לקראת Biomimicking עץ: סרטים מפוברק חופשי עומדים בNanocellulose, ליגנין, וPolycation סינטטי

Summary

מטרתו של מחקר זה הייתה כדי ליצור דופן תא רקמות צמח סינטטי באמצעות הרכבה של סיבי nanocellulose ושכבה אחר שכבת ליגנין המבודד מורכב מתרחיפים מימיים לדלל. טכניקות מדידת פני השטח של microbalance גביש קוורץ ומיקרוסקופ כוח אטומי שימשו כדי לפקח על היווצרותו של חומר nanocomposite פולימר פולימר.

Abstract

חומרים וודי מורכבים מקירות תא צמח המכילים דופן תא משנית שכבתית מורכבת מפולימרים מבניים של סוכרים וליגנין. תהליך ההרכבה שכבה אחר שכבה (LbL) אשר מסתמך על ההרכבה של מולקולות טעונות הפוך מתמיסות מימיות שימש לבניית סרט מורכב בודד של פולימרים עץ מבודדים של ליגנין ותאי nanofibril חמצון (NFC). כדי להקל על ההרכבה של פולימרים טעונים שלילי אלה, polyelectrolyte מטען חשמלי חיובי, פולי (כלוריד diallyldimethylammomium) (PDDA), היה בשימוש כשכבת המקשרת ליצירת קיר תא זה פשוט מודל. תהליך ספיחה שכבתי נחקר כמותית באמצעות microbalance גביש קוורץ עם ניטור פיזור (QCM-D) וellipsometry. התוצאות הראו כי מסת שכבה / עובי כל שכבת adsorbed גדל כפונקציה של מספר הכולל של שכבות. הכיסוי של שכבות adsorbed המשטח נחקר עם מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM).כיסוי מלא של פני השטח עם ליגנין בכל המחזורים בתצהיר נמצא עבור המערכת, לעומת זאת, כיסוי פני השטח על ידי NFC גדל עם מספר השכבות. תהליך ספיחה בוצע עבור 250 מחזורים (500 bilayers) על אצטט תאית מצע (CA). סרטים שעמדו חופשיים שקופים LBL התאסף nanocomposite התקבלו כאשר מצע CA מאוחר יותר מומס באצטון. במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) של החתכים שבורים הראה מבנה טבלית, והעובי כל מחזור ספיחה (PDDA-ליגנין-PDDA-NC) היה מוערך להיות 17 ננומטר לשני סוגי ליגנין שונים המשמשים במחקר. הנתונים מצביעים על סרט עם ארכיטקטורה מבוקרת מאוד בי nanocellulose וליגנין מופקדים מרחבית בקנה המידה ננומטרי (nanocomposites פולימר פולימר), בדומה למה שנצפה בקיר תא הילידים.

Introduction

יש עניין רב להפקת כימיקלים ודלקים נוספים מביומסה, כמו פחמן מוחרם על ידי צמחים בתהליך הפוטוסינתזה הוא חלק מCO ₂ המחזור הנוכחי. רוב פחמן מוחרם (42-44%) הוא בצורה של תאית, פולימר המורכב מיחידות β glucopyranose 1-4 צמודות; כאשר הידרוליזה, גלוקוז יכול לשמש כמגיב העיקרי לתסיסה לדלקים מבוססות אלכוהול. עם זאת, תא קיר ארכיטקטורה של צמחים עציים התפתחה במשך אלף שנים ביצירת חומר שהוא עמיד בפני פירוק בסביבה הטבעית ^1. יציבות זו הנושאת מעל לעיבוד התעשייתי של חומרים עציים, כגון גידולי אנרגיה שהופך תאית קשה לגישה, לבודד, והתפלגות לגלוקוז. מבט מקרוב על ultrastructure של דופן התא המשנית מגלה כי הוא nanocomposite פולימר מורכב מmicrofibrils תאית paracrystalline שכבתי משובץ במטריצה ​​אמורפית של ליגנין ומכפלתicelluloses ^2-4. יש לי microfibrils תאית בכיוון ציר האורך בקוטר של כ 2-5 ננומטר, המצטבר יחד עם הטרו סוכרים אחרים כדי ליצור יחידות גדולות יותר של חבילות ליפון ^5. חבילות יפון מוטבעות במתחם ליגנין-hemicellulose המורכב מפולימר אמורפי יחידות phenylpropanol עם כמה קשרים להטרו סוכרים אחרים כמו glucoronoxylan ^4. יתר על כן, מבנה זה מאורגן יותר לתוך שכבות, או lamellae, לאורך דופן התא המשנית lignified ^6-8. אנזימים, כמו cellulases, יש לי זמן קשה מאוד גישה תאית בתוך דופן התא כפי שהוא נמצא בצורה סיבית שלה ומשובץ בליגנין. עיקר באמת מה שהופך את הדלקים biobased ופלטפורמות כימיות מתחדשות מציאות הוא לפתח תהליכים שייאפשרו מבחינה כלכלית saccharification של תאית בצורה המקורית שלו.

