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

Dette arbejde blev primært støttet af ph.d. Scholar program af Institut for kritisk teknologi og Applied Science (ICTAS) på Virginia Tech, Virginia Tech Graduate School for at støtte bæredygtig Nanoteknologi program, og også USA Department of Agriculture, NIFA tilskud nummer 2010-65504-20429. Forfatterne takker også bidragene fra Rick Caudill, Stephen McCartney, og W. Travis Kirke til dette arbejde.

1.. Nanofibrillated Cellulose Forberedelse 55 <ol><li> Setup en 3 liters, tre-halset kolbe med 2 liter deioniseret vand, en overliggende omrører, og pH-probe. </li><li> Tilføj ligniniseret kraftpulp, 88% lysstyrke (20 g, 1% (vægt / vol, tørvægtsbasis)), 2,2,6,6-tetramethylpiperidin 1-oxyl (TEMPO) (0,313 g, 0,1 mmol / g cellulose) og natriumbromid (NaBr, 2,0 g, 1 mmol / g cellulose) til kolben. <ol><li> Bland Pulpfibrene med overliggende omrører, indtil fiberen er spredt, og ingen aggregater kan ses i ...

Fabrikation af Nanocellulose For nanocellulose fabrikation er nødvendig vellykket oxidation af papirmasse fiber for letkøbt hjerteflimmer. Oxidering kontrolleres af tilgængelige natriumhypochlorit, der skal tilsættes langsomt ved kendte mængder baseret på mængden af ​​cellulose. En årsag til begrænset oxidation skyldes oplagring af natriumhypochloritopløsning i længere perioder. Dette reducerede oxidation effektivitet kan noteres under reaktionen; pulpopslæmningen skal dreje en ...

