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使用绿色溶剂制备生物聚合物气凝胶

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DOI：

10.3791/54116

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2016年7月4日

 ,  ,  , 
1Institute of Thermal Separation Processes, Hamburg University of Technology

本文内容

摘要

介绍了一种利用二氧化碳（CO2）诱导凝胶化制备基于生物聚合物的气凝胶的新方法。该技术采用加压二氧化碳（5 MPa）制备生物聚合物水凝胶，并利用超临界CO2（12 MPa）将凝胶转化为气凝胶。除CO2外，仅需水和乙醇作为溶剂。

摘要

尽管关于气凝胶的首份报告由Kistler发表1 20世纪30年代，人们已研究过无机氧化物（如二氧化硅等）和生物聚合物（如明胶、琼脂、纤维素）制备的气凝胶；然而，直到最近，生物质才被认识到是用于功能气凝胶材料的化学多样性大分子的丰富来源。生物聚合物气凝胶（果胶、海藻酸盐、壳聚糖、纤维素） 等等）兼具起始生物聚合物的特定可遗传功能和气凝胶的独特特性（80-99%孔隙率，比表面积高达800 m²/g）。2/g）。这种特性的协同效应使得生物聚合物气凝胶在隔热材料、组织工程与再生医学、药物递送系统、功能食品、催化剂、吸附剂及传感器等多种应用中展现出广阔前景。本研究展示了利用加压二氧化碳（5 MPa）实现酰胺化果胶的离子交联，从而形成水凝胶的方法。首先，在水中制备生物聚合物/盐的分散液。在加压CO₂条件下2 条件，将生物聚合物溶液的pH降低至3，使交联阳离子从盐中释放出来并与生物聚合物结合，形成水凝胶。随后进行乙醇溶剂置换，并进一步采用超临界CO₂2 干燥（10–12 MPa）得到气凝胶。所获得的气凝胶具有超多孔结构和低密度（低至0.02 g/cm³）3），高比表面积（350 - 500 m²/g）2/g）和孔体积（3 - 7 cm³/g）3/克，适用于孔径小于150 nm的情况）。

引言

气凝胶是一类多孔材料，可通过多种前驱体来制备，这些前驱体包括无机物（如二氧化硅、二氧化钛、二氧化锆等）、合成材料（如间苯二酚-甲醛、聚氨酯等）或生物聚合物（多糖、蛋白质等）2。与传统多孔材料不同的是，气凝胶能够同时具备三种特性：高比表面积、超低密度以及介孔孔径分布（即，孔径范围为2–50 nm）。由于具备上述特性，气凝胶被广泛应用于隔热、生物医学、催化、吸附与吸收、药物及营养补充剂等领域2。考虑到这些潜在应用，开发生物聚合物凝胶体系并进一步将其转化为气凝胶，为高附加值的生物基材料提供了广阔前景。本研究以酰胺化果胶为例，开展了相关探索。

气凝胶通常通过溶胶-凝胶法制备。凝胶是由液体被截留在基质中形成的体系，可通过共价、离子、pH诱导、热交联或冷冻交联方法制备。3对于该特定系统，我们采用离子交联； 即， 二价阳离子（例如，钙）使生物聚合物链交联。为了对酰胺化果胶或海藻酸盐等生物聚合物进行可控的离子交联，可采用扩散法或内部凝胶法。4在扩散法中，阳离子从外部溶液扩散至酰胺化果胶或海藻酸盐液滴或层中，首先在外层发生凝胶化，随后通过扩散作用逐步传播。4在内部交联法中，不溶性交联剂均匀分散于生物聚合物溶液中，通过引发pH变化释放阳离子4,5,6然而，这两种技术在制备成板状或整体式凝胶时，均面临最终凝胶均匀性的问题。本研究展示了利用高压CO₂2 （5 MPa）用于制备酰胺化果胶水凝胶，进一步拓展了海藻酸盐水凝胶的前期研究工作3,7简而言之，这是一种利用加压CO₂的内部设定凝胶技术。2 以降低pH值，从而替代弱酸来制备均一凝胶。随着压力的增加，二氧化碳在水中的溶解度随之提高，同时pH值降低至3.08这会导致碳酸钙溶解，释放出钙离子。钙离子与脱羧果胶生物聚合物交联，形成水凝胶。利用该技术，即使在极低的生物聚合物浓度下（0.05 wt%），也能制备出稳定且均一的凝胶。7.

