Oxiderende en nanodispergerende natuurlijke zijdevezels

Resultaten en discussie

Oxidatie en isolatie van zijde-nanovezels

Figuur 1a geeft de strategie weer voor het isoleren van nanovezels uit zijdevezelmaterialen. We hebben eerst een voorbehandelingsproces gebruikt om deze zijdevezels te demonteren door ze te behandelen met mierenzuur (er vond geen chemische reactie plaats tussen aminozuur- of hydroxylgroepen met mierenzuur zoals getoond in Raman-spectra in aanvullend bestand 1:Fig. S1 en de relevante bespreking van Extra het dossier). Deze voorbehandeling demonteerde de zijdevezels tot microvezelstructuren met een breedte van 5-20 m (figuur 1a). Vervolgens werd natriumhypochloriet (NaClO) gebruikt om de gedemonteerde zijdevezels te oxideren / gedeeltelijk op te lossen (af te breken). Natriumhydroxide (NaOH) werd continu aan het mengsel toegevoegd om de pH op 10 te houden, volgens de omstandigheden voor de door TEMPO (2, 2, 6, 6-tetramethylpiperidine-1-oxyradicaal) gemedieerde oxidatie van polysachariden met behulp van TEMPO /NaClO/NaBr-systeem, terwijl in dit geval de TEMPO en NaBr niet langer nodig waren voor de oxidatie van zijdevezels vanwege de beperkte reactieve aminozuren in zijdefibroïnesequenties. De aanvankelijke zijdevezels hadden een carboxylconcentratie van ~-0.3 mM/g eiwit, wat werd toegeschreven aan de asparagine- en glutaminezuren in de moleculaire sequentie [27]. Daarna nam het carboxylgehalte van de geoxideerde zijde ongeveer lineair toe na de toevoeging van NaClO, vanwege de oxidatie van hydroxymethylgroepen op de serineresten. Toen de NaClO-toevoeging 20 mM / g eiwit bereikte, was de uiteindelijke carboxylconcentratie van de geoxideerde zijde 0,889 en 1,013 mM / g eiwit voor respectievelijk BS en AS (Fig. 1b, c). Overmatige hoeveelheden NaClO kunnen echter de zijdevezels hebben aangetast [28]. De in water onoplosbare fractie van BS en AS was bijvoorbeeld respectievelijk 58,52 en 69,30 wt%, bij de NaClO-toevoeging van 20  mM/g eiwit. Het gewichtsverlies van de in water onoplosbare fractie na oxidatie suggereerde dat de NaClO-toevoeging van ≤ 10 mM/g eiwit acceptabel was (meer dan 75% van het eiwit bleef), met betrekking tot beperkte afbraak tijdens de oxidatie. Daarom gebruikten we 10 mM NaClO per gram eiwit om BS- en AS-vezels te oxideren, waarbij het carboxylaatgehalte respectievelijk 0,724 en 0,837  mg/g eiwit voor BS en AS is.

Procesdiagram van SN's en carboxylgehalte van BS en AS. een Schema van oxidatie en dispergeren van zijdevezel tot zijdenanovezels (SN's). b Het gehalte aan carboxylgroepen en het resterende gewicht van de in water onoplosbare fractie na oxidatie van Bombyx mori (BS) overeenkomend met de toevoeging van natriumhypochloriet (NaClO). Het carboxylgehalte nam toe van 0,293 tot 0,889 mM/g BS (toevoeging van NaClO was 20 mM/g eiwit) met 58,52 wt% eiwit over. c Voor Antheraea pernyi zijde (AS). Het carboxylgehalte nam toe van 0,347 tot 1,013 mM/g AS (NaClO-toevoeging was 20 mM/g eiwit) met 69,30 wt% eiwit over

Ten slotte werden nanovezels bereikt na behandeling van de in water onoplosbare fractie met een ultrasone homogenisator (figuur 2). De scanning-elektronenmicroscopie-waarnemingen onthulden dat de oxidatie de zijde op microniveau losmaakte, waardoor vezels met een diameter van enkele micron werden gevormd, en de ultrasoonapparaatbehandeling verspreidde ze verder in nanovezels met een diameter van 105 ± 27 nm (Fig. 2c). Vergeleken met andere processen [24], die voornamelijk de oppervlaktelaag van de zijdevezels exfoliëren, werd een uiteindelijke opbrengst van ~-50% op basis van de geoxideerde zijde verkregen voor de nanovezels vanwege de elektrostatische afstotende krachten in de geoxideerde zijde. Een vergelijkbare strategie werd ook toegepast op AS-vezels. De diameter van de resulterende AS-nanovezels was 112 ± 33 nm en de contourlengte was meer dan 1 μm (Fig. 2f).

