Name: molecular entanglement and electrospinnability of biopolymers
Uploaded: 2014-09-03T15:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 59 s
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Diese Arbeit wird teilweise durch das USDA National-Institut für Ernährung und Landwirtschaft, National Competitive Grants Program, National Research Initiative Programm 71,1 GJ 2007 finanziert als Grant No 2007-35503-18392 und National Institutes of Health, Institut für Allergie und Infektionskrankheiten , R33AI94514-03.

1. Spinnlösung Vorbereitung <ol><li> Bereiten Sie eine Reihe von Biopolymer-Konzentrationen (bis 30% 0,1%, w / v) untersucht werden und sicher sein, um den Feuchtigkeitsgehalt der Biopolymer-Pulver in diesen Berechnungen zu berücksichtigen. Für jede Konzentration, wiegen das Biopolymer (Stärke oder Pullulan) Pulver in einem 50 ml-Reagenzglas. Fügen wässrigen Dimethylsulfoxid (DMSO)-Lösung und einen Rührstab. </li><li> Das Röhrchen wird in kochendes Wasser unter ständigem Rühren auf einem Magnetrührer Heizplatte. </li><li> Nach ca. 1 Stunde, schalten Sie die Hitze und lassen Dispersion auf Raumtemperatur abkühlen. Die Dispersion ist dann bereit für rheologische Tests und Elektro. </li></ol> 2. Stationäre scherrheologie <ol><li> Aufwärmen der Rheometer und die Bühne Temperatur bei 20 ° C. Kalibrieren Sie den Abstand zwischen der Sonde (25 mm Konus verwendet werden) und die Bühne (Platte). </li><li> Last 0,41 ml der Biopolymer-Dispersion auf die Mitte der Bühne und senken Sie die Sonde, um die positi eingestelltauf (0,053 mm Abstand für 25 mm Konus). Stellen Sie sicher, dass die Dispersion gleichmäßig innerhalb der Lücke verbreitet. </li><li> Führen Sie die rheologischen Test mit den folgenden experimentellen Parameter: Sweep-Modus: log, Anfangsgeschwindigkeit: 100 s -1, Schlussrate: 0,1 s -1, Punkte pro Jahrzehnt: 10, Verzögerung, bevor Maßnahme: 5 sec, Messung Zeit: 10 sec, und Richtungen pro Takt: zwei (beide im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn). </li><li> Rheologischen Daten analysieren, um geeignete Dispersions Konzentrationen für das Elektro Studien schätzen. <ol><li> Plotten scheinbaren Scherviskositäten gegen Schergeschwindigkeiten als Funktion der Polymerkonzentration. Für jede Stromkurve, ungefähre Null-Scherviskositäten η 0, durch die tatsächliche oder extrapolierten Werte (beispielsweise bei niedrigen Konzentrationen, wo die niedrige Scherratendaten unzuverlässig sind) für die scheinbare Viskosität bei 0,1 sec - 1. </li><li> Berechnen Sie die spezifische Viskosität: η sp = (η 0 - η s)/ Η s, wobei s η ist die Viskosität des Lösungsmittels. </li><li> Plotten spezifischen Viskositäten als Funktion der Konzentration. Identifizieren halbverdünnten unverflochtene und verstrickt Regime. Die halbverdünnten unverflochtene Regime beginnt mit dem niedrigen Konzentration Ende mit einem kleinen Hang, und die halbverdünnten Regime verstrickt hat eine größere Steigung nach der unverflochtene Regimes. Fit Potenzgesetz Regressionsmodelle in beiden Regimen. Die Leistungswerte sind die Pisten (Konzentrationsabhängigkeit) in halbverdünnten unverflochtene und verstrickt Regime auf einer log-log-Plot. Der Schnittpunkt der beiden Linien ist die Einbau Verstrickung Konzentration, c e. </li></ol></li></ol> 3. Das Elektroparametervariation <ol><li> Montieren Sie den Elektro Aufbau wie in Abbildung 1 dargestellt. Legen Sie die Spritze mit Dispersions entsprechender Zusammensetzung, zB 15% (w / v) Stärke oder Pullulan in 100% DMSO, auf die Spritzenpumpe. Clip der Hochspannungsleitung (postulierenIVE) an der Nadel. Schließen Sie den Gerinnungs Bad mit reinem Ethanol auf Masse durch Eintauchen der Masseleitung (negativ) in die Badewanne. Verwenden Sie eine Hebebühne, um den Abstand zwischen der Spritze und Nadel Koagulierbad einzustellen. Tauchen Sie ein Metallnetz in der Badewanne, um die Fasermatte nach Elektrospinning zu sammeln. </li><li> Drehen Sie das Biopolymer in der folgenden Parameterbereiche: Förderrate von 0,1 bis 0,4 ml / h, Entfernung von Spinn 5 bis 10 cm, und die Spannung von 0 bis 15 kV. <ol><li> Beginnen mit einer Spinn Abstand von 5 cm. Zum ersten Förderrate (0,1 ml / h), die Spannung bis Rampe langsam von 0 V Achten Sie auf die Form der Dispersion an der Nadelspitze extrudiert und beachten, wenn die Tropf Dispersion wird beschleunigt und dann länglich. </li><li> Beachten Sie die Spannung, bei der ein kleiner Strahl aus der Tropfenoberfläche eingeleitet, was electrospinnability der Lösung. Aufzeichnen der Spannung an dem ein kontinuierlicher Strahl einleitet, falls vorhanden. </li><li> Untersuchen Sie das komplette Programm für jede der drei parameters und Mitteilungs erfolgreichen Spinnbedingungen. Sammeln der Fasern nur, wenn es einen kontinuierlichen Strahl von der Spitze. </li></ol></li><li> Nach ein paar Minuten sammeln, spülen Sie die Fasermatte mit reinem Ethanol. Legen Sie die Fasermatte in einem Exsikkator mit Trockenmittel im Vakuum. </li><li> Wiederholen Sie für jede Biopolymer-Konzentration für eine vollständige Charakterisierung. </li></ol><img alt="Figur 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51933/51933fig1highres.jpg" width="500" /> Abbildung 1 Schematische Darstellung des elektro Naßspinnen Einrichtung. Das Biopolymer Dispersion aus einer Spritzenpumpe extrudiert. Ein Hochspannungsgleichstromnetzteil bietet eine hohe Spannung an den stumpfen Nadel und Gelände die Gerinnungs Badewanne. Das Polymer-Jet von der Nadelspitze bewegt sich durch einen geraden Weg und entwickelt eine schnelle Schlag Weg (auch bekannt als Prügel Instabilität) dann. 4. Morphologische Charakterisierung<ol><li> Schneiden Sie ein Stück getrockneten Fasermatte und immobilisieren sie auf eine SEM-Stub mit Kohlenstoffband. </li><li> Legen Sie die Probe in die Stub SEM Instrument und Bilder zu erhalten für die Analyse. </li></ol>

