Nanocellulose, Lignin Fabrikasyon Serbest duran Filmler ve Sentetik polikatiyon: Biomimicking Wood Doğru

Özet

Bu araştırmanın amacı, tabaka-katman nanocellulose fibrillerin montaj ve seyreltik sulu süspansiyonlar monte izole edilmiş lignin kullanılan sentetik bitki hücre duvarı doku oluşturmaktır. Kuartz kristali mikro-ve atomik kuvvet mikroskopisi yüzey ölçüm teknikleri, polimer-polimer nanokompozit materyalin oluşumunu izlemek için kullanıldı.

Özet

Woody malzeme polisakaritler ve ligninin yapı polimerlerden oluşan bir tabakalı sekonder hücre duvarını içeren, bitki hücre duvarlarının oluşmaktadır. Sulu çözeltilerden zıt yüklü moleküllerinin birleştirilmesi dayanır katman-katman (Lbl) montaj işlemi lignin ve oksitlenmiş nanofibril selüloz (NFC) izole ahşap bir polimer bağlantısız kompozit film oluşturmak için kullanıldı. Bu negatif yüklü polimerlerin montajını kolaylaştırmak için, pozitif yüklü bir polielektrolit, poli (diallyldimethylammomium klorür) (PDDA), bu basitleştirilmiş bir model hücre duvarını oluşturmak için bir bağlayıcı katman olarak kullanıldı. Tabakalı adsorpsiyon işlemi dağıtma izleme (QCM-D) ve Elipsometri ile kuvars kristali mikrobalans kullanılarak nicel olarak araştırıldı. Sonuçlar adsorbe kat başına kütle tabaka / tabakaların kalınlığı toplam sayısının bir fonksiyonu olarak artış gösterdi. Adsorbe edilen tabakaların yüzey kaplama atomik kuvvet mikroskopisi (AFM) ile incelenmiştir.Tüm depozisyon döngülerinde lignin ile yüzeyin tam kapsamı sistem için bulunan, ancak, NFC yüzey kaplama katmanlarının sayısı ile artmıştır. Üzerinde tutma işlemi bir selüloz asetat (CA) alt-tabaka üzerine, 250 döngü (500 bilayers) için gerçekleştirilmiştir. CA alt-tabaka, daha sonra, aseton içinde çözülmüş iken Şeffaf serbest LBL monte nanokompozit filmler elde edilmiştir. Kırık kesitlerinin taramalı elektron mikroskobu (SEM), bir lamel yapısı gösterdi ve adsorpsiyon çevrimi (PDDA-Lignin-PDDA-NC) başına kalınlık çalışmada kullanılan iki farklı lignin türleri için 17 nm olarak tahmin edilmiştir. Veriler nanocellulose ve lignin uzamsal olarak yerel hücre duvarında gözlemlenen ile benzer nano (bir polimer-polimer nanokompozitleri), üzerinde biriken çok kontrollü bir yapıya sahip bir filmi belirtir.

Giriş

Fotosentez sırasında bitkiler tarafından tecrit karbon mevcut CO ₂ döngüsünün bir parçası olarak, biyokütle ek kimyasallar ve yakıtların türetmek için büyük ilgi var. Sekestre edilmiş karbon (% 42-44) çoğunluğu selüloz şeklinde, 1-4 bağlı glukopiranoz birimlerinin β oluşan bir polimer içinde olduğu; hidrolize zaman, glukoz alkol bazlı yakıtlara fermantasyon için birincil reaktan olarak kullanılabilir. Bununla birlikte, odunsu bitki hücre duvarı mimari doğal ortamda ¹ bozulmaya karşı dirençli bir malzeme oluşturmak için bin gelişti. Bu istikrar üzerinde böyle glikoz içine selüloz, erişimi zor izole ve arıza yapma enerji bitkileri gibi odunsu maddelerin sanayi işleme içine taşır. Ikincil hücre duvarının ultrastrüktürdeki daha yakın bir bakış bu lignin ve etek arasında amorf bir matris içine gömülü tabakalı parakristalin selüloz mikro-iplikçiklerinin oluşan bir polimer nano bileşiği olduğunu ortaya koymaktadır^2-4 icelluloses. Uzunlamasına yönlendirilmiş selüloz mikro-iplikçikleri, fibril demetleri ⁵ daha büyük birimler oluşturmak için diğer hetero-polisakaritler ile bir araya toplanır, yaklaşık 2-5 nm arasında bir çapa sahiptir. Fibril demetleri glucoronoxylan ⁴ gibi diğer hetero-polisakaritler bazı bağlantıları ile fenilpropanol birimlerin şekilsiz bir polimerden oluşan bir lignin-hemiselüloz karmaşık içine gömülür. Ayrıca, bu yapı, bundan başka, ikincil hücre duvarı Odunlaşmış ^6-8 boyunca, tabakalar ya da lameller halinde düzenlenmiştir. Selulazlann gibi enzimler, onun fibril şeklinde bulunan ve lignin gömülü olarak hücre duvarı içinde selüloz erişen çok zor bir zaman var. Gerçekten biyobazlı yakıtlar ve yenilenebilir kimyasal platformlar bir gerçeklik yapma dönüm noktası ekonomik doğal yapısında selüloz saccharification izin süreçleri geliştirmektir.

