Verso Biomimicking Legno: Fabbricato Free-standing Films di Nanocellulose, lignina, e policatione sintetico

Riepilogo

L'obiettivo di questa ricerca è stato quello di formare tessuto della parete cellulare vegetale sintetica usando assemblaggio layer-by-layer di fibrille nanocellulose e lignina isolati assemblato da sospensioni acquose diluite. Tecniche di misura di superficie microbilancia al quarzo e microscopia a forza atomica stati usati per monitorare la formazione del materiale nanocomposito polimero-polimero.

Abstract

Materiali legnosi sono costituiti da pareti cellulari delle piante che contengono una parete cellulare secondaria stratificato composto polimeri strutturali di polisaccaridi e lignina. Layer-by-layer (LBL) processo di assemblaggio che si basa sul gruppo di molecole di carica opposta da soluzioni acquose è stato utilizzato per costruire un freestanding film composito di polimeri di legno isolati di lignina e cellulosa ossidata nanofibril (NFC). Per facilitare il montaggio di questi polimeri con carica negativa, un polielettrolita carica positiva, poli (cloruro diallyldimethylammomium) (PDDA), è stato usato come strato di collegamento per creare questa parete cellulare modello semplificato. Il processo di adsorbimento a strati è stata studiata quantitativamente con cristalli di quarzo microbalance con il monitoraggio dissipazione (QCM-D) e ellissometria. I risultati hanno mostrato che la massa strato / spessore per strato adsorbito aumentata in funzione del numero totale di strati. La copertura della superficie degli strati adsorbiti stato studiato con microscopia a forza atomica (AFM).Copertura completa della superficie con lignina in tutti i cicli di deposizione è stata trovata per il sistema, tuttavia, copertura della superficie da SNF aumenta con il numero di strati. Il processo di adsorbimento è stata condotta per 250 cicli (500 bistrati) su un acetato di cellulosa (CA) substrato. LBL assemblato film free-standing nanocompositi trasparenti sono stati ottenuti quando il substrato CA è stato poi sciolto in acetone. Scanning Electron Microscopy (SEM) delle sezioni trasversali fratturati mostra una struttura lamellare, e lo spessore per ciclo di adsorbimento (PDDA-lignina-PDDA-NC) è stato stimato a 17 nm per due diversi tipi di lignina utilizzati nello studio. I dati indicano un film con un'architettura altamente controllato dove nanocellulose e lignina sono spazialmente depositati su scala nanometrica (un nanocompositi polimero-polimero), simile a quello osservato nella parete cellulare nativo.

Introduzione

C'è grande interesse per derivare prodotti chimici e combustibili addizionali da biomassa, come carbonio assimilata dalle piante durante la fotosintesi è parte del corrente ciclo CO _2. La maggioranza di carbonio sequestrato (42-44%) è sotto forma di cellulosa, un polimero composto da unità β Glucopyranose 1-4-legati; quando idrolizzato, glucosio può essere utilizzato come reagente primario per fermentazione in combustibili a base di alcool. Tuttavia, l'architettura parete cellulare delle piante arboree è evoluta per millenni creando un materiale che è resistente alla degradazione nell'ambiente naturale ^1. Questa stabilità trasporta oltre la trasformazione industriale dei materiali legnosi, quali colture energetiche rendendo la cellulosa di difficile accesso, isolare, e la ripartizione in glucosio. Uno sguardo più da vicino l'ultrastruttura della parete cellulare secondaria rivela che si tratta di un nanocompositi polimero composto da strati di microfibre di cellulosa paracristalline incorporati in una matrice amorfa di lignina e orloicelluloses ^2-4. Le microfibrille di cellulosa orientate longitudinalmente hanno un diametro di circa 2-5 nm, che sono aggregati insieme ad altri etero-polisaccaridi per formare grandi unità di fasci di fibrille ^5. I fasci di fibrille sono incorporati in un complesso lignina-emicellulosa composto da un polimero amorfo di unità fenilpropanolo con alcuni collegamenti con altri etero-polisaccaridi come glucoronoxylan ^4. Inoltre, questa struttura è ulteriormente organizzata in strati o lamelle, tutta la parete cellulare secondaria lignificato ^6-8. Enzimi, come la cellulasi, hanno un momento molto difficile l'accesso di cellulosa all'interno della parete cellulare come si trova nella sua forma fibrille e incorporato in lignina. Il punto cruciale di veramente fare carburanti provenienti da fonti rinnovabili e piattaforme chimiche rinnovabili, una realtà è quello di sviluppare processi che economicamente permettono la saccarificazione della cellulosa nella sua forma nativa.

