Maskinintelligensaccelererad upptäckt av helt naturliga plastersättningar - Nature Nanotechnology

Maskinintelligensaccelererad upptäckt av helt naturliga plastersättningar – Nature Nanotechnology

Tidsstämpel: 18 mars 2024 8:00
Källnod: 2523461

material

MMT (BYK Additives Incorporation; Cloisite Na+), nordlig blekt barrvedskraftmassa (NBSK) (NIST RM 8495), TEMPO (Sigma-Aldrich, 99%), natriumbromid (NaBr, Sigma-Aldrich, ACS-reagens, ≥99.0%) , natriumhypokloritlösning (NaClO, Sigma-Aldrich, reagenskvalitet, tillgängligt klor 10–15%), natriumhydroxid (NaOH, Sigma-Aldrich, reagenskvalitet, ≥98%), gelatin (Sigma-Aldrich, från kallvattenfiskar) hud) och glycerol (Sigma-Aldrich, ACS-reagens, ≥99.5%) användes som mottagits utan ytterligare rening. Avjoniserat (DI) vatten (18.2 MΩ) erhölls från ett Milli-Q vattenreningssystem (Millipore) och användes som vattenkälla under hela detta arbete.

Beredning av MMT nanosheet dispersion

MMT nanosheet-dispersionen framställdes enligt litteraturen57. För att erhålla medelstora MMT-nanoark blandades MMT-pulver i DI-vatten med 10 mg ml-1och blandningen ultraljudsbehandlades i 2 timmar och omrördes kontinuerligt i ytterligare 12 timmar. Därefter centrifugerades blandningen vid 1,252g under 60 minuter, och supernatanten samlades sedan upp som dispersionen av MMT-nanoark med koncentrationen ca 8 mg ml-1. För att erhålla små MMT-nanoark förlängdes ultraljudstiden till 3 timmar och blandningen centrifugerades vid 5,009 XNUMXg i 60 min. Omvänt, för stora MMT nanosheets, reducerades ultraljudstiden till 1 timme och blandningen centrifugerades med en långsammare hastighet av 489g i 15 min.

Framställning av CNF-dispersion

CNF-dispersionen framställdes enligt litteraturen58. Först suspenderades 20 g NBSK-massa i 1.0 liter DI-vatten och sedan TEMPO (2 × 10-3 mol) och NaBr (0.02 mol) tillsattes till massan. Den TEMPO-medierade oxidationen initierades genom att tillsätta 0.2 mol NaClO, och oxidationsprocessen hölls under kontinuerlig omrörning i 5–6 timmar, under vilken pH-värdet kontrollerades till 10.0 genom att tillsätta NaOH-lösning (3.0 M). Den TEMPO-oxiderade massan tvättades upprepade gånger med avjoniserat vatten tills pH återgick till 7.0. Efteråt demonterades massan i en mikrofluidiseringsprocessor (Microfluidics M-110EH), och koncentrationen av CNF-dispersion var ca 10 mg ml-1.

Beredning av gelatinlösning

Totalt 8.0 g gelatin löstes i 1.0 liter avjoniserat vatten följt av kontinuerlig omrörning i 48 timmar, och koncentrationen av gelatinlösning var 8.0 mg ml-1.

Beredning av glycerollösning

Totalt 8.4 g glycerol löstes i 1.0 liter avjoniserat vatten följt av kontinuerlig omrörning i 12 timmar, och koncentrationen av glycerollösning var 8.4 mg ml-1.

Tillverkning av helt naturliga nanokompositfilmer via en automatiserad pipeteringsrobot

En automatiserad pipetteringsrobot (Opentrons OT-2) användes för att framställa olika blandningar med olika MMT/CNF/gelatin/glycerolförhållanden. För varje blandning blandades dispersionerna/lösningarna av MMT nanosheets, CNFs, gelatin och glycerol i olika volymer. Därefter vortexades de robotberedda blandningarna vid 3,000 30 rpm i 40 s och placerades i en vakuumexsickator för att avlägsna luftbubblor. Sedan göts blandningarna i en platt polystyrenbaserad behållare vid 48 °C och lufttorkades i XNUMX timmar.

