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

Er is veel belangstelling om extra chemicaliën en brandstoffen afkomstig van biomassa, zoals koolstof die door planten tijdens de fotosynthese is een deel van de huidige CO _2-cyclus. De meeste afgezonderd koolstof (42-44%) in de vorm van cellulose, een polymeer bestaande uit β 1-4 gebonden glucopyranose-eenheden; wanneer gehydrolyseerd kan glucose worden gebruikt als de primaire reactant voor fermentatie tot alcohol gebaseerde brandstoffen. Echter, celwand architectuur van houtige gewassen is geëvolueerd millennia creëren van een materiaal dat bestand is tegen afbraak in de natuurlijke omgeving ^1. Deze stabiliteit draagt ​​over in de industriële verwerking van houtachtige materialen zoals energiegewassen maken van cellulose moeilijk toegankelijk, isoleren, en afbraak in glucose. Een nadere blik op de ultrastructuur van de secundaire celwand blijkt dat het een polymeer nanocomposiet bestaande uit gelaagde parakristallijne cellulosemicrovezels ingebed in een amorfe matrix van lignine en zoomicelluloses ^2-4. De langsrichting georiënteerde cellulose microfibrillen een diameter van ongeveer 2-5 nm, die samen worden samengevoegd met andere hetero-polysacchariden tot grotere eenheden fibrilbundels ⁵ vormen. De fibrilbundels zijn ingebed in een lignine-hemicellulose complex bestaat uit een amorf polymeer van fenylpropanol eenheden met een aantal koppelingen met andere hetero-polysacchariden zoals glucoronoxylan ^4. Bovendien is deze structuur verder georganiseerd in lagen of lamellen gehele verhoute secundaire celwand ^6-8. Enzymen, zoals cellulases, hebben een zeer moeilijke tijd de toegang cellulose in de celwand als het wordt gevonden in zijn fibrillen vorm en ingebed in lignine. De kern van echt maken biobased brandstoffen en hernieuwbare chemische platforms een realiteit is om processen die economisch kan de versuikering van cellulose in de oorspronkelijke vorm te ontwikkelen.

Nieuwe chemische en imaging technologieën zijn hulp bij de study van de bij de versuikering van cellulose ^9,10 mechanismen. Veel werk is gericht op Raman confocale beelden ¹¹ en atomic force microscopie ¹² aan de celwand chemische samenstelling en morfologie bestuderen. In staat zijn om mechanismen van delignificatie en versuikering voet volgen is een belangrijke stap voorwaarts, invloed op de omzetting van cellulose naar glucose. Versuikering van model cellulose oppervlakken werd geanalyseerd door het meten van enzym kinetische tarieven met een kwartskristalmicrobalans met dissipatie controle (QCM-D) ^13. Echter, inheemse celwanden zeer complex als hierboven aangegeven, en dit dubbelzinnig hoe verschillende omzettingsprocessen veranderen de structuur van de plantencelwand (molecuulgewicht van het polymeer, chemische bindingen, porositeit). Vrijstaande modellen van de celwand stoffen met bekende structurele samenstelling zou deze zorg aan te pakken en laat de integratie van monsters in state-of-art chemische en verbeeldingng apparatuur.

Er is een tekort aan celwand modellen en de weinige beschikbare kan worden gecategoriseerd als mengsels van polymere materialen en geregenereerd cellulose of bacteriële cellulose ^14, enzymatisch gepolymeriseerde lignine-polysaccharide composieten ^15-17, of model oppervlakken ^18-21. Sommige modellen die beginnen aan de celwand lijken zijn de monsters die lignine voorlopers of analogen enzymatisch gepolymeriseerd bij aanwezigheid van cellulose microfibrillen in de vorm bevatten. Echter, deze materialen lijden onder het ontbreken van georganiseerde lagenarchitectuur. Een eenvoudige route voor de creatie van nanocomposietmaterialen met de georganiseerde architectuur is de laag-voor-laag (LBL) montage techniek, gebaseerd op de sequentiële adsorptie van polymeren of nanodeeltjes met complementaire kosten of functionele groepen te organiseren meerlaagse samengestelde films ^22-25 te vormen. Vrijstaande hybride nanocomposieten van hoge sterkte, gemaakt door LbL afzetting van polymeer en nanoparticles, zijn gemeld door Kotov et al.. ^26-30. Onder de vele andere toepassingen, hebben LbL films ook onderzocht op hun potentieel gebruik in therapeutische aflevering ^31, brandstofcel membranen ^32,33, batterijen ³⁴ en lignocellulose vezel modificatie van het oppervlak ^35-37. De recente interesse in nanoschaal cellulose gebaseerde composietmaterialen hebben geleid tot de bereiding en karakterisering van LbL meerdere lagen van cellulose nanokristallen (CNC), bereid door zwavelzuur hydrolyse van cellulose vezels, en positief geladen polyelektrolieten ^38-43. Vergelijkbare studies zijn ook uitgevoerd met cellulose nanokristallen verkregen uit mariene tunicin en kationische polyelektrolieten ^44, CNC en xyloglucan ⁴⁵ en CNC en chitosan ^46. LbL multilayer vorming van gecarboxyleerd nanofibrillated celluloses (NFV), verkregen door het onder hoge druk homogenisatie van pulp vezels met kationische polyelektrolieten is ookstudeerde ^47-49. De bereiding, eigenschappen en toepassing van CNC's en nanofibrillated cellulose zijn beoordeeld in detail ^50-53.

De huidige studie heeft betrekking op de behandeling van LbL techniek als een mogelijke manier om geïsoleerde lignocellulose polymeren (zoals nanocellulose en lignine) monteren op een geordende manier als de eerste stap naar een biomimetic lignocellulose composiet met lamellaire structuur. LBL techniek werd gekozen vanwege de gunstige procescondities zoals omgevingstemperatuur, druk en water als oplosmiddel, welke voorwaarden natuurlijke samengestelde formatie ⁵⁴ zijn. In deze studie rapporteren we de meerlagige opbouw van constitutieve houten onderdelen, namelijk cellulose microfibrillen van de tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO) gemedieerde oxidatie van pulp en geïsoleerde lignine in vrijstaande lamellaire films. Twee verschillende ligninen gebruikt van verschillende extractiemethoden, een technisch lignine van de organosolv pulpproces, en de andere een lignine geïsoleerd van bal-frezen met minder modificatie tijdens isolement. Deze verbindingen worden gecombineerd met een synthetisch polyelektrolyt in deze eerste studie om de uitvoerbaarheid van het maken van stabiele vrijstaande films architectuur vergelijkbaar met de natieve celwand tonen.