Deformations and Interactions of (Nano-)Fibers

Titelangaben

Neugirg, Benedikt R.:
Deformations and Interactions of (Nano-)Fibers.
Bayreuth , 2017 . - 167 S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Wood, nacre and spider silk are examples for mechanically exceptional biological high-performance materials. These materials are most valuable because they provide insights into nature’s principal concepts of material design and, therefore, might play a significant role in facing the global challenges of our time. It is amazing, how nature starts out from a very limited (the natural) repertoire of chemical compounds and assembles/structures these materials at benign (natural) conditions at highest efficiency to grow these outstanding materials. Despite the limitations involved in the natural process and modern industry overcoming all of those limitations separately, biological high-performance materials still cannot be recreated artificially. Intense research on structural biomaterials revealed two principal concepts, which are held liable for the exceptional mechanical properties: hierarchical structuring over several length scales and the use of composite materials (and the combination of both concepts, respectively). Both concepts can be found for many examples throughout nature and very often (nano-)fibers form the basic building unit on the lowest hierarchical level. Transferring these concepts to synthetic materials first requires full comprehension of the natural process, starting from the basic structural component, i.e. the (nano-)fiber. This thesis contributes to that understanding by further developing methods to fully characterize (nano-)fibers in terms of their mechanical behavior as well as with regard to their interactions. Investigations of individual fibers with micro- or nanoscopic diameters impose special requirements on the measurement technique. Atomic force microscopy (AFM) is an attractive platform to go beyond fiber imaging and sensitively deform such fibers mechanically or even directly measure their interactions among each other or with further objects. In this thesis, mechanical characterization of nanofibers is accomplished by AFM-based microscopic three-point deformation testing. This method involves depositing fiber specimen on a glass substrate, which is pre-structured with microchannels. Fiber segments that are suspended over the microchannels (i.e. free-standing segments) are accessible for controlled deformations perpendicular to their long axis by an AFM cantilever. The resulting force-deformation curves allow to derive the mechanical properties of the fibers. This approach facilitates mechanical characterization of consecutive short segments along a single (nano-)fiber. It is receptive for testing reversibly or irreversibly (until rupture) and at controlled environmental conditions. The Young’s modulus of nanofibers, for instance, can be determined very precisely using a tipless AFM cantilever and applying small, elastic deformations. The standard method for mechanical testing of macroscopic fibers is the uniaxial tensile tester, which benefits from the simple setup and straightforward data evaluation. However, when testing nanofibers, tensile testing suffers from inherent specimen limitations and the coarse force resolution. To ensure comparability of mechanical fiber studies based on either of the two methods (tensile testing or AFM three-point deformation), identically prepared, electrospun polyvinyl alcohol nanofibers have been tested using both approaches (chapter III.2). The elucidated conformity and the mutual validation of methods is a crucial step for advanced nanofiber design. Furthermore, this study provides insights into the molecular structure of electrospun nanofibers. Both testing methods independently agree on significantly increasing Young’s moduli when fiber diameters decrease. This can be explained by the extraordinary shear rates during electrospinning, which stretch and align the polymer chains close to the fiber surface. This effect dominates the Young’s modulus more and more as the fiber diameter decreases because the surface-to-volume ratio increases accordingly. The special interest in spider dragline silk arises from its outstanding rupture properties, e.g. extensibility and toughness. Those parameters can be determined for nanofibers as well, when the aforementioned AFM-based three-point deformation testing is modified: using a cantilever with a sharp tip allows for lateral deformations of the free-standing fiber segment and hence, instrumentally, for larger deformations. In chapter III.3, this approach was employed to determine the complete mechanical spectrum of electrospun, recombinant spider silk protein nanofibers while explicitly investigating the influence of β-sheet content in the protein and environmental humidity. As the main result, it became evident that spider silk can only reach the natural thread’s toughness at high physical cross-linking (high β-sheet content) and high hydration. The “colloidal probe technique” utilizes colloidal particles attached to tipless AFM cantilevers to directly determine their interaction with other surfaces. This technique can be modified with regard to fiber-fiber interactions when a fiber segment is immobilized at the cantilever and approached to or retracted from a second fiber in crossed-cylinder geometry. An exemplary system for such measurements are 1,3,5-cyclohexanetrisamides (CTAs), which are studied in chapter III.4. CTAs can be synthesized with different peripheral groups (alkyl and perfluorinated in this work), which largely allows to control the respective surface chemistry. Furthermore, these molecules exhibit strong cohesion forces making them capable of supramolecular self-assembly. The strong cohesion also facilitates CTAs to be melt-electrospun to smooth fibers of diameters around 5 μm. To avoid capillary forces, the AFM-based fiber-fiber interaction measurements have been conducted in aqueous salt solutions of controlled ionic strength and for symmetric systems, i.e. both fibers are made of the same material, respectively. Evaluation according to the DLVO theory yields an effective surface charge density, which is higher for the alkyl system compared to the perfluorinated one. This result is in accordance with studies on self-assembled monolayer films with similar terminating groups and can be attributed to the asymmetric adsorption of hydroxide ions from the aqueous solution. The surface properties of such fibers are the basis to understand fiber interactions and also the interactions of fibers with other particles, e.g. as relevant for filtration. In summary, this thesis demonstrates generic AFM-based approaches to comprehensively characterize (nano-)fibers. The methodical principles have been exemplarily shown with respect to a broad material spectrum (polymer, protein, supramolecule). The individual studies provide insights into the fiber formation process in electrospinng, the molecular picture of spider silk mechanics at different environmental conditions and low molecular weight supramolecules.

