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方法論記事

金属有機骨格-ゼラチンハイドロゲルの補正化による調製

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DOI:

10.3791/71045

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2026年7月31日

 ,  ,  , 
1Institut Lavoisier de Versailles, UMR CNRS 8180, Université de Versailles St Quentin en Yvelines, Université Paris Saclay

この記事について

サマリー

本記事では、共アクベーションによる相分離に関連するゼラチンの熱可逆特性を享受するMOF-ゼラチンハイドロゲルの調製方法を紹介します。これらのハイドロゲル複合材料は高いMOF負荷、大きな多孔率、そしてゼラチンマトリックス内のMOF粒子の空間的分布が良好です。

要約

環境に優しいゼラチン–Zr(IV)金属有機フレームワーク(MOF)ハイドロゲル複合合成のための独自かつ再現可能な戦略が提示されており、記事全体で段階的に説明されています。このアプローチは、ゼラチンの熱可逆性と共アクセル化による相分離能力、さらに穏やかな条件下でのUiO-66型MOFの 現地 生成を組み合わせています。この手法を用いて、本研究はゼラチンと化学的に安定なZr4⁺ジカルボキシレートUiO-66 MOFに基づくバイオナノ複合樹脂の合成を示している。重要なのは、この戦略がより広範なZr(IV)ジカルボン酸およびフマル酸MOFファミリー(それぞれUiO-66型MOFおよびMOF-801)に拡張可能であり、親水性・疎水性バランスや有機リンカー官能化の幅広い範囲に選択可能である点である。その結果生まれたハイドロゲル複合材料は、高いMOF負荷(50wt%を超える)、高いアクセス可能な多孔率、そしてゼラチンネットワーク内でのMOFナノ粒子の均一な分散といった重要な特徴を示します。これらの特性は、ゼラチンとMOFナノ粒子間の強い界面適合性に由来し、補完的な高度な特性評価技術によって証明されています。環境条件下での堅牢な機械的挙動により、これらの複合材料はグラムスケールでコーティングやモノリスなどの様々なマクロな形態に加工でき、水や空気中の汚染物質の捕捉や触媒変換など多様な用途で利用可能です。

概要

金属・有機フレーム(MOFs)は、多歯型有機配位子によって結合された金属イオンからなる多孔質で結晶質のハイブリッド材料のファミリーを構成しています。明確に定義された孔構造、高い内部表面積、調整可能な化学機能により、MOFはガスの貯蔵・分離、センシング、触媒、生医学など多様な応用で大きな科学的注目を集めています。この大きな可能性にもかかわらず、MOFの大規模な産業実装への移行にはいくつかの制約が依然として大きく制限されています。主な課題の一つは、こうした材料の成形にあります。実際、従来のMOF合成は脆弱な粉末を生み出し、その脆弱性、処理性の低さ、取り扱い性能の制限が実用的な運用を大きく妨げています。これらの問題に対処するため、MOFはペレット、顆粒、ビーズ、繊維、または膜に加工されています。しかし、このようなシェイピング手順はしばしば利用可能な多孔率の部分的または完全な喪失をもたらします。

これらの欠点を克服するための広く検討されている戦略として、MOFを支持マトリックス、特に高分子や炭素ナノチューブ、グラフェン酸化物などの炭素系材料と統合する方法があります。 このアプローチにより、MOFの本質的な利点(多孔性、結晶性)とホスト材料の機械的堅牢性および加工性を組み合わせた多機能複合材料の開発が進みました。さらに、ハイブリダイゼーションは化学的安定性の向上、電気伝導性の向上、階層的多孔性3,4,5,6などの新しい機能を導入することができます。その結果、MOFベースの複合材料はガス吸着・分離、水精製、触媒、バイオアプリケーション(3,4,5,6,7,8)で広く研究されています。しかしながら、このような複合材料の繰り返し現れる制約は、MOF粒子の顕著な集まりであり、これは一般的にMOFと支持マトリックス間の界面互換性の低下に起因するとされています。この問題は、事前に合成されたMOF粒子をポリマーやグラフェン酸化物と物理的に混合して製造した複合材料で特に顕著であり、性能3,4,5,6の最適化に通常求められる高MOF負荷でさらに深刻化します。これらの課題を緩和するために、MOFとポリマーまたは炭素系マトリックス間の物理化学的親和性を改善しつつ、MOFの多孔性を維持するための多くの代替戦略が提案されています。これには、MOF粒子の表面機能化、高分子のMOF表面への共有結合接ぎ、高分子マトリックス内のMOFのその場成長、高分子指向性のMOF結晶化、またはポリモリガンドを用いたポリMOF3,4,5,6,7,8,9の構築が含まれます.これらの進歩にもかかわらず、多くのMOFポリマー複合材料は、ポリマー鎖による孔の詰まりや不均一なMOF分散により表面積が減少し続けています。さらに、製備は多段階で時間のかかる合成経路に依存しており、石油化学由来の合成ポリマーの使用は毒性、持続可能性、環境への影響に関する懸念を生じさせます(3,4,5,6)。