由于凝胶化过程在水相介质中进行，而CO2/水体系存在互溶性差异，因此需要将溶剂置换为有机溶剂。通常可使用低分子量醇类（甲醇/乙醇/异丙醇）和酮类（丙酮）进行溶剂置换。然而，直接将凝胶浸泡在纯乙醇或其他有机溶剂中会导致显著且不可逆的收缩。为避免这一缺点，需采用逐步溶剂置换法5,9。当凝胶内部的溶剂浓度达到>98%时，利用超临界CO2（12 MPa）将有机溶剂干燥，最终得到气凝胶。

方案

1. 酰胺化果胶储备液的制备

  1. 将20 g酰胺化果胶与980 g水混合（2.0 wt%）。酰胺化度为25 wt%。
  2. 使用高速搅拌器（10,000 rpm）均质化溶液2分钟，得到均匀的黏稠溶液。
  3. 使用pH试纸或pH计测量pH值。如果pH低于6.5，用0.5 M NaOH滴定以中和溶液至pH 7.0。
  4. 按每克干重酰胺化果胶加入0.1825 g碳酸钙的比例添加（q=1）。"q"表示交联度。
  5. 对于1 kg的2.0 wt%酰胺化果胶溶液，每20.0 g干果胶加入3.65 g碳酸钙（q=1）7 。
  6. 如需更高的交联度，按每克干重酰胺化果胶加入0.3650 g碳酸钙（q=2）。

2. 水凝胶的制备

  1. 使用高速均质机（10,000 rpm）均质化酰胺化果胶/碳酸钙混合物，得到白色均匀分散液。
  2. 将悬浮液转移至敞口的聚丙烯模具或玻璃培养皿中。
  3. 将模具放入高压灭菌釜中，密封灭菌釜。
  4. 在室温下用气态CO2对灭菌釜加压至5 MPa。更多信息请参见Gurikov et al.7 。保持压力24小时。
  5. 以0.2 MPa/min的速度缓慢释放灭菌釜中的压力。
  6. 打开灭菌釜并取出模具。通过翻转模具将水凝胶取出；如有必要，可使用刮刀。

3. 溶剂置换步骤

  1. 每克水凝胶准备10克10:90（w/w）乙醇/水混合物。
  2. 将水凝胶浸入10:90（w/w）乙醇/水混合液中12小时。
  3. 使用浓度递增的乙醇继续此过程， 即， 从10:90（w/w）乙醇/水混合液转移至30:70（w/w）乙醇/水混合液。12小时后，转移至50:50（w/w）乙醇/水混合液，随后依次转移至70:30（w/w）（12小时）、90:10（w/w）（12小时），最后转移至100%乙醇溶液（12小时）。
  4. 将凝胶进一步浸泡在纯乙醇中，使凝胶内部的最终乙醇浓度超过98%（w/w）。使用密度计测量浓度。此时，醇凝胶已准备好进行超临界CO₂处理。2 干燥。

4. 通过超临界CO2干燥法制备气凝胶

  1. 将样品放入用于水凝胶制备的同一高压灭菌釜中（参见步骤 2.3）。
  2. 向灭菌釜中加入额外的乙醇（占灭菌釜体积的 2–10%），以防止凝胶中的溶剂过早蒸发。凝胶无需完全浸没于溶剂中。
  3. 密封灭菌釜，开启加热功能，将灭菌釜工作温度设定为 323 K。使用压缩机或泵将二氧化碳加压至 12 MPa。
  4. 定期用新鲜的 CO2 替换灭菌釜内的 CO210,11 ，同时保持压力恒定。在 6 小时内需完成 6–7 个滞留体积的替换。更多详细信息请参见 Gurikov et al.7 。
  5. 以 0.2 MPa/min 的速率缓慢释放灭菌釜压力。
  6. 打开灭菌釜，收集气凝胶。将气凝胶储存于干燥器或密封容器中。

结果

在凝胶化步骤后获得的典型水凝胶，其交联程度较高（q=2）（如方案第2节所述），如图1所示。左侧的样品（样品A和B）是通过CO2诱导凝胶化得到的2 wt%和1 wt%果胶凝胶。当降低生物聚合物浓度（0.5 wt%或更低）时，凝胶变得透明（样品C）。进一步降低生物聚合物浓度（0.25 wt%）也能形成稳定的水凝胶（样品D），但这些凝胶非常脆弱，在操作过程中容易破裂。水凝胶内部观察到的气泡是在减压过程中，由于CO2溶解度下降，溶解的CO2从凝胶水体系中逸出而产生的。

酰胺化果胶气凝胶的特性如表1所示。所获得的气凝胶具有超多孔结构，密度低（低至0.013 g/cm3），该值通过气凝胶质量与其体积之比测得。比表面积通过氮气吸附法测定。果胶气凝胶的比表面积为350–500 m2/g。孔径在4–150 nm范围内的孔体积通过氮气毛细孔填充的开尔文模型（BJH法）测定。酰胺化果胶气凝胶在4–150 nm孔径范围内的孔体积为3–7 cm3/g。

培养皿凝胶化示意图；水凝胶形成阶段；聚合分析；实验装置。
图 1. 交联度较高（q=2）的酰胺化果胶水凝胶。 左上：2 wt%（样品 A）；右上：1 wt%（样品 B）；左下：0.5 wt%（样品 C）；右下：0.25 wt%（样品 D）。随着生物聚合物浓度降低，凝胶逐渐变为透明。气泡是在 CO2 减压过程中产生的。请点击此处查看该图的放大版本。

果胶浓度 [wt%]交联度 q体相密度 [g/cm3]比表面积 [m2/g]比孔容 [cm3/g]平均孔径（直径）[nm]
2.0010.0815024.114
1.0010.0444917.127
0.5010.0353573.827
0.2510.0133354.941
2.0020.0694473.113
1.0020.0484413.626
0.5020.0304295.825
0.2520.0173475.024

