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Préparation de biopolymères aérogels Utilisation de Solvants verts

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DOI :

10.3791/54116

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4 juillet 2016

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1Institute of Thermal Separation Processes, Hamburg University of Technology

Dans cet article

Résumé

Une nouvelle méthode de production d’aérogels à base de biopolymères par gélification induite par le dioxyde de carbone (CO2) est présentée. La technique utilise du dioxyde de carbone sous pression (5 MPa) pour la production d’hydrogels biopolymères et du CO2 supercritique (12 MPa) pour convertir les gels en aérogels. Les seuls solvants nécessaires en plus du CO2 sont l’eau et l’éthanol.

Résumé

Bien que les premiers rapports sur les aérogels fabriqués par Kistler1 dans les années 1930 aient porté sur les aérogels à partir d’oxydes inorganiques (silice et autres) et de biopolymères (gélatine, agar, cellulose), ce n’est que récemment que les biomasses ont été reconnues comme une source abondante de macromolécules chimiquement diverses pour les matériaux d’aérogel fonctionnels. Les aérogels de biopolymères (pectine, alginate, chitosane, cellulose, etc.) présentent à la fois des fonctions héréditaires spécifiques des biopolymères de départ et des caractéristiques distinctives des aérogels (porosité de 80 à 99 % et surface spécifique jusqu’à 800 m2/g). Cette synergie de propriétés fait des aérogels de biopolymères des candidats prometteurs pour un large éventail d’applications telles que l’isolation thermique, l’ingénierie tissulaire et la médecine régénérative, les systèmes d’administration de médicaments, les aliments fonctionnels, les catalyseurs, les adsorbants et les capteurs. Ce travail démontre l’utilisation de dioxyde de carbone sous pression (5 MPa) pour la réticulation ionique de la pectine amidée en hydrogels. Initialement, une dispersion biopolymère/sel est préparée dans l’eau. Dans des conditions de CO2 sous pression, le pH de la solution de biopolymère est abaissé à 3, ce qui libère les cations de réticulation du sel pour se lier au biopolymère, produisant des hydrogels. L’échange de solvant en éthanol et le séchage supplémentaire du CO2 supercritique (10 - 12 MPa) donnent des aérogels. Les aérogels obtenus sont ultra-poreux avec une faible densité (aussi faible que 0,02 g/cm3), une surface spécifique élevée (350 - 500 m2/g) et un volume de pores élevé (3 - 7 cm3/g pour des tailles de pores inférieures à 150 nm).

Introduction

Les aérogels constituent une classe de matériaux poreux qui peuvent être préparés en utilisant une variété de précurseurs allant de minéraux (tels que la silice, l'oxyde de titane, la zircone et autres), synthétiques (tels que le résorcinol formaldéhyde, un polyuréthanne et d'autres) ou des biopolymères (polysaccharides, des protéines et d'autres ) 2. Ce qui les différencie des matériaux poreux classiques est leur capacité à posséder en même temps tous les trois caractéristiques; à savoir une grande surface spécifique ultra-faible densité et la distribution des tailles des pores mésoporeuse ( par exemple, la taille des pores de 2 à 50 nm). Avec des caractéristiques mentionnées ci - dessus, les aérogels sont largement appliquées dans les domaines de l' isolation, la biomédecine, la catalyse, l' adsorption et d' absorption des applications, les produits pharmaceutiques et nutraceutiques 2. Compte tenu des possibilités ci-dessus, la production de systèmes de gel de biopolymère et leur transformation ultérieure à aérogels ouvre une multitude de possibilités vers haute valeur ajoutée à base de biomatériaux. Un tel effort est repris dans cette étude en utilisant pectine amidée comme un exemple.