טכנולוגיות כימיות והדמיה חדשות סיוע בstג'ודי של המנגנונים המעורבים בsaccharification של ^9,10 תאית. יש הרבה עבודה מרוכזת על confocal הדמיה ראמאן ¹¹ ומיקרוסקופ כוח אטומי ¹² ללמוד את ההרכב הכימי של דופן תא ומורפולוגיה. היכולת לעקוב מקרוב מנגנוני delignification וsaccharification היא צעד משמעותי קדימה, משפיעה על המרה של תאית לגלוקוז. Saccharification של משטחים תאית מודל נותח על ידי מדידת שיעורים הקינטית אנזים עם microbalance גביש קוורץ עם ניטור פיזור (QCM-D) ^13. עם זאת, קירות תא ילידי ארץ הם מורכבים ביותר כפי שצוין לעיל, וזה יוצר עמימות של כמה תהליכי המרה שונים לשנות את המבנה של דופן תא צמח (משקל מולקולרי פולימר, קשרים כימיים, נקבוביות). מודלים שעמדו חופשי של דופן תא חומרים עם הרכב מבני ידוע היינו לענות על חשש זה ולאפשר את שילובם של דגימות לתוך כימי וImagi מדינה-of-אמנותציוד ng.

יש מחסור של דופן תא דגמים וניתן לסווג כמה זמין כתערובות של חומרים פולימריים ומחדש תאית או תאית חיידקים ^14, מרוכבים enzymatically polymerized ליגנין-פוליסכריד ^15-17, או משטחי מודל ^18-21. חלק מהדגמים המתחילים להידמות דופן התא הם דוגמאות המכילות מבשרים או אנלוגים polymerized אנזימים בנוכחות תאית בצורת microfibrillar ליגנין. עם זאת, חומרים אלה סובלים מהמחסור בארכיטקטורת שכבה מאורגנת. מסלול פשוט ליצירה של חומרי nanocomposite עם ארכיטקטורה מאורגנת הוא (LbL) טכניקת ההרכבה שכבה אחר שכבה, המבוססת על ספיחה רציפה של פולימרים או חלקיקים עם מטענים משלימים או קבוצות פונקציונליות ליצירת סרטים מורכבים רב שכבתיים מאורגנים ^22-25. nanocomposites חופשי עומדים ההיברידי של חוזק גבוה, שנעשה על ידי בתצהיר LbL של פולימר ונהnoparticles, דווח על ידי קוטוב ואח'. ^26-30. בין יישומים רבים אחרים, סרטי LbL גם נחקרו לשימוש הפוטנציאל שלהם במשלוח טיפולי ^{ביום 31 ב,} קרום תא דלק ^32,33, סוללות ^{34, ו35-37} שינוי פני השטח סיבי lignocellulosic. חומרים מרוכבים על בסיס הריבית האחרונה בתאית ננו הובילו להכנה והאפיון של multilayers LbL של nanocrystals תאית (CNC) שהוכן על ידי הידרוליזה חומצה גופרתית של סיבים תאית, וpolyelectrolytes מטען החשמלי החיובי ^38-43. מחקרים דומים שנערכו גם עם nanocrystals תאית המתקבל מtunicin הימי וpolyelectrolytes קטיוני ^44, CNC ^ו45 xyloglucan, וCNC ו chitosan ^46. גם היווצרות רב שכבתית LbL של carboxylated celluloses nanofibrillated (NFCs), מתקבל על ידי המגון בלחץ גבוה של סיבי עיסה עם polyelectrolytes קטיוני כברלמד ^47-49. ההכנה, המאפיינים והיישום של CNCs והתאי nanofibrillated נבדקו בפירוט ^50-53.