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	<li>Greiner, A., Wendorff, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+self-assembled+nanofibers+by+electrospinning.">Functional self-assembled nanofibers by electrospinning.</a> Self-aseembled nanomaterials. 1, 107-171 (2008).</li><li>Ramakrishna, S., Fujihara, K., Teo, W. E., Lim, T. C., Ma, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> An Introduction to Electrospinning and Nanofibers. , (2005).</li><li>Klossner, R. R., Queen, H. A., Coughlin, A. J., Krause, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlation+of+Chitosan&#8217;s+Rheological+Properties+and+Its+Ability+to+Electrospin.">Correlation of Chitosan&#8217;s Rheological Properties and Its Ability to Electrospin.</a> Biomacromolecules. 9 (10), 2947-2953 (2008).</li><li>McKee, M. G., Wilkes, G. L., Colby, R. H., Long, T. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlations+of+Solution+Rheology+with+Electrospun+Fiber+Formation+of+Linear+and+Branched+Polyesters.">Correlations of Solution Rheology with Electrospun Fiber Formation of Linear and Branched Polyesters.</a> Macromolecules. 37 (5), 1760-1767 (2004).</li><li>McKee, M. G., Hunley, M. T., Layman, J. M., Long, T. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solution+rheological+behavior+and+electrospinning+of+cationic+polyelectrolytes.">Solution rheological behavior and electrospinning of cationic polyelectrolytes.</a> Macromolecules. 39 (2), 575-583 (2006).</li><li>Kong, L., Ziegler, G. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+pure+starch+fibers+by+electrospinning.">Fabrication of pure starch fibers by electrospinning.</a> Food Hydrocolloids. 36, 20-25 (2014).</li><li>Singh, R. S., Saini, G. K., Kennedy, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pullulan:+microbial+sources,+production+and+applications.">Pullulan: microbial sources, production and applications.</a> Carbohydrate Polymers. 73 (4), 515-531 (2008).</li><li>Leathers, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biotechnological+production+and+applications+of+pullulan.">Biotechnological production and applications of pullulan.</a> Applied Microbiology and Biotechnology. 62 (5), 468-473 (2003).</li><li>Karim, M. R., Lee, H. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+and+characterization+of+electrospun+pullulan/montmorillonite+nanofiber+mats+in+aqueous+solution.">Preparation and characterization of electrospun pullulan/montmorillonite nanofiber mats in aqueous solution.</a> Carbohydrate Polymers. 78 (2), 336-342 (2009).</li><li>Stijnman, A. C., Bodnar, I., Hans Tromp, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrospinning+of+food-grade+polysaccharides.">Electrospinning of food-grade polysaccharides.</a> Food Hydrocolloids. 25 (5), 1393-1398 (2011).</li><li>Kong, L., Ziegler, G. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+molecular+entanglements+in+starch+fiber+formation+by+electrospinning.">Role of molecular entanglements in starch fiber formation by electrospinning.</a> Biomacromolecules. 13 (8), 2247-2253 (2012).</li><li>Kong, L., Ziegler, G. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rheological+aspects+in+fabricating+pullulan+fibers+by+electro-wet-spinning.">Rheological aspects in fabricating pullulan fibers by electro-wet-spinning.</a> Food Hydrocolloids. 38, 220-226 (2014).</li><li>Han, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fiber Spinning Rheology and Processing of Polymeric Materials: Volume 2: Polymer Processing. , 257-304 (2007).</li><li>Morris, E. R., Cutler, A. N., Ross-Murphy, S. B., Rees, D. A., Price, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Concentration+and+shear+rate+dependence+of+viscosity+in+random+coil+polysaccharide+solutions.">Concentration and shear rate dependence of viscosity in random coil polysaccharide solutions.</a> Carbohydrate Polymers. 1 (1), 5-21 (1981).</li><li>Thompson, C. J., Chase, G. G., Yarin, A. L., Reneker, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+parameters+on+nanofiber+diameter+determined+from+electrospinning+model.">Effects of parameters on nanofiber diameter determined from electrospinning model.</a> Polymer. 48 (23), 6913-6922 (2007).</li></ol>

Die Autoren erklären, dass sie nichts zu offenbaren haben.

