Name: molecular entanglement and electrospinnability of biopolymers
Uploaded: 2014-09-03T15:45:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Molecular Entanglement and Electrospinnability of Biopolymers at JoVE.com

Dette arbejde er finansieret delvist af USDA Nationale Institut for fødevarer og landbrug, National Konkurrencedygtige Grants Program, National Research Initiative Program 71.1 FY 2007 som Grant nr 2007-35503-18392, og National Institutes of Health, Institut for Allergi og Smitsomme Sygdomme , R33AI94514-03.

1. spindeopløsningen Forberedelse <ol><li> Forbered en række biopolymer koncentrationer, der skal undersøges (0,1% til 30%, w / v) og sørg for at overveje fugtindholdet biopolymerens pulver i disse beregninger. For hver koncentration, vejer biopolymeren (stivelse eller pullulan) pulver i et 50 ml reagensglas. Tilføj vandig dimethylsulfoxid (DMSO) opløsning og en omrører. </li><li> Glasset anbringes i kogende vand under konstant omrøring på en magnetomrører kogeplade. </li><li> Efter omkring 1 time slukkes va...

<ol>
	<li>Greiner, A., Wendorff, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+self-assembled+nanofibers+by+electrospinning.">Functional self-assembled nanofibers by electrospinning.</a> Self-aseembled nanomaterials. 1, 107-171 (2008).</li><li>Ramakrishna, S., Fujihara, K., Teo, W. E., Lim, T. C., Ma, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> An Introduction to Electrospinning and Nanofibers. , (2005).</li><li>Klossner, R. R., Queen, H. A., Coughlin, A. J., Krause, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlation+of+Chitosan&#8217;s+Rheological+Properties+and+Its+Ability+to+Electrospin.">Correlation of Chitosan&#8217;s Rheological Properties and Its Ability to Electrospin.</a> Biomacromolecules. 9 (10), 2947-2953 (2008).</li><li>McKee, M. G., Wilkes, G. L., Colby, R. H., Long, T. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlations+of+Solution+Rheology+with+Electrospun+Fiber+Formation+of+Linear+and+Branched+Polyesters.">Correlations of Solution Rheology with Electrospun Fiber Formation of Linear and Branched Polyesters.</a> Macromolecules. 37 (5), 1760-1767 (2004).</li><li>McKee, M. G., Hunley, M. T., Layman, J. M., Long, T. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solution+rheological+behavior+and+electrospinning+of+cationic+polyelectrolytes.">Solution rheological behavior and electrospinning of cationic polyelectrolytes.</a> Macromolecules. 39 (2), 575-583 (2006).</li><li>Kong, L., Ziegler, G. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+pure+starch+fibers+by+electrospinning.">Fabrication of pure starch fibers by electrospinning.</a> Food Hydrocolloids. 36, 20-25 (2014).</li><li>Singh, R. S., Saini, G. K., Kennedy, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pullulan:+microbial+sources,+production+and+applications.">Pullulan: microbial sources, production and applications.</a> Carbohydrate Polymers. 73 (4), 515-531 (2008).</li><li>Leathers, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biotechnological+production+and+applications+of+pullulan.">Biotechnological production and applications of pullulan.</a> Applied Microbiology and Biotechnology. 62 (5), 468-473 (2003).</li><li>Karim, M. R., Lee, H. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+and+characterization+of+electrospun+pullulan/montmorillonite+nanofiber+mats+in+aqueous+solution.">Preparation and characterization of electrospun pullulan/montmorillonite nanofiber mats in aqueous solution.</a> Carbohydrate Polymers. 78 (2), 336-342 (2009).</li><li>Stijnman, A. C., Bodnar, I., Hans Tromp, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrospinning+of+food-grade+polysaccharides.">Electrospinning of food-grade polysaccharides.</a> Food Hydrocolloids. 25 (5), 1393-1398 (2011).</li><li>Kong, L., Ziegler, G. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+molecular+entanglements+in+starch+fiber+formation+by+electrospinning.">Role of molecular entanglements in starch fiber formation by electrospinning.</a> Biomacromolecules. 13 (8), 2247-2253 (2012).</li><li>Kong, L., Ziegler, G. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rheological+aspects+in+fabricating+pullulan+fibers+by+electro-wet-spinning.">Rheological aspects in fabricating pullulan fibers by electro-wet-spinning.</a> Food Hydrocolloids. 38, 220-226 (2014).</li><li>Han, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fiber Spinning Rheology and Processing of Polymeric Materials: Volume 2: Polymer Processing. , 257-304 (2007).</li><li>Morris, E. R., Cutler, A. N., Ross-Murphy, S. B., Rees, D. A., Price, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Concentration+and+shear+rate+dependence+of+viscosity+in+random+coil+polysaccharide+solutions.">Concentration and shear rate dependence of viscosity in random coil polysaccharide solutions.</a> Carbohydrate Polymers. 1 (1), 5-21 (1981).</li><li>Thompson, C. J., Chase, G. G., Yarin, A. L., Reneker, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+parameters+on+nanofiber+diameter+determined+from+electrospinning+model.">Effects of parameters on nanofiber diameter determined from electrospinning model.</a> Polymer. 48 (23), 6913-6922 (2007).</li></ol>