המחקר הנוכחי כולל בדיקה של טכניקת LbL כדרך פוטנציאל להרכיב פולימרים מבודדים lignocellulosic (כגון nanocellulose וליגנין) באופנת הורה כצעד הראשון לקראת מרוכבים lignocellulosic biomimetic עם מבנה שבשבת. טכניקת LbL נבחרה לתנאיו השפירים עיבוד כגון, טמפרטורת סביבה, לחץ, ומים כממסים, שהם תנאים להיווצרות מרוכבים טבעי ^54. במחקר זה אנו מדווחים על ההצטברות רב שכבתית של רכיבי עץ מכוננים, כלומר microfibrils תאית מtetramethylpiperidine 1-oxyl חמצון בתיווך של עיסה וליגנין המבודד לסרטים שבשבת שעמד חופשיים (טמפו). שתי lignins שונה משמשים משיטות מיצוי שונות, ליגנין טכני אחד מorganosolv מעיכת תהליך, והשני ליגנין מבודד מכדור טחינה עם פחות שינוי בבידוד. תרכובות אלה בשילוב עם polyelectrolyte סינטטי במחקר ראשוני זה כדי להוכיח את ההיתכנות של עשיית סרטים חופשי עומדים יציבים עם ארכיטקטורה דומה לקיר תא הילידים.

Protocol

1. Nanofibrillated תאית הכנת ⁵⁵

1. התקנת בקבוק שלושה צוואר 3 L עם 2 ליטר מים deionized, stirrer תקורה, ובדיקת ה-pH.
2. הוספת עיסת delignified קראפט, בהירות 88% (20 גרם, 1% (w / v, בסיס משקל יבש)), 2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl (טמפו) (0.313 גרם, 0.1 מילימול / תאית ז) , ורומיד נתרן (NaBr, 2.0 גרם, תאית 1 mmol / g) לבקבוק.
   1. מערבבים את סיבי עיסה עם בוחש תקורה עד שהסיבים מתפזר וניתן לראות לא אגרגטים בתגובה.
      הערה: פיזור ניתן בעזרת ערבוב התרחיף במים לפני הוספת העיסה לבקבוק 3 ליטר.
3. ליזום החמצון על ידי הוספת פתרון 12% מhypochlorite נתרן (NaClO, 51.4 מיליליטר, 5 מילימול לגרם של תאית) לתערובת התגובה באיטיות.
   הערה: לעקביות לאורך כל התגובה, השתמש במשאבת מזרק כדי לספק NaClO עם שיעור הזרקה של 1.5 מיליליטר / דקה.
4. מלא wi מזרק שניהידרוקסיד ה נתרן (NaOH, M 0.5) וידני מטר הפתרון אלקלי לתוך בקבוק טיפה חכמה כדי לשמור את ה-pH ב10 ± 0.2.
5. לפקח על השינוי בחומציות עם זמן וברגע שכל הקבוצות הידרוקסיל נגישות בתאית הם מתחמצנים pH כבר לא יקטן והתגובה היא מלאה.
6. הוספת EtOH העודף לצרוך נותר NaClO. כ 6 מיליליטר של 200 ההוכחה EtOH יצרוך של NaClO המקורי כל 100 מילימול.
7. לסנן ולשטוף את הסיבים מחומצן ביסודיות עם מים מטוהרים כדי להסיר את חומרים כימיים עד pH הוא ניטראלי. השתמש צנטריפוגות סל או מכשיר סינון כמו משפך ביכנר לשחזר את הסיבים. אחסן את הסיבים על 4 מעלות צלזיוס עד לשימוש נוסף.
   הערה: בסיום הניסוי, הסיבים צריכים להיות תכולת חומצות קרבוקסיליות, כפי שנקבע על ידי טיטרציה קונדוקטומטריים, בין 1.0-1.5 מילימול לגרם של סיבים. לא צריך להיות הבדל קטן במראה של הסיבים לאחר חמצון TEMPO.
8. יצירת תרחיף 3% (w / v, בסיס משקל יבש) של עיסת TEMPO חמצון ותערובת בבלנדר לוחם עד slurry הופך להיות צמיג והלהבים להתחיל מסתובבים באוויר בגלל gelling של ההשעיה.
   הערה: ריכוזים נמוכים לא עובדים בצורה יעילה לרעוד תאית.
   1. לדלל את התרחיף מעורבב ל0.1% (w / v) ולהמשיך ערבוב עד ההשעיה הופכת שקופה.