Rheologie ist ein wesentliches Instrument, um die Verarbeitung von Polymeren, einschließlich konventioneller Faserspinn und Elektrospinning 13 studieren. Von dem stationären Scher rheologischen Untersuchungen, Polymer-Konformation und ihre Wechselwirkungen in verschiedenen Lösungsmitteln gelöst werden kann (Figuren 2 und 3). Bei Konzentrationen nicht hoch genug für Biopolymermolekülen miteinander überlappen, war ihre Konzentrationsabhängigkeit rund 1,4 (Abbildung 3), die in guter Übereinstimmung mit wiesenen Werte der anderen Polymeren in guten Lösungsmittel 3,4 war. Nachdem die Biopolymermolekülen beginnen zu verwickeln, zeigte die spezifische Viskosität einen wesentlich höheren Konzentrationsabhängigkeit. Ein größerer Wert n zeigt eine stärkere intermolekulare Wechselwirkung. Viele Zufallsknäuel Polysaccharide zeigten ähnliche Konzentrationsabhängigkeit, mit einem n-Wert von etwa 3,3 14. Pullulans zeigten stärkere Wechselwirkung als Stärke in Lösungsmitteln high DMSO-Gehalt, die möglicherweise durch die molekulare Natur der beiden Biopolymere. Die verwendete Stärke hatte einige hochverzweigten Komponenten (ca. 20% Amylopektin), die Pullulan sollte linear sein. Natürlich würden die Molekulargewichte, die nicht bekannt waren, haben auch einen Einfluß. Die Verschränkung Zusammenschluss von der Konformation des Biopolymers in der Dispersion ab. Zum Beispiel kann die Verschränkung der Stärkekonzentration in 92,5% (w / v) DMSO wässrige Lösung ist viel geringer als in reinem DMSO 11. Es impliziert, dass Stärkemoleküle existieren in einer gestreckten Konformation in 92,5% (w / v) DMSO wässrigen Lösung, so dass sie nehmen eine größere hydrodynamische Volumen und neigen dazu, leichter zu überlappen. Die Verschränkung Konzentrationen von Pullulan nicht so drastisch wie die der Stärke mit unterschiedlichen Lösungsqualität variieren, wahrscheinlich weil sowohl Wasser und DMSO sind gute Lösungsmittel für Pullulan und haben wenig Wirkung auf die molekulare Konformation. Wasser, das kein guterLösungsmittel für Stärke, machte das Szenario viel komplizierter, da ungelöste Stärkemoleküle würde die rheologischen Reaktion beeinflussen. Um einen guten Fasern zu spinnen, hatte die Konzentration von 1,2 bis 2,7 und die Verschlingung 1.9-2.3x Konzentration für Stärke und Pullulan, bzw. (Figuren 4 und 5). Dieser Bereich ist für schmalere Pullulan, wohl auch aufgrund der geringeren Unterschied in der Konformation der Lösemittel. Es war interessant festzustellen, dass eine Dispersion bei Verstrickung Konzentration, wenn Polymere beginnen, miteinander zu verwickeln, war nicht elektroverspinnbaren. Wahrscheinlich, hoch in Elektro behindern Kette Überlappung und Fernbereich Polymer-Wechselwirkung, die bereits bei statischen und niedrigen Scherbedingungen festgestellt haben, wurde vielleicht, und damit eine verbesserte und ausreichend Verstrickung erforderlich beteiligt Scherkraft. Zusätzlich Scherviskosität spielten eine wichtige Rolle (6). Die elektroverspinnbaren Stärke und Pullulan DispersIonen lassen sich in einem ähnlichen Bereich der Scherviskosität bei 100 s -1, mit einer oberen Grenze von 2,2 Pa · s. Die hierin beschriebenen Verfahren können in Übereinstimmung mit der Ausrüstung und Materialien in anderen Studien verwendet modifiziert werden. Die Auflösung des Polymeren ist der erste kritische Schritt bei diesem Protokoll, da wir festgestellt, dass teilweise gelösten Stärkedispersionen (zum Beispiel in 85% (w / v) DMSO) hergestellt instabilen stationären Scherviskosität Daten, die eine genaue Bestimmung des C-E verhindert. Während der Durchführung stationären Schermessungen, ziehen wir es von der höchsten Scherrate starten. Dadurch wird die Dispersion gleichmäßig in dem Zwischenraum mit Hilfe von einer hohen Scherrate verteilt. Der Elektro Schritt erforderte viel Praxis. Aufmerksamkeit sollte der Formänderung des Tropfens an der Nadelspitze zu bezahlen. Sicherheitsvorkehrungen bei der Elektro sollte nicht vernachlässigt werden. Die Hauptgefahr von Elektro kommt von der Hochspannung in th verwendete Verfahren, obwohl die Strom relativ niedrig ist. Elektro Experimente sollten in einem Abzug, um Lösemitteldampf, die Gesundheitsrisiken darstellen können, wenn man es für eine lange Zeit ausgesetzt ist, zu vertreiben durchgeführt werden. Vermeiden Sie engen Abstand und sogar den Kontakt zwischen den geladenen Nadelspitze und der Gerinnungs Bad, da diese dann in einer kurzen und Brandgefahr führen. Die in der aktuellen Studie verwendeten rheologischen Methoden zu tun haben Grenzen. Zum Beispiel ist zu beachten, dass die in Elektro beteiligten tatsächlichen Schergeschwindigkeit ist viel höher als 100 s -1, 1 ist. Neben Rheologie untersucht, Dehnungs Rheologie, die die Dehnung der Dispersion entlang der Trajektorie kenn Scherung kann auch eine wichtige Rolle 15. Die in dieser Studie verwendeten Rheometers ist nicht fähig zur Charakterisierung Dehnviskosität. Rheologischen Studien können wertvolle Informationen über Biopolymer Konformation in dispe bietenrsions und ihre Verarbeitungseigenschaften. Dieses Protokoll ist potentiell in der Elektro viele andere Biopolymere und deren Mischungen nützlich, in Bezug auf die Lösungsmittelsystem Auswahl, Optimierung der Parameter und Faserbildungsmechanismus auf molekularer Ebene.

Elektrospinnen ist eine Technik, in der Lage, kontinuierliche Mikro um nanoskalige Fasern aus einer Vielzahl von Materialien ist. Es wird zunehmend akademischen und industriellen Interesse 1. Obwohl das Setup und die Praxis der Elektro scheinen einfach, bleibt die Fähigkeit, vorherzusagen und zu kontrollieren electrospinnability Fasereigenschaften eine Herausforderung. Der Grund mag in der Tatsache, dass es viele Faktoren, die das Elektrospinnverfahren 2 und den Prozess, vor allem den Weg von der Faser reiste, ist chaotisch 1 Einfluss liegen. Oft eine empirische &quot;Koch-und-aussehen&quot;-Ansatz wird für das Screening von potenziellen elektroverspinnbaren Materialien verwendet. Um jedoch eine bessere Kontrolle über das Elektrospinnverfahren und der resultierenden Fasereigenschaften, ein besseres Verständnis der Mechanismen, die electrospinnability regeln erforderlich gewinnen. Einige Forscher haben herausgefunden, dass molekulare Verhakung von Polymeren in der Spinnlösung ist eine essential Voraussetzung für eine erfolgreiche Elektro 3-5. Die Rheologie ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um molekulare Konformation und Interaktion in Polymerdispersionen zu untersuchen. Zum Beispiel McKee et al. untersuchten die molekularen Konformation des linearen und verzweigten Poly (ethylenterephthalat-co-Ethylenisophthalat-Copolymer) in einem Lösungsmittel Chloroform / Dimethylterephthalat (3.7, v / v) enthält, und bestimmt, dass die Polymerkonzentration auf 2-2.5x sein die Verstrickung Konzentration für eine erfolgreiche Elektro 4. Es ist derzeit das Interesse an Fasern aus Biopolymeren wegen ihrer Vorteile in der biologischen Abbaubarkeit, Biokompatibilität und Erneuerbarkeit gegenüber den synthetischen Gegenstücke. Doch Praktiker stellen viele Herausforderungen, die sich in der Regel aus ihrer strukturellen Komplexität, Schwierigkeiten bei der thermischen Behandlung und schlechtere mechanische Eigenschaften. Stärke, in pflanzlichen Geweben gefunden wird, ist Among die am häufigsten vorkommenden Biopolymeren und preiswert auf der Erde. Reine Stärkefasern hergestellt unter Verwendung eines elektroNassSpinnApparatur wurden kürzlich beschriebenen 6. Pullulan ist ein extrazellulär durch bestimmte Bakterien lineares Polysaccharid. Der regelmäßige Wechsel von (1 → 4) und (1 → 6) Glucosidbindungen sind vermutlich für mehrere markante Eigenschaften Pullulan, einschließlich ausgezeichneter Faser / Filmbildungsfähigkeit 7,8 verantwortlich zu sein. Elektrospinnen von Pullulan Fasern aus wässriger Dispersion wurde durch eine Reihe von Forschern 9,10 berichtet. In unseren früheren Veröffentlichungen, die von zwei electrospinnability Biopolymere, Stärke 11 und 12 Pullulans, wurde diskutiert. Dieser Bericht konzentriert sich auf die Vorführung des Protokolls für die Verwendung rheologischen Prinzipien bei der Untersuchung des electrospinnability dieser beiden Biopolymere.

