Name: molecular entanglement and electrospinnability of biopolymers
Uploaded: 2014-09-03T15:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 59 s
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Este trabalho é financiado em parte pelo Instituto Nacional de USDA para a Agricultura ea Alimentação, Programa Nacional de Bolsas Competitivas, Programa Nacional de Pesquisa Iniciativa 71,1 FY 2007 como Grant No. 2007-35503-18392, e os Institutos Nacionais de Saúde, Instituto de Alergia e Doenças Infecciosas , R33AI94514-03.

1. Spinning Dope Preparação <ol><li> Prepara-se uma gama de concentrações de biopolímero ser investigados (0,1% a 30%, w / v) e ter a certeza de considerar o conteúdo do pó biopolímero nestes cálculos humidade. Para cada concentração, pesar o biopolímero (amido ou pululana) em pó em um tubo de ensaio de 50 ml. Adicionar solução aquosa de dimetil-sulfóxido (DMSO) e uma barra de agitação. </li><li> Colocar o tubo em água a ferver com agitação constante sobre uma placa de agitação magnética. </li><li> Após cerca de 1 hora, desligar o aquecimento e deixar a dispersão arrefecer até à temperatura ambiente. A dispersão é então pronto para o teste reológico e electrospinning. </li></ol> 2 Firme cisalhamento Reologia <ol><li> Aquecer o reómetro e ajustar a temperatura fase a 20 ° C. Calibra-se o intervalo entre o (25 mm cone utilizado) e a sonda de fase (placa). </li><li> Carga de 0,41 ml de dispersão de biopolímeros para o centro do palco e baixar a sonda para definir o positiem (gap 0,053 milímetros para 25 milímetros cone). Certifique-se de que a dispersão se espalha uniformemente dentro do fosso. </li><li> Realizar o teste reológico com os seguintes parâmetros experimentais: modo de varredura: registro, taxa inicial: 100 sec -1, taxa final: 0,1 seg -1, pontos por década: 10, atraso antes de medida: 5 seg, medir o tempo: 10 seg, e direções por medida: dois (tanto no sentido horário e anti-horário). </li><li> Analisar dados reológicos para estimar concentrações de dispersão apropriados para eletrofiação ensaios. <ol><li> Traçar viscosidades aparentes de cisalhamento em relação às taxas de corte como uma função de concentrações de polímero. Para cada curva de fluxo, aproximados viscosidades de cisalhamento zero, η 0, pelos valores reais ou extrapolados (por exemplo, em baixas concentrações, onde os dados de baixa velocidade de corte não são confiáveis) para viscosidade aparente em 0.1 seg - 1. </li><li> Calcular viscosidade específica: η sp = (η 0 - η s)η / s, onde s η é a viscosidade do solvente. </li><li> Traçar viscosidades específicas como uma função da concentração. Identificar regimes unentangled e emaranhados semidilute. O regime unentangled semidilute começa a partir da extremidade de baixa concentração com uma pequena inclinação, e o regime de semidilute enredada tem um declive maior do seguinte regime unentangled. Modelos de regressão em lei de potência Fit em ambos os regimes. Os valores de potência são as encostas (dependência da concentração) em regimes unentangled e emaranhados semidilute em um gráfico log-log. A interseção das duas linhas de embutidos é a concentração de emaranhamento, c e. </li></ol></li></ol> 3. Electrospinning parâmetro de variação <ol><li> Montar a configuração de electrospinning, como mostrado na Figura 1. Coloque a seringa com a dispersão de uma composição adequada, por exemplo, 15% (w / v) de amido ou pululano em 100% de DMSO, sobre a bomba de seringa. Prenda o fio de alta tensão (positive) para a agulha. Ligar o banho de coagulação contendo etanol puro à terra através da imersão do fio de terra (negativa) para a banheira. Use uma tomada de laboratório para ajustar a distância entre a agulha da seringa e do banho de coagulação. Imergir uma malha de metal no banho de recolher a esteira de fibra após electrospinning. </li><li> Gire o biopolímero no seguinte parâmetro varia: taxa de alimentação de 0,1-0,4 ml / h, a distância de fiação 5-10 cm e voltagem de 0 a 15 kV. <ol><li> Comece com uma distância de fiação de 5 cm. Para a primeira taxa de alimentação (0,1 mL / hr), a tensão de rampa se lentamente a partir de 0 V. Pagamento atenção para a forma da dispersão de extrudido na ponta da agulha e observar quando a dispersão de gotejamento é acelerado e então alongada. </li><li> Note-se a tensão em que um jacto de pequena iniciada a partir da superfície da gota, indicando electrospinnability da solução. Gravar a tensão na qual um jacto contínuo inicia, se houver. </li><li> Examinar a gama completa para cada um dos três parameters E note condições de fiar sucesso. Recolher as fibras apenas quando existe um jacto contínuo a partir da ponta. </li></ol></li><li> Depois de alguns minutos de recolha, lavar o tapete de fibra com etanol puro. Coloque a esteira de fibra para um exsicador contendo dessecante sob vácuo. </li><li> Repita a operação para cada concentração de biopolímero para a caracterização completa. </li></ol><img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51933/51933fig1highres.jpg" width="500" /> Figura 1 Desenho esquemático da configuração eletro-wet-girando. A dispersão biopolímero é expulso de uma bomba de seringa. A fonte de alimentação DC de alta tensão fornece alta tensão para a agulha sem corte e fundamentos do banho de coagulação. O jato de polímero a partir da ponta da agulha percorre um caminho em linha reta e, em seguida, desenvolve um caminho chicotadas rápido (aka chicotadas instabilidade). 4 Caracterização Morfológica<ol><li> Corte um pedaço de tapete de fibra seca e imobilizá-lo em um suporte de SEM utilizando fita de carbono. </li><li> Coloque o stub amostra no instrumento SEM e obtenção de imagens para análise. </li></ol>

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Os autores declaram que não têm nada a revelar.

