化85°和65°之间的角度在1°的间隔。

4，制备自由站立LBL电影

1. 一个切醋酸纤维素25.4 x7.6毫米矩形（CA）膜（DS 2.5）的为0.13毫米厚，并连接到自动瓢手臂。
   注：DS 3.0的乙酸纤维素是不溶于丙酮，以便DS 2.5，优选以恢复层状薄膜。
2. 根据浓度和pH值，在步骤2.1填写各500毫升烧杯中以PDDA，木质素和纳米纤维素的解决方案。
   1. 填三个额外的烧杯用含水缓冲液作为每个沉积循环冲洗溶液来使用。
   2. 编程瓢手臂继续在同一顺序中所报2.3.3。
      注意：使用每个相应聚合物溶液后不同的清洗溶液是很重要的，因为在层 - 层的过程中，一些聚合物是不紧密结合到表面将解吸。漂洗溶液的交叉污染，导致迅速的聚电解质复合物，它可吸附的“缺陷”，以在膜表面析出。
3. 更改解决方案在250次定期烧杯中，他们开始出现，因为胶体复合体的混浊。一种选择是通过使用蠕动泵，以提供新鲜的溶液或缓冲液，以定制的聚氯乙烯（PVC）容器的入口和出口以自动化解决方案的更新。
   注：在容器中搅动解决方案帮助提高聚电解质的扩散到表面。
4. 小心地修剪干燥样品的边缘与剪刀露出CA边缘，并放入有盖玻璃培养皿装有丙酮溶解的CA。
   注：两个薄膜本实验从CA的前面和背面后分离。
5. 浸泡隔离薄膜在丙酮中24小时，反复冲洗胶片用丙酮最大限度地去除残留的CA。

结果

木质结构聚合物膜的制备QCM-D解析

木质素的层层吸附，NFC和PDDA被实时地在2涉及两种类型的木质素的不同实验监测与QCM-D。这种分析方法是非常敏感的检测频率变化时的分子吸附到石英的表面图1包含在一个沉积循环，其中包括两个双层（PDDA的QCM-D反应的详细描述：HMWL和PDDA： NC）。该数据表示在频率和第七泛音（仪器检测的基频和3-13奇次谐波泛音）的损耗归一化的变...

讨论

纳米纤维素的制备

对于纳米纤维素制造的纸浆纤维的成功氧化是必要的轻便颤动。氧化是通过使用次氯酸钠，在已知量基于纤维素的量应缓慢加入控制。原因之一限定氧化源自长时间的次氯酸钠溶液的储存。这降低了氧化效率可以在反应过程中应注意;纸浆液应通过在成功的氧化反应变成浅黄色的颜色，一部分的方式。如果这不发生，该纤维的羧酸含量通常低于水平，使易于原?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Sulfate pulp	Weyerhaeuser	donated	brightness level of 88%
Organosolv lignin	Sigma Aldrich	371017	discontinued
Hardwood milled wood lignin	see reference in paper
Polydiallyldimethylammonium chloride	Sigma Aldrich	409022	Mn = 7.2 x 104, Mw = 2.4 x 105
2,2,6,6-Tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO)	Sigma Aldrich	214000	catalytic oxidation of primary alcohols to aldehydes with a purity of 98%, molecular weight is 156.25 g/mol
Sodium bromide	Sigma Aldrich	S4547	purity ≥99.0%, molecular weight 102.89
Sodium hypochlorite	Sigma Aldrich	425044	reagent grade, available chlorine 10~15%, molecular weight 74.44 g/mol
Sodium hydroxide	VWR	BDH7221-4	0.5 N aqueous solution, density 1.02 g/ml, molecular weight 40 g/mol
Sodium hydroxide	Acros Organics	AC12419-0010	0.1 N aquesous solution, specific gravity 1.0 g/ml, molecular weight 40 g/mol
Ammonium hydroxide	Acros Organics	AC39003-0025	25% solution in water, pH 13.6, density 0.89, molecular weight 35.04 g/mol
Hydrogen peroxide	Fisher Scientific	H325-100	30.0~32.0% certified ACS, pH 3.3, density 1.11
Mica sheets	TED Pella	NC9655733	Pelco, grade V5, 10 x 40 mm, 23 mm T, minimum air and bubbles, very clean
Sulfuric acid	Fisher Scientific	A300-212	95.0~98.0 w/w%, certified ACS plus, molecular weight 98.08 g/mol
Cellulose acetate	McMaster Carr	8564K44	degree of substitution 2.5
Ethanol	Decon Laboratories	04-355-223	200 proof (100%), USP
[header]
Acetone	Fisher Scientific	A18-4	purity ≥99.5%, certified ACS reagent grade, density 0.79 g/ml, molecular weight 58.08 g/mol
Syringe pump	Harvard Apparatus	552226	pump 22 infusion/withdraw with standard syringe holder, flow rate 0.002 μl/hr~55.1 ml/min
Mill-Q water purification system	EMD Millipore	D3-UV	Direct-Q, UV, water conductivity 18.5 MΩ·cm with 20 L reservoir
pH meter	Mettler Toledo		SeverMulti
Balance	Mettler Toledo	AB135-S	accuracy 0.1 mg
Atomic force microscope	Asylum Research		MFP-3D, Olympic fluorescent microscope stage
Ellipsometer	Beaglehole Instruments
Fiber centrifuge	unknown		basket style centrifuge
Waring blender	Waring		Commercial
Ultrasonic processor	Sonics		Sonics 750 W, sound enclosure
Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D)	Q-Sense Inc.	E4	measure fundamental frequency of 5 MHz, and monitor odd number overtones/harmonics from 3~13, use gold-coated piezoelectric quartz crystals
Automatted dipper arm	Lynxmotion