Rheologi er et vigtigt redskab til at studere behandling af polymerer, herunder traditionelle fiber spinding og electrospinning 13. Fra den stadige shear reologiske undersøgelser, polymer kropsbygning og interaktion i forskellige opløsningsmidler kan løses (figur 2 og 3). Ved koncentrationer ikke er høj nok til biopolymer molekyler til overlappe hinanden, deres koncentration afhængighed var omkring 1,4 (figur 3), hvilket var i god overensstemmelse med ra...

Electrospinning er en teknik, der er i stand til at producere kontinuerlig mikro til nanoskala fibre fra en bred vifte af materialer. Det har fået stigende akademisk og industriel interesse 1. Selvom opsætningen og praksis electrospinning synes ligetil, evnen til at forudsige electrospinnability og kontrollere fiberegenskaber fortsat en udfordring. Grunden kan ligge i det faktum, at der er mange faktorer, der påvirker elektrospinningsprocessen 2 og den proces, især den bane af fibre, er kaotisk 1. Ofte en empirisk &quot;cook-and-look&quot; fremgangsmåde anvendes til screening af potentielle electrospinnable materialer. Men for at få bedre kontrol over elektrospinningsprocessen og resulterende fiberegenskaber, en mere fuldstændig forståelse af de mekanismer, der styrer electrospinnability er påkrævet. Flere forskere har fundet, at molekylær sammenfiltring af polymerer i spindeopløsningen er en væsenl forudsætning for en vellykket electrospinning 3- 5. Rheologi er et kraftfuldt værktøj til at undersøge molekylære kropsbygning og interaktion i polymerdispersioner. For eksempel McKee et al. undersøgte den molekylære konformation af lineære og forgrenede poly (ethylenterephthalat-co-ethylenisophthalat) copolymerer i et opløsningsmiddel indeholdende chloroform / dimethylterephthalat (7/3, v / v), og fastslog, at polymerkoncentrationen skulle være 2-2.5x entanglement koncentrationen for en vellykket electrospinning 4. Der er i øjeblikket fornyet interesse for fibre fra biopolymerer på grund af deres fordele i bionedbrydelighed, biokompatibilitet og fornyelighed over for deres syntetiske modparter. Alligevel praktikere konfrontere mange udfordringer, der følger generelt fra deres strukturelle kompleksitet, vanskelighed ved varmebehandling og dårligere mekaniske egenskaber. Stivelse, der findes i plantevæv, er Among den mest udbredte og billige biopolymerer på jorden. Pure stivelse fibre fremstillet ved hjælp af en elektro-vådspinding apparat blev for nylig beskrevet 6. Pullulan er et lineært polysaccharid produceres ekstracellulært ved visse bakterier. Den regelmæssige vekslen af (1 → 4) og (1 → 6) -glucosidbindinger menes at være ansvarlig for adskillige karakteristiske egenskaber af pullulan, herunder fremragende fiber / filmdannende kapacitet 7,8. Electrospinning pullulan fibre fra vandig dispersion er blevet rapporteret af en række forskere 9,10. I vores tidligere publikationer har electrospinnability af to biopolymerer, stivelse 11 og pullulan 12, er blevet drøftet. Denne rapport fokuserer på at demonstrere protokollen for at udnytte reologiske principper i efterforskningen af ​​electrospinnability af disse to biopolymerer.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="762">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Name of Reagent/ Equipment</td>
			<td style="width:253px;">Company</td>
			<td style="width:119px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:175px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Gelose 80 starch</td>
			<td style="width:253px;">Ingredion</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Used as it is</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Pullulan</td>
			<td style="width:253px;">Hayashibara Co. Ltd</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Used as it is</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Dimethyl Sulfoxide</td>
			<td style="width:253px;">BDH Chemicals</td>
			<td style="width:119px;">BDH1115-4LP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:216px;">Ethanol</td>
			<td style="width:253px;">VWR International</td>
			<td style="width:119px;">89125-172</td>
			<td>200 proof</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;"></td>
			<td style="width:253px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Rheometer</td>
			<td style="width:253px;">TA Instruments</td>
			<td style="width:119px;">ARES&#160;</td>
			<td>50 mm cone and plate geometry</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Syringe (10 mL)</td>
			<td style="width:253px;">Becton, Dickinson and Company</td>
			<td style="width:119px;">309604</td>
			<td>Syringe with Luer-Lok&#174; Tip</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:216px;">High voltage generator</td>
			<td style="width:253px;">Gamma High Voltage Research, Inc.</td>
			<td style="width:119px;">ES40P</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Syringe pump</td>
			<td style="width:253px;">Hamilton Company</td>
			<td style="width:119px;">81620</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Environmental scanning electron microscope</td>
			<td style="width:253px;">FEI Company</td>
			<td style="width:119px;">Quanta 200</td>
			<td>for starch fibers</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Environmental scanning electron microscope</td>
			<td style="width:253px;">Phenom-World</td>
			<td style="width:119px;">Phenom G2 Pro</td>
			<td>for pullulan fibers</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

