Name: towards biomimicking wood: fabricated free-standing films of nanocellulose, lignin, and a synthetic polycation
Uploaded: 2014-06-17T22:45:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Towards Biomimicking Wood: Fabricated Free-standing Films of Nanocellulose, Lignin, and a Synthetic Polycation at JoVE.com

وأيد هذا العمل في المقام الأول من قبل برنامج الدكتوراه الباحث في معهد تكنولوجيا الحرجة والعلوم التطبيقية (ICTAS) في جامعة فرجينيا للتكنولوجيا، وكلية جامعة فرجينيا للتكنولوجيا العليا لدعم برنامج تقنية النانو المستدامة، وأيضا وزارة الزراعة في الولايات المتحدة، عدد المنح NIFA 2010-65504-20429. أشكر الكتاب أيضا مساهمات ريك كوديل، ستيفن مكارتني، جورج وكنيسة ترافيس لهذا العمل.

1. Nanofibrillated السليلوز إعداد 55 <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إعداد 3 L ثلاث رقبات قارورة مع 2 لتر ماء منزوع الأيونات، وهو النمام النفقات العامة، ودرجة الحموضة التحقيق. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إضافة delignified كرافت اللب، 88٪ سطوع (20 غرام، 1٪ (ث / ت، ع?...

تلفيق Nanocellulose لnanocellulose تلفيق أكسدة ناجحة من الألياف اللب هو ضروري لالرجفان السهل. يتم التحكم بواسطة الأكسدة المتوفرة هيبوكلوريت الصوديوم، والذي ينبغي أن يضاف ببطء في كميات معروفة على أساس كمية من السليلوز. سبب واحد للأكسدة محدودة ...

