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

Dit werk werd vooral ondersteund door het programma van het Institute for Critical Technology en Applied Science (ICTAS) op Virginia Tech, de Virginia Tech Graduate School van de Doctoral Scholar&#39;s voor de ondersteuning van het duurzame Nanotechnologie programma, en ook het Amerikaanse ministerie van Landbouw, NIFA toekenningsnummer 2010-65504-20429. De auteurs danken ook de bijdragen van Rick Caudill, Stephen McCartney en W. Travis Kerk voor dit werk.

1. Nanofibrillated Cellulose Bereiding 55 <ol><li> Stel een 3 L driehalskolf met 2 L van gedeïoniseerd water, een bovenroerder en pH-sonde. </li><li> Voeg delignified kraft pulp, 88% helderheid (20 g, 1% (gew / vol, droge stof)), 2,2,6,6-tetramethyl 1-oxyl (TEMPO) (0.313 g, 0.1 mmol / g cellulose) en natriumbromide (NaBr, 2,0 g, 1 mmol / g cellulose) aan de kolf. <ol><li> Meng de pulp vezels met bovenroerder totdat de vezel is gedispergeerd en geen aggregaten te zien in de reactie. Opmerking: Disper...

Fabricage van nanocellulose Voor nanocellulose fabricage succesvolle oxidatie van de pulp vezels noodzakelijk is gemakkelijk fibrillatie. Oxidatie wordt door beschikbare natriumhypochloriet, die langzaam worden toegevoegd met bekende hoeveelheden gebaseerd op de hoeveelheid cellulose. Een reden voor beperkte oxidatie voort uit de opslag van de natriumhypochlorietoplossing gedurende langere perioden. Deze verminderde efficiëntie oxidatie kan tijdens de reactie worden vermeld; de pulp gier moet ...