Les aérogels sont généralement produites par la technique sol-gel. Les gels sont des systèmes constitués d' un liquide emprisonné dans une matrice et peuvent être préparés par liaison covalente, ionique, de pH induit, en coupe thermique ou cryo liaison 3. Pour ce système spécifique, nous utilisons la réticulation ionique, à savoir, un cation bivalent (par exemple, calcium) pour réticuler les chaînes biopolymères ensemble. Pour effectuer la réticulation ionique commandable de biopolymères tels que la pectine ou de l' alginate amidé, on peut utiliser la méthode de diffusion ou de la méthode de réglage interne 4. Dans la méthode de diffusion, une gélification se produit d'abord dans la couche externe , suivie par la propagation par diffusion, comme les cations diffusent dans la solution externe dans une pectine amidée ou de gouttelettes d' alginate ou de la couche 4. Dans le procédé de réglage interne, la forme insoluble de l'agent de réticulation est dispersé de manière homogène dans le biopolymère solution et les cations sont libérés en déclenchant un changement de pH 4,5,6. Cependant, les deux techniques sont confrontés à un problème concernant l'homogénéité du gel final lorsqu'elle est produite en dalle ou sous forme monolithique. Ce travail démontre l'utilisation de haute pression CO 2 (5 MPa) pour la production d'hydrogels de pectine amidée bâtiment plus loin des travaux antérieurs sur des gels d' alginate 3,7. En bref, il est une technique de gélification de réglage interne qui utilise le CO 2 sous pression pour réduire le pH au lieu d'acides faibles pour produire des gels homogènes. Avec une augmentation de la pression, la solubilité du dioxyde de carbone dans l' eau augmente accompagnée d'un abaissement du pH à 3,0 8. Cela provoque le carbonate de calcium pour solubiliser, en libérant des ions calcium. Les ions calcium réticulent avec la pectine amidée biopolymère pour produire des hydrogels. Gels homogènes stables jusqu'à des concentrations de biopolymères très faible (0,05%) de pourraient être produites en utilisant cette technique 7.

Comme gelations a lieu dans un milieu aqueux, l' échange de solvant à un solvant organique est requis en raison d'une lacune de miscibilité dans le système de CO 2 / eau. Typiquement, les alcools de bas poids moléculaire (méthanol / éthanol / isopropanol) et des cétones (acétone) peuvent être utilisés pour le procédé d'échange de solvant. Cependant, le trempage direct dans un bain avec de l'éthanol pur ou d'autres solvants organiques conduit à un rétrécissement irréversible significatif. Pour éviter cet inconvénient, l' échange de solvant par étapes est effectué 5,9. Lorsque la concentration du solvant dans le gel atteint> 98%, le solvant organique est séché avec du CO 2 supercritique (12 MPa) , laissant derrière lui un aérogel.

Protocole

1. Préparation de amidé pectine Stock Solution

  1. Mélanger 20 g pectine amidée avec 980 g d'eau (2,0%). Le degré d'amidation est de 25% en poids.
  2. Homogénéiser la solution avec un agitateur à grande vitesse (10 000 tours par minute) pendant 2 minutes pour obtenir une solution visqueuse homogène.
  3. Mesurer le pH en utilisant des bandes de pH ou un pH-mètre. Si le pH est inférieur à 6,5, titrer avec du NaOH 0,5 M pour neutraliser la solution (à pH 7,0).
  4. Ajouter du carbonate de calcium dans un rapport de 0,1825 g par gramme de pectine amidée sec (q = 1). "Q" désigne le degré de réticulation.
  5. Pour 1 kg 2,0% en poids de solution de pectine amidée, ajouter 3,65 g de carbonate de calcium (q = 1) 7 par 20,0 g de pectine sèche.
  6. Pour une plus grande reticulation, ajoute 0,3650 g de carbonate de calcium par gramme de pectine amidée sec (q = 2).

2. Production d'hydrogels

  1. Homogénéiser le mélange de carbonate pectine / calcium amidé à l'aide de l'homogénéisateur à grande vitesse (10 000 tours par minute) pour obtenir unedispersion homogène blanche.
  2. Transférer la suspension dans des moules en polypropylène ouvertes ou verre boîtes de Pétri.
  3. Placer les moules dans l'autoclave haute pression. Sceller l'autoclave.
  4. Pressuriser l'autoclave avec du CO 2 gazeux jusqu'à 5 MPa à la température ambiante. Reportez - vous à Gurikov et al. 7 pour plus d' informations. Maintenir la pression pendant 24 heures.
  5. dépressuriser lentement l'autoclave à 0,2 MPa / min.
  6. Ouvrez l'autoclave et retirez les moules. Retirez les hydrogels des moules en les retournant. Si nécessaire, utiliser une spatule.

