Articolo metodologico

Preparazione del biopolimero Aerogels che utilizzano solventi verdi

20K visualizzazioni

⸱

DOI:

10.3791/54116

⸱

4 luglio 2016

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

In questo articolo

Sommario

Viene mostrato un nuovo modo per la produzione di aerogel a base di biopolimeri mediante gelificazione indotta da anidride carbonica (CO2). La tecnica utilizza anidride carbonica pressurizzata (5 MPa) per la produzione di idrogel biopolimerici e CO2 supercritica (12 MPa) per convertire i gel in aerogel. Gli unici solventi necessari oltre alla CO2 sono l'acqua e l'etanolo.

Abstract

Sebbene i primi rapporti sugli aerogel realizzati da Kistler1 negli anni '30 trattassero di aerogel sia da ossidi inorganici (silice e altri) che da biopolimeri (gelatina, agar, cellulosa), solo di recente le biomasse sono state riconosciute come una fonte abbondante di macromolecole chimicamente diverse per materiali aerogel funzionali. Gli aerogel biopolimerici (pectina, alginato, chitosano, cellulosa, ecc.) presentano sia funzioni specifiche ereditabili dei biopolimeri di partenza che caratteristiche distintive degli aerogel (80-99% di porosità e superficie specifica fino a 800 m2/g). Questa sinergia di proprietà rende gli aerogel biopolimerici candidati promettenti per un'ampia gamma di applicazioni come l'isolamento termico, l'ingegneria tissutale e la medicina rigenerativa, i sistemi di somministrazione di farmaci, gli alimenti funzionali, i catalizzatori, gli adsorbenti e i sensori. Questo lavoro dimostra l'uso di anidride carbonica pressurizzata (5 MPa) per la reticolazione ionica della pectina amidata in idrogel. Inizialmente viene preparata una dispersione di biopolimero/sale in acqua. In condizioni di CO2 pressurizzata, il pH della soluzione di biopolimero viene abbassato a 3, il che rilascia i cationi reticolanti dal sale per legarsi con gli idrogel che producono biopolimero. Lo scambio di solventi con etanolo e l'ulteriore essiccazione con CO2 supercritica (10 - 12 MPa) producono aerogel. Gli aerogel ottenuti sono ultra-porosi con bassa densità (fino a 0,02 g/cm3), elevata area superficiale specifica (350 - 500 m2/g) e volume dei pori (3 - 7 cm3/g per pori di dimensioni inferiori a 150 nm).

Introduzione

Gli aerogel sono una classe di materiali porosi che possono essere preparati utilizzando una varietà di precursori che vanno da inorganico (ad esempio silice, titania, zirconia e altri), sintetici (come resorcinolo formaldeide, poliuretano e altri) o biopolimeri (polisaccaridi, proteine ​​e altri ) 2. Ciò che li distingue da materiali porosi tradizionali è la loro capacità di possedere contemporaneamente tutte le tre caratteristiche; cioè elevata area superficiale, densità ultra-bassa e distribuzione delle dimensioni dei pori mesoporosi (cioè, dimensioni dei pori da 2-50 nm). Con le caratteristiche di cui sopra, aerogel sono ampiamente applicate nei campi di applicazioni di isolamento, biomedicina, catalisi, adsorbimento e assorbimento, prodotti farmaceutici e neutraceuticals 2. Tenendo conto delle possibilità di cui sopra, la produzione di sistemi di gel biopolimero e la loro successiva trasformazione in aerogel apre una moltitudine di opportunità verso alto valore aggiunto a base di biomateriali. Tale sforzo è ripreso in questo studio utilizzando la pectina ammidato come esempio.