Yeni kimyasal ve görüntüleme teknolojileri st yardım edilirselüloz ^9,10 sakarifikasyon katılan mekanizmaların UDY. Çok iş Raman konfokal görüntüleme ¹¹ ve hücre duvarı kimyasal kompozisyonu ve morfolojisi incelemek için atomik kuvvet mikroskobu ¹² odaklanmıştır. Yakından odunsuzlaştırılmasında ve saccharification mekanizmaları takip edememek glikoz selüloz dönüşümünü etkileyen, önemli bir ileri adımdır. Model selüloz yüzeylerin Saccharification dağılımı izleme (QCM-D) ^13, bir kuartz kristali mikro-dengesi ile enzim kinetik oranları ölçülerek analiz edilmiştir. Ancak, yerel hücre duvarları, yukarıda belirtildiği gibi son derece karmaşık ve bu farklı dönüşüm süreçlerinin bitki hücre duvarı (polimer molekül ağırlığı, kimyasal bağlar, gözeneklilik) yapısını değiştirmek nasıl belirsizlik yaratır. Bilinen yapısal bileşimi ile hücre duvarı maddelerin serbest ayakta modelleri bu endişeyi gidermek ve state-of-sanat kimyasal ve IMAGI içine numunelerin entegrasyonunu sağlayacakng ekipmanları.

Bir hücre duvarı modelleri kıtlık ve birkaç mevcut polimer malzemeleri harmanları olarak sınıflandırılır ve selüloz ya da bakteri selüloz ^14, enzimatik olarak polimerize lignin-polisakarit kompozit ^{15-17, 18-21} ya da model yüzeyleri rejenere edilebilir bulunmaktadır. Hücre duvarı benzer başlar Bazı modeller, lignin öncüleri ya da mikrofibriler formda selüloz mevcudiyetinde enzimatik olarak polimerize analoglarını içeren örneklerdir. Ancak, bu malzemelerin organize katman mimarisinin eksikliğinden muzdarip. Organize mimarisi ile nanokompozit materyallerin oluşturulması için basit bir yol düzenlenen çok katmanlı kompozit filmler ^22-25 oluşturmak üzere tamamlayıcı ücretler ya da işlevsel gruplar ile, polimerler ya da nanopartiküllerin ardışık adsorpsiyon göre katman-katman (Lbl) montaj tekniğidir. LBL polimer birikimi ve na tarafından yapılan yüksek mukavemetli free-standing hibrid nanokompozitleri,noparticles, Kotov vd. ^26-30 tarafından rapor edilmiştir. Pek çok diğer uygulama arasında, Lbl filmler de terapötik teslim ^31, yakıt hücre zarının ^32,33, pil ³⁴ ve odunlu-selülozik fiber yüzey değiştirme ^35-37 olarak potansiyel kullanımı için araştırılmıştır. Nano selüloz içinde son ilgi bazlı kompozit malzemelerin selüloz liflerinin sülfürik asit hidrolizi ve pozitif yüklü polielektrolitler ^38-43 hazırlanabilir selüloz nanokristallerin (CNC) bir çok katmanlı Lbl hazırlanması ve karakterizasyonuna yol açtı. Benzer çalışmalar da selüloz deniz tunicin ve katyonik polielektrolit ^44, CNC ve eksiloglukan ⁴⁵ elde nanokristalleri ve CNC ve kitosan ⁴⁶ ile yapılmıştır. Katyonik polielektrolitler ile hamur elyaf, yüksek basınçlı homojenizasyon ile elde karboksile nanofibrillated selülozlar (NFCS) 'in çok tabakalı Lbl oluşumu olmuştur^47-49 okudu. Hazırlanması, özellikleri ve CNCs uygulama ve nanofibrillated selüloz detaylı ^50-53 gözden geçirilmiştir.

