Gegen biomimetischen Holz: Hergestellt Freistehende Filme aus Nanocellulose, Lignin und eines synthetischen Polykation

Zusammenfassung

Das Ziel dieser Untersuchung war es, synthetische Pflanzenzellwandgewebe bilden mit Schicht-für-Schicht-Aufbau Nanocellulose-Fibrillen und isolierte Lignin aus verdünnten wässrigen Suspensionen zusammengebaut. Oberflächenmesstechniken der Quarzkristall-Mikrowaage und Rasterkraftmikroskopie wurden verwendet, um die Bildung der Polymer-Polymer-Nanoverbundmaterial zu überwachen.

Zusammenfassung

Holzwerkstoffe werden aus Pflanzenzellwänden, die eine geschichtete sekundären Zellwandpolymere von struktureller Polysaccharide und Lignin enthalten, besteht. Schicht-für-Schicht-(LbL)-Montageverfahren, die auf der Anordnung von entgegengesetzt geladenen Molekülen aus wässrigen Lösungen angewiesen wurde verwendet, um eine freistehende Verbundfolie isoliert Holz Polymere von oxidiertem Lignin und Cellulose-Nanofibrillen (NFC) aufzubauen. Um die Montage dieser negativ geladenen Polymeren zu erleichtern, ein positiv geladener Polyelektrolyt Poly (diallyldimethylammomium Chlorid) (PDDA) wurde als Bindeschicht, um dieses vereinfachte Modell Zellwand angelegt. Der Schicht Adsorptionsverfahren wurde quantitativ mit Quarzmikrowaage mit Verlustüberwachung (QCM-D) und Ellipsometrie untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Massenschicht / Dicke pro adsorbierten Schicht erhöht als eine Funktion der Gesamtzahl der Schichten. Die Flächendeckung der adsorbierten Schichten wurde mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht.Vollständige Bedeckung der Oberfläche mit Lignin in allen Abscheidungszyklen wurde das System jedoch gefunden, Oberflächenbelegung durch NFC stieg mit der Anzahl der Schichten. Die Adsorption wurde für 250 Zyklen (500 Doppelschichten) auf einem Celluloseacetat (CA)-Substrat durchgeführt. Transparente freistehende LBL montiert Nanokompositfilme wurden erhalten, wenn die CA-Substrat wurde später in Aceton gelöst. Rasterelektronenmikroskopie (SEM) der gebrochenen Querschnitte zeigten eine Lamellenstruktur und die Dicke pro Adsorptionszyklus (PDDA-Lignin-PDDA-NC) wurde auf 17 nm für die beiden in der Studie verwendeten verschiedenen Lignin-Typen sein. Die Daten zeigen einen Film mit stark kontrollierten Architektur, bei der Nanocellulose und Lignin sind räumlich auf der Nanoskala (ein Polymer-Polymer-Nanoverbundwerkstoffe), ähnlich wie in der nativen Zellwand beobachtet abgeschieden.

Einleitung

Es besteht großes Interesse an zusätzlichen Chemikalien und Kraftstoffe aus Biomasse stammen, wie Kohlenstoff während der Photosynthese von Pflanzen abgesondert ist Teil der aktuellen CO _2-Kreislauf. Die Mehrheit der abgesonderten Kohlenstoff (42-44%) in Form von Cellulose, einem Polymer von β 1-4-verknüpften Glucopyranose-Einheiten zusammengesetzt ist; Wenn hydrolysiert wird, kann Glucose als Hauptreaktionspartner für die Fermentation in Alkohol basierenden Kraftstoffen verwendet werden. Allerdings hat Zellwandarchitektur von Gehölzen seit Jahrtausenden die Schaffung eines Materials, das resistent gegen den Abbau in der Natur ¹ entwickelt. Diese Stabilität führt über in die industrielle Verarbeitung von Holzwerkstoffe wie Energiepflanzen Herstellung von Cellulose schwer zugänglich sind, zu isolieren und Abbau in Glukose. Ein genauerer Blick auf die Ultrastruktur der sekundären Zellwand zeigt, dass es sich um eine Polymer-Nanocomposite von Schichtparakristalline Cellulose-Mikrofibrillen in einer amorphen Matrix aus Lignin und Saum eingebettet isticelluloses ^2-4. Die in Längsrichtung orientierten Cellulosemikrofasern mit einem Durchmesser von ungefähr 2-5 nm, die zusammen mit weiteren Hetero Polysaccharide aggregiert werden, um größere Einheiten Fibrillenbündel ⁵ zu bilden. Die Fibrillenbündel in einem Hemicellulose Lignin-Komplex aus einem amorphen Polymer von Phenylpropanol Einheiten mit einigen Verbindungen zu anderen Hetero-Polysaccharide wie glucoronoxylan ⁴ zusammen eingebettet. Darüber hinaus ist diese Struktur weiter in Schichten oder Lamellen organisiert, während der Sekundärzellwand verholzten ^6-8. Enzyme, wie Cellulasen, haben eine sehr schwierige Zeit Zugriff auf Cellulose in der Zellwand, wie es in seiner Form gefunden und Fibrillen in Lignin eingebettet. Der springende Punkt wirklich machen biobasierten Kraftstoffen und erneuerbaren chemischen Plattformen eine Realität ist, die Prozesse, die wirtschaftlich ermöglichen die Verzuckerung von Cellulose in seiner nativen Form zu entwickeln.