本記事の目的は、Zr4⁺ジカルボキシレートUiO-66型MOF(UiO = University of Oslo)10とゼラチンを用いたハイドロゲル複合合成の詳細を共有することです。このシステムは、汎用合成戦略を示す代表例として選ばれ、汎用的な合成戦略として、官能化されたUiO-66誘導体やMOF-801(Zr)を含むポリカルボキシレート多孔質MOFファミリーに拡張可能である。ゼラチンは、低コスト、生分解性、無毒、再生可能起源により、医薬品や化粧品のマイクロエンカプスレーションなどの工業用途で広く使用されているタンパク質ベースの生体高分子です。近年、MOFゼラチンハイドロゲルは主に組織工学、創傷治癒、薬物送達、バイオイメージング12,13,14,15,16,17などの生物関連応用で研究されています。これらの複合材料は一般的に、既に成形されたMOF粒子を機能化ゼラチン足場や物理ゼラチンゲルに含浸させることで調製されました。これらの材料は生物学的性能で有望ですが、通常はMOF含有量が非常に低い(10wt%未満)であり、その結果、多孔性が限られ、その結果、MOFに関連する物理化学的特性の利用が制限されます。12,13,14,15,16,17.本記事では、ゼラチンの熱可逆的特性と、室温(RT)におけるMOFの現場生成に関連する液体-液体相分離を起こす能力を活用した全く異なる戦略を説明しています。本記事で説明するプロトコルでは、UiO-66/ゼラチン複合材料の準備における重要なステップ、ゼラチン溶液の調製、ゼラチン共硬化プロセス、ゼラチン中のUiO-66のRT結晶化、そして生成された複合材料の成形などを扱います。このような複合材料は最近、文化遺産保存のための吸着剤の開発が報告されていますが、合成のプロトコルについては詳細には記述されていません。本記事で提示された概念と方法論が、研究コミュニティがより広範なMOF-バイオポリマー複合材料のクラスを探求・開発する動機付けとなることを願っています。これらの材料は同時に高いMOF負荷(80wt%を超え)、大きなアクセス可能な間隙率、ゼラチンマトリックス内でのMOF粒子の均一分散、そして可変調整可能な親水・疎水特性を示します。ゼラチンのような生体高分子を用いる主な利点は、その本質的な化学的複雑性、多機能性、ポリ電解質の性質にあり、直接的な合成物には対応しません。この独特の組み合わせにより、親水性と疎水性のMOFの両方を水溶性生体高分子マトリックス内に効果的に統合することが可能になります。

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プロトコル

1. ゼラチン溶液の調製

  1. 市販のゼラチンは豚の皮膚から抽出されたタイプAを使用し、ブルーム量は175g、平均分子量は約40,000 g·mol⁻1、等電点(IEP)は8です。
  2. 超純水で5°Cで最低3時間膨張させ、10wt%濃度の水性ゼラチンゲルを製製します。
  3. 次に、ゼラチンゲルを50°Cで加熱して水性ゼラチン溶液を準備します。 磁気攪拌器で30分間、300rpmでゼラチン溶液をかき混ぜます。透明なゼラチン溶液が得られたら、温度を50°Cに保ちます(図1)。

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図1:10 wt%濃度の水性ゼラチン溶液の写真。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

