تحضير هيدروجيلز الهيكل العضوي المعدني من خلال التقاط

نقدم بروتوكولاً تجريبياً جديداً لتخليق وتشكيل المواد المركبة، التي تجمع بين الأطر المعدنية العضوية (MOFs) ومجمدات الجيلاتين (gelatin coacervates). تظهر العديد من المركبات المكونة من MOF والجيلاتين حمولة منخفضة من الـ MOF ومسامية منخفضة يمكن الوصول إليها. لذا، يمكن لهذا البروتوكول إنتاج مركبات ذات خصائص مثيرة للاهتمام، وحمولة جيدة من الـ MOF، ومسامية عالية يمكن الوصول إليها، بالإضافة إلى خصائص بينية وميكانيكية جيدة.

في البداية، قم بوزن 10 جرام من الجيلاتين التجاري من النوع A المستخرج من جلد الخنزير، وبدرجة بلوم تبلغ 175 جرام، ومتوسط وزن جزيئي يقارب 40,000 جرام لكل مول، ونقطة تعادل كهربائي تبلغ ثمانية. أضف 100 مليلتر من الماء إلى مسحوق الجيلاتين الموزون لتحضير هلام جيلاتين مائي بتركيز وزني 10%. اترك حبيبات الجيلاتين لتنتفخ في ماء شديد النقاء لمدة ثلاث ساعات على الأقل عند درجة حرارة خمس خمس درجات مئوية.

قم بتسخين هلام الجيلاتين عند 50 درجة مئوية لتحضير محلول جيلاتين مائي. استخدم محركاً مغناطيسياً لتقليب محلول الجيلاتين لمدة 30 دقيقة بسرعة 300 دورة في الدقيقة. وبمجرد الحصول على محلول جيلاتين رائق، احتفظ به عند 50 درجة مئوية.

في قارورة وميضية سعة 25 ملليلتر، أضف سبعة ملليلتر من ثنائي ميثيل فورماميد وأربعة ملليلتر من حمض الأسيتيك. بعد ذلك، أضف 71 µL من محلول بروبوكسيد الزركونيوم بتركيز 70% في بروبانول-1. قم بتسخين الخليط الناتج في كتلة ألومنيوم فوق لوح تسخين عند 130 °C لمدة ساعتين.

لاحظ تغيراً واضحاً في اللون، من عديم اللون إلى الأصفر، مما يشير إلى تكوين عناقيد أكسيد الزركونيوم. اترك المحلول ليبرد في درجة حرارة الغرفة. أضف 84 مليغرام من الرابط العضوي 1, 4-benzendicarboxylic acid إلى 11 مليليتر من محلول عناقيد أكسيد الزركونيوم.

قم بتقليب الخليط لمدة 15 دقيقة حتى يتم الحصول على تشتت متجانس. بعد ذلك، أضف 2 mL من محلول الجيلاتين بتركيز 10% weight عند 50 °C. ثم قلب الخليط في درجة حرارة الغرفة لمدة 10 دقائق.

بعد ذلك، أضف 2 mL من الإيثانول. لاحظ تحول الخليط إلى الحالة العكرة وتغير لونه إلى الأبيض. قم بتقليب الخليط الناتج عند درجة حرارة 20 °C تقريبًا لمدة 24 ساعة.

أضف 10 milliliters من ethanol إلى الخليط للسماح بانفصال تام للأطوار. لاحظ تحول المحلول إلى عينة ثنائية الطور عيانيًا تتكون من طور جيلاتيني مخفف وهيدروجيل لزج. استخلص جزءًا صغيرًا من الطور اللزج من المحلول الطافي للحصول على مركب الإطار المعدني العضوي أو MOF-hydrogel.

اترك هذا المركب ليجف في درجة حرارة الغرفة حتى مرحلة التوصيف. وللتشكيل المتجانس للمركبات الهيدروجيلية، سخن الطور اللزج مع طافوه عند 70 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة. بعد ذلك، سخنه عند 90 درجة مئوية لمدة خمس دقائق لتحويل هيدروجيل MOF-gelatin إلى سائل لزج متجانس.

صب الهيدروجيل بدون المحلول الطافي الخاص به في القالب الذي تمت موازنته حرارياً عند 70 °C. قم بتكوين كتلة واحدة عن طريق التبريد في درجة حرارة الغرفة لمدة 15 دقيقة. بعد ذلك، احفظه عند 2 °C لمدة يوم واحد.

تأكيد تكوين الهيدروجيل النهائي من MOF والجيلاتين. تُظهر دراسات حيود الأشعة السينية للمساحيق أن مركب UiO-66 الزركونيوم والجيلاتين يحافظ على درجة عالية من التبلور، تماثل تلك الخاصة بجسيمات الإطار المعدني العضوي UiO-66 الزركونيوم النقية. كما يوضح قياس المسامية بالنيتروجين أن مركب UiO-66 والجيلاتين يظل عالي المسامية، حيث يحتفظ بنحو 79% من مساحة سطح MOF الأصلي، مما يشير إلى عدم قدرة سلاسل الجيلاتين على اختراق المسام الدقيقة لـ UiO-66.

يكشف تحليل المجهر الإلكتروني النافذ لشرائح الميكروتوم فائقة الدقة أن جسيمات UiO-66 النانوية من الزركونيوم مشتتة للغاية في جميع أنحاء مصفوفة الجيلاتين دون تكتل أو انفصال طوري. علاوة على ذلك، تؤكد صور المجهر الإلكتروني الماسح للعينات المغسولة بالماء أن البلورات النانوية المدمجة تحافظ على شكل ثماني الأوجه محدد جيداً. يتيح هذا البروتوكول تصنيع مركبات MOF-gelatin على نطاق واسع في أشكال مجهرية متنوعة، بما في ذلك الطلاءات والكتل المتجانسة.

تعتمد هذه التقنية على قدرة الجيلاتين على الخضوع لفصل الطور من خلال التجمع الغروي (coacervation)، بالتزامن مع تكوين إطار معدني عضوي (MOF) من الزركونيا. وتمتد هذه الدراسة لتشمل الأطر المعدنية العضوية الموجهة كيميائياً، مما يسمح بتكوين مركبات مشكلة لاستخدامها في تطبيقات المعالجة البيئية والحفز الكيميائي.