Neue Chemie-und Imaging-Technologien werden in der st Unterstützungudy der Mechanismen in der Verzuckerung von Cellulose ^9,10 beteiligt. Viel Arbeit wurde auf Raman konfokale Abbildung ¹¹ und ¹² Atomkraftmikroskopie, um die Zellwand der chemischen Zusammensetzung und Morphologie untersuchen zentriert. In der Lage, genau zu verfolgen Mechanismen der Delignifizierung und Verzuckerung ist ein bedeutender Schritt nach vorn, beeinflussen die Umwandlung von Cellulose in Glucose. Verzuckerung von Cellulose-Oberflächen-Modell wurde durch Messung der Enzym kinetische Raten mit einer Quarzmikrowaage mit Verlustüberwachung (QCM-D) ¹³ analysiert. Allerdings sind native Zellwände hochkomplexe wie oben angegeben, und das schafft Unklarheit, wie verschiedene Umwandlungsprozesse verändern die Struktur der Pflanzenzellwand (Polymermolekulargewicht, chemische Bindungen, Porosität). Freistehende Modelle der Zellwandsubstanzen mit bekannten strukturellen Zusammensetzung würde dieses Anliegen ansprechen und ermöglichen die Integration von Proben in state-of-art chemischen und Phantasieng Ausrüstung.

Es gibt einen Mangel an Zellwand-Modelle und die wenigen verfügbaren Mischungen von Polymer-Materialien kategorisiert und regenerierte Cellulose oder Bakteriencellulose ^14, enzymatisch polymerisierten Lignin-Polysaccharid-Verbundwerkstoffe ^{15-17, 18-21} oder Modelloberflächen werden. Einige Modelle, die die Zellwand zu ähneln sind die Proben, die Lignin-Vorstufen oder Analoga enzymatisch in Gegenwart von Cellulose in seine mikrofibrillaren Form polymerisiert enthalten. Diese Materialien leiden unter dem Mangel der organisierten Schichtarchitektur. Ein einfacher Weg zur Schaffung von Nanoverbundmaterialien mit organisierten Architektur ist die Schicht-für-Schicht-(LbL)-Montagetechnik, bezogen auf die sequentielle Adsorption von Polymeren oder Nanopartikel mit komplementären Ladungen bzw. funktionelle Gruppen organisiert mehrschichtige Verbundfolien ^22-25 bilden. Freistehende Hybrid-Nanokomposite von hoher Festigkeit, durch LbL Abscheidung von Polymer und na gemachtnoparticles, wurden von Kotov et al. ^26-30 berichtet. Unter vielen anderen Anwendungen haben LbL-Filmen auch für ihre mögliche Verwendung in therapeutischen Liefer ^31. Brennstoffzellenmembranen ^32,33, Batterien ³⁴ und Lignocellulose-Faseroberflächenmodifizierung ^35-37 untersucht. Das aktuelle Interesse an nanoskaligen Cellulose-Basis Verbundwerkstoffe haben sich auf die Herstellung und Charakterisierung von LbL Multischichten aus Cellulose-Nanokristallen (CNC) durch Schwefelsäure Hydrolyse von Cellulosefasern, und positiv geladene Polyelektrolyte ^38-43 vorbereitet führte. Ähnliche Studien wurden auch mit Cellulose-Nanokristalle aus marinen Tunicin und kationische Polyelektrolyte ^44, CNC-und Xyloglukan ⁴⁵ erhalten, und CNC-und Chitosan ⁴⁶ durchgeführt. LbL Mehrschichtbildung von carboxylierten nanofibrillated Cellulosen (NFCs), durch Hochdruck-Homogenisierung der Zellstofffasern mit kationischen Polyelektrolyten erhalten wurde auchstudierte ^47-49. Die Herstellung, Eigenschaften und Anwendung von CNC-Steuerungen und nanofibrillated Zellulose im Detail ^50-53 bewertet.