Abstract in weiterer Sprache

Mechanisch herausragende, biologische Hochleistungsmaterialien wie Holz, Perlmutt oder Spinnenseide können bedeutend dazu beitragen, die globalen Herausforderungen unserer Zeit zu meistern. Dabei ist ihre jeweils direkte Verwendung als Werkstoff nachrangig. Viel wichtiger ist, dass wir durch sie einen Einblick gewinnen können, nach welchen Konzepten die Natur derartige Materialien aufbaut. Basierend auf einem limitierten Repertoire an (natürlichen) chemischen Bausteinen werden diese Materialien in der Natur bei milden (natürlichen) Prozessbedingungen höchst effizient assembliert und strukturiert. Und trotz dieser (natürlichen) Einschränkungen bleiben sie bezüglich ihres Herstellungsprozesses und vor allem bezüglich ihres Eigenschaftsspektrums für den Menschen mit seinen weitreichenden Fabrikations-Möglichkeiten bis dato tatsächlich „unnachahmlich“. Verantwortlich für die außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften biologischer Hochleistungsmaterialien sind hauptsächlich zwei grundlegende Konzepte: deren hierarchische Strukturierung und ihr Aufbau als Kompositmaterialien (bzw. die Kombination dieser beiden Konzepte). Beinahe allgegenwärtig findet man beides auf der Basis (nano-)fibrillärer Grundbausteine verwirklicht. Voraussetzung für ein anwendungsrelevantes Verständnis biologischer Hochleistungsmaterialien ist zunächst ein umfassendes Verständnis dieser Grundbausteine. So ist die Entwicklung von Methoden zur umfassenden Charakterisierung von (Nano-)fasern, sowohl mechanisch als auch in Bezug auf deren Wechselwirkungen, das übergeordnete Ziel dieser Arbeit. Derartige Untersuchungen einzelner Fasern mit mikro- oder nanoskopischem Durchmesser stellen besondere Ansprüche an die Messmethode. Die Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy, AFM) bildet eine attraktive Möglichkeit über die reine Visualisierung hinaus diesen Ansprüchen gerecht zu werden und die mechanischen Eigenschaften solcher Fasern sensitiv zu untersuchen oder sogar ihre Wechselwirkungen untereinander oder mit anderen Objekten direkt zu messen. Die mechanischen Untersuchungen in dieser Arbeit wurden mittels AFM-basierter mikroskopischer Dreipunkt-Deformationsversuche durchgeführt. Hierbei werden die betreffenden Fasern zunächst auf einem Glassubstrat, das mit Mikrokanälen vorstrukturiert ist, abgelegt. Die über den Kanälen freistehenden Fasersegmente können mittels eines AFM Cantilevers senkrecht zur Faserachse kontrolliert deformiert werden. Aus den resultierenden Kraft-Deformationskurven lassen sich die mechanischen Eigenschaften der Fasern ableiten. Diese Methode erlaubt es, (Nano-)fasern entlang konsekutiver, kurzer Segmente reversibel und irreversibel (bis zum Bruch) bei kontrollierten Umgebungsbedingungen mechanisch zu charakterisieren. Elastische, vertikale Deformationen ausgeübt mit spitzenlosen AFM Cantilevern und hoher Kraftauflösung geben beispielsweise zuverlässige Werte für den E-Modul solcher Nanofasern. Dies wird dann besonders deutlich, wenn identisch hergestellte, elektrogesponnene Nanofasern aus Polyvinylalkohol sowohl mit dieser AFM-basierten Methode, als auch mit dem komplementären – da uniaxialen – Zug-Dehnungsversuch getestet werden (Kapitel III.2). Letzterer ist die Standardmethode für die mechanische Charakterisierung makroskopischer Fasern und die Dateninterpretation dementsprechend etabliert, steht aber in Bezug auf Nanofasern der AFM-basierten Methode in Kraftauflösung und Probenanforderungen (Mindestlänge und –durchmesser der Fasern) nach. Die erstmalige Verifizierung der Konformität beider Methoden ist Grundlage für die Vergleichbarkeit von Faserstudien. Darüber hinaus gibt diese Studie Einblicke in die molekulare