هناك اهتمام كبير لاستخلاص المواد الكيميائية والوقود إضافية من الكتلة الحيوية، والكربون المحتبس من النباتات خلال عملية التمثيل الضوئي هو جزء من CO 2 دورة الحالية. غالبية الكربون المحتجز (42-44٪) في شكل السيلولوز، بوليمر يتألف من وحدات β غلوكوبيرانوز 1-4 المرتبطة؛ عندما تحلل والجلوكوز يمكن أن تستخدم المتفاعلة الأولية للتخمير إلى وقود الكحول القائمة. ومع ذلك، فقد تطورت العمارة جدار الخلية من النباتات الخشبية لآلاف السنين خلق المواد التي هي مقاومة للتدهور في البيئة الطبيعية 1. هذا الاستقرار يحمل أكثر في المعالجة الصناعية للمواد الخشبية مثل محاصيل الطاقة مما يجعل السليلوز يصعب الوصول إليها، وعزل، والانهيار إلى جلوكوز. نظرة فاحصة على التركيب الدقيق لجدار الخلية الثانوية يكشف أنه هو البوليمر بمركب متناهي في الصغر تتكون من الطبقات microfibrils على paracrystalline السليلوز مضمن في مصفوفة غير متبلور من اللجنين وتنحنحicelluloses 2-4. وسيليلوز microfibrils الموجهة طوليا ويبلغ قطرها حوالي 2-5 نانومتر، والتي يتم تجميعها معا مع غيرها من السكريات مغاير لتشكيل وحدات أكبر من حزم ليفية 5. هي جزء لا يتجزأ من حزم ليفية في مجمع اللجنين-هيميسيلولوز تتألف من البوليمر غير متبلور وحدات phenylpropanol مع بعض الروابط الأخرى مغاير السكريات مثل glucoronoxylan 4. علاوة على ذلك، يتم تنظيم هذا الهيكل الى مزيد من طبقات أو صفاحات، في جميع أنحاء lignified جدار الخلية الثانوي 6-8. الإنزيمات، مثل السليلوزات، لديها الوقت الصعب جدا الحصول على السليلوز داخل جدار الخلية كما انها وجدت في شكل ليفية، وجزءا لا يتجزأ من اللجنين. جوهر صنع الوقود حقا biobased ومنصات الكيميائية المتجددة واقعا هو تطوير العمليات التي تسمح اقتصاديا تسكر من السليلوز في شكله الأصلي. التقنيات الكيميائية والتصوير الجديدة والمساعدة في الحادي وudy من الآليات التي تشارك في تسكر من السليلوز 9،10. وتركز الكثير من العمل على رامان متحد البؤر التصوير 11 و القوة الذرية المجهري 12 لدراسة التركيب الكيميائي جدار الخلية ومورفولوجيا. أن تكون قادرة على تتابع عن كثب آليات إزالة اللجنين وتسكر هو خطوة هامة إلى الأمام، مما يؤثر على تحويل السليلوز إلى جلوكوز. تم تحليل تسكر من طراز الأسطح السليلوز عن طريق قياس معدلات الحركية الانزيم مع توازن دقيق الكوارتز الكريستال مع رصد تبديد (QCM-D) 13. ومع ذلك، جدران الخلايا الأم هي معقدة للغاية كما هو مبين أعلاه، وهذا يخلق الغموض عن كيفية تغيير عمليات التحويل المختلفة هيكل جدار الخلية النباتية (بوليمر الوزن الجزيئي، الروابط الكيميائية، المسامية). إن النماذج خالية من مكانة المواد جدار الخلية مع التركيب الهيكلي المعروفة معالجة هذا القلق، والسماح للتكامل العينات في دولة من الفن الكيميائية وimagiالمعدات نانوغرام. هناك ندرة في النماذج جدار الخلية والقليلة المتوفرة يمكن تصنيفها على أنها مزيج من مواد البوليمر ومجدد السليلوز أو السليلوز البكتيرية 14، بلمرة إنزيمي-اللجنين السكاريد المركبة 15-17، 18-21 نموذج أو الأسطح. بعض النماذج التي تبدأ تشبه جدار الخلية هي عينات التي تحتوي على السلائف اللجنين أو النظير بلمرة إنزيمي في وجود السليلوز في شكله microfibrillar. ومع ذلك، وهذه المواد يعانون من عدم وجود طبقة بنية المنظمة. والطريق بسيطة لإنشاء المواد بمركب متناهي في الصغر مع بنية المنظمة هو (LBL) تقنية التجميع طبقة تلو طبقة، استنادا إلى امتزاز متتابعة من البوليمرات أو النانوية مع رسوم تكميلية أو المجموعات الوظيفية لتشكيل مركب متعدد الطبقات الأفلام نظمت 22-25. nanocomposites والهجين خالية من مكانة عالية القوة، التي أدلى بها LBL ترسب البوليمر وغnoparticles، تم الإبلاغ من قبل كوتوف وآخرون. 26-30. من بين العديد من التطبيقات الأخرى، كما تم التحقيق أفلام LBL للاستخدام إمكاناتها في تسليم العلاجية 31، أغشية خلايا الوقود 32،33، 34 البطاريات، واللجنوسليلوزية سطح الألياف التعديل 35-37. وقد أدت المواد المركبة لمصلحة الأخيرة في السليلوز النانو تستند إلى إعداد وتوصيف متعددة الطبقات LBL من البلورات النانوية السليلوز (CNC) من خلال التحلل حامض الكبريتيك من ألياف السليلوز، وpolyelectrolytes موجبة الشحنة 38-43 مستعدا. كما تم إجراء دراسات مماثلة مع البلورات النانوية السليلوز تم الحصول عليها من تونيسين البحرية وpolyelectrolytes الموجبة 44، باستخدام الحاسب الآلي وxyloglucan 45، والتصنيع باستخدام الحاسب الآلي والشيتوزان 46. وقد تم تشكيل LBL متعدد الطبقات من سليولوزات carboxylated nanofibrillated (NFCs)، التي حصلت عليها التجانس الضغط العالي من الألياف اللب مع polyelectrolytes الموجبة أيضادرس 47-49. وقد تم استعراض إعداد والخصائص، وتطبيق CNCs والسليلوز nanofibrillated بالتفصيل 50-53. ينطوي على الدراسة دراسة تقنية LBL كوسيلة محتملة لتجميع البوليمرات اللجنوسليلوزية معزولة (مثل nanocellulose واللجنين) بطريقة أمر كخطوة أولى نحو مركب اللجنوسليلوزية بيوميمتيك مع هيكل رقائقي. وقد تم اختيار هذه التقنية LBL لظروف التصنيع حميدة لها مثل درجة الحرارة المحيطة، والضغط، والماء كمذيب، والتي هي شروط لتشكيل مركب الطبيعية 54. في هذه الدراسة أننا تقريرا عن متعدد الطبقات تراكم مكونات الخشب التأسيسية، وهي سيليلوز microfibrils من tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO) الأكسدة بوساطة من اللب واللجنين معزولة في الأفلام رقائقي قائمة بذاتها. وتستخدم اثنين يغنينس مختلفة من تقنيات الاستخراج مختلفة، واحدة في اللجنين التقنية من سrganosolv عملية فصل الألياف، والآخر اللجنين معزولة عن الكرة طحن مع أقل التعديل خلال العزلة. يتم الجمع بين هذه المركبات مع متضاعف الكتروليتي الاصطناعية في هذه الدراسة الأولية لإثبات جدوى صنع الأفلام مستقرة قائمة بذاتها مع بنية مماثلة لجدار الخلية الأم.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="699">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">sulfate pulp</td>
			<td style="width:108px;">Weyerhaeuser&#160;</td>
			<td style="width:119px;">donated</td>
			<td style="width:215px;">brightness level of 88%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">organosolv lignin</td>
			<td style="width:108px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">371017</td>
			<td>discontinued</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:257px;">hardwood milled wood lignin</td>