<table><tbody><tr><td>Gelose 80 starch</td><td>Ingredion</td><td></td><td>Used as it is</td></tr><tr><td>Pullulan</td><td>Hayashibara Co. Ltd</td><td></td><td>Used as it is</td></tr><tr><td>Dimethyl sulfoxide</td><td>BDH Chemicals</td><td>BDH1115-4LP</td><td></td></tr><tr><td>Ethanol</td><td>VWR International</td><td>89125-172</td><td>200 proof</td></tr><tr><td>Rheometer</td><td>TA Instruments</td><td>ARES&amp;nbsp;</td><td>50 mm cone and plate geometry</td></tr><tr><td>Syringe (10 ml)</td><td>Becton, Dickinson and Company</td><td>309604</td><td>Syringe with Luer-Lok&amp;reg; Tip</td></tr><tr><td>High voltage generator</td><td>Gamma High Voltage Research, Inc.</td><td>ES40P</td><td></td></tr><tr><td>Syringe pump</td><td>Hamilton Company</td><td>81620</td><td></td></tr><tr><td>Environmental scanning electron microscope</td><td>FEI Company</td><td>Quanta 200</td><td>for starch fibers</td></tr><tr><td>Environmental scanning electron microscope</td><td>Phenom-World</td><td>Phenom G2 Pro</td><td>for pullulan fibers</td></tr></tbody></table>

molecular entanglement and electrospinnability of biopolymers

Elektro ist eine faszinierende Technik, um aus einer Vielzahl von Materialien zu fertigen Mikro zu nanoskaligen Fasern. Für Biopolymere, wurde molekularen Verschlingung der Polymerbestandteile in der Spinnlösung gefunden, eine wesentliche Voraussetzung für eine erfolgreiche Elektro sein. Die Rheologie ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um die molekulare Konformation und Interaktion von Biopolymeren zu untersuchen. In diesem Bericht zeigen wir das Protokoll für die Verwendung, um die Rheologie electrospinnability von zwei Biopolymeren, Stärke und Pullulan zu bewerten, aus ihren Dimethylsulfoxid (DMSO) / Wasser-Dispersionen. Wohlgeformte Stärke und Pullulan Fasern mit mittleren Durchmessern im Submikrometerbereich zu Mikrometer-Bereich erhalten. Electrospinnability wurde durch visuelle und mikroskopische Untersuchung des gebildeten Fasern ausgewertet. Durch Korrelieren der rheologischen Eigenschaften der Dispersionen, ihre electrospinnability zeigen wir, dass die molekulare Konformation, molekulare Verhakung und Scherviskosität beeinflussen Electrospinning. Rheologie ist nicht nur nützlich bei der Lösungsmittelsystem Auswahl und Prozessoptimierung, sondern auch für das Verständnis des Mechanismus der Faserbildung auf molekularer Ebene.