Le nuove tecnologie chimiche e di imaging stanno aiutando nel study dei meccanismi coinvolti nella saccarificazione di ^9,10 cellulosa. Molto lavoro è centrata su Raman confocale ¹¹ e microscopia a forza atomica ¹² per studiare la composizione chimica della parete cellulare e morfologia. Essere in grado di seguire da vicino i meccanismi di delignificazione e saccarificazione è un passo avanti significativo, incidendo la conversione della cellulosa in glucosio. Saccarificazione delle superfici di cellulosa modello è stato analizzato misurando i tassi cinetiche enzimatiche con una microbilancia al quarzo con il monitoraggio dissipazione (QCM-D) ^13. Tuttavia, le pareti cellulari nativi sono molto complessi come sopra indicato, e questo crea ambiguità di come processi di conversione diversi cambiano la struttura della parete cellulare vegetale (peso molecolare del polimero, legami chimici, porosità). Modelli free-standing delle sostanze della parete cellulare con nota composizione strutturale sarebbe risolvere questo problema e consentire l'integrazione di campioni in chimica e immaginario state-of-artattrezzature ng.

Vi è una carenza di modelli di parete cellulare e le poche disponibili possono essere classificati come miscele di materiali polimerici e rigenerato di cellulosa o cellulosa batterica ^14, enzimaticamente polimerizzati lignina-polisaccaride compositi ^15-17, o superfici del modello ^18-21. Alcuni modelli che iniziano ad assomigliare alla parete cellulare sono i campioni che contengono precursori lignina o analoghi enzimaticamente polimerizzati in presenza di cellulosa nella sua forma microfibrillare. Tuttavia, questi materiali soffrono della mancanza di architettura strato organizzato. Un semplice percorso per la creazione di materiali nanocompositi con architettura organizzata rappresenta l'(LBL) tecnica layer-by-layer assembly, basato sulla adsorbimento sequenziale di polimeri o nanoparticelle con cariche complementari, o gruppi funzionali per formare pellicole composite multistrato organizzati ^22-25. Nanocompositi ibridi free-standing di alta resistenza, realizzati da LBL deposizione di polimero e nanoparticles, sono stati segnalati da Kotov et al. ^26-30. Tra le molte altre applicazioni, film LBL sono anche stati studiati per il loro potenziale utilizzo in consegna terapeutico ^31, le membrane delle cellule a combustibile ^32,33, batterie ^34, e lignocellulosiche superficie della fibra modifica ^35-37. Materiali compositi Il recente interesse cellulosa nanoscala basati hanno portato alla preparazione e caratterizzazione di LBL multistrati di nanocristalli cellulosa (CNC) preparata per idrolisi con acido solforico di fibre di cellulosa, e polielettroliti carica positiva ^38-43. Sono stati inoltre condotti studi simili con nanocristalli di cellulosa ottenute da tunicin marina e polielettroliti cationici ^44, CNC e xyloglucan ⁴⁵ e CNC e chitosano ^46. LBL formazione multistrato di cellulose carbossilate nanofibrillated (SNF), ottenute mediante omogeneizzazione ad alta pressione di fibre di pasta con polielettroliti cationici è stata anchestudiata ^47-49. La preparazione, le proprietà, e l'applicazione di CNC e cellulosa nanofibrillated sono stati esaminati in dettaglio ^50-53.

Il presente studio riguarda l'esame della tecnica LBL come un modo potenziale per assemblare isolate polimeri lignocellulosiche (come nanocellulose e lignina) in modo ordinato come primo passo verso un composito lignocellulosica biomimetico con struttura lamellare. La tecnica LBL stato scelto per le sue condizioni di trasformazione benigne come, temperatura ambiente, pressione, e acqua come solvente, che sono le condizioni per la formazione di composito naturale ^54. In questo studio riportiamo in multistrato accumulo di componenti in legno costitutive, ovvero microfibrille di cellulosa dal tetrametilpiperidinico 1-oxyl (TEMPO) ossidazione mediata di pasta e isolato lignina in film lamellari free-standing. Due lignine differenti sono utilizzati da diverse tecniche di estrazione, una al lignina tecnica della organosolv processo di spappolamento, e l'altro un lignina isolato da palla-fresatura con meno modifiche durante l'isolamento. Questi composti sono combinati con un polielettrolita sintetico in questo studio iniziale per dimostrare la fattibilità di fare film autoportanti stabili con un'architettura simile alla parete cellulare nativo.