表1. 酰胺化果胶气凝胶的特性。

讨论

通过采用CO2诱导凝胶化技术，可以避免使用化学替代物（例如乙酸或葡萄糖酸-δ-内酯（GDL））来引发生物聚合物的交联反应。酰胺化果胶气凝胶的比表面积处于文献报道值的较高范围5，而其孔体积则显著高于文献中已报道的数值5。采用CO2诱导凝胶化法制备的海藻酸盐气凝胶也表现出较高的孔体积7。然而，目前尚需验证此类高孔体积（孔径范围为4–150 nm）的成因究竟是源于该凝胶化技术本身，还是由于生物聚合物本身存在此前文献中未被揭示的固有特性所致。文献已报道果胶气凝胶具有超绝热性能12，而采用该技术制备的海藻酸盐气凝胶的热导率也处于超绝热范围内3,7。因此，采用该技术制备的酰胺化果胶气凝胶亦可预期具备类似的超绝热性能。

第2部分方案中的减压速率是水凝胶制备的重要步骤。快速减压可能导致凝胶的大孔隙率增加。这一现象可应用于组织工程领域，其中材料的相互连通大孔结构对于细胞的生长和增殖是一个关键特征13,14。此外，第1部分方案中的交联程度对酰胺化果胶水凝胶的脱水收缩和溶胀性能具有重要作用。这与海藻酸盐水凝胶类似，其溶胀行为也受到交联剂浓度的影响15。因此，由酰胺化果胶制备的气凝胶也可被调控，使其具备类似于海藻酸盐气凝胶所报道的超强吸水性能16。

通过使用 CO2 考虑到以酰胺化果胶（或海藻酸盐）为主要体系的诱导凝胶化，通过引入不同的交联剂和生物聚合物组合，可进一步增加气凝胶的多样性。多种金属碳酸盐（例如， 锌、镍、钴、铜、锶、钡）可用于交联3，其中阳离子可通过在加压CO₂的水介质中降低pH而释放2 （3-5 MPa）。然而，某些阳离子的不溶性盐在较低的生物聚合物浓度下可能无法形成稳定的分散体系，会沉降至底部，导致凝胶不均匀。这是内部凝胶化方法（包括CO₂诱导凝胶化）普遍存在的问题。2 诱导凝胶化3 从而, 该技术在具体应用中的可用性应逐案评估。

可将多种由水溶性生物聚合物（如淀粉、卡拉胶、甲基纤维素和羧甲基纤维素、结冷胶、木质素、明胶等）、水溶性合成聚合物（如聚乙二醇（PEG）、聚乙烯醇（PVA）、Pluronic P-123 等）以及水溶性无机前驱体（如硅酸钠）制备的混合物与酰胺化果胶混合，以制备类似于海藻酸盐2的具有可调性能的杂化气凝胶。

由于超临界CO2干燥（scCO2干燥）是气凝胶制备中的关键步骤，因此任何预处理步骤的组合，例如溶剂置换和使用CO217,18 进行干燥，或凝胶化、溶剂置换和使用CO27进行干燥，均可带来明显的工艺优势。该优势体现在集成化的“一锅法”工艺中：即在单个高压釜中，以CO2为主要加工介质，将生物聚合物分散液直接转化为生物聚合物气凝胶。对于某些药物应用，还可设想在单个高压釜中使用CO2作为加工介质，完成四步工艺：凝胶化、溶剂置换、超临界干燥以及活性组分负载5,19。在某些情况下，为实现靶向药物释放，还需对载药气凝胶进行后续处理，例如施加保护性涂层20。

总之，本研究展示了利用加压CO2实现酰胺化果胶基体系的凝胶化。此外，设想将加压CO2作为通用介质，在单一高压釜中实现前驱体向目标产物的转化，以适用于特定应用。

披露

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

致谢

感谢德国研究基金会（DFG，项目编号 SM 82/13-1）提供的经费支持。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
仪器设备
Ultra-Turrax 匀浆器IKA，德国T 25 Digital
聚丙烯模具TH. Geyer，德国9,033,201
高压灭菌器 Ernst Haage，德国定制装置构建由本实验室完成
压缩机Andreas HoferMKZ 185-40装置构建由本实验室完成
氮气吸附仪QuantachromeNova 4000e
密度计Anton PaarDMA 4000
化学试剂
酰胺化果胶Herbstreith and Fox，德国CU 025CAS # 56645-02-4；由公司提供用于研究目的
氢氧化钠Sigma Aldrich，德国S8045CAS # 1310-73-2；仅在果胶溶液需中和至 pH 6.5–7.5 时使用
碳酸钙Magnesia GmbH，德国4421 Calcium carbonat, leicht, präzipitiert, EP, E170CAS # 471-34-1
乙醇，99.8%Sigma Aldrich，德国32205CAS # 64-17-5
二氧化碳，99.9%AGA Gas GmbH，德国CAS # 124-38-9；实验室内部储罐可用（3 吨）
去离子水CAS # 7732-18-5；  实验室内部可提供（pH 6.4–7.0）

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