3. Solvent Procédure Exchange

  1. Préparer 10 g de 10:90 (p / p) éthanol / eau du mélange par gramme d'hydrogel.
  2. Immerger les hydrogels dans la 10:90 (p / p) du mélange éthanol / eau pendant 12 heures.
  3. Poursuivre ce processus avec des concentrations croissantes d'éthanol, à savoir, 10:90 (p / p) du mélange éthanol / eau 30:70 (p / p) éthanol / eau du mélange. Après 12 heures, transfert à 500:50 (p / p) du mélange éthanol / eau, puis à 70:30 (12 h), puis 90/10 (12 heures) et ensuite une solution d'éthanol à 100% (à 12 h).
  4. Faire tremper le gel dans de l'éthanol pur en outre de telle sorte que la concentration finale à l'intérieur du gel est supérieure à 98% (p / p). Mesurer la concentration à l'aide du densimètre. Le alcogel est maintenant prêt à CO 2 supercritique séchage.

4. Production d'aérogels par CO 2 supercritique Séchage

  1. Placer les échantillons dans le même autoclave à haute pression utilisé pour la préparation d'hydrogel (voir étape 2.3).
  2. Remplir l'autoclave avec de l'éthanol supplémentaire (2-10% du volume de l'autoclave) pour empêcher l'évaporation du solvant prématuré à partir des gels. immersion complète du gel dans le solvant ne soit pas nécessaire.
  3. Sceller l'autoclave. Mettre le chauffage en autoclave. Régler la température de fonctionnement de l'autoclave à 323 K. pressuriser l'autoclave avec du dioxyde de carbone à 12 MPa, à l'aide d'un compresseur ou d'une pompe.
  4. Remplacer périodiquement le CO 210,11 intérieur de l'autoclave avec du CO 2 frais en maintenant la pression constante. 6-7 volumes de séjour sont nécessaires sur une période de 6 heures. Reportez - vous à Gurikov et al. 7 pour plus d' informations.
  5. dépressuriser lentement l'autoclave à 0,2 MPa / min.
  6. Ouvrez l'autoclave et de recueillir l'aérogel. Stocker l'aérogel dans un dessiccateur ou un récipient fermé.

Résultats

Les hydrogels typiques obtenus après l' étape de gélification de degré plus élevé de réticulation (q = 2) (comme indiqué dans la section protocole n ° 2) sont présentés sur la figure 1. Les échantillons sur la gauche (échantillon A et B) sont les 2% en poids et 1% en poids gels de pectine obtenus par CO 2 gélification induite. En diminuant la concentration de biopolymère (0,5% en poids ou moins), les gels deviennent transparents (échantillon C). Une réduction supplémentaire de la concentration de biopolymère (0,25% en poids), on obtient également des hydrogels stables (échantillon D), mais ces gels sont très fragiles et peut se briser lors de la manipulation. Les bulles observées dans les hydrogels sont créés lors de la dépressurisation lorsque le CO 2 dissous quitte le système d'eau de gel due à une diminution des émissions de CO 2 solubilité.

Les caractéristiques de la pectine amidée d'aérogel sont présentés dans le tableau 1. Les aérogels obtenus sont extrêmement poreux avec une faible den sité (aussi faible que 0,013 g / cm3) mesurée par le rapport entre la masse de l'aérogel et de son volume. La surface spécifique est mesurée par l'adsorption d'azote. Pour les aérogels de la pectine, on a abouti à une surface spécifique comprise entre 350-500 m 2 / g. Le volume des pores pour des tailles de pores dans la gamme de 4 à 150 nm est mesurée par le modèle de Kelvin de remplissage des pores à l'azote (méthode BJH). Le volume des pores pour les aérogels de pectine amidée est comprise entre 3 à 7 cm 3 / g pour des tailles de pores compris entre 4 et 150 nm.