			<td style="width:108px;">see reference in paper</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">polydiallyldimethylammonium chloride&#160;</td>
			<td style="width:108px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">409022</td>
			<td style="width:215px;">Mn = 7.2&#215;10^4, Mw=2.4&#215;10^5</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">2,2,6,6-Tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO)&#160;</td>
			<td style="width:108px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">214000</td>
			<td>catalytic oxidation of primary alcohols to aldehydes with a purity of 98%, molecular weight is 156.25g/mol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">sodium bromide</td>
			<td style="width:108px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">S4547</td>
			<td>purity &#8805;99.0%, molecular weight 102.89</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">sodium hypochlorite</td>
			<td style="width:108px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">425044</td>
			<td>reagent grade, available chlorine 10~15%, molecular weight 74.44g/mol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">sodium hydroxide</td>
			<td style="width:108px;">VWR</td>
			<td style="width:119px;">BDH7221-4</td>
			<td>0.5N aqueous solution, density 1.02g/ml, molecular weight 40 g/mol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">sodium hydroxide</td>
			<td style="width:108px;">Acros Organics</td>
			<td style="width:119px;">AC12419-0010</td>
			<td>0.1N aquesous solution, specific gravity 1.0 g/ml, molecular weight 40 g/mol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">ammonium hydroxide</td>
			<td style="width:108px;">Acros Organics</td>
			<td style="width:119px;">AC39003-0025</td>
			<td>25% solution in water, pH 13.6, density 0.89, molecular weight 35.04 g/mol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">hydrogen peroxide</td>
			<td style="width:108px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">H325-100</td>
			<td>30.0~32.0% certified ACS, pH 3.3, density 1.11</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">Mica sheets</td>
			<td style="width:108px;">TED Pella</td>
			<td style="width:119px;">NC9655733</td>
			<td>Pelco, grade V5, 10&#215;40mm, 23mm T, minimum air and bubbles, very clean</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">sulfuric acid</td>
			<td style="width:108px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">A300-212</td>
			<td>95.0~98.0 w/w%, certified ACS plus, molecular weight 98.08 g/mol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">cellulose acetate</td>
			<td style="width:108px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:119px;">8564K44</td>
			<td>degree of substitution 2.5</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:257px;">ethanol</td>
			<td style="width:108px;">Decon Laboratories</td>
			<td style="width:119px;">04-355-223</td>
			<td>200 proof (100%), USP</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">acetone</td>
			<td style="width:108px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">A18-4</td>
			<td>purity &#8805;99.5%, certified ACS reagent grade, density 0.79 g/ml, molecular weight 58.08 g/mol</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:257px;">syringy pump</td>
			<td style="width:108px;">Harvard Apparatus</td>
			<td style="width:119px;">552226</td>
			<td>pump 22 infusion/withdraw with standard syringe holder, flow rate 0.002 ul/h~55.1ml/min</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">Mill-Q water purification system</td>
			<td style="width:108px;">EMD Millipore</td>
			<td style="width:119px;">D3-UV</td>
			<td>Direct-Q, UV, water conductivity 18.5 M&#937; cm with 20 liter reservair</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">pH meter</td>
			<td style="width:108px;">Mettler Toledo</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:215px;">SeverMulti</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">balance</td>
			<td style="width:108px;">Mettler Toledo</td>
			<td style="width:119px;">AB135-S</td>
			<td>accuracy 0.1mg</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:257px;">atomic force microscope</td>
			<td style="width:108px;">Asylum Research</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>MFP-3D, Olympic fluorescent microscope stage</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:257px;">ellipsometer</td>
			<td style="width:108px;">Beaglehole Instruments</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">fiber centrifuge</td>
			<td style="width:108px;">unknown</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>basket style centrifuge</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">Warring blender</td>
			<td style="width:108px;">Warring</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Commercial</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">ultrasonic processor</td>
			<td style="width:108px;">Sonics</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Sonics 750W, sound enclosure</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:257px;">Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D)</td>
			<td style="width:108px;">Q-Sense Inc.&#160;</td>
			<td style="width:119px;">E4</td>
			<td>measure fundamental frequency of 5MHz, and monitor odd number overtones/harmonics from 3~13, use gold-coated piezoelectric quartz crystals</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">automatted dipper arm</td>
			<td style="width:108px;">Lynxmotion</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