Bu çalışma lamelli yapısı ile bir biomimetic Lignoselülozik kompozit yolunda ilk adım olarak sıralı bir şekilde (örneğin nanocellulose ve lignin gibi) izole lignoselülozik polimerleri birleştirmek için potansiyel bir yol olarak lbl teknik inceleme gerektirir. Lbl teknik doğal bileşik ⁵⁴ oluşumu için koşullar gibi, çözücü olarak, oda sıcaklığında, basınç, ve su olarak iyi huylu işlem koşulları için seçildi. Bu çalışmada, yapısal ahşap bileşenler, tetrametilpiperidin 1-oksil (TEMPO) serbest katmanlı filmler haline, kağıt hamuru ve izole edilmiş linyin aracılı oksidasyon ikinci yani selüloz mikro-iplikçiklerinin tabakalı birikmesi sunuldu. O iki farklı ligninler farklı ekstraksiyon teknikleri kullanıldığında, tek bir teknik ligninrganosolv işlemi hamur oluşturma ve diğer bir lignin izolasyonu esnasında daha az bir değişiklik ile bilyalı öğütme izole edilmiştir. Bu bileşikler, doğal hücre duvarına benzer mimarisi ile kararlı serbest-duran filmler yapma uygulanabilirliğini göstermek için, bu ilk çalışmada sentetik polielektrolit ile birleştirilir.

Protokol

1.. Nanofibrillated Selüloz Preparasyon ⁵⁵

1. 2 L deiyonize su, bir kafa üstü karıştırıcı, ve pH sondası Setup bir 3 L üç boyunlu bir şişe.
2. Lignini kraft hamuru,% 88 parlaklık (20 g, 1% (ağ / hac, kuru ağırlık temeli)) 2,2,6,6-tetrametilpiperidin 1-oksil (TEMPO) ekleme (0.313 g, 0.1 mmol / g selüloz) ve şişeye sodyum bromür (NaBr, 2.0 g, 1 mmol / g selüloz).
   1. Fiber dağılır ve hiçbir agrega reaksiyonu görülebilir kadar havai karıştırıcı ile hamur elyaf karıştırın.
      Not: Dispersiyon önce 3 L'lik şişeye hamuru ilave su içinde harç karıştırma ile destekli olabilir.
3. Yavaş yavaş reaksiyon karışımına sodyum hipoklorit (NaClO, 51.4 mi, selüloz gramı başına 5 mmol) bir% 12 çözeltisinin eklenmesiyle oksidasyonunu başlatın.
   Not: reaksiyon boyunca tutarlılık için, 1.5 ml / dk 'lık bir püskürtme hızı ile NaClO sunmak için, bir şırınga pompası kullanımı.
4. İkinci bir şırınga wi doldurunth sodyum hidroksit (NaOH, 0.5 M) ve manuel metre içine alkali çözeltisi, şişeye damla damla 10 ± 0.2 kısmındaki pH'yi sürdürmek için.
5. Zamanla pH değişimi izlemek ve selüloz tüm ulaşılabilir hidroksil grupları oksitlendiği bir kez pH artık azalacak ve reaksiyon tamamlanır.
6. NaClO kalan tüketmek aşırı EtOH ekleyin. 200 derece EtOH yaklaşık 6 ml orijinal NaClO tüm 100 mmol tüketecektir.
7. Filtre ve pH nötr olana kadar reaktifleri uzaklaştırmak için arıtılmış su ile iyice oksitlenmiş lif yıkayın. Lif kurtarmak için bir Büchner gibi bir sepet santrifüj veya bazı arıtma cihazı kullanın. Ayrıca kullanılana kadar 4 ° C 'de fiber saklayın.
   Not: Deneyin tamamlanmasında, lif lif gramı başına 1,0-1,5 mmol arasında, kondüktometrik ufalama ile tespit edildiği üzere, bir karboksilik asit içeriğine sahip olmalıdır. TEMPO oksidasyonu sonra elyafın küçük bir görünüş farklı olmalıdır.
8. TEMPO oksitlenmiş hamuru bir% 3 (w / v, kuru ağırlık temeli) bir bulamaç oluşturmak ve bulamaç kıvamlı hale gelir ve bıçaklar için süspansiyonun jelleşmesini havada iplik başlayana kadar bir Warring karıştırıcıda karıştırın.
   Not: Alt konsantrasyonları selüloz tüylenme gibi etkili çalışmaz.
   1. % 0.1 bulamaç harmanlanmış seyreltin (w / v) ve süspansiyon, şeffaf hale gelene kadar karıştırma devam eder.