Representatieve SEM-waarneming van resulterende zijdevezels in elk proces. een Gedemonteerde BS-vezels na voorbehandeling met mierenzuur, b geoxideerde BS-vezels, en c de BS-nanovezels met een diameter van 105 ± 27 nm. d Gedemonteerde AS-vezels na voorbehandeling met mierenzuur, e geoxideerde AS-vezels, en f de AS-nanovezels met een diameter van 112 ± 33 nm. De contourlengte van BS- en AS-nanovezels is meer dan 1 μm

De kristalliniteit van zijdevezels

De zijde-eiwitmoleculen werkten als hydrofiele-hydrofobe-hydrofiele polymeren, die tijdens de vorming van hydrofiele korrels (amorfe gebieden) zich uitstrekken tot hydrofobe kernen (kristallijne gebieden) tot micellen van onregelmatige afmetingen [17]. De SN's werden geassembleerd vanwege de hechting van de buitenste gebieden tussen de micellen. Er wordt echter gesuggereerd dat de NaClO-oxidatie van zijdevezels een zwakke hechting tussen hun nanostructuren voorstelde [25]. Zoals getoond in Fig. 3a en b, waren na oxidatie de röntgendiffractie (XRD) patronen van geoxideerde BS-vezels vergelijkbaar met hun oorspronkelijke patroon, evenals de XRD-patronen van geoxideerde AS-vezels. Zo bleven de geoxideerde zijdevezels hun natuurlijke nanobouwsteen, d.w.z. β-velstructuren in zijdevezels. Aan de andere kant suggereerde de deconvolutie van deze XRD-patronen (Fig. 3c, d) een significante verandering van kristalliniteit in zowel BS- als AS-vezels na oxidatie, waarvan de details werden vermeld in Tabel 1. Hoewel oxidatie voornamelijk plaatsvond op de serineresiduen van het zijde-eiwit waren er verschillende aminogroepen in de amorfe gebieden die konden worden aangevallen door NaClO [29]. Daarom is het begrijpelijk dat de kristalliniteit van de geoxideerde BS-vezels in tabel 1 toenam van 24,8% (gedemonteerd BS) tot 41,3% (met toevoeging van 10  mM/g eiwit NaClO), gevolgd door een toename van het carboxylgehalte. Een soortgelijke tendens deed zich ook voor in het geval van geoxideerde AS-vezels, waar de kristalliniteit van deze AS-vezels werd verhoogd van 22,9 naar 39,2%. De resultaten suggereren dat, naast de elektrostatische afstotingskrachten, de vernietiging van amorfe gebieden in de zijde-eiwitten ook een belangrijke factor was bij het verspreiden van de SN's. De kristalliniteit van de geoxideerde zijdevezels (zowel BS als AS) werd gevolgd door het toenemende carboxylgehalte wanneer de NaClO-toevoeging <-10  mM/g eiwit was. De afbraak van de amorfe gebieden gaat vooraf aan de gekristalliseerde kernen van het zijde-eiwit. Overmatige hoeveelheden NaClO (20 mM/g eiwit) kunnen de zijde echter mogelijk aantasten. Dit fenomeen komt goed overeen met de resultaten die we hebben onthuld in Fig. 1b en c.

XRD-analyse van de geoxideerde zijdevezels. Röntgendiffractiepatroon (XRD) van a BS en b AS dat oxideerde met verschillende toevoegingen van NaClO. Representatieve deconvolutie en resultaten van c BS en d AS-materialen

De prestaties van zijden nanovezels

De morfologieën van de geoxideerde BS- en AS-nanovezels die werden verkregen door ultrasone trillingen van 10  mM NaClO-geoxideerde zijdevezels worden getoond in Fig. 4a en b. De BS- en AS-nanovezels hebben een vergelijkbare beeldverhouding (berekend door de ImageJ-software), waarbij respectievelijk 16,92 voor BS-nanovezels en 19,12 voor AS-nanovezels. Ter vergelijking worden de cellulose-nanovezels (CN's) en chitine-nanovezels (ChN's) bereid met behulp van TEMPO-gemedieerde oxidatie getoond in Fig. 4c en d. Om deze SN's verder te karakteriseren, werden ongeveer 50 μm dikke membranen gegoten met behulp van een oplosmiddelverdampingsmethode. Optisch transparante (meer dan 75% transmissie) zijden membranen werden geëvalueerd met behulp van een UV-Vis (van 350 tot 800 nm) spectrofotometer (Fig. 4e).