towards biomimicking wood: fabricated free-standing films of nanocellulose, lignin, and a synthetic polycation

وتتكون المواد الخشبية لجدران الخلايا النباتية التي تحتوي على جدار الخلية الثانوية الطبقات تتكون من البوليمرات الهيكلية من السكريات واللجنين. تم استخدام طبقة تلو طبقة (LBL) عملية التجميع التي تعتمد على تجميع جزيئات مشحونة معاكس من المحاليل المائية لبناء قائما بذاته فيلم مركب من الخشب البوليمرات معزولة من اللجنين وأكسدة nanofibril السليلوز (NFC). لتسهيل تجميع هذه البوليمرات سالبة الشحنة، ومتضاعف الكتروليتي موجبة الشحنة، وبولي (كلوريد diallyldimethylammomium) (PDDA)، وكان يستخدم كطبقة ربط لإنشاء هذا النموذج جدار الخلية مبسطة. تمت دراسة عملية الامتزاز الطبقات كميا باستخدام الكوارتز الكريستال توازن دقيق مع رصد تبديد (QCM-D) وellipsometry. أظهرت النتائج أن طبقة الشامل / سمك في طبقة كثف زيادة بوصفها وظيفة من عدد من الطبقات. وقد درس تغطية سطح طبقات كثف مع القوة الذرية المجهر (AFM).تم العثور على تغطية كاملة من السطح مع اللجنين في جميع دورات ترسب للنظام، ومع ذلك، وزيادة التغطية السطحية عن طريق NFC مع عدد من الطبقات. وقد أجريت عملية الامتزاز من 250 دورات (500 طبقات ثنائية) على خلات السليلوز (CA) الركيزة. تم الحصول على شفافية LBL تجميعها الأفلام بمركب متناهي في الصغر قائمة بذاتها عندما تم حل الركيزة CA في وقت لاحق في الأسيتون. وأظهر المسح المجهر الإلكتروني (SEM) من كسر المقاطع العرضية بنية رقائقي، وقدرت سماكة في دورة الامتزاز (PDDA-اللجنين-PDDA-NC) ليكون 17 نانومتر لنوعين اللجنين المختلفة المستخدمة في الدراسة. تشير البيانات فيلم مع العمارة رقابة شديدة حيث تترسب nanocellulose واللجنين مكانيا على مقياس النانو (أ nanocomposites والبوليمر البوليمر)، على غرار ما لوحظ في جدار الخلية الأم.

QCM-D تحليل منظم وودي تصنيع البوليمرات السينمائي الامتزاز LBL من اللجنين، تم رصد NFC وPDDA في الوقت الحقيقي مع QCM-D في اثنين من تجارب مختلفة تنطوي على نوعين من يغنينس. هذا الأسلوب تحليل حساس جدا للكشف عن تغيرات في وتيرة عندما كثف الجزيئات ع?...

Watch this Scientific Journal Video about Towards Biomimicking Wood: Fabricated Free-standing Films of Nanocellulose, Lignin, and a Synthetic Polycation at JoVE.com

Towards Biomimicking Wood: Fabricated Free-standing Films of Nanocellulose, Lignin, and a Synthetic Polycation

كان الهدف من هذا البحث لتشكيل النبات الاصطناعية الأنسجة جدار الخلية باستخدام طبقة تلو طبقة التجمع من الألياف واللجنين nanocellulose معزولة تجميعها من تعليق مائي مخفف. واستخدمت تقنيات قياس سطح توازن دقيق الكريستال الكوارتز ومجهر القوة الذرية لمراقبة تشكيل المواد بمركب متناهي في الصغر البوليمر البوليمر.