Der er stor interesse for at udlede ekstra kemikalier og brændstoffer fra biomasse, som kulstof afsondret af planter under fotosyntesen er en del af den nuværende CO 2-cyklus. Størstedelen af ​​afsondret carbon (42-44%) er i form af cellulose, en polymer bestående af β 1 ,4-bundne glucopyranoseenheder; når hydrolyseres, kan glucose anvendes som den primære reaktant til fermentering i alkoholbaserede brændstoffer. Imidlertid har cellevæg arkitektur træagtige planter udviklet sig i årtusinder skabe et materiale, der er resistent over for nedbrydning i det naturlige miljø 1. Denne stabilitet bærer over i den industrielle forarbejdning af træbaserede materialer såsom energiafgrøder gør cellulose svært at få adgang, isolere, og nedbrydning til glukose. Et nærmere kig på ultrastruktur den sekundære cellevæg afslører, at det er en polymer nanocomposite bestående af lagdelte parakrystallinske cellulosemikrofibriller indlejret i en amorf matrix af lignin og fornedenicelluloses 2-4. De langsgående cellulosemikrofibriller har en diameter på ca 2-5 nm, hvilket aggregeres sammen med andre hetero-polysaccharider til dannelse af større enheder af fibril bundter 5. Fibril bundter er indlejret i en lignin-hemicellulose kompleks består af en amorf polymer af phenylpropanol enheder med nogle forbindelser til andre hetero-polysaccharider som glucoronoxylan 4. Desuden er denne struktur yderligere organiseret i lag eller lameller hele forveddede sekundære cellevæg 6-8. Enzymer, ligesom cellulaser, har en meget vanskelig tid at få adgang til cellulose i cellevæggen, som det findes i sin fibril form og indlejret i lignin. Kernen i sandhed gøre biobaserede brændstoffer og fornyelige kemiske platforme en realitet er at udvikle processer, der økonomisk tillader forsukring af cellulose i sin native form. Nye kemiske og billedbehandling teknologier medvirken i study af de mekanismer, der er involveret i forsukring af cellulose 9,10. Meget arbejde er centreret om Raman konfokal imaging 11 og atomic force mikroskopi 12 for at studere cellevæggen kemiske sammensætning og morfologi. At være i stand til nøje at følge mekanismer delignificering og saccharification er et væsentligt skridt fremad, påvirker omdannelsen af ​​cellulose til glucose. Forsukring af model cellulose overflader blev analyseret ved at måle enzymkinetiske satser med en kvartskrystalmikrovægt med dissipation overvågning (QCM-D) 13. Men native cellevægge er meget komplekse som angivet ovenfor, og det skaber tvetydighed, hvordan forskellige omdannelsesprocesser ændre strukturen af ​​anlægget cellevæg (polymermolekylvægt, kemiske bindinger, porøsitet). Fritstående modeller af cellevæggen stoffer med kendt strukturel sammensætning ville løse dette problem og muliggøre integreringen af ​​prøver i state-of-art kemiske og fantasing udstyr. Der er en mangel på cellevæg modeller, og de ​​få tilgængelige kan kategoriseres som blandinger af polymere materialer og regenereret cellulose eller bakteriel cellulose 14, enzymatisk polymeriserede lignin-polysaccharid kompositter 15-17 eller model overflader 18-21. Nogle modeller, som begynder at ligne cellevæggen er de prøver, der indeholder lignin forstadier eller analoger polymeriserede enzymatisk i nærvær af cellulose i sin mikrofibrillært formular. Men disse materialer lider under manglen på organiseret lags arkitektur. En simpel rute for oprettelse af nanocomposite materialer med organiseret arkitektur er det lag-for-lag (LBL) samling teknik, baseret på den sekventielle adsorption af polymerer eller nanopartikler med supplerende omkostninger eller funktionelle grupper for at danne organiserede flerlags sammensatte film 22-25. Fritstående hybrid nanokompositter med høj styrke, lavet af LBL aflejring af polymer og nanoparticles, er blevet rapporteret af Kotov et al. 26-30. Blandt mange andre applikationer, har LBL-film også blevet undersøgt for deres potentielle anvendelse i terapeutisk levering 31, brændstof cellemembraner 32,33, batterier 34, og lignocellulose fiber overfladebehandling 35-37. Den nylige interesse i nanoskala cellulose baserede kompositmaterialer har ført til fremstilling og karakterisering af LBL multilag cellulose nanokrystaller (CNC) udarbejdet af svovlsyre hydrolyse af cellulosefibre, og positivt ladede polyelektrolytter 38-43. Lignende undersøgelser har også været udført med cellulose nanokrystaller opnået fra marine tunicin og kationiske polyelektrolytter 44, CNC og xyloglucan 45, og CNC og chitosan 46.. LBL flerlagede dannelse af carboxyleret nanofibrillated celluloser (NFC&#39;er) fremstillet ved højtryks-homogenisering af massefibre med kationiske polyelektrolytter har også væretstuderede 47-49. Forberedelsen, egenskaber og anvendelse af CNCs og nanofibrillated cellulose er blevet gennemgået i detaljer 50-53. Nærværende undersøgelse omfatter afhøring af LBL teknik som en mulig måde at samle isolerede lignocellulose polymerer (såsom nanocellulose og lignin) på en ordentlig måde som det første skridt hen imod en biomimetisk lignocellulosisk komposit med lamelstruktur. LBL teknik blev valgt for sin godartede forarbejdningsbetingelser, såsom omgivelsernes temperatur, tryk, og vand som opløsningsmiddel, hvilket er en betingelse for naturlige sammensatte formation 54. I denne undersøgelse rapporterer vi om den flerlagede opbygning af konstitutive trækomponenter, nemlig mikrofibriller cellulose fra tetramethylpiperidin 1-oxyl (TEMPO) oxidation af papirmasse og isoleret lignin i fritstående lamellare film. To forskellige ligniner anvendes fra forskellige ekstraktionsteknikker, en teknisk lignin fra organosolv pulpning proces, og den anden en lignin isoleret fra kugleformaling med mindre modifikation under isolation. Disse forbindelser er kombineret med en syntetisk polyelektrolyt i denne indledende undersøgelse for at demonstrere muligheden for at lave stabile fritstående film med arkitektur ligner den indfødte cellevæg.