Morfologie en eigenschappentesten van SN's, CN's en ChN's. Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) observatie van resulterende a BS en b AS-nanovezels die oxideerden door toevoeging van 10 mM/g eiwit NaClO, c cellulose nanovezels (CN's), en d chitine nanovezels (ChNs) die bereikt worden door TEMPO-gemedieerde oxidatie. De schaalbalk is 500 nm. e UV-Vis-transmissie van ongeveer 50 μm dikke membranen die worden gegoten door BS, AS, cellulose (CN) en chitine (ChN) nanovezels. v Representatieve spanning-rekcurves van ongeveer 50 μm dikke membranen die worden gegoten door BS-, AS-, CN- en ChN-nanovezels. g Young's modulus van membranen die worden gegoten uit BS-, AS-, CN- en ChN-nanovezels. Gegevens vertegenwoordigen de gemiddelde SD (n = 5). u –k De watercontacthoek van het membraan gegoten door f BS-nanovezels was 58,8 ±  1,5 °, significant verminderd ten opzichte van die van geregenereerd BS-membraan (71,0 ± 0,3 °, het inzetbeeld). 55.7 ± 0.5, 40.3 ± 1.1 en 52.5 ± 0.6° van de watercontacthoek werd respectievelijk gepresenteerd in AS-, CN- en ChN-membraan

De nanovezels die met deze downsizing-methode werden verkregen, behielden een zeer kristallijne structuur en een hoge aspectverhouding. Als gevolg hiervan vertoonden deze membranen robuuste mechanische eigenschappen (Fig. 4g) met Young's moduli van 4,51 ± 0,71 en 4,43 ± 0,23 GPa voor respectievelijk BS en AS, die vergelijkbaar waren met die van de CN- en ChN-membranen (de representatieve stam en spanningscurven worden gegeven in Fig. 4f). Bovendien waren de bevochtigingseigenschappen van het BS-membraan significant verbeterd in het geregenereerde membraan door de introductie van carboxylgroepen. Zoals weergegeven in figuur 4h, is de watercontacthoek van het BS-nanovezel-gietmembraan 58,8 ±-1,5°, terwijl het geregenereerde BS-membraan (het inzetbeeld in figuur 4h) 71,0 ± 0,3° is. Bovendien werden 55,7 ± 0,5, 40,3 ± 1,1 en 52,5 ± 0,6° van de watercontacthoek weergegeven in respectievelijk AS (Fig. 4i), CN (Fig. 4j) en ChN (Fig. 4k).

Zowel CN- als ChN- en zijde-apparaten worden al tientallen jaren uitgebreid toegepast in de materiaalwetenschap [13, 30, 31], vanwege hun vergelijkbare mechanische robuustheid, verwerkingsplasticiteit en biochemische eigenschappen, enz. Natuurlijk bestaan ​​er intrinsieke verschillen in deze polysacharide- en op eiwit gebaseerde materialen. We vroegen ons daarom af hoe hun verschillen de vorming van nanovezels reguleerden. De goed gedispergeerde BS- en AS-dispersies hadden onder neutrale omstandigheden een zeta-potentiaal van respectievelijk -39.5 ± 0.66 en − 37,4 ± 2.4 mV. De elektrostatische afstoting tussen carboxylgroepen zijn tegen de hechting tussen zijde micro-/nano-fibril interfaces; dus dispergeerden deze nanovezels homogeen in de waterige fase. Interessant is dat toen de pH daalde, de H ⁺ schermde de negatief geladen oppervlakken af, wat leidde tot aggregatie van de nanovezels, zoals weergegeven in Fig. 5a en b. De aggregaten van de SN's kunnen opnieuw in water worden gedispergeerd door de pH> -7 aan te passen, of ze kunnen gemakkelijk worden verzameld na centrifugeren en vervolgens opnieuw worden gedispergeerd onder licht roeren. De onderste grafieken van Fig. 5 tonen het resterende gewicht van de SN-aggregaten die onder verschillende pH-omstandigheden zijn verzameld. Voor de BS werden 80,1 ± 1,7 en 90,9 ± 2,2 wt% (85,7 ±  2,2 en 93,6 ±  1,5 wt% voor AS) van de aggregaten teruggewonnen bij respectievelijk pH  5 en 3. Ondertussen concentreerde dit proces de SN's met ongeveer 100 keer (~  20 wt%) in vergelijking met de initiële dispersie, met een concentratie van ~ 0,2 wt%. Deze fascinerende eigenschap van de SN's werd toegeschreven aan (i) de intrinsieke pH-respons van de op eiwitten gebaseerde materialen en (ii) de flexibiliteit van de SN's van zachte materie tijdens de aggregatie- en herdispersieprocessen. Het fenomeen aggregatie-herdispersie suggereerde een veelbelovende toepassing van deze SN's als dragers voor het laden en afgeven van geneesmiddelen. Bovendien is er geen betwisting dat de resulterende SN's zeer geschikt zijn voor opslag en transport.

Herverspreidingsproces van SN's. Fotografie van het pH-responsfenomeen voor a BS en b AS nanovezels. Meer dan 80 wt% van de eiwitten (zowel BS als AS) bleef over na centrifugatie, met een eiwitgehalte van ~~20 wt%