Die vorliegende Studie umfasst die Prüfung der LbL Technik als mögliche Weise zu isolierten Lignocellulose Polymere (wie Nanocellulose und Lignin) in einer geordneten Art und Weise wie der erste Schritt in Richtung eines biomimetischen Lignocellulose-Verbundwerkstoff mit Lamellenstruktur zu montieren. Die LbL-Technik wurde für die gutartigen Verarbeitungsbedingungen, wie Umgebungstemperatur, Druck und Wasser als Lösungsmittel, die Voraussetzungen für eine natürliche Verbundbildung ⁵⁴ ausgewählt. In dieser Studie beschreiben wir die Mehrschichtaufbau von konstitutiven Holzbestandteile, nämlich Zellulose-Mikrofibrillen von der tetramethylpiperidin-1-oxyl (TEMPO)-vermittelte Oxidation von Zellstoff und isolierte Lignin in freistehende Lamellenfolien. Zwei verschiedene Lignine aus unterschiedlichen Extraktionstechniken verwendet, der eine ein technisches Lignin aus der organosolv Aufschlussverfahren und von Kugelmahlen der andere ein Lignin getrennt mit weniger Änderung während der Isolierung. Diese Verbindungen werden mit einem synthetischen Polyelektrolyten in dieser anfänglichen Studie, um die Machbarkeit der Herstellung von stabilen freistehenden Filmen mit Architektur ähnlich der nativen Zellwand zeigen, kombiniert.

Protokoll

1. Nanofibrillated Cellulose Vorbereitung ⁵⁵

1. Einrichten eines 3-l-Dreihalskolben mit 2 l entionisiertem Wasser, einem Rührwerk und einer pH-Sonde.
2. In delignifizierten Kraftzellstoff, 88% Helligkeit (20 g, 1% (w / v, Trockengewicht)), 2,2,6,6-Tetramethyl 1-oxyl (TEMPO) (0.313 g, 0,1 mmol / g Cellulose) und Natriumbromid (NaBr, 2,0 g, 1 mmol / g Cellulose) in den Kolben.
   1. Mischen die Fasermasse mit dem Rührwerk, bis die Faser dispergiert und keine Aggregate können in der Reaktion zu sehen.
      Hinweis: Die Dispersion kann durch Mischen der Aufschlämmung in Wasser vor der Zugabe des Zellstoffs in den 3 l-Kolben unterstützt werden.
3. Initiieren der Oxidation durch langsame Zugabe einer 12% igen Lösung von Natriumhypochlorit (NaClO, 51,4 ml, 5 mmol pro g Cellulose) zu dem Reaktionsgemisch.
   Hinweis: Für die Konsistenz der gesamten Reaktion, verwenden Sie eine Spritzenpumpe, die NaClO mit einer Injektionsgeschwindigkeit von 1,5 ml / min liefern.
4. Füllen Sie eine zweite Spritze with Natriumhydroxid (NaOH, 0,5 M) und manuell Messer der Alkalilösung in den Kolben tropfenweise zu der pH-Wert bei 10 ± 0,2 zu halten.
5. Überwachung des pH-Änderung mit der Zeit und wenn alle zugänglichen Hydroxylgruppen der Cellulose oxidiert werden der pH-Wert nicht mehr zu verringern und die Reaktion abgeschlossen ist.
6. In Über EtOH zu konsumieren restlichen NaClO. Etwa 6 ml EtOH 200 Proof wird alle 100 mmol des ursprünglichen NaClO konsumieren.
7. Filter und wäscht die oxidierte Faser gründlich mit gereinigtem Wasser, um die Reagenzien zu entfernen, bis der pH-Wert neutral. Verwenden Sie einen Korb Zentrifuge oder eine Filtervorrichtung wie einem Büchner-Trichter, um die Faser zu erholen. Speichern die Faser bei 4 ° C bis zur weiteren Verwendung.
   Anmerkung: Bei der Beendigung des Experiments sollte der Faser eine Carbonsäuregehalt, wie durch konduktometrische Titration bestimmt, zwischen 1,0 bis 1,5 mmol pro Gramm Faser. Es sollte wenig Unterschied im Aussehen der Faser nach dem TEMPO-Oxidation.
8. Erstellen Sie eine 3% (w / v, Trockengewicht) Aufschlämmung des TEMPO oxidiert Zellstoff und Mischung in einem Warring Mixer, bis der Brei wird zähflüssig und die Blätter zu drehen beginnen in der Luft wegen Gelieren der Suspension.
   Hinweis: Niedrigere Konzentrationen nicht so effektiv arbeiten, um die Cellulose flimmern.
   1. Verdünne die gemischte Aufschlämmung auf 0,1% (w / v) und weiter das Mischen bis Suspension wird transparent.