Protocollo

1. Nanofibrillated Cellulosa Preparazione ⁵⁵

1. Imposta pallone a tre colli da 3 L con 2 L di acqua deionizzata, un agitatore, e sonda pH.
2. Aggiungere polpa delignified kraft, luminosità 88% (20 g, 1% (w / v, base anidra)), 2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxyl (TEMPO) (0,313 g, 0,1 mmol / g di cellulosa) , e bromuro di sodio (NaBr, 2,0 g, 1 mmol / g di cellulosa) al pallone.
   1. Mescolare la polpa di fibra con la agitatore fino a quando la fibra viene disperso e non aggregati può essere visto nella reazione.
      Nota: La dispersione può essere aiutata mescolando l'impasto in acqua prima di aggiungere la polpa al pallone 3 L.
3. Avviare l'ossidazione aggiungendo lentamente una soluzione al 12% di ipoclorito di sodio (NaClO, 51,4 ml, 5 mmol per g di cellulosa) alla miscela di reazione.
   Nota: Per coerenza tutta la reazione, utilizzare una pompa a siringa per fornire la NaClO con una velocità di iniezione di 1,5 ml / min.
4. Riempire una seconda siringa wiidrossido th sodio (NaOH 0,5 M) e metro manualmente la soluzione alcalina nel pallone goccia a goccia per mantenere il pH a 10 ± 0,2.
5. Monitorare le variazioni di pH nel tempo e una volta che tutti i gruppi ossidrilici accessibili sul cellulosa sono ossidati il ​​pH sarà più diminuisce e la reazione è completa.
6. Aggiungi eccesso EtOH a consumare restante NaClO. Circa 6 ml su 200 prova EtOH consumeranno tutti e 100 mmol dell'originale NaClO.
7. Filtrare e lavare la fibra ossidato con acqua purificata per rimuovere i reagenti fino a pH neutro. Utilizzare una centrifuga carrello oppure qualche dispositivo di filtrazione come un imbuto Büchner per recuperare la fibra. Conservare la fibra a 4 ° C fino all'utilizzo.
   Nota: Al termine dell'esperimento, la fibra deve avere un contenuto di acido carbossilico, come determinato mediante titolazione conduttimetrica, tra 1,0 a 1,5 mmol per grammo di fibra. Ci dovrebbe essere poca differenza di aspetto della fibra dopo l'ossidazione TEMPO.
8. Creare un 3% (w / v, base anidra) slurry della polpa TEMPO ossidato e si fondono in un frullatore fino Warring slurry diventa viscoso e le lame ruotano in aria a causa della gelificazione della sospensione.
   Nota: Le concentrazioni inferiori non funzionano nel modo più efficace alla fibrillazione la cellulosa.
   1. Diluire il liquame miscelato al 0,1% (w / v) e continuare la miscelazione fino sospensione diventa trasparente.

2. Layer-by-layer Deposizione Film per QCM-D Esperimenti

1. Preparare le seguenti soluzioni acquose e regolare ciascuna soluzione con NaOH 0,1 M fino a pH 10,5: soluzione tampone acquosa (acqua e NaOH); 0,5% (w / v) soluzione acquosa di cloruro di polidiallildimetilammonio (PDDA); e 0,01% (w / v) lignina. Aggiustare il pH della sospensione NFC 0,1% a 8,0.
   Nota: Il pH di questi esperimenti è stata elevata perché è stato precedentemente dimostrato che la lignina assorbe in uno stato meno aggregato in alcalino pH ^56.
2. Cleanun cristallo di quarzo oro rivestite seguente fabbricanti raccomandazione di utilizzare una soluzione Piranha di base [ATTENZIONE] (3:1 concentrata NH ₄ OH: H ₂ O ₂ a 60 ° C) per 10 min.
   1. Risciacquare i cristalli con acqua purificata, asciugare in un flusso di N _2, e inserire immediatamente nella cella di flusso microbilancia al quarzo per evitare contaminazioni dall'aria.
3. Passare il tampone attraverso la cella di flusso per ottenere una risposta basale del cristallo risonante esposto al liquido.
   1. Depositare uno strato di PDDA sul cristallo di quarzo esponendo il cristallo di quarzo alla soluzione PDDA per 5 min.
   2. Dopo 5 min Tornare alla soluzione tampone.
      Nota: Questo processo nel passaggio 2.3 crea una singola risposta strato in cui la quantità di polimero depositato può essere determinata senza l'effetto della viscosità della soluzione polimerica.
   3. Ripetere l'adsorbimento di altri polimeri nella seguente sequenza con un buffer rinsi tra un passo: PDDA (+) (fase 2.3.1); lignina (-); PDDA (+); e NFC (-). Ripetere i 4x ciclo di depositare 16 livelli totali di polimeri e nanoparticelle.

