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

Эта работа была поддержана, прежде всего, программы докторской ученого Института критической технологии и прикладных наук (ICTAS) в Технологическом университете Вирджинии, в Virginia Tech Высшей школы за поддержку устойчивого программу по нанотехнологиям, а также Соединенные Штаты Департамента сельского хозяйства, НИФА номер гранта 2010-65504-20429. Авторы также благодарят вклад Рик Caudill, Стивен Маккартни и В. Трэвис Церкви в этой работе.

1. Nanofibrillated Целлюлоза Подготовка 55 <ol><li> Настройка 3 л трехгорлая колба 2 л деионизированной воды, подвесной мешалкой, и рН зонда. </li><li> Добавить делигнификации крафт-целлюлозы, 88% яркости (20 г, 1% (вес / объем, сухой массе)), 2,2,6,6-тетраметилпиперидин 1-оксил (TEMPO) (0,313 г, 0,1 ммоль / г целлюлоз?...

Изготовление Nanocellulose Для изготовления nanocellulose успешное окисление волокна целлюлозы необходимо для легкому аритмией. Окисление управляется доступного гипохлорита натрия, который должен быть добавлен медленно в известных количествах в зависимости от количества целлюло?...

Существует большой интерес для получения дополнительных химических веществ и топлива из биомассы, как углерод, поглощенный растениями в процессе фотосинтеза является частью текущей СО 2 цикла. Большинство поглощенного углерода (42-44%) в виде целлюлозы, полимер, состоящий из β 1-4-связанных единиц глюкопиранозы; когда гидролизован, глюкоза может быть использован в качестве основного реагента для ферментации в спирт топлива. Однако клеточной стенки архитектура древесных растений развивалась тысячелетиями, создающих материал, который устойчив к деградации природной среды 1. Эта стабильность переносится в промышленной переработке древесных материалов, таких как энергетических культур делает целлюлозу трудно получить доступ, изолировать, и пробой в глюкозу. Более пристальный взгляд на ультраструктуры вторичном клеточной стенки показывает, что она представляет собой полимер, нанокомпозит состоит из слоистых микрофибриллами паракристаллический целлюлозы, встроенных в аморфной матрице лигнина и подолуicelluloses 2-4. Продольно ориентированные микрофибрилл целлюлозы имеют диаметр приблизительно 2-5 нм, что агрегируются вместе с другими гетероатомов полисахаридов с образованием более крупных единиц фибрилл пучков 5. Фибрилл пучки встроен в лигнин-гемицеллюлозы комплекс, состоящий из аморфного полимера фенилпропанола единиц с некоторыми связи с другими гетероатомов, таких как полисахариды glucoronoxylan 4. Кроме того, эта структура далее организованы в слоях или пластин, на протяжении одревесневшего вторичной клеточной стенки 6-8. Ферменты, как целлюлазы, имеют очень трудное время с доступом целлюлозу в клеточной стенке, как это находится в его фибрилл форме и заливали в лигнина. Суть действительно делает биологического происхождения топлива и возобновляемые источники химического платформы на реальность заключается в разработке процессов, которые экономически позволяющие осахаривания целлюлозы в своей нативной форме. Новые химические и визуализации технологии пособничество в стUdy из механизмов, участвующих в осахаривания 9,10 целлюлозы. Большая работа была направлена ​​на комбинационного конфокальной микроскопии 11 и атомно-силовой микроскопии 12 для изучения химического состава и морфологии клеточной стенки. Будучи в состоянии внимательно следить механизмы делигнификации и осахаривания является значительным шагом вперед, влияющих на преобразование целлюлозы в глюкозу. Осахаривание модельных поверхностей целлюлозы была проанализирована путем измерения ферментативной кинетики ставки с кристалла кварца с контролем диссипации (QCM-D) 13. Тем не менее, родные стены клеток, являются очень сложными, как указано выше, и это создает двусмысленность, как различные процессы преобразования изменить структуру клеточной стенки растений (молекулярной массы полимера, химических связей, пористости). Отдельно стоящие модели клеточной стенки веществ с известной структурного состава будет решить эту проблему и позволяют интегрировать образцов в состоянии дел искусства химических и томографовнг оборудование. Существует нехватка моделей клеточной стенки и мало доступны могут быть классифицированы как смесей полимерных материалов и регенерируется целлюлозу или бактериальной целлюлозы 14, ферментативно полимеризованные лигнина-полисахарид композитов 15-17 или модели поверхности 18-21. Некоторые модели, которые начинают походить на клеточную стенку являются образцы, содержащие лигнин предшественники или аналогов полимеризованные ферментативно в присутствии целлюлозы в его микрофибриллярного форме. Однако эти материалы страдают от отсутствия организованной архитектуры слоя. Простой маршрут для создания нанокомпозитных материалов с организованной архитектуры является слой за слоем (LBL) метод сборки, на основе последовательного адсорбции полимеров или наночастиц с дополнительными сборов или функциональных групп с образованием организованных многослойных композиционных пленок 22-25. Отдельно стоящие гибридные нанокомпозиты из высокой прочностью, сделанные LBL осаждения полимера и паnoparticles, были сообщены Котов и др.. 26-30. Среди многих других приложений, LBL фильмы были также исследованы на предмет их потенциального использования в терапевтических доставки 31 клеточных мембран топливных 32,33, батарей 34 и лигноцеллюлозной поверхности волокна модификации 35-37. Последнее время интерес к наноразмерных целлюлозы на основе композиционных материалов привели к подготовке и характеристике LBL многослойных целлюлозных нанокристаллов (ЧПУ), подготовленных гидролиза серной кислоты целлюлозных волокон, и положительно заряженных полиэлектролитов 38-43. Подобные исследования также были проведены с нанокристаллов целлюлозы, полученных из морских tunicin и катионных полиэлектролитов 44, с ЧПУ и ксилоглюкан 45 и ЧПУ и хитозана 46. Lbl многослойный формирование карбоксилированный nanofibrillated целлюлозы (НКЦ), полученных высокого давления гомогенизации целлюлозных волокон с катионных полиэлектролитов также былучился 47-49. Препарат, свойства и применение систем ЧПУ и nanofibrillated целлюлозы были подробно рассмотрены 50-53. Настоящее исследование предполагает изучение LBL техники в качестве потенциального пути, чтобы собрать разрозненные лигноцеллюлозных полимеры (например, nanocellulose и лигнина) в упорядоченном моды в качестве первого шага на пути к биомиметического лигноцеллюлозной композита с пластинчатой ​​структурой. Методика Lbl был выбран за его доброкачественных условий обработки, таких как, температуры окружающей среды, давления и воды в качестве растворителя, которые условия для естественного композита 54. В этом исследовании мы сообщаем о многослойной наращиванием материальных компонентов древесины, а именно целлюлозы микрофибриллами от тетраметилпиперидина 1-оксил (ТЭМП), перекисного окисления липидов целлюлозы и изолированной лигнина в свободно стоящих пластинчатых фильмов. Два различных лигнинов используются с различными методами экстракции, один технический лигнин из Organosolv варки, а другой лигнин, выделенный из шарового размола с меньшим изменением в процессе выделения. Эти соединения в сочетании с синтетическим полиэлектролита в этой первоначального исследования, чтобы продемонстрировать возможности создания стабильных свободно стоящие фильмы с архитектурой, аналогичной родной клеточной стенки.

