הכנת הידרוג'לים ממסגרת מתכת-אורגנית-ג'לטין באמצעות קואסרבציה

אנו מציגים פרוטוקול ניסיוני חדש לסנתזה ועיצוב של קומפוזיטים, המשלבים MOFs וקוacerבטים של ג'לטין. קומפוזיטים רבים של MOF-ג'לטין המוכרים כיום מציגים טעינת MOF נמוכה ונקבוביות נגישה נמוכה. לפיכך, פרוטוקול זה מאפשר להכין קומפוזיטים בעל תכונות מעניינות, טעינת MOF טובה, נקבוביות נגישה גבוהה, וכן תכונות מכניות ובינמיות טובות.

ראשית, שקלו 10 גרמים של ג'לטין מסחרי מסוג A המופק מעור חזיר, בעל מדד פריחה (bloom) של 175 גרמים, משקל מולקולרי ממוצע של כ-40,000 גרם למול ונקודת איזואלקטרית של שמונה. הוסיפו 100 מיליליטר מים לאבקת הג'לטין שנשקלה כדי להכין ג'ל ג'לטין מימי בריכוז של 10% משקל. השריו את גרגירי הג'לטין במים אולטרה-טהורים למשך שלוש שעות לפחות בטמפרטורה של חמש מעלות צלזיוס.

חממו את ג'ל הג'לטין בטמפרטורה של 50 °C כדי להכין תמיסת ג'לטין מימית. השתמשו בערבב מגנטי כדי לערבב את תמיסת הג'לטין במשך 30 דקות במהירות של 300 סל"ד. לאחר קבלת תמיסת ג'לטין צלולה, שמרו אותה בטמפרטורה של 50 °C.

בתוך בקבוק סינליגציה (scintillation vial) של 25 מיליליטר, הוסיפו שבעה מיליליטר של dimethylformamide וארבעה מיליליטר של acetic acid. לאחר מכן, הוסיפו 71 µL של תמיסת zirconium propoxide בריכוז 70% ב-one propanol. חממו את התערובת המתקבלת בבלוק אלומיניום על פלטה מחממת בטמפרטורה של 130 °C למשך שעתיים.

ניתן להבחין בשינוי צבע ברור, משקיפות לצהוב, המעיד על היווצרות אשכולות זירקוניום-אוקסו. יש להשאיר את התמיסה להתקרר בטמפרטורת החדר. יש להוסיף 84 milligrams של מקשר אורגני 1, 4-benzendicarboxylic acid ל-11 milliliters של תמיסת אשכולות זירקוניום-אוקסו.

ערבבו את התערובת למשך 15 דקות עד לקבלת דיספרסיה הומוגנית. לאחר מכן, הוסיפו שני מיליליטר של תמיסת ג'לטין בריכוז 10%weight בטמפרטורה של 50 °C. ערבבו את התערובת בטמפרטורת החדר למשך 10 דקות.

לאחר מכן, הוסיפו 2 mL של אתנול. שימו לב שהתערובת הופכת לעכורה ולצבע לבן. ערבבו את התערובת שהתקבלה בטמפרטורה של כ-20 °C למשך 24 שעות.

הוסיפו 10 milliliters של ethanol לתערובת כדי לאפשר הפרדה מלאה של הפאזות. צפו בתמיסה שהופכת לדגימה דו-פאזית מאקרוסקופית המורכבת מפאזת ג'לטין מדוללת והידרוג'ל צמיגי. חלצו כמות קטנה מהפאזה הצמיגית מתוך תמיסת העילאי כדי לקבל את הקומפוזיט של המסגרת המתכתית-אורגנית או MOF-hydrogel.

השאירו תערובת זו להתייבש בטמפרטורת החדר עד לשלב האפיון. לעיצוב מונוליתי של קומפוזיטים של הידרוג'ל, חממו את הפאזה הצמיגית יחד עם הנוזל העליון ב-70 °C למשך 15 דקות. לאחר מכן, חממו אותה ב-90 °C למשך חמש דקות כדי להפוך את הידרוג'ל ה-MOF-gelatin לנוזל צמיגי הומוגני.

שפכו את ההידרוג'ל ללא תמיסת העילאי שלו אל תוך התבנית שעברה תרמול ל-70 °C. צרו מונולית על ידי קירור בטמפרטורת החדר למשך 15 דקות. לאחר מכן, שמרו אותה בטמפרטורה של 2 °C למשך יום אחד.

יש לאשר את היווצרותו של ההידרוג'ל הסופי של MOF-gelatin. בדיקות דיפרקציית קרני X של אבקה מדגימות כי הקומפוזיט של UiO-66 zirconium gelatin שומר על קריסטליות גבוהה, התואמת לזו של ננו-חלקיקי מסגרת מתכת-אורגנית (metal-organic framework) טהורה של UiO-66 zirconium. פורוזימטריית חנקן מראה כי קומפוזיט ה-UiO-66 gelatin נותר נקבובי מאוד, תוך שימור של כ-79% משטח הפנים של ה-MOF המקורי, מה שמעיד על כך ששרשראות הג'לטין אינן מסוגלות לחדור אל המיקרו-נקבוביות של UiO-66.

ניתוח במיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM) של פרוסות מיקרוטום אולטרה חושף כי ננו-חלקיקי זירקוניום מסוג UiO-66 מפוזרים במידה רבה ברחבי מטריצת הג'לטין ללא אגרגציה או הפרדה פאזית. יתרה מכך, דימיון במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) של דגימות שנשטפו במים מאשר כי הננו-גבישים המוטמעים שומרים על מורפולוגיה אוקטהדרלית מוגדרת היטב. פרוטוקול זה מאפשר ייצור בקנה מידה רחב של תרכובות MOF-ג'לטין לצורות מיקרוסקופיות מגוונות, כולל ציפויים ומונוליטים.

השיטה מנצלת את יכולתה של הג'לטין לעבור הפרדה פאזית באמצעות קואצרבציה (coacervation), בשילוב עם היווצרותו של ה-Zirconia MOF. מחקר זה מרחיב את היישום ל-MOFs המכוונים כימית, ובכך מאפשר יצירה של קומפוזיטים בעלי צורה ייעודית עבור יישומי תסריג סביבתי וקטליזה.