Er is veel belangstelling om extra chemicaliën en brandstoffen afkomstig van biomassa, zoals koolstof die door planten tijdens de fotosynthese is een deel van de huidige CO 2-cyclus. De meeste afgezonderd koolstof (42-44%) in de vorm van cellulose, een polymeer bestaande uit β 1-4 gebonden glucopyranose-eenheden; wanneer gehydrolyseerd kan glucose worden gebruikt als de primaire reactant voor fermentatie tot alcohol gebaseerde brandstoffen. Echter, celwand architectuur van houtige gewassen is geëvolueerd millennia creëren van een materiaal dat bestand is tegen afbraak in de natuurlijke omgeving 1. Deze stabiliteit draagt ​​over in de industriële verwerking van houtachtige materialen zoals energiegewassen maken van cellulose moeilijk toegankelijk, isoleren, en afbraak in glucose. Een nadere blik op de ultrastructuur van de secundaire celwand blijkt dat het een polymeer nanocomposiet bestaande uit gelaagde parakristallijne cellulosemicrovezels ingebed in een amorfe matrix van lignine en zoomicelluloses 2-4. De langsrichting georiënteerde cellulose microfibrillen een diameter van ongeveer 2-5 nm, die samen worden samengevoegd met andere hetero-polysacchariden tot grotere eenheden fibrilbundels 5 vormen. De fibrilbundels zijn ingebed in een lignine-hemicellulose complex bestaat uit een amorf polymeer van fenylpropanol eenheden met een aantal koppelingen met andere hetero-polysacchariden zoals glucoronoxylan 4. Bovendien is deze structuur verder georganiseerd in lagen of lamellen gehele verhoute secundaire celwand 6-8. Enzymen, zoals cellulases, hebben een zeer moeilijke tijd de toegang cellulose in de celwand als het wordt gevonden in zijn fibrillen vorm en ingebed in lignine. De kern van echt maken biobased brandstoffen en hernieuwbare chemische platforms een realiteit is om processen die economisch kan de versuikering van cellulose in de oorspronkelijke vorm te ontwikkelen. Nieuwe chemische en imaging technologieën zijn hulp bij de study van de bij de versuikering van cellulose 9,10 mechanismen. Veel werk is gericht op Raman confocale beelden 11 en atomic force microscopie 12 aan de celwand chemische samenstelling en morfologie bestuderen. In staat zijn om mechanismen van delignificatie en versuikering voet volgen is een belangrijke stap voorwaarts, invloed op de omzetting van cellulose naar glucose. Versuikering van model cellulose oppervlakken werd geanalyseerd door het meten van enzym kinetische tarieven met een kwartskristalmicrobalans met dissipatie controle (QCM-D) 13. Echter, inheemse celwanden zeer complex als hierboven aangegeven, en dit dubbelzinnig hoe verschillende omzettingsprocessen veranderen de structuur van de plantencelwand (molecuulgewicht van het polymeer, chemische bindingen, porositeit). Vrijstaande modellen van de celwand stoffen met bekende structurele samenstelling zou deze zorg aan te pakken en laat de integratie van monsters in state-of-art chemische en verbeeldingng apparatuur. Er is een tekort aan celwand modellen en de weinige beschikbare kan worden gecategoriseerd als mengsels van polymere materialen en geregenereerd cellulose of bacteriële cellulose 14, enzymatisch gepolymeriseerde lignine-polysaccharide composieten 15-17, of model oppervlakken 18-21. Sommige modellen die beginnen aan de celwand lijken zijn de monsters die lignine voorlopers of analogen enzymatisch gepolymeriseerd bij aanwezigheid van cellulose microfibrillen in de vorm bevatten. Echter, deze materialen lijden onder het ontbreken van georganiseerde lagenarchitectuur. Een eenvoudige route voor de creatie van nanocomposietmaterialen met de georganiseerde architectuur is de laag-voor-laag (LBL) montage techniek, gebaseerd op de sequentiële adsorptie van polymeren of nanodeeltjes met complementaire kosten of functionele groepen te organiseren meerlaagse samengestelde films 22-25 te vormen. Vrijstaande hybride nanocomposieten van hoge sterkte, gemaakt door LbL afzetting van polymeer en nanoparticles, zijn gemeld door Kotov et al.. 26-30. Onder de vele andere toepassingen, hebben LbL films ook onderzocht op hun potentieel gebruik in therapeutische aflevering 31, brandstofcel membranen 32,33, batterijen 34 en lignocellulose vezel modificatie van het oppervlak 35-37. De recente interesse in nanoschaal cellulose gebaseerde composietmaterialen hebben geleid tot de bereiding en karakterisering van LbL meerdere lagen van cellulose nanokristallen (CNC), bereid door zwavelzuur hydrolyse van cellulose vezels, en positief geladen polyelektrolieten 38-43. Vergelijkbare studies zijn ook uitgevoerd met cellulose nanokristallen verkregen uit mariene tunicin en kationische polyelektrolieten 44, CNC en xyloglucan 45 en CNC en chitosan 46. LbL multilayer vorming van gecarboxyleerd nanofibrillated celluloses (NFV), verkregen door het onder hoge druk homogenisatie van pulp vezels met kationische polyelektrolieten is ookstudeerde 47-49. De bereiding, eigenschappen en toepassing van CNC&#39;s en nanofibrillated cellulose zijn beoordeeld in detail 50-53. De huidige studie heeft betrekking op de behandeling van LbL techniek als een mogelijke manier om geïsoleerde lignocellulose polymeren (zoals nanocellulose en lignine) monteren op een geordende manier als de eerste stap naar een biomimetic lignocellulose composiet met lamellaire structuur. LBL techniek werd gekozen vanwege de gunstige procescondities zoals omgevingstemperatuur, druk en water als oplosmiddel, welke voorwaarden natuurlijke samengestelde formatie 54 zijn. In deze studie rapporteren we de meerlagige opbouw van constitutieve houten onderdelen, namelijk cellulose microfibrillen van de tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO) gemedieerde oxidatie van pulp en geïsoleerde lignine in vrijstaande lamellaire films. Twee verschillende ligninen gebruikt van verschillende extractiemethoden, een technisch lignine van de organosolv pulpproces, en de andere een lignine geïsoleerd van bal-frezen met minder modificatie tijdens isolement. Deze verbindingen worden gecombineerd met een synthetisch polyelektrolyt in deze eerste studie om de uitvoerbaarheid van het maken van stabiele vrijstaande films architectuur vergelijkbaar met de natieve celwand tonen.