Reologia é uma ferramenta essencial para estudar o processamento de polímeros, incluindo fiação de fibra convencional e Eletrofiação 13. A partir dos estudos constantes cisalhamento reológicos, conformação de polímeros e suas interações em diferentes solventes podem ser resolvidos (Figuras 2 e 3). Em concentrações elevadas o suficiente para não moléculas biopoliméricas a sobrepor-se uns com os outros, a sua dependência da concentração foi de cerca de 1,4 (Figura 3), que estava em boa concordância com os valores relatados de outros polímeros em bom solvente 3,4. Após as moléculas de biopolímeros iniciar a emaranhar, a viscosidade específica mostrou uma dependência muito mais elevado em concentração. Um maior valor n indica uma interação intermolecular forte. Muitos polissacarídeos bobina aleatórios apresentaram dependência da concentração semelhante, com um valor de n de aproximadamente 3,3 14. Pullulan apresentou interação mais forte do que o amido em solventes de high teor de DMSO, possivelmente devido à natureza molecular dos dois biopolímeros. O amido utilizado tinha alguns componentes altamente ramificada (~ 20% de amilopectina), enquanto que o pululano seja linear. É claro, os pesos moleculares, os quais eram desconhecidas, teria também uma influência. A concentração de emaranhamento dependeria da conformação do biopolímero na dispersão. Por exemplo, a concentração de amido em emaranhamento de 92,5% (w / v) de solução aquosa de DMSO é muito menor do que em DMSO puro 11. Isso implica que as moléculas de amido existe numa conformação mais extensas em 92,5% (w / v) de solução aquosa de DMSO de modo a que eles ocupem um maior volume hidrodinâmico e tendem a sobrepor-se mais facilmente. As concentrações de emaranhamento de pululano não variou drasticamente, como aqueles de amido com diferentes graus de qualidade de solvente, provavelmente por causa tanto da água e DMSO são bons solventes para o pululano e têm pouco efeito sobre a conformação molecular. A água, que não é um bomsolvente para amido, fez o cenário muito complicado, uma vez que moléculas de amido não dissolvidas afetaria a resposta reológica. Para girar boas fibras, a concentração tinha que ser 1,2-2,7 e 1.9-2.3x a concentração emaranhamento de amido e pululana, respectivamente (Figuras 4 e 5). Esta faixa é mais estreita para pululana, provavelmente também devido à menor diferença de conformação nos solventes. Foi interessante notar que uma dispersão com uma concentração de emaranhamento, quando os polímeros começam a entrelaçar uma com a outra, não foi electrospinnable. Provavelmente, força de cisalhamento elevado envolvido em electrospinning impedem cadeia sobreposição e interação polímero de longo alcance que podem já ter sido estabelecido em condições de cisalhamento estático e baixos, e, assim, um emaranhado reforçada e suficiente é necessária. Além disso, a viscosidade de cisalhamento também desempenhou um papel importante (Figura 6). O amido e electrospinnable DISPERS pululanoiões cair numa gama similar de viscosidade de corte de 100 seg -1, com um limite superior de 2,2 Pa-s. O procedimento aqui descrito pode ser alterado em correspondência com o equipamento e os materiais utilizados nos outros estudos. A dissolução de polímeros é o primeiro passo crítico neste protocolo, porque descobrimos que as dispersões de amido parcialmente dissolvidos (por exemplo, em 85% (w / v) DMSO) produziu instável dados viscosidade de corte constante que impedia uma determinação precisa de c e. Durante a realização de medições de cisalhamento constante, preferimos começar a partir da maior taxa de cisalhamento. Ao fazer isso, a dispersão é uniformemente distribuída no interior do espaço com a ajuda de uma elevada taxa de corte. O passo electrospinning necessário muita prática. Deve-se atentar para a mudança de forma da gota na ponta da agulha. Precauções de segurança durante a eletrofiação não deve ser negligenciada. O principal perigo de electrospinning vem da alta voltagem usada em the processos, embora a corrente é relativamente baixo. Electrospinning experiências devem ser realizadas de um exaustor de fumos, de modo a expulsar o vapor de solvente que pode representar perigos para a saúde, se uma é exposto a ela durante um longo período de tempo. Evite curta distância e até mesmo contato entre a ponta da agulha carregada eo banho de coagulação, pois estes irão resultar em perigo de curto e incêndio. Os métodos reológicos utilizados no estudo têm limitações. Por exemplo, deve notar-se que a taxa de corte real envolvido em electrospinning é muito maior do que 100 s-1 1. Além de cisalhamento reologia estudada, reologia alongamento, que caracterizam o alongamento de dispersão ao longo do percurso, podem também desempenhar um papel importante 15. O reômetro utilizado neste estudo não é capaz de caracterizar viscosidade de alongamento. Estudos reológicos podem fornecer informações valiosas sobre a conformação do biopolímero em dispersions e suas propriedades de processamento. Este protocolo é potencialmente útil em electrospinning de muitos outros biopolímeros e suas misturas, em termos de seleção solvente sistema, otimização de parâmetros, e fibra de mecanismo de formação em nível molecular.