نحو Biomimicking الخشب: أفلام التجهيز الحرة الدائمة للNanocellulose، اللجنين، وPolycation الاصطناعية

Woody materials are comprised of plant cell walls that contain a layered secondary cell wall composed of structural polymers of polysaccharides and ...

Research

JoVE Journal

Chemistry

A Technique to Functionalize and Self-assemble Macroscopic Nanoparticle-ligand Monolayer Films onto Template-free Substrates

تقنية لFunctionalize وتجميع الذاتي عياني الجسيمات النانوية يجند أحادي الطبقة أفلام على ركائز خالية من قالب

This protocol describes a self-assembly technique to create macroscopic monolayer films composed of ligand-coated nanoparticles1,2. The simple, robust and ...

Atomically Defined Templates for Epitaxial Growth of Complex Oxide Thin Films

قوالب المعرفة بالذرة لالفوقي النمو من أكسيد مجمع الأغشية الرقيقة

Atomically defined substrate surfaces are prerequisite for the epitaxial growth of complex oxide thin films. In this protocol, two approaches to obtain ...

Fabrication of Large-area Free-standing Ultrathin Polymer Films

تلفيق منطقة كبيرة قائمة بذاتها سامسونج بوليمر أفلام

This procedure describes a method for the fabrication of large-area and ultrathin free-standing polymer films.  Typically, ultrathin films are prepared ...

From Constructs to Crystals &#8211; Towards Structure Determination of &#946;-barrel Outer Membrane Proteins

From Constructs to Crystals ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã¢â‚¬Å“ Towards Structure Determination of ÃƒÅ½Ã‚Â²-barrel Outer Membrane Proteins

من التركيبات لبلورات - نحو تحديد هيكل β برميل الخارجي بروتينات الغشاء

Membrane proteins serve important functions in cells such as nutrient transport, motility, signaling, survival and virulence, yet constitute only ~1% ...

Highly Stable, Functional Hairy Nanoparticles and Biopolymers from Wood Fibers: Towards Sustainable Nanotechnology

مستقرة للغاية، وظيفية مشعر النانوية والبوليمرات الحيوية من ألياف الخشب: نحو تقنية النانو المستدام

Nanoparticles, as one of the key materials in nanotechnology and nanomedicine, have gained significant importance during the past decade. While ...

Capillary Electrophoresis to Monitor Peptide Grafting onto Chitosan Films in Real Time

الشعرية الكهربائي لرصد الببتيد مسمار على الأفلام الشيتوزان في الوقت الحقيقي

Free-solution capillary electrophoresis (CE) separates analytes, generally charged compounds in solution through the application of an electric field. ...

Reactive Vapor Deposition of Conjugated Polymer Films on Arbitrary Substrates

رد الفعل بخار ترسب أفلام البوليمر مترافق على ركائز التعسفي

We demonstrate a method of conformally coating conjugated polymers on arbitrary substrates using a custom-designed, low-pressure reaction chamber. ...

Gene-therapy Inspired Polycation Coating for Protection of DNA Origami Nanostructures

العلاج الجيني وحي بوليكيشن طلاء لحماية النانو أوريغامي الحمض النووي

DNA origami nanostructures hold an immense potential to be used for biological and medical applications. However, low-salt conditions and nucleases in ...

Reducing Willow Wood Fuel Emission by Low Temperature Microwave Assisted Hydrothermal Carbonization

الحد من انبعاثات الوقود الخشب الصفصاف بدرجه حرارة منخفضه الميكروويف بمساعده الكربون الحراري

Biomass is a sustainable fuel, as its CO2 emissions are reintegrated in biomass growth. However, the inorganic precursors in the biomass cause a negative ...

Niobium Oxide Films Deposited by Reactive Sputtering: Effect of Oxygen Flow Rate

أفلام أكسيد النيوبيوم المودعة من قبل اخرق التفاعلية: تاثير معدل تدفق الأكسجين

Reactive sputtering is a versatile technique used to form compact films with excellent homogeneity. In addition, it allows easy control over deposition ...