Fließkurven der Biopolymer-Dispersionen als Funktion der Konzentration Biopolymer und DMSO-Konzentration in dem Lösungsmittel erhalten. Zwei repräsentative Zahlen zeigen die Fließkurven der Stärke (2A) und Pullulans (2B) in Abhängigkeit von ihrer Konzentration in reinem DMSO Lösungsmittel. Die spezifischen Viskositäten wurden gegen Biopolymer-Konzentration (3A für Stärke und 3B für Pullulans) aufgetragen. Aus diesen Grundstücken wurden Verstrickung Konzentrationen als Schnittpunkt der angepassten Linien in halbverdünnten unverflochtene und halbverdünnten Regime verstrickt erhalten. <img alt="Figur 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51933/51933fig2highres.jpg" width="500" /> Abbildung 2. Fließkurven von (A) Gelose 80 Stärke und (B) Pullulans in reinem DMSO als Funktiauf der Konzentration (%, w / v) bei 20 ° C aufweist. In beiden Figuren, Stärke und Pullulan niedrigen Konzentrationen waren weniger viskos, um ausreichendes Drehmoment bei niedrigen Scherraten zu erhalten. Diese unzuverlässige Daten wurden daher nicht dargestellt. Im allgemeinen zeigten die beiden Biopolymere Newtonsches Verhalten bei niedrigen Konzentrationen, nämlich die scheinbare Scherviskosität war unabhängig von der Schergeschwindigkeit. Scherverdünnung wurde deutlich, als die Konzentration erhöht, insbesondere mehr als 10% (w / v). Doch die Scherverdünnungsverhalten war schwach. Die (w / v) Pullulans Dispersionen zeigten nur die Frühphase des Potenzgesetz Region auf hohen Scherraten, während die Stärkedispersionen haben signifikante Reduktion der Viskosität über der Schergeschwindigkeitsbereich nicht zeigen, von 0,1 bis 100 sec 15% und 20% - 1. Mit Genehmigung nach Lit. 11, Copyright (2012) American Chemical Society, und mit Genehmigung nach Lit. 12, Copyright (2014) Elsevier nachgedruckt. <img alt="Figur 3" fo:content-width = &quot;5in&quot; src = &quot;/ files / ftp_upload / 51933 / 51933fig3highres.jpg&quot; width = &quot;500&quot; /&gt; Abbildung 3. Auftragung der spezifischen Viskosität in Abhängigkeit von (A) Gelose 80 Stärke und (B) Pullulans Konzentration in reinem DMSO. Die Steigungen der angepassten Linien in halbverdünnten unverflochtene (linke Seite) und halbverdünnten verstrickt (rechte Seite) Regime zeigen die Konzentrationsabhängigkeit der spezifischen Viskosität, auch bekannt als die Skalierung Abhängigkeit 4. Pullulans zeigten stärkere Konzentrationsabhängigkeit als Stärke in der verschränkten Regimes. Der Schnittpunkt der beiden Linien ausgestattet wurde als die Verstrickung Konzentration (c e), bei der Biopolymere beginnen, in der Dispersion überlappen bezeichnet. Stärke benötigt eine höhere Konzentration als Pullulans zu starten verwickeln. Mit Genehmigung nach Lit. 11, Copyright (2012) American Chemical Society, und mit Genehmigung nach Lit. 12, Copyright (2014) Elsevier nachgedruckt. Elektrospinnen wurde für alle versuchtenBiopolymer Dispersionen und Ergebnisse in Bezug auf electrospinnability beurteilt, dh Strahlbildungsfähigkeit beim Elektro, und die Morphologie der Fasern gebildet. Eine Dispersion gute electrospinnability bildeten eine stabile und kontinuierliche Jet, der in kontinuierliche und glatte Fasern ohne Tröpfchen geführt. Eine Dispersion, die nicht in der Lage, elektrospinnen konnte eine stabile Jet nicht zu bilden oder zu entwickeln, peitschen Instabilität war. Entweder winzige Tröpfchen oder dicke Fasern wurden in das Koagulationsbad abgeschieden. Figur 4 zeigt repräsentative gute und schlechte Fasern nach ihrem Aussehen beurteilt. Abbildung 5 fasst Auswertung electrospinnability in variierenden Konzentrationen von DMSO in Lösungsmittel und das Biopolymer in Dispersion für Stärke und Pullulan, jeweils . Neben Konzentrationen Scherviskositäten bei 100 sec -1 Verschränkung wurden gegen Biopolymer Konzentration, wo Regionen electrospinnability wurden bezeichnet (Figur 6) dargestellt. </p<html> &gt; <img alt="Figur 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51933/51933fig4highres.jpg" width="500" /> Abbildung 4: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von guter (links) und schlechten (rechts) Stärke und Pullulan Fasern. Gute Fasern glatt, kontinuierlich und zufällig orientiert, während die armen Fasern können Perlen, Pausen und Tröpfchen wie in der Abbildung (rote Kreise) gezeigt. (A) 10% (w / v) Gelose 80 Stärke in 95% (v / v) DMSO, (b) 8% (w / v) Gelose 80 Stärke in 80% (v / v) DMSO, (c) 17 % (w / v) Pullulan in 40% (v / v) DMSO, und (d) 9% (w / v) Pullulan in 80% (v / v) DMSO. Mit Genehmigung nach Lit. 11, Copyright (2012) American Chemical Society, und mit Genehmigung nach Lit. 12, Copyright (2014) Elsevier nachgedruckt. jpg &quot;width =&quot; 500 &quot;/&gt; Abbildung 5. Bewertung der electrospinnability von (A) Gelose 80 Stärke und (B) Pullulans Dispersionen als Funktion der DMSO-Konzentration in Lösungsmittel und Biopolymer-Konzentration in der Dispersion: gut electrospinnability (Kreise), schlechte electrospinnability (Diamanten) und nicht in der Lage elektrospinnen (X). Schattierten Bereiche repräsentieren rund elektroverspinnbaren Regionen. Verschränkung Konzentrationen werden auch in etwa gekennzeichnet. Mit Genehmigung nach Lit. 11, Copyright (2012) American Chemical Society, und mit Genehmigung nach Lit. 12, Copyright (2014) Elsevier nachgedruckt. <img alt="Figur 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51933/51933fig6highres.jpg" width="500" /> Figur 6. Die Scherviskosität (bei ​​100 s -1) von (A) 80 Gelose Stärke und (B) Dispersionen von Pullulan als eine Funktionvon Biopolymer-Konzentration in verschiedenen DMSO / Wasser Lösungsmittel. Schraffierten Flächen stellen die rund elektroverspinnbaren Region. Mit Genehmigung nach Lit. 11, Copyright (2012) American Chemical Society, und mit Genehmigung nach Lit. 12, Copyright (2014) Elsevier nachgedruckt.

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Molecular Entanglement and Electrospinnability of Biopolymers

Elektro ist eine faszinierende Technik, die zur Mikro zu nanoskaligen Fasern aus einer Vielzahl von Materialien zu fertigen. Molekulare Verschlingung der Polymerbestandteile in der Spinnlösung ist wichtig für eine erfolgreiche Elektro. Wir präsentieren ein Protokoll für die Verwendung Rheologie, die electrospinnability von zwei Biopolymere, Stärke und Pullulan bewerten.

Molekulare Verschränkung und Electrospinnability von Biopolymeren

Electrospinning is a fascinating technique to fabricate micro- to nano-scale fibers from a wide variety of materials. For biopolymers, molecular ...

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Serie: Molecular Entanglement and Electrospinnability of Biopolymers

Electrospinning Fundamentals: Optimizing Solution and Apparatus Parameters

Electrospun nanofiber scaffolds have been shown to accelerate the maturation, improve the growth, and direct the migration of cells in vitro. Electrospinning is a process in which a charged polymer jet is collected on a grounded collector; a rapidly rotating collector results in aligned nanofibers while stationary collectors result in randomly oriented fiber mats. The polymer jet is formed when an applied electrostatic charge overcomes the surface tension of the solution. There is a minimum concentration for a given polymer, termed the critical entanglement concentration, below which a stable jet cannot be achieved and no nanofibers will form - although nanoparticles may be achieved (electrospray). A stable jet has two domains, a streaming segment and a whipping segment. While the whipping jet is usually invisible to the naked eye, the streaming segment is often visible under appropriate lighting conditions. Observing the length, thickness, consistency and movement of the stream is useful to predict the alignment and morphology of the nanofibers being formed. A short, non-uniform, inconsistent, and/or oscillating stream is indicative of a variety of problems, including poor fiber alignment, beading, splattering, and curlicue or wavy patterns. The stream can be optimized by adjusting the composition of the solution and the configuration of the electrospinning apparatus, thus optimizing the alignment and morphology of the fibers being produced. In this protocol, we present a procedure for setting up a basic electrospinning apparatus, empirically approximating the critical entanglement concentration of a polymer solution and optimizing the electrospinning process. In addition, we discuss some common problems and troubleshooting techniques.