Eletrofiação é uma técnica que é capaz de produzir micro contínua às fibras de nano-escala a partir de uma ampla variedade de materiais. Ela ganhou um crescente interesse acadêmico e industrial 1. Embora a instalação e prática de electrospinning parecer simples, a capacidade de prever e controlar electrospinnability propriedades das fibras permanece um desafio. A razão pode estar no fato de que existem muitos fatores que influenciam o processo de electrospinning 2 eo processo, especialmente o caminho percorrido pela fibra, é caótico 1. Muitas vezes, uma abordagem empírica &quot;cook-e-olhar&quot; é utilizado para triagem de potenciais materiais electrospinnable. No entanto, para obter um melhor controlo sobre o processo de electrospinning e as propriedades da fibra resultante, uma compreensão mais completa dos mecanismos que governam electrospinnability é necessária. Vários pesquisadores descobriram que o emaranhamento molecular de polímeros da droga fiação é uma essêncial pré-requisito para electrospinning sucesso 3 5. Reologia é uma ferramenta poderosa para investigar conformação molecular e interação em dispersões de polímeros. Por exemplo, McKee et al. investigaram a conformação molecular de cadeia linear ou ramificada, poli (tereftalato de etileno-co-isoftalato de etileno) copolímeros em um solvente contendo clorofórmio / tereftalato de dimetilo (7/3, v / v), e determinada a concentração do polímero que tinha de ser 2-2.5x a concentração de emaranhamento para electrospinning sucesso 4. Atualmente, há um interesse renovado em fibras de biopolímeros por causa de suas vantagens em biodegradabilidade, biocompatibilidade e renovabilidade vis-à-vis suas contrapartes sintéticas. No entanto, os profissionais enfrentam muitos desafios que surgem geralmente a partir de sua complexidade estrutural, dificuldade de processamento térmico e propriedades mecânicas inferiores. Amido, encontrados nos tecidos vegetais, é among biopolímeros mais abundantes e baratas na terra. Fibras de amido puro fabricado usando um aparelho eletro-extrusão húmida foram recentemente descritas 6. Pullulan é um polissacarídeo linear produzido extracelular por bactérias. A alternância regular de (1 → 4) e (1 → 6) ligações glicosídicas acredita-se ser responsável por várias propriedades distintivas de pululana, incluindo excelente fibra / filme formando capacidade de 7,8. Eletrofiação de fibras a partir de dispersão aquosa de pululano foi avaliado por um certo número de investigadores 9,10. Em nossas publicações anteriores, o electrospinnability de dois biopolímeros, amido 11 e 12 de pululano, foi discutido. Este relatório centra-se em demonstrar o protocolo para a utilização de princípios reológicos na investigação do electrospinnability destes dois biopolímeros.

<table><tbody><tr><td>Gelose 80 starch</td><td>Ingredion</td><td></td><td>Used as it is</td></tr><tr><td>Pullulan</td><td>Hayashibara Co. Ltd</td><td></td><td>Used as it is</td></tr><tr><td>Dimethyl sulfoxide</td><td>BDH Chemicals</td><td>BDH1115-4LP</td><td></td></tr><tr><td>Ethanol</td><td>VWR International</td><td>89125-172</td><td>200 proof</td></tr><tr><td>Rheometer</td><td>TA Instruments</td><td>ARES&amp;nbsp;</td><td>50 mm cone and plate geometry</td></tr><tr><td>Syringe (10 ml)</td><td>Becton, Dickinson and Company</td><td>309604</td><td>Syringe with Luer-Lok&amp;reg; Tip</td></tr><tr><td>High voltage generator</td><td>Gamma High Voltage Research, Inc.</td><td>ES40P</td><td></td></tr><tr><td>Syringe pump</td><td>Hamilton Company</td><td>81620</td><td></td></tr><tr><td>Environmental scanning electron microscope</td><td>FEI Company</td><td>Quanta 200</td><td>for starch fibers</td></tr><tr><td>Environmental scanning electron microscope</td><td>Phenom-World</td><td>Phenom G2 Pro</td><td>for pullulan fibers</td></tr></tbody></table>

molecular entanglement and electrospinnability of biopolymers

Eletrofiação é uma técnica fascinante de fabricar micro fibras de nano-escala a partir de uma ampla variedade de materiais. Para biopolímeros, emaranhamento molecular dos polímeros constituintes da droga fiação foi encontrado para ser um pré-requisito essencial para electrospinning sucesso. Reologia é uma poderosa ferramenta para sondar a conformação molecular e interação dos biopolímeros. Neste relatório, nós demonstramos o protocolo para a utilização de reologia para avaliar a electrospinnability de dois biopolímeros, amido e pululana, a partir de sua dimetilsulfóxido (DMSO) / dispersões de água. Bem-formados de amido e fibras pululano com diâmetros médios na ordem de mícrons para submicron foram obtidos. Electrospinnability foi avaliada por observação visual e microscópica das fibras formadas. Ao correlacionar as propriedades reológicas das dispersões a sua electrospinnability, nós demonstramos que a conformação molecular, enredamento molecular, e viscosidade de cisalhamento em afectar eleitorospinning. Reologia não só é útil na escolha do sistema solvente e optimização do processo, mas também para a compreensão do mecanismo de formação das fibras a um nível molecular.