Identifiering av nanokompositer av A-grad

Varje nanokompositfilm utsattes för lösgörande och planhetstestning efter att den torkat. När det gäller löstagbarhet, förutom prover som tydligt kan märkas som löstagbara eller ej löstagbara (tilläggsbild. 38), utfördes de mekaniska delamineringstesterna för att mäta bindningsenergierna för nanokompositfilmer på hydrofoba polystyrensubstrat. Som visas i tilläggsbilden. 39. alla löstagbara prover uppvisade bindningsenergierna på <0.4 J cm-2, medan de olöstagbara var med bindningsenergierna >0.6 J cm-2. Sålunda sattes tröskelbindningsenergin till 0.5 J cm-2 för att klassificera löstagbarheten av nanokompositfilmer. När det gäller planhet, förutom prover som tydligt kan märkas som plana eller krökta (tilläggsbild. 38b), användes ett konfokalmikroskop med höghastighetslaserskanning för att karakterisera grovheten hos nanokompositfilmer. Som visas i tilläggsbilden. 40, uppvisade nanokompositfilmerna som betraktades som "platta" höjdskillnader på <200 µm. Under tiden visade de som anses vara "krökta" vanligtvis höjdskillnader på >500 µm (tilläggsbild. 40b). När lösgörings- och planhetstesterna var klara identifierades endast de löstagbara och platta proverna som nanokompositer av A-grad.

Bestämning av SVM-klassificerarens noggrannhet

Efter att ha konstruerat SVM-klassificeraren undersökte vi dess prediktionsnoggrannhet med hjälp av en uppsättning testdatapunkter. Som visas i tilläggstabell 3, totalt 35 MMT/CNF/gelatin/glycerol-förhållanden valdes ut slumpmässigt och 35 nanokompositfilmer tillverkades enligt den etablerade proceduren. Lossnings- och planhetstest utfördes för att kategorisera dessa nanokompositfilmer i olika kvaliteter. Därefter matades MMT/CNF/gelatin/glycerol-förhållandena (det vill säga sammansättningsetiketter) in i SVM-klassificeraren för att erhålla de förutsagda betygen, som sedan jämfördes med de experimentella resultaten. I denna studie förutspådde SVM-klassificeraren exakt betygen för 33 av de 35 nanokompositfilmerna, vilket resulterade i en prediktionsnoggrannhet på 94.3 %.

Bestämning av ANN-baserad prediktionsmodells noggrannhet

Efter att ha konstruerat den ANN-baserade prediktionsmodellen undersökte vi dess prediktionsnoggrannhet med hjälp av en uppsättning testdatapunkter.

Avvikelsen mellan modellförutspådda egenskapsetiketter och faktiska egenskapsvärden kvantifierades med en MRE, definierad i ekvation (3),

$${rm{MRE}}=frac{1}{N},mathop{sum }limits_{i=1}^{N}vänster|frac{{{{mathrm{output}}}}^{i}- {E}^{i}}{{E}^{i}}höger|,$$

(3)

var N är det kumulativa antalet testdata, ({{{mathrm{output}}}}^{i}) är de modellförutspådda egenskapsetiketterna baserade på ett testdatum (i), ({E}^{i}) är de faktiska egenskapsvärdena för ett testdatum (i). Ett mindre MRE-värde indikerar högre prediktionsnoggrannhet och vice versa.