2. תצהיר סרט שכבה אחר שכבה לניסויים QCM-D

1. הכן התמיסות מימיות הבאות ולהתאים כל פתרון עם 0.1 M NaOH לpH של 10.5: תמיסה מימית חיץ (מים וNaOH); 0.5% (w / v) תמיסה מימית של כלוריד polydiallyldimethylammonium (PDDA); ו0.01% (w / v) ליגנין. התאם את ה-pH של ההשעיה NFC 0.1% ל8.0.
   הערה: ה-pH לניסויים אלה הייתה גבוהה משום שהוא הראה בעבר ליגנין שadsorbs במצב פחות מצטבר בpH בסיסי ^56.
2. נקיגביש קוורץ מצופה זהב בעקבות המלצת יצרנים של שימוש בפתרון Piranha בסיס [זהירות] (3:1 מרוכז NH ₄ OH: H ₂ O ₂ ב60 מעלות צלזיוס) במשך 10 דקות.
   1. יש לשטוף את הגבישים במים מטוהרים, מכה יבשה בזרם של N _2, ולהכניס מייד לזרימת microbalance גביש קוורץ התא, כדי למנוע זיהום מהאוויר.
3. לעבור את החיץ דרך תא הזרימה להשיג תגובה בסיסית של הגביש המהדהד נחשף לנוזל.
   1. להפקיד רובד של PDDA על גביש קוורץ על ידי חשיפת גביש קוורץ לפתרון PDDA למשך 5 דקות.
   2. אחרי 5 דקות לחזור לפתרון החיץ.
      הערה: תהליך בשלב 2.3 זה יוצר תגובת שכבה יחידה שבו כמות הפולימר שהופקד ניתן לקבוע ללא השפעת צמיגות פתרון פולימר.
   3. חזור על ספיחה של פולימרים אחרים ברצף הבא עם r חיץinse בין כל שלב: PDDA (+) (צעד 2.3.1); ליגנין (-); PDDA (+); וNFC (-). חזור על 4x המחזור להפקיד 16 שכבות כוללת של פולימרים וחלקיקים.

3. תצהיר סרט שכבה אחר שכבה לניסויים AFM וEllipsometry

1. דבק דיסק מעגלי של נציץ לשקופית מיקרוסקופ זכוכית באמצעות דבק אפוקסי מהיר. לאחר מרפא דבק, לצרף חתיכת הסרט לדיסק נציץ. לקלף את הקלטת משם גורם למשטח נציץ לדבוק.
   1. יש לנקות את פרוסות סיליקון עם פיראניה חומצה [זהירות] (3:1 H ₂ SO _4: H ₂ O ₂₎ עבור 20 דקות אחריו שטיפה משמעותית במים לפני השכבה בתצהיר.
2. עם פתרונות מוכנים ב2.1, לטבול גם נציץ ביקע טרי שמצורף לשקופית זכוכית או פרוסות סיליקון נוקו לאחרונה בכל פתרון הבא על אותו הרצף של פרוטוקול שתואר ב2.3.3.
   הערה: טכניקה זו תיצור שכבות של פוlymers על כל אחד ממשטחים אלה שיכולים להיות מוכנסים לתוך AFM או ellipsometer, בהתאמה.
3. תמונה שהופקדו שכבות עם מיקרוסקופ כוח אטומי. השתמש במצב הקשר לסירוגין וזיזים עם 10 טיפים ננומטר סיליקון הרדיוס (אביב קבוע 42 N / מ ') בעת איסוף תמונות של המדגם. גודל סריקה קבע כ2.5 x 2.5 מיקרומטר, הצבע סריקה כ512 ורווח נפרד מ10 לאסוף תמונות לדוגמא ספציפיות.
4. למדידת עובי השכבות עם AFM של סרטי LbL המיובשים, השתמש קצה פיפטה פלסטיק רך וצלקת קו על פני השטח של סרטי LbL מוכנים על המשטח נציץ.
5. סרטי LBL הפקדה למדידת ellipsometry על גבי פרוסות סיליקון. מדוד את עובי סרט היבש עם ellipsometer מווסתת שלב באורך גל של 632.8 ננומטר באמצעות הזווית השונה של מצב פגיע. להשתנות הזוויות בין 85 ° ו65 מעלות ב1 ° מרווחים.