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Figure 1. hydrogels amidé de pectine avec degré plus élevé de réticulation (q = 2) Haut de gauche: 2% en poids (échantillon A);. en haut à droite: 1% en poids (échantillon B); en bas à gauche: 0,5% en poids (échantillon C); en bas à droite: 0,25% en poids (échantillon D). Les gels deviennent transparents avec la diminution de la concentration en biopolymère. Les bulles sont produites au cours du CO 2 dépressurisation.https://www.jove.com/files/ftp_upload/54116/54116fig1large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

La concentration en pectine [% en poids] Cross-linking degré q Densité apparente [g / cm 3] Aire de surface spécifique [m2 / g] Volume spécifique des pores [cm3 / g] Taille moyenne des pores (diamètre) [nm]
2.00 1 0,081 502 4.1 14
1.00 1 0,044 491 7.1 27
0.50 1 0,035 357 3.8 27
0,25 1 0,013 335 4.9 41
2.00 2 0,069 447 3.1 13
1.00 2 0,048 441 3.6 26
0.50 2 0,030 429 5.8 25
0,25 2 0,017 347 5.0 24

Tableau 1. Caractéristiques des aérogels de pectine amidée.

Discussion

En utilisant la technique de gélification induite par le CO 2, on peut éliminer le besoin de produits chimiques de remplacement (par exemple l' acide acétique ou de delta-gluconolactone (GDL)) requise pour induire la réticulation du biopolymère. Les surfaces des aérogels de pectine amidée sont dans les gammes supérieures de valeurs de la littérature 5, mais les volumes des pores sont beaucoup plus élevés que ceux présentés dans la littérature 5. Volumes de pores plus élevés ont également été observés pour les aérogels d'alginate préparées par CO 2 gélification induite 7. Cependant, il reste à vérifier si la raison de cette haute pores volumes (4-150 nm pores de la gamme de taille) est due à la technique de gélification ou une propriété inhérente des biopolymères précédemment ne sont pas abordées dans la littérature. Aérogels de pectine ont été rapportés dans la littérature pour posséder des propriétés superisolantes 12 et aérogels alginate préparés par cette technique possèdent également une conductivité thermique dans la gamme de superisolante3,7. Par conséquent, les aérogels de pectine amidée produits par cette technique peuvent également être envisagées pour posséder des propriétés superisolante.

Le taux de dépressurisation dans la section Protocole 2 est une étape importante dans la préparation d'hydrogel. dépressurisation rapide peut entraîner une augmentation de la macroporosité des gels. Ce phénomène peut être appliqué pour des applications d'ingénierie tissulaire où macroporosité du matériau avec l' interconnectivité est un élément important pour la croissance et la prolifération des cellules 13,14. En outre, le degré de réticulation dans le protocole Section 1 joue un rôle important dans la synérèse et propriété de gonflement des hydrogels de pectine amidée. Ceci est similaire à hydrogels d'alginate dont le comportement de gonflement est influencé par la concentration en agent de réticulation et 15. Ainsi aérogels faites par pectine amidée peuvent également être réglés de posséder des biens superabsorbant similaires à ceux rapportés pour les aérogels d'alginate 16.

En utilisant le CO 2 gélification induite par l' examen de la pectine amidée (ou d' alginate) en tant que système principal, une diversité supplémentaire peut être incorporé dans les aérogels par l' introduction transversale différente des agents et des combinaisons de biopolymère de liaison. Plusieurs carbonates de métaux (par exemple, le zinc, le nickel, le cobalt, le cuivre, le strontium, le baryum) peut être utilisé pour la réticulation 3, dans lequel les cations peuvent être libérés par abaissement du pH dans un milieu aqueux avec du CO 2 sous pression (3-5 MPa). Cependant, les sels insolubles de certains de ces cations ne peuvent pas former des dispersions stables pour les concentrations de biopolymères inférieurs et peuvent se fixer au fond conduisant à des gels non homogènes. Ceci est un problème général avec la méthode paramètre de gélification interne , y compris CO 2 gélification induite par 3 et par conséquent, la facilité d' utilisation de la technique pour une application doit être évaluée au cas par cas.