3. Layer-by-layer Deposizione Film per AFM e ellissometria esperimenti

1. Colla un disco circolare di mica di un vetrino per microscopio utilizzando un adesivo epossidico rapido. Dopo le cure adesivo, fissare un pezzo di nastro al disco mica. Sbucciare il nastro di distanza provocando la superficie mica a fendere.
   1. Pulire un wafer di silicio con Piranha acido [ATTENZIONE] (3:1 H ₂ SO _4: H ₂ O ₂₎ per 20 min seguito da significativa risciacquo in acqua prima della deposizione degli strati.
2. Con le soluzioni preparate in 2.1, immergere sia la mica appena spaccati che è collegato a un vetrino o un wafer di silicio appena pulita in ciascuna soluzione seguendo la stessa sequenza di protocollo descritto in 2.3.3.
   Nota: Questa tecnica crea strati di Polymers su ciascuna di queste superfici che possono essere inserite nei rispettivi AFM o ellipsometer,.
3. Immagine strati depositati con un microscopio a forza atomica. Utilizzare la modalità di contatto intermittente e cantilever con 10 punte raggio di silicio nm (costante elastica 42 N / m) quando si raccolgono le immagini del campione. Imposta formato di scansione di 2,5 x 2,5 micron, punto di scansione come 512 e guadagno integrale del 10 per raccogliere immagini di esempio specifici.
4. Per la misurazione dello spessore degli strati con AFM dei film LBL secchi, utilizzare una punta morbida pipetta di plastica e la cicatrice di una linea su tutta la superficie dei film LBL preparati sulla superficie di mica.
5. Film Deposito LBL per la misurazione ellissometria su wafer di silicio. Misurare lo spessore con un ellipsometer una modulazione di fase alla lunghezza d'onda di 632,8 nm usando l'angolo multiplo di modalità incidenza. Variare gli angoli tra 85 ° e 65 ° a 1 ° intervalli.

4. Preparazione di Free-standing LBL Film

1. Tagliare un25,4 x 7,6 millimetri rettangolo di acetato di cellulosa (CA) film (DS 2,5), che ha uno spessore di 0,13 millimetri ed allegare alla avambraccio automatizzato.
   Nota: cellulosa acetato di DS 3.0 non è solubile in acetone così DS 2,5 è preferito per recuperare le pellicole a strati.
2. Riempire ogni becher da 500 ml con soluzioni di PDDA, lignina, e nanocellulose seconda della concentrazione e del pH al punto 2.1.
   1. Riempire tre bicchieri supplementari con tampone acquoso da utilizzare come soluzione di risciacquo per ogni ciclo di deposizione.
   2. Programmare il braccio della benna di procedere stessa sequenza come riportato in 2.3.3.
      Nota: È importante usare una soluzione di risciacquo differente dopo ogni rispettivo soluzione polimerica perché nel processo layer-by-layer, alcuni polimero che non è strettamente legato alla superficie si desorbimento. La contaminazione incrociata delle soluzioni di risciacquo provoca rapidamente la precipitazione di complessi polielettrolita, che può essere assorbito come "difetti" alla superficie del film.
3. Modificare le soluzioni inbicchiere durante 250 cicli periodicamente quando cominciano ad apparire torbida a causa di complessi colloidali. Un'opzione è quella di automatizzare il rinnovo della soluzione mediante pompa peristaltica per fornire soluzione fresca o buffer di misura polivinilcloruro (PVC) i contenitori con ingressi e uscite.
   Nota: Le soluzioni agitato nei contenitori aiutare a migliorare la diffusione dei polielettroliti alla superficie.
4. Rifilare con cura i bordi del campione essiccato con le forbici che espongono il bordo CA e mettere in un piatto di vetro Petri coperta riempito con acetone per sciogliere il CA.
   Nota: Due film sono isolati dopo questo esperimento dalla parte anteriore e posteriore del CA.
5. Ammollo film isolato in acetone per 24 ore e risciacquare film ripetutamente con acetone per massimizzare la rimozione di CA residuo.

Risultati

QCM-D Analisi di Structured Woody Polymer Film Fabrication

L'adsorbimento LBL della lignina, NFC e PDDA è stata monitorata in tempo reale con QCM-D in due diversi esperimenti che coinvolgono due tipi di lignina. Questo metodo di analisi è molto sensibile per rilevare i cambiamenti nella frequenza quando le molecole vengono assorbiti alla superficie del cristallo di quarzo Figura 1 contiene una descrizione dettagliata della risposta QCM-D in un unico ciclo di deposizione, ...

Discussione

Fabbricazione di Nanocellulose

Per nanocellulose fabbricazione è necessario l'ossidazione successo della fibra pasta per fibrillazione facile. L'ossidazione è controllata da disponibili ipoclorito di sodio, che deve essere aggiunta lentamente alla quantità note in base alla quantità di cellulosa. Una ragione per ossidazione azioni deriva dal deposito della soluzione di ipoclorito di sodio per lunghi periodi. Questa efficienza di ossidazione ridotto può essere osservato durante la r...

Materiali

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