4. הכנת חופשית עומד LBL קולנוע

1. Cut25.4 מלבן x 7.6 מ"מ של צלולוזה אצטט (CA) סרט (DS 2.5) שהוא 0.13 מ"מ עובי ולצרף זרוע מצקת אוטומטית.
   הערה: אצטט תאית של DS 3.0 אינו מסיס באצטון כך DS 2.5 עדיף לשחזר את הסרטים שכבתיים.
2. ממלא כל כוס 500 מיליליטר עם פתרונות של PDDA, ליגנין, וnanocellulose פי ריכוז ו-pH בשלב 2.1.
   1. מלא שלוש כוסות נוספות עם חיץ מימי לשימוש כפתרון שטיפה לכל מחזור בתצהיר.
   2. לתכנת את זרוע המצקת כדי להמשיך באותו רצף כפי שדווח ב2.3.3.
      הערה: חשוב להשתמש בפתרון שטיפה שונה לאחר כל פתרון פולימר המתאים כי בתהליך שכבה אחר שכבה, כמה פולימר שאינו קשור בחוזקה אל פני השטח יהיה desorb. זיהום לחצות של פתרונות השטיפה גורם במהירות משקעים של קומפלקסי polyelectrolyte, שיכול לספוג כמו "מומים" על פני השטח סרט.
3. שנה את הפתרונות בכוס במהלך 250 מחזורים מעת לעת כפי שהם מתחילים להופיע מעונן בגלל קומפלקסי colloidal. אפשרות היא להפוך את חידוש הפתרון באמצעות משאבת peristaltic כדי לספק פתרון טרי או חיץ למחוייט מכולות של פלסטיק (PVC) עם פתחי הכניסה ושקעים.
   הערה: פתרונות נסערים במכולות יסייעו לשפר את הדיפוזיה של polyelectrolytes אל פני השטח.
4. לקצץ בזהירות את הקצוות של המדגם היבש עם מספריים חושפים את קצה CA ומקום לתוך צלחת פטרי זכוכית מכוסות מלאים באצטון כדי לפזר את CA.
   הערה: שני סרטים מבודדים לאחר ניסוי זה מהחזית והישבן של CA.
5. משרים סרטים מבודדים באצטון ל24 שעות ולשטוף סרטים שוב ושוב עם אצטון למקסם את הסרת CA שיורית.

תוצאות

QCM-D ניתוח של ייצור וודי פולימרי סרטים מובנה

ספיחת LbL של ליגנין, NFC וPDDA היה פיקוח בזמן אמת עם QCM-D בשני ניסויים שונים מעורבים שני סוגים של lignins. שיטת ניתוח זה היא מאוד רגיש כדי לזהות שינויים בתדירות כאשר מולקולות לספוג אל פני השטח של גבי?...

Discussion

המצאה של Nanocellulose

עבור ייצור nanocellulose החמצון המוצלח של סיבי העיסה הוא הכרחי לפרפור קליל. החמצון נשלט על ידי hypochlorite נתרן זמין, אשר יש להוסיף לאט לאט בכמויות ידועות מבוססות על הכמות של תאית. אחת סיבות לחמצון מוגבל נובעת מהאחסון של תמיסת ...

Materials

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