As curvas de fluxo das dispersões de biopolímeros como uma função da concentração de biopolímero e concentração de DMSO em solvente foram obtidos. Dois números representativos mostram as curvas de fluxo de amido (Figura 2A) e pululano (Figura 2B), como uma função da sua concentração no solvente DMSO puro. As viscosidades específicas foram representados graficamente em função da concentração de biopolímero (Figura 3A, para o amido e a Figura 3B de pululano). A partir dessas parcelas, as concentrações de emaranhamento foram obtidos como a interceptação das linhas embutidos na semidilute unentangled e os regimes semidilute embaraçados. <img alt="Figura 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51933/51933fig2highres.jpg" width="500" /> Figura 2 as curvas de fluxo (A) de amido Gelose 80 e (B) de pululano em DMSO puro como um funcina de concentração (%, w / v) a 20 ° C. Em ambas as figuras, o amido e o pululano de baixas concentrações eram menos viscoso para produzir torque suficiente com taxas de corte baixas. Estes dados não confiáveis, portanto, não foram plotados. Em geral, os dois biopolímeros apresentaram comportamento newtoniano a baixas concentrações, isto é, a viscosidade de corte aparente era independente da velocidade de corte. Cisalhamento diluir tornou-se aparente que os seus aumentos de concentração, especialmente acima de 10% (w / v). No entanto, o comportamento pseudoplástico era fraco. A 15% e 20% (w / v) de pululano dispersões só mostraram a fase precoce da região da lei de potência em taxas de cisalhamento elevadas, enquanto as dispersões de amido não mostram redução significativa na viscosidade durante o intervalo da velocidade de corte de 0,1 a 100 sec - 1. Reproduzido com permissão de ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, e com permissão de ref 12, Copyright (2014) Elsevier. <img alt="Figura 3" fo:content-width = src &quot;5 polegadas&quot; = &quot;/ files / ftp_upload / 51933 / 51933fig3highres.jpg&quot; width = &quot;500&quot; /&gt; Figura 3 Lote de viscosidade específica contra (A) amido Gelose 80 e (B), a concentração de pululano em DMSO puro. As inclinações das linhas de embutidos em semidilute unentangled (lado esquerdo) eo semidilute enredado regimes (lado direito) indicam a dependência da concentração de viscosidade específica, também conhecido como escalar dependência 4. Pullulan mostrou dependência da concentração mais forte do que o amido no regime emaranhado. A intersecção das duas linhas de embutidos foi denominado como a concentração de emaranhamento (c e) em que biopolímeros começar a sobrepor-se na dispersão. Amido necessário uma concentração maior do que pululana para começar a enredar. Reproduzido com permissão de ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, e com permissão de ref 12, Copyright (2014) Elsevier. Eletrofiação foi tentada por todo odispersões de biopolímeros, e os resultados julgados em termos de electrospinnability, ou seja, jet capacidade de formação durante eletrofiação, e morfologia das fibras formadas. Uma dispersão de boa electrospinnability formado um jacto estável e contínua, que resultou em fibras contínuas e lisas sem gotículas. A dispersão que não foi capaz de electrospin não conseguiu formar um jato estável ou desenvolver chicotadas instabilidade. Ou as gotículas minúsculas ou fibras grossas foram depositados no banho de coagulação. Figura 4 mostra um bom representante de fibras e pobres avaliadas pela sua aparência. Figura 5 resume a avaliação de electrospinnability com concentrações variáveis ​​de DMSO em solvente e o biopolímero em dispersão de amido e o pululano, respectivamente . Além disso, as concentrações de emaranhamento viscosidades de cisalhamento a 100 seg -1 foram plotados contra a concentração de biopolímeros, em que as regiões de electrospinnability foram denotadas (Figura 6). </p<html> &gt; <img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51933/51933fig4highres.jpg" width="500" /> Figura 4: microscopia eletrônica de varredura de bom (à esquerda) e pobre em amido (direita) e fibras de pululano. Bons fibras são suave e contínua, e orientadas aleatoriamente, enquanto que as fibras podem ter grânulos pobres, pausas e gotículas, como mostrado na figura (círculos vermelhos). (A) 10% (w / v) de amido Gelose 80 em 95% (v / v) de DMSO, (b) 8% (w / v) de amido Gelose 80 em 80% (v / v) de DMSO, (c) 17 % (w / v) de pululano em 40% (v / v) de DMSO, e (d) 9% (w / v) de pululano em 80% (v / v) de DMSO. Reproduzido com permissão de ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, e com permissão de ref 12, Copyright (2014) Elsevier. &quot;width =&quot; 500 jpg &quot;/&gt; Figura 5 Avaliação de electrospinnability de (A) amido Gelose 80 e (B) dispersões de pululano como uma função da concentração de DMSO na concentração de solvente e a dispersão do biopolímero em: bom electrospinnability (círculos), pobre electrospinnability (losangos), e incapaz de electrospin (X) da. As áreas sombreadas representam aproximadamente regiões electrospinnable. Concentrações de emaranhamento também são aproximadamente rotulado. Reproduzido com permissão de ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, e com permissão de ref 12, Copyright (2014) Elsevier. <img alt="Figura 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51933/51933fig6highres.jpg" width="500" /> Figura 6 cisalhamento viscosidade (a 100 seg -1) de (A) de amido Gelose 80 e (B) dispersões de pululano como uma funçãoconcentração de biopolímero em diferentes solventes de DMSO / água. As áreas sombreadas cerca de representar a região electrospinnable. Reproduzido com permissão de ref 11, Copyright (2012) American Chemical Society, e com permissão de ref 12, Copyright (2014) Elsevier.