Divers mélanges préparés en utilisant bio soluble dans l'eaudes polymères tels que l'amidon, le carraghénane, méthyle et carboxy méthyl cellulose, la gomme gellane, de la lignine, de la gélatine et d'autres; les polymères synthétiques solubles dans l'eau tels que le polyethylene glycol (PEG), alcool de polyvinyle (PVA), Pluronic P-123 et d'autres; et précurseurs inorganiques solubles dans l'eau tels que le silicate de sodium peuvent aussi être mélangés avec de la pectine amidée pour produire des aérogels hybrides similaires à l' alginate 2 avec des propriétés accordables.

Comme CO 2 supercritique séchage (SCCO 2 séchage) est une étape par excellence en aérogel production, toute combinaison des étapes de pré-traitement telles que l' échange de solvant et le séchage à l' aide de CO 2 17,18 ou gélification, échange de solvant et le séchage à l' aide de CO 2 7 pourrait fournir un avantage de traitement clair. L'avantage est envisagé comme intégré un seul processus de pot: où les dispersions de biopolymères peuvent être convertis en aérogels de biopolymères utilisant le CO 2 comme le principal moyen de traitement dans un autoclave unique. Pourcertaines applications pharmaceutiques, on peut également envisager la réalisation d' une étape quatre: gélification, l' échange de solvant, le séchage supercritique et actif procédé composant chargement 5,19 dans un seul autoclave en utilisant du CO 2 comme fluide de traitement. Post - traitement, comme revêtement protecteur des aérogels chargées de médicament dans certains cas , est nécessaire pour la libération du médicament ciblé 20.

Pour conclure, le présent travail démontre l'utilisation de CO 2 sous pression pour la gélification des systèmes de pectine à base amidées. En outre, l'utilisation du CO 2 sous pression comme support commun pour le précurseur de la conversion du produit pour les applications cibles dans un autoclave unique est envisagée.

Déclarations de divulgation

Les auteurs déclarent qu'ils ont aucun intérêt financier concurrents.

Remerciements

Le soutien financier de DFG (projets SM 82 / 13-1) Nous tenons à remercier.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Équipement
Homogénéisateur UltraturraxIKA, AllemagneT 25 Moules numériques
polypropylèneTH. Geyer, Allemagne9,033,201
Autoclave haute pression  ;Ernst Haage, Allemagnesur mesureConstruction d’installation réalisée en interne
CompresseurAndreas HoferMKZ 185-40Construction d’installation réalisée en interne
Adsorption d’azoteQuantachromeNova 4000e
DensimètreAnton PaarDMA 4000
Chemicals
Amidated pectineHerbstreith et Fox, AllemagneCU 025CAS # 56645-02-4 ; fourni par l’entreprise à des fins
de recherche Hydroxyde de sodiumSigma Aldrich, AllemagneS8045CAS # 1310-73-2 ; requis uniquement dans le cas où la solution de pectine doit être neutralisée à pH 6,5-7,5
Carbonate de calciumMagnesia GmbH, Allemagne4421 Carbonate de calcium, leicht, prä ; zipitiert, EP, E170CAS # 471-34-1
Éthanol, 99,8 %Sigma Aldrich, Allemagne32205CAS # 64-17-5
Dioxyde de carbone, 99,9 %AGA Gas GmbH, AllemagneCAS # 124-38-9 ; réservoir interne disponible (3 tonnes)
EauCAS # 7732-18-5 ;   ; disponible en interne (pH 6,4-7,0)
en déminéralisée