Gli aerogel sono tipicamente prodotte con la tecnica sol-gel. I gel sono sistemi costituiti da liquido intrappolato in una matrice e possono essere preparati mediante covalente, ionico, pH indotta, croce termica o crio collegamento 3. Per questo sistema specifico, utilizziamo reticolazione ionica, cioè, un catione bivalente (ad esempio, calcio) per reticolare le catene biopolimerico insieme. Per eseguire controllabile reticolazione ionica di biopolimeri come la pectina o alginato amidate, si può utilizzare il metodo di diffusione o il metodo di impostazione interna 4. Nel metodo di diffusione, gelificazione avviene inizialmente nello strato esterno seguita da propagazione diffusione, come i cationi diffondono dalla soluzione esterna in una pectina ammidato o gocciolina alginato o strato 4. Nel metodo di impostazione interna, la forma insolubile del reticolante è omogeneamente disperso nel solutio biopolimeron e cationi vengono rilasciati avviando un cambiamento di pH 4,5,6. Tuttavia, entrambe le tecniche affrontano un problema che riguarda l'omogeneità del gel finale quando prodotta in lastra o forma monolitica. Questo lavoro dimostra l'uso di alta pressione CO 2 (5 MPa) per la produzione di idrogel pectina amidata costruzione più avanti precedenti lavori su gel di alginato 3,7. In breve, è una tecnica di gelificazione regolazione interna che utilizza CO 2 pressurizzata per ridurre pH invece di acidi deboli per produrre gel omogenei. Con un aumento della pressione, la solubilità dell'anidride carbonica in acqua aumenta accompagnato da un abbassamento del pH a 3,0 8. Ciò causa carbonato di calcio per solubilizzare, rilasciando gli ioni calcio. Gli ioni calcio reticolare con il biopolimero pectina AMIDATA a cedere idrogel. Gel omogenei stabili giù a concentrazioni molto basse biopolimeri (0,05% in peso) potrebbero essere prodotti con questa tecnica 7.

come Gelation avviene in un mezzo acquoso, di sostituire il solvente a un solvente organico è necessaria a causa di una lacuna miscibilità nel sistema CO 2 / acqua. alcoli Tipicamente basso peso molecolare (metanolo / etanolo / isopropanolo) e chetoni (acetone) possono essere utilizzati per il processo di scambio di solvente. Tuttavia, immersione diretta in un bagno di etanolo puro o altri solventi organici comporta notevole restringimento irreversibile. Per evitare questo inconveniente, stepwise scambio solvente viene eseguita 5,9. Quando la concentrazione del solvente nel gel raggiunge> 98%, il solvente organico viene asciugato con CO 2 supercritica (12 MPa) lasciando un aerogel.

Protocollo

1. Preparazione di AMIDATA pectina della Soluzione

  1. Mescolare 20 g di pectina amidate con 980 g di acqua (2,0% in peso). Il grado di ammidazione è del 25% in peso.
  2. Omogeneizzare la soluzione con un agitatore ad alta velocità (10.000 rpm) per 2 minuti per ottenere una soluzione viscosa omogenea.
  3. Misurare il pH utilizzando strisce di pH o pH-metro. Se il pH è inferiore a 6,5, titolare con 0,5 M NaOH per neutralizzare la soluzione (a pH 7,0).
  4. Aggiungere carbonato di calcio in un rapporto di 0,1825 g per grammo di pectina ammidato secca (q = 1). "Q" indica il grado di reticolazione.
  5. Per 1 kg 2,0% in peso soluzione ammidato pectina, aggiungere 3,65 g di carbonato di calcio (q = 1) 7 per 20,0 g di pectina secca.
  6. Per una maggiore reticolazione, aggiungere 0,3650 g di carbonato di calcio per grammo di pectina ammidato secco (q = 2).