Struktur elektrogesponnener Nanofasern. Wie mit beiden mechanischen Testmethoden unabhängig zu beobachten ist, steigt der E-Modul mit sinkendem Faserdurchmesser signifikant an. Dies ist auf die hohen Scherraten beim Elektrospinning zurückzuführen, welche die Molekülketten an der Faseroberfläche verstrecken und entlang der Faserachse ausrichten. Dieser Effekt dominiert den E-Modul umso stärker je größer das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis, also je kleiner der Faserdurchmesser wird. Bei Nanofasern aus (rekombinanten) Spinnenseiden ist vor allem das Bruchverhalten, also die Bruchdehnung und die Zähigkeit, von Interesse. Diese Größen sind über eine Abwandlung der vorangegangenen Dreipunkt-Deformationsversuche zugänglich: die Verwendung eines Cantilevers mit Spitze ermöglicht nunmehr die laterale Deformation eines freistehenden Fasersegments welche instrumentell bedingt größere Faserdeformationen erlaubt. In der Studie in Kapitel III.3 wurde so das gesamte mechanische Spektrum rekombinanter, elekrogesponnener Spinnenseidenproteine untersucht wobei einzelne Einflussparameter isoliert beobachtet werden konnten: das Elektrospinning bzw. die Fasernachbehandlung im Alkohol-Dampf erlauben es den Anteil von β-Faltblattstrukturen in den Fasern einzustellen. Im Zusammenspiel mit dem Luftfeuchtigkeitsgehalt der Umgebung zeigt sich so, dass nur Fasern mit hohem Quervernetzungsgrad durch β-Faltblätter und hohem Wassergehalt die Zähigkeit natürlicher Spinnenseide erreichen. Um Wechselwirkungen von Fasern zu detektieren, kann die sogenannte „Colloidal Probe“ Methode, bei der kolloidale Partikel an spitzenlose AFM Cantilever geheftet werden, abgewandelt werden. Das Anbringen eines einzelnen Fasersegments an einen spitzenlosen Cantilever mittels Mikromanipulation ermöglicht ein anschließendes Annähern und Entfernen dieser Faser an eine zweite Faser und zeigt so deren Wechselwirkungen in ihrer Kraft-Abstandskorrelation. 1,3,5-Cyclohexantrisamide (CTAs) eignen sich modellhaft für solche Versuche, da sie zum einen mit verschiedenen peripheren Gruppen (hier Alkyl bzw. perfluoriert) synthetisiert werden können und somit Kontrolle über die Oberflächenchemie bieten. Zum anderen bilden CTAs Supramoleküle aus und können aufgrund ihrer großen intermolekularen Kohäsion zu Fasern schmelz-elektrogesponnen. Diese Fasern sind mit glatten Oberflächen und Durchmessern um etwa 5 μm ideal für Faser-Faser-Wechselwirkungsmessungen. Um Kapillarkräfte zu vermeiden, wurden solche Faser-Faser-Experimente in wässrigen Salzlösungen kontrollierter Ionenstärke durchgeführt und konnten dann gemäß der DLVO-Theorie interpretiert werden (Kapitel III.4). Als Ergebnis erhält man bei symmetrischen Versuchen (beide Fasern bestehen aus dem gleichen Material) die effektive Oberflächenladungsdichte, welche wie bei flachen Filmen für das alkylierte System aufgrund asymmetrischer Adsorption von Hydroxidionen größer ist als bei dem perfluorierten System. Auf dieser Basis können Wechselwirkungen von Fasern untereinander sowie weiterführend von Fasern mit Umgebungspartikeln interpretiert werden. Diese Kenntnisse ermöglichen ein prinzipielles Verständnis etwa von Filtrationsprozessen. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit AFM-basierte, generische Herangehensweisen weiterentwickelt, welche es erlauben, (Nano-)Fasern umfangreich zu charakterisieren. Diese methodischen Grundlagen wurden beispielhaft auf Vertreter eines breiten Materialspektrums (Polymer, Protein, Surpramoleküle) angewendet und vertiefen dabei das Verständnis des Faserspinnprozesses beim Elektrospinnen, rekombinanter Spinnenseidenproteine bei unterschiedlichen Umwelteinflüssen sowie von niedermolekularen Supramolekülen.