Karakterisering av filmtjocklek

Tjockleken på varje helt naturlig nanokomposit bestämdes initialt med hjälp av en digital mikrometer (293-340-30, Mitutoyo). För varje remsaprov som användes i det mekaniska testet mättes nanokomposittjockleken vid tre separata punkter, och det genomsnittliga tjockleksvärdet härleddes. Dessutom verifierades tjockleken på de helt naturliga nanokompositerna med hjälp av ett fältemissionsskanningselektronmikroskop (Tecan XEIA) som arbetade vid 15.0 kV. SEM-bilder i tvärsnitt togs, följt av tjockleksmätningar för att validera de tidigare avläsningarna.

Transmittansspektrumkarakterisering

Transmittansspektra för helt naturliga nanokompositer mättes med en ultraviolett (UV)-synlig spektrometer från 250 till 1,100 3600 nm (UV-365 Plus, PerkinElmer) utrustad med en integrerande sfär. Transmittansvärdena vid 550, 950 och XNUMX nm extraherades som "spektrala" etiketter (({T}_{{{mathrm{UV}}}}), ({T}_{{{mathrm{Vis}}}}) och ({T}_{{{mathrm{IR}}}})) respektive.

Brandmotståndskarakterisering

Brandmotstånden för de helt naturliga nanokompositerna bedömdes med en horisontell brännbarhetstestmetod, modifierad från standardtestmetoden (ASTM D6413)59. De helt naturliga nanokompositerna skars i 1 cm × 1 cm fyrkanter, och sedan exponerades de för lågan från en etanolbrännare i 30 s (med en lågtemperatur som sträckte sig från 600 °C till 850 °C)60. Brandmotståndet hos de helt naturliga nanokompositerna kvantifierades i termer av ({{mathrm{RR}}}). Tre replikat utfördes och genomsnittet ({{mathrm{RR}}}) värden registrerades som brandetiketter.

Karakterisering av mekaniska egenskaper

Spännings-töjningskurvorna för de helt naturliga nanokompositerna bestämdes med hjälp av en mekanisk testmaskin (Instron 68SC-05) utrustad med en 500-N lastcell. Efter kalibrering av lastcellen skars de helt naturliga nanokompositerna till 3 cm × 1 cm ränder och utsattes för ett dragprov med en förlängningshastighet på 0.02 mm s-1. Dragproven började med ett initialt fixturavstånd på 2 cm. Tre replikat utfördes för varje helt naturlig nanokomposit.

Materialkarakterisering

Ytfunktionella grupper av helt naturliga nanokompositer karakteriserades med hjälp av en Fourier-transform infraröd spektroskopi (FT-IR, Thermo Nicolet NEXUS 670).

Biokompatibilitetstester av helt naturliga nanokompositer

De cytotoxiska effekterna av helt naturliga nanokompositer på de odlade cellerna (det vill säga L929-celler) bestämdes genom att uppfylla ISO 10993. Sex helt naturliga nanokompositer med olika MMT/CNF/gelatin/glycerol-förhållanden inkuberades med Dulbeccos modifierade Eagle-medium ( DMEM, Gibco) kompletterat med fetalt bovint serum (Biological Industries) vid 37 ° C under 24 timmar, och mediet extraherades sedan för cellodling. L929-celler såddes sedan i cellodlingsplattor med 96 brunnar vid densiteten 1 × 104 celler per brunn och inkuberade i en standardcellinkubationsmiljö med 5% CO2. Efter 24 timmars cellodling avlägsnades odlingsmediet och ersattes med extrakten av helt naturliga nanokompositer följt av ytterligare 24 timmars inkubation. Efter 24 timmar togs odlingsmediet ut och 3-(4,5-dimetyltiazol-2-yl)-2,5-difenyltetrazoliumbromidlösning sattes till varje brunn. Sedan inkuberades cellodlingsplattan i 2 timmar vid 37 °C. Efter att 3-(4,5-dimetyltiazol-2-yl)-2,5-difenyltetrazoliumbromidlösningen kastats, tillsattes 200 ml dimetylsulfoxid för att lösa formazankristallerna. Formazanlösningens optiska densitet avlästes med en enzymkopplad immunosorbentanalysplattläsare vid 570 nm med en referensvåglängd på 650 nm.