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Molecular Entanglement and Electrospinnability of Biopolymers

Eletrofiação é uma técnica fascinante usado para fabricar fibras de micro-nano-escala a partir de uma ampla variedade de materiais. Enredamento molecular dos polímeros constituintes, o lubrificante de fiação é essencial para electrospinning bem sucedida. Apresenta-se um protocolo para a utilização da reologia para avaliar a electrospinnability de dois biopolímeros, o amido e o pululano.

Entanglement Molecular e Electrospinnability de Biopolímeros

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

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Vídeo: Molecular Entanglement and Electrospinnability of Biopolymers

Electrospinning Fundamentals: Optimizing Solution and Apparatus Parameters

Electrospun nanofiber scaffolds have been shown to accelerate the maturation, improve the growth, and direct the migration of cells in vitro. Electrospinning is a process in which a charged polymer jet is collected on a grounded collector; a rapidly rotating collector results in aligned nanofibers while stationary collectors result in randomly oriented fiber mats. The polymer jet is formed when an applied electrostatic charge overcomes the surface tension of the solution. There is a minimum concentration for a given polymer, termed the critical entanglement concentration, below which a stable jet cannot be achieved and no nanofibers will form - although nanoparticles may be achieved (electrospray). A stable jet has two domains, a streaming segment and a whipping segment. While the whipping jet is usually invisible to the naked eye, the streaming segment is often visible under appropriate lighting conditions. Observing the length, thickness, consistency and movement of the stream is useful to predict the alignment and morphology of the nanofibers being formed. A short, non-uniform, inconsistent, and/or oscillating stream is indicative of a variety of problems, including poor fiber alignment, beading, splattering, and curlicue or wavy patterns. The stream can be optimized by adjusting the composition of the solution and the configuration of the electrospinning apparatus, thus optimizing the alignment and morphology of the fibers being produced. In this protocol, we present a procedure for setting up a basic electrospinning apparatus, empirically approximating the critical entanglement concentration of a polymer solution and optimizing the electrospinning process. In addition, we discuss some common problems and troubleshooting techniques.

Electrospinning techniques can create a variety of nanofibrous scaffolds for tissue engineering or other applications. We describe here a procedure to optimize the parameters of the electrospinning solution and apparatus to obtain fibers with the desired morphology and alignment. Common problems and troubleshooting techniques are also presented.

Fundamentos eletrofiação: Solução de Otimização e Parâmetros Aparelho

Electrospun nanofiber scaffolds have been shown to accelerate the maturation, improve the growth, and direct the migration of cells in vitro. ...

Bioengenharia

Air Filter Devices Including Nonwoven Meshes of Electrospun Recombinant Spider Silk Proteins

Based on the natural sequence of Araneus diadematus Fibroin 4 (ADF4), the recombinant spider silk protein eADF4(C16) has been engineered. This highly repetitive protein has a molecular weight of 48kDa and is soluble in different solvents (hexafluoroisopropanol (HFIP), formic acid and aqueous buffers). eADF4(C16) provides a high potential for various technical applications when processed into morphologies such as films, capsules, particles, hydrogels, coatings, fibers and nonwoven meshes. Due to their chemical stability and controlled morphology, the latter can be used to improve filter materials. In this protocol, we present a procedure to enhance the efficiency of different air filter devices, by deposition of nonwoven meshes of electrospun recombinant spider silk proteins. Electrospinning of eADF4(C16) dissolved in HFIP results in smooth fibers. Variation of the protein concentration (5-25% w/v) results in different fiber diameters (80-1,100 nm) and thus pore sizes of the nonwoven mesh.
Post-treatment of eADF4(C16) electrospun from HFIP is necessary since the protein displays a predominantly &alpha;-helical secondary structure in freshly spun fibers, and therefore the fibers are water soluble. Subsequent treatment with ethanol vapor induces formation of water resistant, stable &beta;-sheet structures, preserving the morphology of the silk fibers and meshes. Secondary structure analysis was performed using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and subsequent Fourier self-deconvolution (FSD).
The primary goal was to improve the filter efficiency of existing filter substrates by adding silk nonwoven layers on top. To evaluate the influence of electrospinning duration and thus nonwoven layer thickness on the filter efficiency, we performed air permeability tests in combination with particle deposition measurements. The experiments were carried out according to standard protocols.