2. Schicht-für-Schicht-Film Deposition für QCM-D-Experimente

1. Bereiten Sie die folgenden wässrigen Lösungen und Einstellen jeder Lösung mit 0,1 M NaOH auf einen pH von 10,5: wässrige Pufferlösung (Wasser und NaOH); 0,5% (w / v) wässrigen Lösung von Polydiallyldimethylammoniumchlorid (PDDA); und 0,01% (w / v) Lignin. Den pH-Wert der Suspension 0,1% bis 8,0 NFC.
   Hinweis: Der pH-Wert für diese Experimente wurde erhöht, weil sie bereits gezeigt, dass Lignin adsorbiert in einer weniger aggregierten Zustand in alkalischen ^pH-56.
2. Reinigeneine mit Gold beschichtete Quarz folgenden Herstellern Empfehlung unter Verwendung einer Base Piranha-Lösung [VORSICHT] (3:1 konzentriertem NH ₄ OH: H ₂ O ₂ bei 60 ° C) für 10 min.
   1. Spülen Sie die Kristalle mit gereinigtem Wasser, trocken blasen in einem Strom von N _2, und sofort in die Quarzmikrowaage Durchflusszelle einfügen, um Verunreinigungen aus der Luft zu vermeiden.
3. Passieren den Puffer durch die Strömungszelle, um eine Grundantwort der Resonanzkristall der Flüssigkeit ausgesetzt zu erhalten.
   1. Abscheidung einer Schicht aus PDDA auf den Quarzkristall durch Aussetzen des Quarzkristall zum PDDA-Lösung für 5 min.
   2. Nach 5 min wechseln Sie wieder in die Pufferlösung.
      Hinweis: dieser Prozess in Schritt 2.3 wird eine einzelne Schicht Reaktion, wo die Menge an Polymer abgeschieden werden können, ohne den Effekt der Viskosität der Polymerlösung bestimmt werden.
   3. Wiederholen der Adsorption von anderen Polymeren in der folgenden Reihenfolge mit einer Puffer rUnsicher zwischen jedem Schritt: PDDA (+) (Schritt 2.3.1); Lignin (-); PDDA (+); und NFC (-). Wiederholen Sie die Zyklus 4x 16 Gesamt Schichten von Polymeren und Nanopartikeln zu hinterlegen.

3. Schicht-für-Schicht-Film Deposition für AFM und Ellipsometrie Experimente

1. Kleben Sie eine kreisförmige Scheibe von Glimmer auf einen Glasobjektträger mit einem Schnell Epoxy-Kleber. Nachdem der Klebstoff aushärtet, bringen ein Stück Klebeband an der Scheibe Glimmer. Ziehen Sie das Band entfernt wodurch die Glimmer-Oberfläche zu spalten.
   1. Reinigen eines Siliziumwafers mit Säure Piranha [VORSICHT] (3:1 H ₂ SO _4: H ₂ O ₂₎ für 20 min, gefolgt von Spülen in Wasser signifikant vor der Abscheidung der Schicht.
2. Lösungen in 2.1 hergestellt, tauchen sowohl das frisch gespaltenen Glimmer, die auf einen Objektträger oder eine frisch gereinigte Siliziumwafers in jeder Lösung nach der gleichen Sequenz von Protokoll in 2.3.3 beschrieben angebracht ist.
   Hinweis: Diese Technik wird Schichten po erstellenlymers auf jeder dieser Flächen, die in das AFM oder Ellipsometer bzw. eingefügt werden können.
3. Bild die abgeschiedenen Schichten mit einem Rasterkraftmikroskop. Verwenden Sie den Wackelkontakt Modus und Ausleger mit 10 nm Radius Siliziumspitzen (Federkonstante 42 N / m) bei der Erhebung Bilder der Probe. Stellen Sie als Scan-Größe 2,5 x 2,5 um, Scan-Punkt als 512 und Integralverstärkung von 10 auf spezifische Beispielbilder zu sammeln.
4. Für Dickenmessung der Schichten mit AFM der getrockneten LbL-Filmen mit einem weichen Kunststoffpipettenspitze und Narbe eine Linie über die Oberfläche der präparierten LbL Filme auf der Glimmeroberfläche.
5. Kaution LBL Filme für Ellipsometriemessung auf Silizium-Wafern. Messung der Schichtdicke mit einem phasenmodulierten Ellipsometer bei einer Wellenlänge von 632,8 nm mit den mehreren Einfallswinkeln Modus. Variieren die Winkel zwischen 85 ° und 65 ° in 1 °-Schritten.