2. Produzione di idrogeli

  1. Omogeneizzare la miscela di carbonato di pectina / calcio amidate usando l'omogeneizzatore ad alta velocità (10.000 rpm) per ottenere unbianco dispersione omogenea.
  2. Trasferire la sospensione in stampi aperti o polipropilene vetro piastre di Petri.
  3. Mettere gli stampi in autoclave ad alta pressione. Sigillare l'autoclave.
  4. Pressurizzare il autoclave con CO 2 gassoso fino a 5 MPa a temperatura ambiente. Fare riferimento alla Gurikov et al. 7 per ulteriori informazioni. Mantenere la pressione per 24 ore.
  5. Lentamente depressurizzare il autoclave a 0,2 MPa / min.
  6. Aprire l'autoclave e rimuovere gli stampi. Rimuovere gli idrogeli dagli stampi da loro ribaltamento. Se necessario, utilizzare una spatola.

3. Procedura Exchange solvente

  1. Preparare 10 g di 10:90 (w / w) etanolo / acqua miscuglio per grammo di idrogel.
  2. Immergere idrogel nella 10:90 (w / w) miscela di etanolo / acqua per 12 ore.
  3. Continuare questo processo con concentrazioni crescenti di etanolo, cioè, da 10:90 (w / w) miscela di etanolo / acqua 30:70 (w / w) etanolo / acqua della miscela. Dopo 12 ore, il trasferimento a 50:50 (w / w) miscela di etanolo / acqua, poi a 70:30 (12 ore), poi 90:10 (12 ore) e soluzione di etanolo quindi al 100% (12 ore).
  4. Impregna il gel ulteriormente in etanolo puro in modo che la concentrazione finale nel gel è superiore al 98% (w / w). Misurare la concentrazione utilizzando il misuratore di densità. Il alcogel è ora pronto per supercritica CO 2 essiccazione.

4. La produzione di aerogel da supercritica di CO 2 di asciugatura

  1. Mettere i campioni nella stessa autoclave ad alta pressione utilizzato per la preparazione di idrogel (vedi punto 2.3).
  2. Riempire l'autoclave con etanolo supplementare (2-10% del volume autoclave) per prevenire prematura evaporazione del solvente dal gel. non è richiesto l'immersione completa di gel nel solvente.
  3. Sigillare l'autoclave. Accendere il riscaldamento dell'autoclave. Impostare la temperatura di funzionamento dell'autoclave a 323 K. Pressurizzare l'autoclave con anidride carbonica a 12 MPa utilizzando un compressore o pompa.
  4. Periodicamente sostituire la CO 2all'interno dell'autoclave 10,11 con CO 2 fresca mantenendo costante la pressione. 6-7 volumi di residenza sono tenuti per un periodo di 6 ore. Fare riferimento alla Gurikov et al. 7 per ulteriori informazioni.
  5. Lentamente depressurizzare il autoclave a 0,2 MPa / min.
  6. Aprire l'autoclave e raccogliere l'aerogel. Conservare il aerogel in exicator o un contenitore sigillato.

Risultati

Gli idrogeli tipici ottengono dopo passo gelificazione con elevato grado di reticolazione (q = 2) (come indicato nella sezione Protocol 2) sono mostrate in Figura 1. I campioni sulla sinistra (campione A e B) sono il 2% in peso e 1% in peso gel pectina ottenuti da CO 2 gelificazione indotta. Diminuendo la concentrazione biopolimero (0,5% in peso o inferiore), i gel diventano trasparenti (campione C). Ulteriore riduzione della concentrazione biopolimero (0,25% in peso) produce anche idrogel stabili (campione D), ma questi gel sono molto fragile e può rompersi durante la manipolazione. Le bolle osservati all'interno idrogeli vengono creati durante la depressurizzazione quando disciolto CO 2 lascia il sistema idrico gel dovuta alla diminuzione CO 2 solubilità.