molecular entanglement and electrospinnability of biopolymers

Electrospinning er et fascinerende teknik til at fabrikere mikro til nano-skala fibre fra en bred vifte af materialer. For biopolymerer blev molekylær sammenfiltring af de konstituerende polymerer i spindeopløsningen sig at være en væsentlig forudsætning for en vellykket electrospinning. Rheologi er et kraftfuldt værktøj til at undersøge den molekylære kropsbygning og interaktion af biopolymerer. I denne rapport, vi demonstrere protokollen for at udnytte rheologi at evaluere electrospinnability af to biopolymerer, stivelse og pullulan, fra deres dimethylsulfoxid (DMSO) / vanddispersioner. Velformede stivelse og pullulan fibre med en gennemsnitlig diameter i submikron- til mikrometer blev opnået. Electrospinnability blev vurderet ved visuel og mikroskopisk iagttagelse af de dannede fibre. Ved at korrelere de rheologiske egenskaber af dispersionerne til deres electrospinnability, viser vi, at molekylær konformation, molekylær sammenfiltring og forskydningsviskositet alle påvirke udvalgterospinning. Rheologi er ikke kun anvendelig i udvælgelsen opløsningsmiddelsystem og procesoptimering, men også i at forstå mekanismen for fiberdannelse på molekylært niveau.

Flow kurver biopolymer dispersioner som en funktion af biopolymer koncentration og DMSO-koncentration i opløsningsmiddel blev opnået. To repræsentative tal viser de flowkurver stivelse (figur 2A) og pullulan (figur 2B) som en funktion af deres koncentration i ren DMSO opløsningsmiddel. De specifikke viskositeter blev plottet mod koncentrationen biopolymer (figur 3A for stivelse og 3B for pullulan). Af disse grunde blev entanglement koncentrationer o...