<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

Træbaserede materialer består af plantecellevægge, der indeholder en lagdelt sekundære cellevæg sammensat af strukturelle polymerer af polysaccharider og lignin. Layer-by-lag (LBL) samling proces, som bygger på samlingen af ​​modsat ladede molekyler fra vandige opløsninger blev brugt til at bygge en fritstående sammensat film af isolerede træ polymerer af lignin og oxideret nanofibril cellulose (NFC). For at lette samlingen af ​​disse negativt ladede polymerer, en positivt ladet polyelektrolyt, poly (diallyldimethylammomium chlorid) (PDDA), blev anvendt som en sammenkædning lag for at skabe denne forenklede model cellevæg. Den lagdelte adsorption blev undersøgt kvantitativt ved hjælp kvartskrystalmikrovægt med dissipation overvågning (QCM-D) og ellipsometri. Resultaterne viste, at lag masse / tykkelse pr adsorberet lag steg som en funktion af det samlede antal lag. Overfladen dækning af de adsorberede lag blev undersøgt med atomic force mikroskopi (AFM).Fuldstændig dækning af overfladen med lignin i alle deposition cykler blev fundet for det system, men overflade dækning af NFC øges med antallet af lag. Den adsorption udført for 250 cyklusser (500 dobbeltlag) på en celluloseacetat (CA) substrat. Gennemsigtige fritstående LBL samlet nanocomposite film blev opnået, når CA substrat blev senere opløst i acetone. Scanning elektronmikroskopi (SEM) af de opsprækkede tværsnit viste en lamellar struktur, og tykkelsen pr adsorptionscyklus (PDDA-Lignin-PDDA-NC) blev anslået til at være 17 nm for to forskellige ligninsulfonater, der anvendes i undersøgelsen. Dataene indikerer en film med meget kontrolleret arkitektur, hvor nanocellulose og lignin er rumligt deponeret på nanoskala (en polymer-polymer nanokompositter), svarende til hvad der er observeret i den native cellevæg.

QCM-D analyse af strukturerede Woody polymerfilm Fabrication LBL adsorption af lignin blev NFC og PDDA overvåges i realtid med QCM-D i to forskellige eksperimenter, der involverer to typer af lignin. Denne analysemetode er meget følsom til at påvise ændringer i frekvens, når molekyler adsorberes til overfladen af kvartskrystallen Figur 1 indeholder en detaljeret beskrivelse af QCM-D respons i en aflejring cyklus, som involverer to dobbeltlag (PDDA:. HMWL og PDDA: NC). Data...

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

Formålet med denne forskning var at danne syntetisk plante cellevæg væv ved hjælp af lag-by-lags montering af nanocellulose fibriller og isoleret lignin samles fra fortyndede vandige suspensioner. Overflade måleteknikker af kvartskrystalmikrovægt og atomic force mikroskopi blev anvendt til at overvåge dannelsen af ​​polymer-polymer-nanokompositmateriale.

Mod Biomimicking Wood: Færdige Fritstående Film af Nanocellulose, Lignin, og en syntetisk polykation

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

En teknik til at functionalize og selv samle Makroskopiske Nanopartikel-ligand monolagfilm på Skabelon-fri substrater

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

Atomically skabeloner til epitaksial vækst af komplekse Oxide Thin Films

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

Fremstilling af Large-area Fritstående Ultratynde Polymer Films

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

Fra konstruktioner på Crystals - Mod Structure Bestemmelse af β-tønde ydermembranproteiner

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

Meget Stabilt, Functional Behårede Nanopartikler og Biopolymerer fra træfibre: Mod bæredygtig Nanoteknologi

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

Kapillarelektroforese til Monitor peptid podning på Chitosan Film i Real Time

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

Reaktiv dampudfældning konjugeret Polymer film på vilkårlige substrater

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

Genterapi inspireret Polycation Coating til beskyttelse af DNA Origami nanostrukturer

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

Reduktion af Willow Wood brændstof emission ved lav temperatur mikrobølge assisteret hydrotermisk Carbonization

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

Niobium oxid-film deponeret af reaktiv sputtering: effekt af Iltstrømnings hastighed

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