Le caratteristiche pectina aerogel amidate sono presentati nella Tabella 1. Gli aerogel ottenuti sono ultra-porosa con bassa den sity (a partire da 0,013 g / cm 3) definito come il rapporto tra la massa della aerogel e il suo volume. La superficie è misurata dal adsorbimento di azoto. Per aerogel pectina, che ha prodotto una superficie specifica di 350 - 500 m 2 / g. Il volume dei pori per dimensioni dei pori nell'intervallo 4-150 nm viene misurata dal modello Kelvin di riempimento dei pori con azoto (metodo BJH). Il volume dei pori per gli aerogel pectina amidata era tra 3 - 7 cm 3 / g per dimensioni dei pori tra 4 e 150 nm.

figure-results-1
Figura 1. idrogel AMIDATA pectina con più alto grado di reticolazione (q = 2) In alto a sinistra: 2% in peso (Esempio A);. in alto a destra: 1% in peso (campione B); in basso a sinistra: 0,5% in peso (campione C); in basso a destra: 0,25% in peso (campione D). Gel diventano trasparenti con la diminuzione della concentrazione biopolimero. Le bolle sono prodotte durante la CO 2 depressurizzazione.https://www.jove.com/files/ftp_upload/54116/54116fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Concentrazione pectina [% in peso] La reticolazione gradi q Densità apparente [g / cm 3] Superficie specifica [m 2 / g] Volume specifico dei pori [cm 3 / g] La dimensione dei pori media (diametro) [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

Tabella 1. Caratteristiche dei aerogel pectina AMIDATA.

Discussione

Utilizzando la tecnica di gelificazione indotta CO 2, si può eliminare la necessità di sostituti chimici (per esempio acido acetico o gluconedeltalattone (GDL)) necessario per indurre la reticolazione del biopolimero. Le superfici dei aerogel pectina amidata sono nelle alte gamme di valori di letteratura 5, tuttavia i volumi dei pori sono molto superiori a quelli presentati in letteratura 5. Volumi dei pori più elevati sono stati osservati anche per aerogel alginato preparati dal CO 2 gelificazione indotta 7. Tuttavia, resta da verificare se la ragione di questo grande volume di pori (4-150 nm gamma delle dimensioni dei pori) è dovuta alla tecnica di gelificazione o una proprietà intrinseca dei biopolimeri in precedenza non affrontati in letteratura. Aerogel pectina sono stati riportati in letteratura per possedere superisolante proprietà 12 e aerogel alginato preparati da questa tecnica di possedere anche conducibilità termiche della gamma superisolante3,7. Pertanto, possono anche essere previste le aerogel pectina AMIDATA prodotti da questa tecnica di possedere proprietà superisolanti.

Il tasso di depressurizzazione nel protocollo sezione 2 è un passo importante nella preparazione idrogel. depressurizzazione veloce può comportare un aumento macroporosità dei gel. Questo fenomeno può essere applicato per applicazioni di ingegneria tissutale dove macroporosità del materiale con interconnettività è una caratteristica importante per la crescita e la proliferazione delle cellule 13,14. Inoltre, il grado di reticolazione nel protocollo sezione 1 gioca un ruolo importante nella sineresi e proprietà rigonfiamento degli idrogel pectina amidata. Questo è simile a idrogel alginato quale comportamento gonfiore è influenzato dalla concentrazione reticolante pure 15. In tal modo aerogel fatte da pectina AMIDATA possono anche essere sintonizzate a possedere proprietà superassorbente simili a quelli riportati per aerogel alginato 16.

Utilizzando il CO 2 gelificazione indotta considerando pectina amidate (o alginato) come primo impianto, ulteriormente la diversità può essere incorporato nei aerogel introducendo croce diversa agenti e combinazioni biopolimeri collegamento. Diversi carbonati di metalli (ad esempio, zinco, nichel, cobalto, rame, stronzio, bario) potrebbe essere utilizzato per reticolazione 3, in cui i cationi possono essere sganciati riduzione del pH in mezzi acquosi con CO 2 in pressione (3-5 MPa). Tuttavia, i sali insolubili di alcuni di questi cationi non possono formare dispersioni stabili per le concentrazioni di biopolimeri più bassi e può stabilirsi in fondo che porta a gel non omogenei. Si tratta di un problema generale con il metodo di impostazione gelificazione interna compresi CO 2 gelificazione indotta 3 e, di conseguenza, l'usabilità del tecnica per un'applicazione deve essere valutata caso per caso.