Spider silk fibers display extraordinary mechanical properties. Engineered Araneus diadematus Fibroin 4 (eADF4) can be processed into nonwoven meshes using electrospinning. Here, the eADF4 nonwoven meshes are used to improve the performance of air filtering devices.

Filtro de ar de dispositivos, incluindo malhas não tecidos de electrospun Proteínas Recombinantes de seda de aranha

Based on the natural sequence of Araneus diadematus Fibroin 4 (ADF4), the recombinant spider silk protein eADF4(C16) has been engineered. This highly ...

Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications

Superhydrophobic materials, with surfaces possessing permanent or metastable non-wetted states, are of interest for a number of biomedical and industrial applications. Here we describe how electrospinning or electrospraying a polymer mixture containing a biodegradable, biocompatible aliphatic polyester (e.g., polycaprolactone and poly(lactide-co-glycolide)), as the major component, doped with a hydrophobic copolymer composed of the polyester and a stearate-modified poly(glycerol carbonate) affords a superhydrophobic biomaterial. The fabrication techniques of electrospinning or electrospraying provide the enhanced surface roughness and porosity on and within the fibers or the particles, respectively. The use of a low surface energy copolymer dopant that blends with the polyester and can be stably electrospun or electrosprayed affords these superhydrophobic materials. Important parameters such as fiber size, copolymer dopant composition and/or concentration, and their effects on wettability are discussed. This combination of polymer chemistry and process engineering affords a versatile approach to develop application-specific materials using scalable techniques, which are likely generalizable to a wider class of polymers for a variety of applications.

Two- and three-dimensional superhydrophobic polymeric materials are prepared by electrospinning or electrospraying biodegradable polymers blended with a lower surface energy polymer of similar composition.

Fabricação de super-hidrofóbicas Materiais Poliméricos para aplicações biomédicas

Superhydrophobic materials, with surfaces possessing permanent or metastable non-wetted states, are of interest for a number of biomedical and industrial ...

Fabricating Degradable Thermoresponsive Hydrogels on Multiple Length Scales via Reactive Extrusion, Microfluidics, Self-assembly, and Electrospinning

While various smart materials have been explored for a variety of biomedical applications (e.g., drug delivery, tissue engineering, bioimaging, etc.), their ultimate clinical use has been hampered by the lack of biologically-relevant degradation observed for most smart materials. This is particularly true for temperature-responsive hydrogels, which are almost uniformly based on polymers that are functionally non-degradable (e.g., poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) or poly(oligoethylene glycol methacrylate) (POEGMA)). As such, to effectively translate the potential of thermoresponsive hydrogels to the challenges of remote-controlled or metabolism-regulated drug delivery, cell scaffolds with tunable cell-material interactions, theranostic materials with the potential for both imaging and drug delivery, and other such applications, a method is required to render the hydrogels (if not fully degradable) at least capable of renal clearance following the required lifetime of the material. To that end, this protocol describes the preparation of hydrolytically-degradable hydrazone-crosslinked hydrogels on multiple length scales based on the reaction between hydrazide and aldehyde-functionalized PNIPAM or POEGMA oligomers with molecular weights below the renal filtration limit. Specifically, methods to fabricate degradable thermoresponsive bulk hydrogels (using a double barrel syringe technique), hydrogel particles (on both the microscale through the use of a microfluidics platform facilitating simultaneous mixing and emulsification of the precursor polymers and the nanoscale through the use of a thermally-driven self-assembly and cross-linking method), and hydrogel nanofibers (using a reactive electrospinning strategy) are described. In each case, hydrogels with temperature-responsive properties similar to those achieved via conventional free radical cross-linking processes can be achieved, but the hydrazone cross-linked network can be degraded over time to re-form the oligomeric precursor polymers and enable clearance. As such, we anticipate these methods (which may be generically applied to any synthetic water-soluble polymer, not just smart materials) will enable easier translation of synthetic smart materials to clinical applications.

Protocols are described for the fabrication of degradable thermoresponsive hydrogels based on hydrazone cross-linking of polymeric oligomers on the bulk scale, microscale, and nanoscale, the latter for preparation of both gel nanoparticles and nanofibers.

Fabricando degradáveis hidrogel de Thermoresponsive em várias escalas de comprimento através da extrusão reativa, microfluídica, auto-montagem e eletrofiação

While various smart materials have been explored for a variety of biomedical applications (e.g., drug delivery, tissue engineering, bioimaging, etc.), ...

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

Living organisms that use water are always prone to drying in the environment. Their activities are driven by biopolymer-based micro- and macro-structures, as seen in the cases of moving water in vascular bundles and moisturizing water in skin layers. In this study, we developed a method for assessing the effect of aqueous liquid crystalline (LC) solutions composed of biopolymers on drying. As LC biopolymers have megamolecular weight, we chose to study polysaccharides, cytoskeletal proteins, and DNA. The observation of biopolymer solutions during drying under polarized light reveals milliscale self-integration starting from the unstable air-LC interface. The dynamics of the aqueous LC biopolymer solutions can be monitored by evaporating water from a one-side-open cell. By analyzing the images taken using cross-polarized light, it is possible to recognize the spatio-temporal changes in the orientational order parameter. This method can be useful for the characterization of not only artificial materials in various fields, but also natural living tissues. We believe that it will provide an evaluation method for soft materials in the biomedical and environmental fields.