QCM-D Deneyleri 2. Katman-katman Film Kaplama

1. Aşağıdaki sulu çözeltiler hazırlayın ve 10.5 arasında bir pH değerine kadar 0.1 M NaOH çözeltisi ile her ayarlanması: sulu bir tampon çözelti (su ve NaOH); % 0.5 (ağırlık / hacim) polidialildimetilamonyum klorid (PDDA) sulu çözelti; ve% 0.01 (ağ / hac) lignin. 8.0 için 0.1% NFC süspansiyonun pH ayarlayın.
   Not: daha önce bu lignin alkalik pH ⁵⁶ içinde, daha az toplu halde adsorbe gösterilmiştir, çünkü, bu deneyler için pH yükseltilmiştir.
2. Temiz10 dakika boyunca (60 ° C'de ₂ H O ₂ 03:01 _NH4 OH konsantre), bir baz çözeltisi pirana [DİKKAT] kullanılarak, üretici firmanın tavsiyelerine göre bir altın kaplamalı kuvars kristal.
   1. , Saflaştırılmış su ile durulayın kristaller _{N2-akımında} kuru darbe ve hemen havadan kirlenmesini önlemek için, kuartz kristali mikro terazi akış hücresi içine yerleştirin.
3. Sıvıya maruz rezonans kristalin temel bir tepki elde etmek için akış hücresi üzerinden tampon geçirir.
   1. 5 dakika boyunca PDDA çözeltisine kuartz kristali maruz bırakılması ile kuvars kristali üzerine PDDA bir tabaka bırakın.
   2. 5 dk geri tampon çözeltisine geçiş yaptıktan sonra.
      Not: Aşama 2.3 'de bu işlem biriken polimer miktarı polimer çözeltisi viskozitesi etkisi olmadan belirlenebilir tek katmanlı bir yanıt oluşturur.
   3. Bir tampon r ile aşağıdaki sırayla diğer polimerlerin adsorpsiyonu tekrarlayıninse her bir adım arasında: PDDA (+) (aşama 2.3.1); lignin (-); PDDA (+); ve NFC (-). Polimerler ve nanopartiküller toplam 16 katmanları yatırmak döngüsü 4x tekrarlayın.

AFM ve Elipsometri Deney 3. Katman-katman Film Kaplama

1. Hızlı epoksi yapıştırıcı kullanılarak cam mikroskop lamı mika dairesel bir disk tutkal. Yapışkan tedavileri sonra, mika diske bir parça bant ekleyin. Mika yüzey parçalamak için neden uzak bandı soyun.
   1. Birikimi katman öncesinde suda önemli durulama ardından 20 dakika için: asit piranha [DİKKAT] (H ₂ O ₂ 03:01 H ₂ SO ₄₎ ile bir silikon gofret temizleyin.
2. Çözeltiler 2.1 hazırlanmış olan, 2.3.3 'te belirtilen protokol aynı sırayla, aşağıdaki her bir çözelti içinde, cam bir kapak ya da bir taze temizlenmiş silikon gofret tutturulur Taze kırılmış mika ya da daldırma.
   Not: Bu teknik po katmanları yaratacaksırasıyla AFM veya Elipsometre, içine sokulabilir, bu yüzeylerin her biri üzerinde lymers.
3. Görüntü bir atomik kuvvet mikroskobu ile tevdi katmanları. Numunenin görüntü toplarken 10 nm yarıçapı silikon ipuçları (yay sabiti 42 N / m) ile aralıklı temas modu ve konsol olarak kullanın. Set tarama boyutu 2.5 x 2.5 mikron, 512 gibi tarama noktası ve belirli örnek görüntüleri toplamak için 10 ayrılmaz kazanç olarak.
4. Kurutulmuş Lbl filmlerin AFM ile tabakaların kalınlığı ölçümü, yumuşak bir plastik pipet kullanın ve mika yüzeyi üzerinde hazırlanan Lbl filmlerin yüzeyi boyunca bir çizgi için yara.
5. Silikon gofret üzerine elipsometri ölçümü için mevduat LBL filmler. Sıklığı modunun çoklu açısı kullanılarak 632,8 nm bir dalga boyunda bir faz modülasyonlu Elipsometre ile kuru film kalınlığı ölçülür. 1 ° aralıklarla 85 ° ve 65 ° arasındaki açıları değişir.