Cytotoxiciteten hos helt naturliga nanokompositer utvärderades med ett kit för att upptäcka cytotoxicitet (Roche). Först inkuberades L929-cellerna med de helt naturliga nanokompositextrakten vid 37 ° C i 24 timmar, och mediet (100 µl) samlades upp och inkuberades med reaktionsblandningen från kitet enligt tillverkarens instruktioner. LDH-innehåll bedömdes genom enzymkopplad immunosorbentanalys och avlästes vid en absorbans av 490 nm i en plattläsare med en referensvåglängd på 630 nm. För att ytterligare bekräfta cytotoxiciteten hos helt naturliga nanokompositer utfördes en fluorescensbaserad levande/död analys (LIVE/DEAD kit, Life). Efter att L929-cellerna odlats med extrakten i 24 timmar, blandades kalcein med etidiumhomodimer-1 enligt tillverkarens instruktioner, och färgämnet (100 µl) blandades med det kvarhållna mediet (100 µl), som sattes till varje brunn och inkuberades vid 37 °C i 15 min. Efter inkubationen använde vi ett inverterat mikroskop (Leica DMi8) för att fånga bilder av levande (gröna) och döda (röda) celler. Fluorescens med excitationsvåglängder på 488 nm och 561 nm användes för att visualisera de gröna (515 nm) och röda (635 nm) fluorescenssignalerna som emitterades av kalcein respektive etidiumhomodimer-1. ImageJ programvara användes för att beräkna andelen levande och döda celler områden. De relativa procenten av fluorescensintensiteten bestämdes också. ImageJ användes för att kvantifiera områdena med röd och grön fluorescens, vilket gav medelvärden. Dessa numeriska värden användes sedan i kvantifieringsformeln för att bestämma fluorescensintensiteten för levande/döda celler i ekvationen (4):

$${rm{Fluorescence}},{rm{intensitet}}=({rm{Live}}/{rm{Dead}})/({rm{Live}}+{rm{Dead}}) gånger 100 % $$

(4)

MD-simuleringar

De fullständiga atomistiska simuleringarna utnyttjade ReaxFF-potentialen inom simuleringspaketet Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS)61. ReaxFF-potentialen används ofta för att beskriva kemiska bindningar och svaga interaktioner mellan cellulosakedjor och MMT-nanoark62,63. Som visas i tilläggsbilden. 41, MD-modellen av MMT/CNF nanokompositen konfigurerad som en flerskiktig mikrostruktur bestående av alternerande CNF-kedjor och MMT-nanoark, liknande SEM-observationerna i tilläggsbilden. 41b. Längden på cellulosakedjorna sattes till 104 Å, och skalan på MMT-nanoark sattes slumpmässigt in mellan 30 Å och 60 Å, motsvarande längdskalförhållandet i experimenten (LCNF:LMMT = 1:2). Cellulosakedjorna och MMT nanosheets passiverades av polära väten eller -OH-grupper. Hela systemet utjämnades under den isotermiska-isobariska ensemblen (det vill säga NPT-ensemblen) vid 300 K och 0 atm, med hjälp av Nosé-Hoover-termostaten och barostaten. Sedan applicerades den mikrokanoniska ensemblen i sträckningsprocessen. Tidssteget sattes till 0.5 fs, och de periodiska gränsvillkoren tillämpades i alla riktningar (x, y och z) för alla modeller. För att bättre förstå intermolekylära interaktioner arrangerades både cellulosakedjor och MMT-nanoark slumpmässigt i linje i den periodiska rutan. Alla beräkningar avslappnades med hjälp av konjugatgradientalgoritmen för att minimera systemets totala energi tills de totala atomkrafterna konvergerade till mindre än 10-9 eV Å-1.

Tidsstämpel:

Mer från Natur nanoteknik