Electrospinning techniques can create a variety of nanofibrous scaffolds for tissue engineering or other applications. We describe here a procedure to optimize the parameters of the electrospinning solution and apparatus to obtain fibers with the desired morphology and alignment. Common problems and troubleshooting techniques are also presented.

Elektrospinnen Grundlagen: Optimierung Solution und Geräteparameter

Electrospun nanofiber scaffolds have been shown to accelerate the maturation, improve the growth, and direct the migration of cells in vitro. ...

Forschung

Biotechnik

Air Filter Devices Including Nonwoven Meshes of Electrospun Recombinant Spider Silk Proteins

Based on the natural sequence of Araneus diadematus Fibroin 4 (ADF4), the recombinant spider silk protein eADF4(C16) has been engineered. This highly repetitive protein has a molecular weight of 48kDa and is soluble in different solvents (hexafluoroisopropanol (HFIP), formic acid and aqueous buffers). eADF4(C16) provides a high potential for various technical applications when processed into morphologies such as films, capsules, particles, hydrogels, coatings, fibers and nonwoven meshes. Due to their chemical stability and controlled morphology, the latter can be used to improve filter materials. In this protocol, we present a procedure to enhance the efficiency of different air filter devices, by deposition of nonwoven meshes of electrospun recombinant spider silk proteins. Electrospinning of eADF4(C16) dissolved in HFIP results in smooth fibers. Variation of the protein concentration (5-25% w/v) results in different fiber diameters (80-1,100 nm) and thus pore sizes of the nonwoven mesh.
Post-treatment of eADF4(C16) electrospun from HFIP is necessary since the protein displays a predominantly &alpha;-helical secondary structure in freshly spun fibers, and therefore the fibers are water soluble. Subsequent treatment with ethanol vapor induces formation of water resistant, stable &beta;-sheet structures, preserving the morphology of the silk fibers and meshes. Secondary structure analysis was performed using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and subsequent Fourier self-deconvolution (FSD).
The primary goal was to improve the filter efficiency of existing filter substrates by adding silk nonwoven layers on top. To evaluate the influence of electrospinning duration and thus nonwoven layer thickness on the filter efficiency, we performed air permeability tests in combination with particle deposition measurements. The experiments were carried out according to standard protocols.

Spider silk fibers display extraordinary mechanical properties. Engineered Araneus diadematus Fibroin 4 (eADF4) can be processed into nonwoven meshes using electrospinning. Here, the eADF4 nonwoven meshes are used to improve the performance of air filtering devices.

Luftfilter Devices Inklusive Vlies Meshes of Elektrogesponnene Rekombinante Spinnenseidenproteine

Based on the natural sequence of Araneus diadematus Fibroin 4 (ADF4), the recombinant spider silk protein eADF4(C16) has been engineered. This highly ...

Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications

Superhydrophobic materials, with surfaces possessing permanent or metastable non-wetted states, are of interest for a number of biomedical and industrial applications. Here we describe how electrospinning or electrospraying a polymer mixture containing a biodegradable, biocompatible aliphatic polyester (e.g., polycaprolactone and poly(lactide-co-glycolide)), as the major component, doped with a hydrophobic copolymer composed of the polyester and a stearate-modified poly(glycerol carbonate) affords a superhydrophobic biomaterial. The fabrication techniques of electrospinning or electrospraying provide the enhanced surface roughness and porosity on and within the fibers or the particles, respectively. The use of a low surface energy copolymer dopant that blends with the polyester and can be stably electrospun or electrosprayed affords these superhydrophobic materials. Important parameters such as fiber size, copolymer dopant composition and/or concentration, and their effects on wettability are discussed. This combination of polymer chemistry and process engineering affords a versatile approach to develop application-specific materials using scalable techniques, which are likely generalizable to a wider class of polymers for a variety of applications.

Two- and three-dimensional superhydrophobic polymeric materials are prepared by electrospinning or electrospraying biodegradable polymers blended with a lower surface energy polymer of similar composition.

Herstellung Superhydrophobe Polymere Materialien für biomedizinische Anwendungen

Superhydrophobic materials, with surfaces possessing permanent or metastable non-wetted states, are of interest for a number of biomedical and industrial ...

Fabricating Degradable Thermoresponsive Hydrogels on Multiple Length Scales via Reactive Extrusion, Microfluidics, Self-assembly, and Electrospinning

While various smart materials have been explored for a variety of biomedical applications (e.g., drug delivery, tissue engineering, bioimaging, etc.), their ultimate clinical use has been hampered by the lack of biologically-relevant degradation observed for most smart materials. This is particularly true for temperature-responsive hydrogels, which are almost uniformly based on polymers that are functionally non-degradable (e.g., poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) or poly(oligoethylene glycol methacrylate) (POEGMA)). As such, to effectively translate the potential of thermoresponsive hydrogels to the challenges of remote-controlled or metabolism-regulated drug delivery, cell scaffolds with tunable cell-material interactions, theranostic materials with the potential for both imaging and drug delivery, and other such applications, a method is required to render the hydrogels (if not fully degradable) at least capable of renal clearance following the required lifetime of the material. To that end, this protocol describes the preparation of hydrolytically-degradable hydrazone-crosslinked hydrogels on multiple length scales based on the reaction between hydrazide and aldehyde-functionalized PNIPAM or POEGMA oligomers with molecular weights below the renal filtration limit. Specifically, methods to fabricate degradable thermoresponsive bulk hydrogels (using a double barrel syringe technique), hydrogel particles (on both the microscale through the use of a microfluidics platform facilitating simultaneous mixing and emulsification of the precursor polymers and the nanoscale through the use of a thermally-driven self-assembly and cross-linking method), and hydrogel nanofibers (using a reactive electrospinning strategy) are described. In each case, hydrogels with temperature-responsive properties similar to those achieved via conventional free radical cross-linking processes can be achieved, but the hydrazone cross-linked network can be degraded over time to re-form the oligomeric precursor polymers and enable clearance. As such, we anticipate these methods (which may be generically applied to any synthetic water-soluble polymer, not just smart materials) will enable easier translation of synthetic smart materials to clinical applications.