4. Hazırlanması LBL Film Free-ayakta

1. Cut0.13 mm kalınlığında ve otomatik kepçe koluna takmak olan selüloz asetat 25.4 x 7.6 mm dikdörtgen (CA) film (DS 2.5).
   Not: DS 3.0 Selüloz asetat kadar DS 2,5 tabakalı filmler kurtarmak için tercih edilir, aseton içinde çözünür değildir.
2. Adım 2.1 'de konsantrasyonu ve pH değerine göre PDDA, lignin, ve nanocellulose çözeltileri her biri 500 ml beher doldurun.
   1. Her yerleştirme çevrimi için bir çalkalama solüsyonu olarak kullanmak için sulu tampon maddesi ile üç ek beher doldurun.
   2. 2.3.3 rapor aynı sırayla devam etmek kepçe kolu programlayın.
      Not: katman-katman işleminde, sıkı bir şekilde yüzeye bağlı değildir, bazı polimer desorbe olur, çünkü her bir ilgili polimer çözeltisi ardından farklı bir durulama çözeltisi kullanılması önemlidir. Durulama çözümler çapraz kontaminasyon hızla filmin yüzeyine "kusur" olarak adsorbe olabilir polielektrolit komplekslerin çökelmesi yol açar.
3. Içinde çözüm değiştirinperiyodik 250 döngüleri sırasında beher Onlar çünkü kolloidal komplekslerinin bulutlu görünmeye başlar gibi. Bir seçenek taze bir çözüm sunmak veya özel giriş ve çıkışları ile polivinil klorür (PVC) kaplar Yaptı tampon peristaltik pompa kullanarak çözümün yenilenmesini otomatik hale getirmektir.
   Not: kaplarda Karıştırmalı çözüm yüzeye polielektrolitlerin difüzyonunu arttırmak yardımcı olur.
4. Dikkatlice CA kenar açığa makas ile kurutulmuş numunenin kenarları Döşeme ve CA çözünmesi için aseton ile dolu bir kapalı cam bir Petri kabı içine yerleştirin.
   Not: Two filmler CA'nın ön ve arka bu deney sonra izole edilir.
5. 24 saat boyunca, aseton içinde izole edilmiş filmler daldırın ve kalıntı CA kaldırılmasını maksimize etmek için aseton ile tekrar tekrar filmler yıkayın.

Sonuçlar

Yapısal Woody Polimer film Fabrikasyon QCM-D Analysis

Lignin Lbl adsorpsiyon, NFC ve PDDA ligninlerin iki türleri içeren iki farklı deneylerde QCM-D ile gerçek zamanlı olarak izlenmiştir. Bu analiz yöntemi molekülleri kuvars kristali yüzeyine tutunmasını zaman frekans değişiklikleri tespit etmek için çok hassas 1 iki bilayers (PDDA içeren bir yerleştirme döngüsü içinde QCM-D yanıtı ayrıntılı bir açıklamasını içeren Şekil:. HMWL ...

Tartışmalar

Nanocellulose Fabrikasyon

Nanocellulose üretim için hamur elyafın başarılı oksidasyon kolay fibrilasyon için gereklidir. Oksidasyon yavaşça selülozun miktarına göre bilinen miktarlarda ilave edilmelidir mevcut sodyum hipoklorit, tarafından kontrol edilir. Sınırlı oksitlenmesi için bir nedeni, uzun bir süre için sodyum hipoklorit çözeltisinin depolanması sonucu ortaya çıkar. Bu azaltılmış oksidasyon etkinliği, reaksiyon sırasında not edilebilir; hamur bulamacı baş...

Malzemeler

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