4. Vorbereitung der Freistehende LBL Film

1. Cut ein25,4 x 7,6 mm Rechteck aus Celluloseacetat (CA) Film (DS 2,5), die 0,13 mm dick und heften sich an automatisierten Löffelstiel ist.
   Hinweis: Celluloseacetat DS 3.0 ist in Aceton nicht löslich, so DS 2,5 wird bevorzugt, die Schichtfilmen erholen.
2. In jede 500 ml-Becherglas mit Lösungen PDDA, Lignin und Nanocellulose nach Konzentration und pH-Wert in Schritt 2.1.
   1. Füllen Sie drei weitere Becher mit wässrigen Puffer als Spüllösung für jeden Abscheidungszyklus zu verwenden.
   2. Programmieren Sie den Stiel in derselben Reihenfolge vor wie in 2.3.3 berichtet.
      Hinweis: Es ist wichtig, eine andere Spüllösung nach jeder entsprechenden Polymerlösung zu verwenden, weil in der Schicht-für-Schicht-Verfahren, einige Polymer, das nicht fest an die Oberfläche gebunden werden desorbieren. Kreuzkontamination der Spüllösungen schnell verursacht Ausfällung von Polyelektrolyt-Komplexe, die als "Fehler" an der Filmoberfläche adsorbieren kann.
3. Ändern Sie die Lösungen in dieBecherglas bei 250 Zyklen regelmäßig, wie sie wegen der kolloidalen Komplexe erscheinen bewölkt beginnen. Eine Option ist, um die Erneuerung der Lösung unter Verwendung peristaltische Pumpe an die frische Lösung zu liefern oder Puffer auf Polyvinylchlorid (PVC) Behälter mit Maß-und Ausgänge zu automatisieren.
   Hinweis: Bewegte Lösungen in den Behältern zur Verbesserung der Diffusion der Polyelektrolyte auf die Oberfläche.
4. Die Ränder der getrockneten Probe vorsichtig mit der Schere schneiden Aussetzen der CA Rand und in einen überdachten Glaspetrischale mit Aceton, um den CA auflösen gefüllt.
   Anmerkung: Zwei Folien werden nach diesem Versuch von der Vorderseite und Rückseite des CA isoliert.
5. Einweichen in Aceton isoliert Filme für 24 h und spülen Filme mehrmals mit Aceton, um das Entfernen von Rest CA maximieren.

Ergebnisse

QCM-D-Analyse von strukturierten Woody Polymer Film Fabrication

Die LbL Adsorption von Lignin, NFC und PDDA wurde in Echtzeit mit QCM-D in zwei verschiedenen Experimenten mit zwei Arten von Ligninen überwacht. Dieses Analyseverfahren ist sehr empfindlich auf Änderungen in der Frequenz zu erfassen, wenn Moleküle adsorbieren an der Oberfläche des Quarzkristalls Fig. 1 enthält eine detaillierte Beschreibung der QCM-D-Antwort in einem Abscheidungszyklus, der zwei Doppelschicht...

Diskussion

Die Herstellung von Nanocellulose

Für die erfolgreiche Herstellung Nanocellulose Oxidation der Zellstofffaser ist für einfache Flimmern erforderlich. Oxidation von verfügbaren Natriumhypochlorit, die langsam in bekannten Mengen zugegeben werden sollte, basierend auf der Menge des Cellulose gesteuert. Ein Grund für die begrenzte Oxidation entsteht durch die Lagerung der Natriumhypochlorit-Lösung über längere Zeiträume. Diese reduzierte Oxidationseffizienz während der Reaktion angemerkt ...

Materialien

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