Protocols are described for the fabrication of degradable thermoresponsive hydrogels based on hydrazone cross-linking of polymeric oligomers on the bulk scale, microscale, and nanoscale, the latter for preparation of both gel nanoparticles and nanofibers.

Herstellung von abbaubaren Thermoresponsive Hydrogele auf mehreren Längenskalen über reaktive Extrusion, Mikrofluidik, Selbstmontage und Elektrospinnen

While various smart materials have been explored for a variety of biomedical applications (e.g., drug delivery, tissue engineering, bioimaging, etc.), ...

Methods for the Self-integration of Megamolecular Biopolymers on the Drying Air-LC Interface

Living organisms that use water are always prone to drying in the environment. Their activities are driven by biopolymer-based micro- and macro-structures, as seen in the cases of moving water in vascular bundles and moisturizing water in skin layers. In this study, we developed a method for assessing the effect of aqueous liquid crystalline (LC) solutions composed of biopolymers on drying. As LC biopolymers have megamolecular weight, we chose to study polysaccharides, cytoskeletal proteins, and DNA. The observation of biopolymer solutions during drying under polarized light reveals milliscale self-integration starting from the unstable air-LC interface. The dynamics of the aqueous LC biopolymer solutions can be monitored by evaporating water from a one-side-open cell. By analyzing the images taken using cross-polarized light, it is possible to recognize the spatio-temporal changes in the orientational order parameter. This method can be useful for the characterization of not only artificial materials in various fields, but also natural living tissues. We believe that it will provide an evaluation method for soft materials in the biomedical and environmental fields.

A method for the drying-induced self-integration of megamolecular biopolymers on the air-liquid crystalline interface is provided here. This methodology will be useful not only for understanding the macroscopic potentials of biopolymers, but also as an evaluation method for soft materials in biomedical and environmental fields.

Methoden zur Selbst Integration von Megamolecular Biopolymere auf der Trocknungsluft-LC-Schnittstelle

Living organisms that use water are always prone to drying in the environment. Their activities are driven by biopolymer-based micro- and ...

DNA Nanotubes as a Versatile Tool to Study Semiflexible Polymers

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of flexible polymers nor of rigid rods. Underlying filaments remain outstretched due to their non-vanishing backbone stiffness, which is quantified via the persistence length (lp), but they are also subject to strong thermal fluctuations. Their finite bending stiffness leads to unique, non-trivial collective mechanics of bulk networks, enabling the formation of stable scaffolds at low volume fractions while providing large mesh sizes. This underlying principle is prevalent in nature (e.g., in cells or tissues), minimizing the high molecular content and thereby facilitating diffusive or active transport. Due to their biological implications and potential technological applications in biocompatible hydrogels, semiflexible polymers have been subject to considerable study. However, comprehensible investigations remained challenging since they relied on natural polymers, such as actin filaments, which are not freely tunable. Despite these limitations and due to the lack of synthetic, mechanically tunable, and semiflexible polymers, actin filaments were established as the common model system. A major limitation is that the central quantity lp cannot be freely tuned to study its impact on macroscopic bulk structures. This limitation was resolved by employing structurally programmable DNA nanotubes, enabling controlled alteration of the filament stiffness. They are formed through tile-based designs, where a discrete set of partially complementary strands hybridize in a ring structure with a discrete circumference. These rings feature sticky ends, enabling the effective polymerization into filaments several microns in length, and display similar polymerization kinetics as natural biopolymers. Due to their programmable mechanics, these tubes are versatile, novel tools to study the impact of lp on the single-molecule as well as the bulk scale. In contrast to actin filaments, they remain stable over weeks, without notable degeneration, and their handling is comparably straightforward.

Semiflexible polymers display unique mechanical properties that are extensively applied by living systems. However, systematic studies on biopolymers are limited since properties such as polymer rigidity are inaccessible. This manuscript describes how this limitation is circumvented by programmable DNA nanotubes, enabling experimental studies on the impact of filament rigidity.

DNA-Nanoröhren als ein vielseitiges Werkzeug, semiflexiblen Polymere zu studieren

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of ...

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(&#949;-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology with great potential for biomedical applications. The technique facilitates the direct deposition of biocompatible polymer fibers to fabricate well-ordered scaffolds in the sub-micron to micro scale range. The establishment of a stable, viscoelastic, polymer jet between a spinneret and a collector is achieved using an applied voltage and can be direct-written. A significant benefit of a typical porous scaffold is a high surface-to-volume ratio which provides increased effective adhesion sites for cell attachment and growth. Controlling the printing process by fine-tuning the system parameters enables high reproducibility in the quality of the printed scaffolds. It also provides a flexible manufacturing platform for users to tailor the morphological structures of the scaffolds to their specific requirements. For this purpose, we present a protocol to obtain different fiber diameters using melt electrospinning writing (MEW) with a guided amendment of the parameters, including flow rate, voltage and collection speed. Furthermore, we demonstrate how to optimize the jet, discuss often experienced technical challenges, explain troubleshooting techniques and showcase a wide range of printable scaffold architectures.

This protocol serves as a comprehensive guideline to fabricate scaffolds via electrospinning with polymer melts in a direct writing mode. We systematically outline the process and define the appropriate parameter settings for achieving targeted scaffold architectures.

Elektrospinnen Schreiben von dreidimensionalen Poly(ε-caprolactone) Gerüste mit steuerbaren Morphologien für Tissue Engineering Anwendungen zu schmelzen

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology ...