<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

Houtachtige materialen bestaan ​​uit plantaardige celwanden dat een gelaagde secundaire celwand bestaat uit structurele polymeren van polysacchariden en lignine bevatten. Laag-voor-laag (LBL) assemblage proces dat berust op de assemblage van tegengesteld geladen moleculen uit waterige oplossingen werd gebruikt om een ​​vrijstaande samengestelde film van geïsoleerde hout polymeren van lignine en geoxideerde nanofibril cellulose (NFC) te bouwen. De montage van deze negatief geladen polymeren vergemakkelijken, een positief geladen polyelektrolyt, poly (diallyldimethylammomium chloride) (PDDA), werd gebruikt als een verbindende laag om deze vereenvoudigde celwand model. De gelaagde adsorptieproces werd kwantitatief bestudeerd met behulp kwartskristalmicrobalans met dissipatie controle (QCM-D) en ellipsometrie. De resultaten toonden aan dat laag gewicht / dikte per geadsorbeerde laag verhoogd als functie van het totale aantal lagen. De oppervlaktebedekking van het geadsorbeerde lagen werd onderzocht met atomaire kracht microscopie (AFM).Volledige dekking van het oppervlak met lignine alle afzetting cycli bleek het systeem echter bedekking van het oppervlak met NFC toe met het aantal lagen. De adsorptie proces werd uitgevoerd voor 250 cycli (500 dubbellagen) op een cellulose-acetaat (CA) substraat uitgevoerd. Transparante vrijstaande LBL geassembleerde nanocomposiet films werden verkregen wanneer de CA substraat later werd opgelost in aceton. Scanning elektronenmicroscopie (SEM) van het gebroken doorsneden toonde een lamellaire structuur en de dikte per adsorptiecyclus (PDDA-Lignine-PDDA-NC) werd geschat op 17 nm voor twee verschillende typen lignine in het onderzoek. De gegevens geven een film met een sterk gecontroleerde architectuur waar nanocellulose en lignine ruimtelijk worden afgezet op nanoschaal (een polymeer-nanocomposieten), vergelijkbaar met wat wordt waargenomen in de natieve celwand.

QCM-D analyse van gestructureerde Woody Polymer Film Fabrication LBL adsorptie van lignine, NFC en PDDA is in twee verschillende experimenten met twee soorten ligninen in real time met QCM-D. Deze analyse methode is zeer gevoelig voor veranderingen detecteren frequentie indien adsorberen aan het oppervlak van het kwartskristal Figuur 1 bevat een gedetailleerde beschrijving van de QCM-D-respons in een depositie cyclus, die twee dubbellagen (PDDA omvat:. HMWL en PDDA: NC). De geg...

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

Het doel van dit onderzoek was om synthetische plantencelwand weefsel te vormen met behulp van laag-voor-laag assemblage van nanocellulose fibrillen en geïsoleerde lignine samengesteld uit verdunde waterige suspensies. Oppervlakte meettechnieken kwartskristal microbalans en atomic force microscopie werden gebruikt om de vorming van de polymeer-polymeer nanocomposiet controleren.

Richting biomimetische Hout: Fabricated Vrijstaande Films van nanocellulose, Lignine, en een synthetische polycation

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

Een techniek om functionaliseren en zelf-assembleren Macroscopisch Nanoparticle-ligand Monolayer Films op-Sjabloonloze Substrates

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

Atomair gedefinieerde templates voor epitaxiale groei van complexe oxide deklagen

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

Fabricage van Groot-area Vrijstaande Ultradunne 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

Van Constructen naar Crystals - Naar Structuur Bepaling van β-barrel Outer Membrane Proteins

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

Sterk Stabiel, Functioneel Hairy Nanodeeltjes en Biopolymeren uit houtvezels: Towards Sustainable Nanotechnologie

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

Capillaire elektroforese Monitor Peptide Enten op chitosan films in 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

Reactieve Vapor Deposition van geconjugeerd polymeerlagen op willekeurige substraten

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

Gentherapie geïnspireerd Polycation Coating voor bescherming van DNA Origami nanostructuren

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

Vermindering van wilg hout brandstof emissie door lage temperatuur magnetron bijgestaan hydrothermale carbonisatie

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 oxide films afgezet door reactieve sputtering: effect van zuurstof debiet

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