A method for the drying-induced self-integration of megamolecular biopolymers on the air-liquid crystalline interface is provided here. This methodology will be useful not only for understanding the macroscopic potentials of biopolymers, but also as an evaluation method for soft materials in biomedical and environmental fields.

Os métodos para a auto-integração da Megamolecular Biopolímeros na secagem ao ar-LC interface

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

DNA Nanotubes as a Versatile Tool to Study Semiflexible Polymers

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of flexible polymers nor of rigid rods. Underlying filaments remain outstretched due to their non-vanishing backbone stiffness, which is quantified via the persistence length (lp), but they are also subject to strong thermal fluctuations. Their finite bending stiffness leads to unique, non-trivial collective mechanics of bulk networks, enabling the formation of stable scaffolds at low volume fractions while providing large mesh sizes. This underlying principle is prevalent in nature (e.g., in cells or tissues), minimizing the high molecular content and thereby facilitating diffusive or active transport. Due to their biological implications and potential technological applications in biocompatible hydrogels, semiflexible polymers have been subject to considerable study. However, comprehensible investigations remained challenging since they relied on natural polymers, such as actin filaments, which are not freely tunable. Despite these limitations and due to the lack of synthetic, mechanically tunable, and semiflexible polymers, actin filaments were established as the common model system. A major limitation is that the central quantity lp cannot be freely tuned to study its impact on macroscopic bulk structures. This limitation was resolved by employing structurally programmable DNA nanotubes, enabling controlled alteration of the filament stiffness. They are formed through tile-based designs, where a discrete set of partially complementary strands hybridize in a ring structure with a discrete circumference. These rings feature sticky ends, enabling the effective polymerization into filaments several microns in length, and display similar polymerization kinetics as natural biopolymers. Due to their programmable mechanics, these tubes are versatile, novel tools to study the impact of lp on the single-molecule as well as the bulk scale. In contrast to actin filaments, they remain stable over weeks, without notable degeneration, and their handling is comparably straightforward.

Semiflexible polymers display unique mechanical properties that are extensively applied by living systems. However, systematic studies on biopolymers are limited since properties such as polymer rigidity are inaccessible. This manuscript describes how this limitation is circumvented by programmable DNA nanotubes, enabling experimental studies on the impact of filament rigidity.

Nanotubos de DNA como uma ferramenta versátil para estudar semiflexível polímeros

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of ...

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(&#949;-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology with great potential for biomedical applications. The technique facilitates the direct deposition of biocompatible polymer fibers to fabricate well-ordered scaffolds in the sub-micron to micro scale range. The establishment of a stable, viscoelastic, polymer jet between a spinneret and a collector is achieved using an applied voltage and can be direct-written. A significant benefit of a typical porous scaffold is a high surface-to-volume ratio which provides increased effective adhesion sites for cell attachment and growth. Controlling the printing process by fine-tuning the system parameters enables high reproducibility in the quality of the printed scaffolds. It also provides a flexible manufacturing platform for users to tailor the morphological structures of the scaffolds to their specific requirements. For this purpose, we present a protocol to obtain different fiber diameters using melt electrospinning writing (MEW) with a guided amendment of the parameters, including flow rate, voltage and collection speed. Furthermore, we demonstrate how to optimize the jet, discuss often experienced technical challenges, explain troubleshooting techniques and showcase a wide range of printable scaffold architectures.

This protocol serves as a comprehensive guideline to fabricate scaffolds via electrospinning with polymer melts in a direct writing mode. We systematically outline the process and define the appropriate parameter settings for achieving targeted scaffold architectures.

Derreter a eletrofiação escrita de andaimes Poly(ε-caprolactone) tridimensional com morfologias controláveis para aplicações de engenharia de tecidos

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology ...

Vapor Phase Deposition of Electroactive Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) onto Electrospun Commodity Polymer Nanofibers

This study investigates the preparation of polyacrylonitrile (PAN) nanofibers through electrospinning to create highly porous and strong materials for applications in water purification, electrocatalysis, and biomedicine. The uniformly white PAN nanofiber mats were cut into 2 cm x 2 cm coupons to ensure consistency. After electrospinning, these nanofibers were coated with an electroactive polymer (EAP) using chemical vapor deposition, with iron (III) chloride (FeCl3) serving as an oxidant for polymerizing 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) into poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). The study examined the impact of different FeCl3 concentrations on PEDOT deposition on the PAN coupons. PEDOT deposition led to an increase in coupon weight. Scanning electron microscopy (SEM) revealed increases in the diameter of the nanofibers treated with increasing FeCl3 oxidant concentration, although higher FeCl3&#160;concentrations caused inter-fiber bridging, implying a concomitant decrease in inter-fiber spacing. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was used to confirm the presence of Fe, Cl, and S in the nanofibers, with sulfur content rising with FeCl3&#160;concentration used, suggesting increased PEDOT deposition efficiency with increasing oxidant concentration. Mechanical testing showed that PEDOT-coated PAN fibers had improved tensile strength and toughness in the hydrated state compared to pure PAN nanofibers. These results highlight the crucial role of FeCl3&#160;concentration in influencing the morphology and properties of PAN-PEDOT composites, enhancing their suitability for applications such as water purification, tissue engineering, biosensing, catalysis, and energy storage.