Varie miscele preparate utilizzando acqua bio solubilepolimeri quali amido, carragenina, metile e metilcellulosa carbossi, gellano, lignina, gelatina e altri; idrosolubili polimeri sintetici come polietilene glicole (PEG), alcool polivinilico (PVA), Pluronic P-123 ed altri; e solubile in acqua precursori inorganici come silicato di sodio possono essere anche miscelati con pectina ammidato per produrre aerogel ibridi simili a alginato 2 con proprietà sintonizzabili.

Come supercritico CO 2 di asciugatura (SCCO 2 essiccazione) è un passo per eccellenza in aerogel di produzione, qualsiasi combinazione di fasi di pre-processing come lo scambio di solvente e di asciugatura utilizzando CO 2 17,18 o gelificazione, cambio solvente e l'asciugatura utilizzando CO 2 7 potrebbe fornire un chiaro vantaggio di elaborazione. Il vantaggio è visto come integrato processo a pot: dove dispersioni biopolimeri possono essere convertiti in aerogel biopolimeri utilizzando CO 2 come mezzo di elaborazione principale in una singola autoclave. Peralcune applicazioni farmaceutiche, si può anche immaginare l'esecuzione di un quattro fasi: la gelificazione, scambio di solvente, asciugatura supercritico e attivo processo di caricamento dei componenti 5,19 in un unico autoclave utilizzando CO 2 come mezzo di trasformazione. Post-trattamento come rivestimento protettivo di droga caricata aerogel in alcuni casi è necessario per il rilascio mirato di farmaci 20.

Per concludere, il presente lavoro dimostra l'uso di CO 2 in pressione per la gelificazione di sistemi basati pectina AMIDATA. Inoltre, è previsto l'impiego di CO 2 pressurizzata come mezzo comune per precursore di conversione prodotto per applicazioni di destinazione in un singolo autoclave.

Dichiarazioni

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Ringraziamenti

Il sostegno finanziario da DFG (progetti SM 82 / 13-1) Si ringrazia.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Equipment
Ultraturrax omogeneizzatoreIKA, GermaniaT 25 Stampi digitali
in polipropileneTH. Geyer, Germania9.033.201
Autoclave ad alta pressione Ernst Haage, GermaniaInstallazione su misura Costruzione interna
CompressoreAndreas HoferMKZ 185-40Installazione interna
Adsorbimento di azotoQuantachromeNova 4000e
DensimetroAnton PaarDMA 4000
Chemicals
Amidated pectinaHerbstreith e Fox, GermaniaCU 025CAS # 56645-02-4; fornito dall'azienda per scopi di ricerca
Idrossido di sodioSigma Aldrich, GermaniaS8045CAS # 1310-73-2; richiesto solo nel caso in cui la soluzione di pectina debba essere neutralizzata a pH 6,5-7,5
Carbonato di calcioMagnesia GmbH, Germania4421 Carbonato di calcio, leicht, prä zipitiert, EP, E170CAS # 471-34-1
Etanolo, 99,8%Sigma Aldrich, Germania32205CAS # 64-17-5
Anidride carbonica, 99,9%AGA Gas GmbH, GermaniaCAS # 124-38-9; serbatoio interno disponibile (3 tonnellata)
AcquaCAS # 7732-18-5;   disponibile internamente (6,4-7,0 pH)
deionizzata

Riferimenti

  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).

Ristampe e permessi

Esplora altri articoli

Anidride carbonica supercriticapectina amidatascambio di solventeformazione di idrogelessiccazione con etanoloreticolazione ionicamateriali porosiisolamento termico
Preparazione del biopolimero Aerogels che utilizzano solventi verdi
Contattaci
Consiglia alla biblioteca

Privacy

Termini di utilizzo

Politiche

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Tutti i diritti riservati.