<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

Древесные материалы состоят из клеточных стенок растений, которые содержат слоистую вторичной клеточной стенки, состоящей из структурных полимеров полисахаридов и лигнина. Слой за слоем (LBL) в сборе процесс, который зависит от сборки противоположно заряженных молекул из водных растворов был использован для создания автономных композитной пленки изолированных древесины полимеров лигнина и окисленного nanofibril целлюлозы (NFC). Чтобы облегчить сборку этих отрицательно заряженных полимеров, положительно заряженный полиэлектролит, поли (хлорид diallyldimethylammomium) (PDDA), был использован в качестве связующей слоя для создания этой упрощенной модели клеточной стенки. Слоистая процесс адсорбции изучали количественно с помощью кристалла кварца с контролем диссипации (QCM-D) и эллипсометрии. Результаты показали, что масса слоя / толщина в адсорбционном слое увеличен в зависимости от общего количества слоев. Поверхность покрытия из адсорбированных слоев изучали с атомно-силовой микроскопии (АСМ).Полный охват поверхности с лигнином во всех циклов осаждения был найден в системе, однако, покрытие поверхности по NFC увеличивается с числом слоев. Процесс адсорбции проводили в течение 250 циклов (500 бислоев) на ацетата целлюлозы (СА) подложки. Были получены прозрачные свободно стоящие LBL собраны нанокомпозитных пленок, когда Калифорния субстрат позже растворяют в ацетоне. Сканирующей электронной микроскопии (SEM) из разрушенных сечений показали слоистую структуру, а толщина в адсорбционном цикле (PDDA-Лигнин-PDDA-NC), по оценкам, 17 нм для двух различных типов лигнина, используемых в исследовании. Данные показывают, пленку с тщательно контролируемой архитектуры, где nanocellulose и лигнин пространственно нанесенного на наноуровне (а полимер-полимерных нанокомпозитов), аналогично тому, что наблюдается в нативной клеточной стенки.

QCM-D Анализ структурированных Изготовление Вуди полимерной пленки LBL адсорбции лигнина, NFC и PDDA контролировали в реальном времени с QCM-D в двух различных экспериментах с участием двух типов лигнинов. Этот метод анализа очень чувствительны, чтобы обнаружить изменения в част?...

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

Целью данного исследования было формирование синтетического клеточной стенки растений ткани с помощью слой за слоем сборку nanocellulose волокон и изолированный лигнин, собранный из разбавленных водных суспензий. Методы измерения поверхности кристалла кварца и микроскопии атомно-силовых использовались для наблюдения за формирование нанокомпозита полимерного материала-полимера.

К Biomimicking Вуд: сварная свободно стоящие фильмы Nanocellulose, лигнин, и синтетический поликатиона

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

Техника функционализировать и самоорганизуются макроскопических наночастиц-лиганд однослойных пленок на Шаблон без подложек

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

Атомно шаблонов, для эпитаксиального роста сложного оксида тонких пленок

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

Изготовление большой площади свободной стоя ультратонких полимерных пленок

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

От конструктов в кристаллах - в сторону структуры Определение β-ствольных белки наружной мембраны

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

Высокостабильные, функциональная Волосатые Наночастицы и биополимеров из древесных волокон: На ​​пути к устойчивому Nanotechnology

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

Капиллярный электрофорез Контролировать Peptide прививкой на хитозана пленок в режиме реального времени

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

Реактивная парофазное осаждение конъюгированных полимерных пленок на произвольные подложках

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

Генная терапия вдохновил поликатион покрытие для защиты ДНК оригами наноструктур

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

Снижение ивы древесины топлива выбросов низкой температурой Микроволновая помощь гидротермических карбонизации

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

Ниобий оксида Пленки депонируется реактивного распыления: Влияние скорости кислородного потока

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