Références

  1. Kistler, S. S. Coherent expanded-aerogels. J. Phys. Chem. 36 (1), 52-64 (1932).
  2. Aerogels Handbook. Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. , Springer. New York, NY. (2011).
  3. Raman, S. P., Gurikov, P., Smirnova, I. Hybrid alginate based aerogels by carbon dioxide induced gelation: Novel technique for multiple applications. J. Supercrit. Fluids. 106, 23-33 (2015).
  4. Draget, K. I., Skjåk-Bræk, G., Smidsrød, O. Alginate based new materials. Int. J. Biol. Macromol. 21 (1), 47-55 (1997).
  5. García-González, C. A., Alnaief, M., Smirnova, I. Polysaccharide-based aerogels-Promising biodegradable carriers for drug delivery systems. Carbohydr. Polym. 86 (4), 1425-1438 (2011).
  6. Alnaief, M., Alzaitoun, M. A., García-González, C. A., Smirnova, I. Preparation of biodegradable nanoporous microspherical aerogel based on alginate. Carbohydr. Polym. 84 (3), 1011-1018 (2011).
  7. Gurikov, P., Raman, S. P., Weinrich, D., Fricke, M., Smirnova, I. A novel approach to alginate aerogels: carbon dioxide induced gelation. RSC Adv. 5, 7812-7818 (2015).
  8. Meyssami, B., Balaban, M. O., Teixeira, A. A. Prediction of pH in model systems pressurized with carbon dioxide. Biotechnol. Prog. 8 (2), 149-154 (1992).
  9. Subrahmanyam, R., Gurikov, P., Dieringer, P., Sun, M., Smirnova, I. On the Road to Biopolymer Aerogels-Dealing with the Solvent. Gels. 1 (2), 291-313 (2015).
  10. García-González, C. A., Camino-Rey, M. C., Alnaief, M., Zetzl, C., Smirnova, I. Supercritical drying of aerogels using CO2: Effect of extraction time on the end material textural properties. J. Supercrit. Fluids. 66, 297-306 (2012).
  11. Özbakır, Y., Erkey, C. Experimental and theoretical investigation of supercritical drying of silica alcogels. J. Supercrit. Fluids. 98, 153-166 (2015).
  12. Rudaz, C., et al. Aeropectin: Fully Biomass-Based Mechanically Strong and Thermal Superinsulating Aerogel. Biomacromolecules. 15 (6), 2188-2195 (2014).
  13. Quraishi, S., et al. Novel non-cytotoxic alginate-lignin hybrid aerogels as scaffolds for tissue engineering. J. Supercrit. Fluids. 105, 1-8 (2015).
  14. Martins, M., et al. Preparation of macroporous alginate-based aerogels for biomedical applications. J. Supercrit. Fluids. 106, 152-159 (2015).
  15. Davidovich-Pinhas, M., Bianco-Peled, H. A quantitative analysis of alginate swelling. Carbohydr. Polym. 79 (4), 1020-1027 (2010).
  16. Mallepally, R. R., Bernard, I., Marin, M. A., Ward, K. R., McHugh, M. A. Superabsorbent alginate aerogels. J. Supercrit. Fluids. 79, 202-208 (2013).
  17. Porta, G. D., Del Gaudio, P., De Cicco, F., Aquino, R. P., Reverchon, E. Supercritical Drying of Alginate Beads for the Development of Aerogel Biomaterials: Optimization of Process Parameters and Exchange. Ind. Eng. Chem. Res. 52 (34), 12003-12009 (2013).
  18. Brown, Z. K., Fryer, P. J., Norton, I. T., Bridson, R. H. Drying of agar gels using supercritical carbon dioxide. J. Supercrit. Fluids. 54 (1), 89-95 (2010).
  19. Betz, M., García-González, C. A., Subrahmanyam, R. P., Smirnova, I., Kulozik, U. Preparation of novel whey protein-based aerogels as drug carriers for life science applications. J. Supercrit. Fluids. 72, 111-119 (2012).
  20. Antonyuk, S., Heinrich, S., Gurikov, P., Raman, S., Smirnova, I. Influence of coating and wetting on the mechanical behaviour of highly porous cylindrical aerogel particles. Powder Technol. 285, 34-43 (2015).

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