This paper describes a simple technique for coating electrospun PAN nanofibers with electroactive polymers using vapor deposition. The effects of the oxidant FeCl&#8323; on the deposition of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) coatings on PAN were investigated to understand and optimize polymer growth, fiber diameter, and overall mechanical strength of the nanofiber mats.

Deposição em fase de vapor de poli eletroativo (3,4-etilenodioxitiofeno) em nanofibras de polímero de commodity eletrofiada

This study investigates the preparation of polyacrylonitrile (PAN) nanofibers through electrospinning to create highly porous and strong materials for ...

Química

Controlling Electrospun Polymer Morphology for Tissue Engineering Demonstrated Using hepG2 Cell Line

Electrospinning affords researchers the opportunity to fabricate reproducible micro to nanoscale polymer fibers. The 3D fibrous architecture of electrospun polymers is regarded as a structural imitation of the extracellular matrix (ECM). Hence, electrospun fibers fabricated from biocompatible polymers have been widely investigated by tissue engineering researchers for their potential role as an artificial ECM for guiding tissue growth both in vitro and in vivo. All cells are acutely sensitive to their mechanical environment. This has been demonstrated by the discovery of multiple mechanotransduction pathways intrinsically linked to the cytoskeletal actin filaments. The cytoskeleton acts as a mechanical sensor that can direct the functionality and differentiation of the host cell depending on the stiffness and morphology of its substrate. Electrospun fibers can be tuned both in terms of fiber size and morphology to easily modulate the mechanical environment within a fibrous polymer scaffold. Here, methods for electrospinning polycaprolactone (PCL) for three distinct morphologies at two different fiber diameters are described. The morphological fiber categories consist of randomly oriented fibers, aligned fibers, and porous cryogenically spun fibers, with 1 &#181;m and 5 &#181;m diameters. The methods detailed within this study are proposed as a platform for investigating the effect of electrospun fiber architecture on tissue generation. Understanding these effects will allow researchers to optimize the mechanical properties of electrospun fibers and demonstrate the potential of this technology more thoroughly.

This method provides the means to test different polycaprolactone fiber morphologies and topographies for the purpose of tissue engineering. Small and large fibers are fabricated with random orientations, aligned orientations, and also porous cryogenically electrospun structures and used as platforms for cell culture.

Electrospinning affords researchers the opportunity to fabricate reproducible micro to nanoscale polymer fibers. The 3D fibrous architecture of ...

Procedure for Fabricating Biofunctional Nanofibers

Electrospinning is an effective processing method for preparing nanofibers decorated with functional groups. Nanofibers decorated with functional groups may be utilized to study material-biomarker interactions i.e. act as biosensors with potential as single molecule detectors. We have developed an effective approach for preparing functional polymers where the functionality has the capacity of specifically binding with a model protein. In our model system, the functional group is 2,4-dinitrophenyl (DNP) and the protein is anti-DNP IgE (Immunoglobulin E). The functional polymer, &alpha;,&omega;-bi[2,4-dinitrophenyl caproic][poly(ethylene oxide)-b-poly(2-methoxystyrene)-b-poly(ethylene oxide)] (CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP), is prepared by anionic living polymerization. The difunctional initiator utilized in the polymerization was prepared by electron transfer reaction of &alpha;-methylstyrene and potassium (mirror) metal. The 2-methoxystyrene monomer was added first to the initiator, followed by the addition of the second monomer, ethylene oxide, and finally the living polymer was terminated by methanol. The &alpha;,&omega;-dihydroxyl polymer [HO-PEO-P2MS-PEO-OH] was reacted with N-2,4-DNP-&isin;-amino caproic acid, by DCC coupling, resulting in the formation of &alpha;,&omega;-bi[2,4-dinitrophenylcaproic][poly(ethyleneoxide)-b-poly(2-methoxystyrene)-b-poly(ethylene oxide)] (CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP). The polymers were characterized by FT-IR, 1H NMR and Gel Permeation Chromatography (GPC). The molecular weight distributions of the polymers were narrow (1.1-1.2) and polymers with molecular weights greater than 50,000 was used in this study. The polymers were yellow powders and soluble in tetrahydrofuran. A water soluble CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP/ DMEG (dimethoxyethylene glycol) complex binds and achieves steady state binding with solution IgE within a few seconds. Higher molecular weight (water insoluble i.e. around 50,000) CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP polymers, containing 1% single wall carbon nanotubes (SWCNT) were processed into electroactive nanofibers (100 nm to 500 nm in diameter) on silicon substrate. Fluorescence spectroscopy shows that anti-DNP IgE interacts with the nanofibers by binding with the DNP functional groups decorating the fibers. These observations suggest that appropriately functionalized nanofibers hold promise for developing biomarker detection device.

An efficient approach for preparing nanofibers decorated with functional groups capable of specifically interacting with proteins is described. The approach first requires the preparation of a polymer functionalized with the appropriate functional group. The functional polymer is fabricated into nanofibers by electrospinning. The effectiveness of the binding of the nanofibers with a protein is studied by confocal microscopy.

Procedimento para a fabricação de nanofibras biofuncionais

Electrospinning is an effective processing method for preparing nanofibers decorated with functional groups. Nanofibers decorated with functional groups ...