Vapor Phase Deposition of Electroactive Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) onto Electrospun Commodity Polymer Nanofibers

This study investigates the preparation of polyacrylonitrile (PAN) nanofibers through electrospinning to create highly porous and strong materials for applications in water purification, electrocatalysis, and biomedicine. The uniformly white PAN nanofiber mats were cut into 2 cm x 2 cm coupons to ensure consistency. After electrospinning, these nanofibers were coated with an electroactive polymer (EAP) using chemical vapor deposition, with iron (III) chloride (FeCl3) serving as an oxidant for polymerizing 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) into poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). The study examined the impact of different FeCl3 concentrations on PEDOT deposition on the PAN coupons. PEDOT deposition led to an increase in coupon weight. Scanning electron microscopy (SEM) revealed increases in the diameter of the nanofibers treated with increasing FeCl3 oxidant concentration, although higher FeCl3&#160;concentrations caused inter-fiber bridging, implying a concomitant decrease in inter-fiber spacing. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was used to confirm the presence of Fe, Cl, and S in the nanofibers, with sulfur content rising with FeCl3&#160;concentration used, suggesting increased PEDOT deposition efficiency with increasing oxidant concentration. Mechanical testing showed that PEDOT-coated PAN fibers had improved tensile strength and toughness in the hydrated state compared to pure PAN nanofibers. These results highlight the crucial role of FeCl3&#160;concentration in influencing the morphology and properties of PAN-PEDOT composites, enhancing their suitability for applications such as water purification, tissue engineering, biosensing, catalysis, and energy storage.

This paper describes a simple technique for coating electrospun PAN nanofibers with electroactive polymers using vapor deposition. The effects of the oxidant FeCl&#8323; on the deposition of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) coatings on PAN were investigated to understand and optimize polymer growth, fiber diameter, and overall mechanical strength of the nanofiber mats.

Dampfphasenabscheidung von elektroaktivem Poly(3,4-ethylendioxythiophen) auf elektrogesponnenen Polymer-Nanofasern

This study investigates the preparation of polyacrylonitrile (PAN) nanofibers through electrospinning to create highly porous and strong materials for ...

Chemie

Controlling Electrospun Polymer Morphology for Tissue Engineering Demonstrated Using hepG2 Cell Line

Electrospinning affords researchers the opportunity to fabricate reproducible micro to nanoscale polymer fibers. The 3D fibrous architecture of electrospun polymers is regarded as a structural imitation of the extracellular matrix (ECM). Hence, electrospun fibers fabricated from biocompatible polymers have been widely investigated by tissue engineering researchers for their potential role as an artificial ECM for guiding tissue growth both in vitro and in vivo. All cells are acutely sensitive to their mechanical environment. This has been demonstrated by the discovery of multiple mechanotransduction pathways intrinsically linked to the cytoskeletal actin filaments. The cytoskeleton acts as a mechanical sensor that can direct the functionality and differentiation of the host cell depending on the stiffness and morphology of its substrate. Electrospun fibers can be tuned both in terms of fiber size and morphology to easily modulate the mechanical environment within a fibrous polymer scaffold. Here, methods for electrospinning polycaprolactone (PCL) for three distinct morphologies at two different fiber diameters are described. The morphological fiber categories consist of randomly oriented fibers, aligned fibers, and porous cryogenically spun fibers, with 1 &#181;m and 5 &#181;m diameters. The methods detailed within this study are proposed as a platform for investigating the effect of electrospun fiber architecture on tissue generation. Understanding these effects will allow researchers to optimize the mechanical properties of electrospun fibers and demonstrate the potential of this technology more thoroughly.

This method provides the means to test different polycaprolactone fiber morphologies and topographies for the purpose of tissue engineering. Small and large fibers are fabricated with random orientations, aligned orientations, and also porous cryogenically electrospun structures and used as platforms for cell culture.

Electrospinning affords researchers the opportunity to fabricate reproducible micro to nanoscale polymer fibers. The 3D fibrous architecture of ...

Procedure for Fabricating Biofunctional Nanofibers

Electrospinning is an effective processing method for preparing nanofibers decorated with functional groups. Nanofibers decorated with functional groups may be utilized to study material-biomarker interactions i.e. act as biosensors with potential as single molecule detectors. We have developed an effective approach for preparing functional polymers where the functionality has the capacity of specifically binding with a model protein. In our model system, the functional group is 2,4-dinitrophenyl (DNP) and the protein is anti-DNP IgE (Immunoglobulin E). The functional polymer, &alpha;,&omega;-bi[2,4-dinitrophenyl caproic][poly(ethylene oxide)-b-poly(2-methoxystyrene)-b-poly(ethylene oxide)] (CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP), is prepared by anionic living polymerization. The difunctional initiator utilized in the polymerization was prepared by electron transfer reaction of &alpha;-methylstyrene and potassium (mirror) metal. The 2-methoxystyrene monomer was added first to the initiator, followed by the addition of the second monomer, ethylene oxide, and finally the living polymer was terminated by methanol. The &alpha;,&omega;-dihydroxyl polymer [HO-PEO-P2MS-PEO-OH] was reacted with N-2,4-DNP-&isin;-amino caproic acid, by DCC coupling, resulting in the formation of &alpha;,&omega;-bi[2,4-dinitrophenylcaproic][poly(ethyleneoxide)-b-poly(2-methoxystyrene)-b-poly(ethylene oxide)] (CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP). The polymers were characterized by FT-IR, 1H NMR and Gel Permeation Chromatography (GPC). The molecular weight distributions of the polymers were narrow (1.1-1.2) and polymers with molecular weights greater than 50,000 was used in this study. The polymers were yellow powders and soluble in tetrahydrofuran. A water soluble CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP/ DMEG (dimethoxyethylene glycol) complex binds and achieves steady state binding with solution IgE within a few seconds. Higher molecular weight (water insoluble i.e. around 50,000) CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP polymers, containing 1% single wall carbon nanotubes (SWCNT) were processed into electroactive nanofibers (100 nm to 500 nm in diameter) on silicon substrate. Fluorescence spectroscopy shows that anti-DNP IgE interacts with the nanofibers by binding with the DNP functional groups decorating the fibers. These observations suggest that appropriately functionalized nanofibers hold promise for developing biomarker detection device.

An efficient approach for preparing nanofibers decorated with functional groups capable of specifically interacting with proteins is described. The approach first requires the preparation of a polymer functionalized with the appropriate functional group. The functional polymer is fabricated into nanofibers by electrospinning. The effectiveness of the binding of the nanofibers with a protein is studied by confocal microscopy.

Verfahren zur Herstellung Biofunktionelle Nanofasern

Electrospinning is an effective processing method for preparing nanofibers decorated with functional groups. Nanofibers decorated with functional groups ...