Watch this Scientific Journal Video about Molecular Entanglement and Electrospinnability of Biopolymers at JoVE.com

Molecular Entanglement and Electrospinnability of Biopolymers

Electrospinning er et fascinerende teknik, der anvendes til at fremstille mikro-til nanoskala fibre fra en bred vifte af materialer. Molekylær sammenfiltring af de konstituerende polymerer i spindeopløsningen er afgørende for en vellykket electrospinning. Vi præsenterer en protokol for at udnytte rheologi at evaluere electrospinnability af to biopolymerer, stivelse og pullulan.

Molekylær Indvikling og Electrospinnability biopolymerer

Electrospinning is a fascinating technique to fabricate micro- to nano-scale fibers from a wide variety of materials. For biopolymers, molecular ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Fluorescence Lifetime Imaging of Molecular Rotors in Living Cells

Fluorescenslevetiden Imaging for Molekylær Rotorer i levende celler

Diffusion is often an important rate-determining step in chemical reactions or biological processes and plays a role in a wide range of intracellular ...

In vitro Assembly of Semi-artificial Molecular Machine and its Use for Detection of DNA Damage

In vitro Assembly of Semi-artificial Molecular Machine and its Use for Detection of DNA Damage

In vitro Montering af Semi-kunstige Molekylær Machine og dens anvendelse til påvisning af DNA-skader

Naturally occurring bio-molecular machines work in every living cell and display a variety of designs 1-6. Yet the development of artificial molecular ...

Low Molecular Weight Protein Enrichment on Mesoporous Silica Thin Films for Biomarker Discovery

Lav Molekylær Vægt Protein berigelse mesoporøse silica Tynde Film til biomarkør Discovery

The identification of circulating biomarkers holds great potential for non invasive approaches in early diagnosis and prognosis, as well as for the ...

Flexural Rigidity Measurements of Biopolymers Using Gliding Assays

Microtubules are cytoskeletal polymers which  play a role in cell division, cell mechanics, and intracellular transport. Each of these functions requires ...

Aplysia Ganglia Preparation for Electrophysiological and Molecular Analyses of Single Neurons

Aplysia Ganglia Preparation for Electrophysiological and Molecular Analyses of Single Neurons

Aplysia Ganglia Forberedelse til elektrofysiologiske og molekylære analyser af enkeltneuroner

A major challenge in neurobiology is to understand the molecular underpinnings of neural circuitry that govern a specific behavior. Once the specific ...

Microscale Vortex-assisted Electroporator for Sequential Molecular Delivery

Individuel Vortex-assisteret elektroporator til sekventiel Molekylær Levering

Electroporation has received increasing attention in the past years, because it is a very powerful technique for physically introducing non-permeant ...

Biofunctionalized Prussian Blue Nanoparticles for Multimodal Molecular Imaging Applications

Biofunctionalized Prussian Blue Nanopartikler til multimodal Molekylære billedbehandling

Multimodal, molecular imaging allows the visualization of biological processes at cellular, subcellular, and molecular-level resolutions using multiple, ...

Engineering Molecular Recognition with Bio-mimetic Polymers on Single Walled Carbon Nanotubes

Engineering Molekylær Anerkendelse med Bio-mimetiske Polymerer på Single Walled kulstofnanorør

Semiconducting single-wall carbon nanotubes (SWNTs) are a class of optically active nanomaterial that fluoresce in the near infrared, coinciding with the ...

Methods for the Self-integration of Megamolecular Biopolymers on the Drying Air-LC Interface

Metoder til Self-integration af Megamolecular Biopolymers på Tørring Air-LC-grænseflade

Living organisms that use water are always prone to drying in the environment. Their activities are driven by biopolymer-based micro- and ...

Bioparticle Microarrays for Chemotactic and Molecular Analysis of Human Neutrophil Swarming in vitro

Biopartikel mikroarrays til kemotaktisk og molekylær analyse af human neutrofil sværmer in vitro

Neutrophil swarming is a cooperative process by which neutrophils seal off a site of infection and promote tissue reorganization. Swarming has classically ...