2. UiO-66-ゼラチンハイドロゲル複合合成

  1. [Zr6O4(OH)4(OAc)12](OAc = アセテート)オキソクラスターの合成
    1. 20 mLのシンチレーションバイアルに、70%ジルコニウムプロポキシド溶液を1-プロパノール[Zr(OPrⁿ)₄](0.0519 g, 0.158 mmol)に7 mLのジメチルホルムアミド(DMF)および4 mLの酢酸(4.196 g, 70 mmol)を加えます(図2A)。
    2. 得られた混合物を熱板の上で130°Cで2時間加熱すると、無色から黄色への明確な色の変化が観察されます(図2B)。
    3. 溶液をRTで冷やすのを待ちましょう。
  2. ゼラチン共アセルベートの存在下でのUiO-66(Zr)の現場合成
    1. ステップ2.1で得られた{Z₆}オキソクラスター溶液(0.158 mmol)11 mLと、1,4-ベンゼンジカルボン酸(1.4-bdc)有機連結剤0.5 mmol(84 mg)を混合します。
    2. 混合物を15分間かき混ぜて均一な分散が得られます。
    3. 次に、タスク1で50°Cで調製した10ワット%ゼラチン溶液2mLを加えます。(図3)
    4. 混合物をRTで10分間かき混ぜ、その後エタノール2mLを加えます。溶液は濁って白くなります。
    5. できた混合物をRT(20°C)で24時間かき混ぜます。液体-液体の相分離は時間とともに段階的に起こります。
      注:エタノールを加えた直後、初期溶液は白色で濁っており(図4A)、その後時間とともに希釈されたゼラチン溶液がより密度の高い白色粘性相の上に浮かぶ、巨視的に二相的な試料へと変化します(図4B–F)。
    6. 完全な相分離のために、この混合物にエタノール10 mLを加えます。溶液をかき混ぜた後、上清液から粘性相を抽出してハイドロゲル複合液を得ます(図5)。
    7. この複合材料を室温で乾燥させ、粉末X線回折(PXRD)、熱重力分析、フーリエ変換赤外線(FT-IR)分光法、N2ポロシメトリー、走査型および透過型電子顕微鏡(SEMおよびTEM)、固体核磁気共鳴(NMR)、誘導結合プラズマ原子発光分光法(ICP-AES)を組み合わせてさらに特性評価します(図6参照)。
  3. UiO-66(Zr) /ゼラチンのモノリス成形
    1. ステップ2.2.6で得られた粘性相とその上清液を70°Cで15分間加熱し、その後90°Cで5分間加熱します。
      注:この処理はMOF-ゼラチンハイドロゲルを均質な液体かつ粘性のある混合物に変換し、型に容易に注ぎ込めることを目的としています。
    2. その後、上清液溶液を含まないハイドロゲルを70°Cで熱化された型に注ぎます。
    3. RTで15分間冷却し、その後1日間2°Cで保温してモノリス状にします(図7)。

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図2:70%ジルコニウムプロポキシド溶液71μLを1-プロパノール[Zr(OPrⁿ)₄](0.0519g、0.158 mmol)、7 mLのDMF、4 mLの酢酸を含む溶液の写真。(A) 130°Cで2時間加熱後および (B) こちらをクリックしてください。

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図3:RT で[Zr 6O4(OH)4(OAc)12]オキソクラスター(0.158 mmol)、1,4-bdcリンカー(0.5 mmol)、および10wt%水性ゼラチン溶液2mLを混合した後に得られたサンプルの写真。この 図の拡大版はこちらをクリックしてください。

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図4:2 mLエタノールを加えた後、RTで[Zr 6O4(OH)4(OAc)12]オキソクラスター、1,4-bdcリンカー、および10 wt%水溶液を含む試料の写真。写真は、試料を熟成させた際のゼラチンの液体-液体相の段階的分離を示しています:(A)0分、(B)15分、(C)1時間、(D)2時間、(E)18時間、(F)24時間。同時に、[Zr6O4(OH)4(OAc)12] オキソクラスターと1,4-bdcリンカーの反応により、UiO-66(Zr)ナノ粒子が形成されました。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

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図5:ゼラチンおよびUiO-66(Zr)を含む試料の写真。(A–D)(A,C)の前と後(B,D)に10mLのエタノールを加えます。最初は白色で濁った溶液(A,C)ですが、希釈ゼラチン溶液と粘性のハイドロゲル(B,D)を含む巨視的に二相性の試料に変わります。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

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図6:UiO-66/ゼラチンハイドロゲルの特徴解析。(A) UiO-66/ゼラチンの実験的PXRDパターンと計算されたUiO-66のパターンとの比較。(B) UiO-66/ゼラチンのN2ポロシメトリー(吸着、充填記号;脱着、空記号)を、純粋なUiO-66ナノ粒子と77 K(p°=1気圧)と比較して得られる。(C) UiO-66/ゼラチンハイドロゲルの80nm超微開拓スライスのTEM画像。(D) 水で洗浄した後のUiO-66/ゼラチンハイドロゲルのSEM画像。この図はBiswasらの許可を得て再掲載(改変)されています。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

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図7:成形されたUiO-66/ゼラチン複合素材の写真。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

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結果

UiO-66(Zr)/ゼラチンハイドロゲル複合体は、単純にゼラチンの共アカルベーションとUiO-66(Zr)ナノ粒子の 現地 生成を組み合わせて合成されました。合成プロトコルは堅牢性を確保するために複数回繰り返し行われ、同一の実験条件下で一貫して再現可能な結果(複合材料の構造的および物理化学的特性)を得ました。UiO-66(Zr)ナノ粒子は、以前に報告された2段階プロトコルに従ってRTで製製されました。このプロトコルは、{Zr₆}アセテート構成単位の合成と、その後アセテート配位子を1,4-bdcリンカー21に置換するものです。

UiO-66(Zr)/ゼラチンハイドロゲルの合成は、主に3つの連続した工程から成ります:(i) 水性ゼラチン溶液の製剤(図1);(ii) UiO-66(Zr) の{Zr₆}アセテート構成要素の合成(図2);お...

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ディスカッション

ゼラチンと金属酸化物、ヒドロキシアパタイト、層状二重水酸化物などの無機材料を組み合わせた複合材料は、ゼラチンの生体適合性と加工性を無機相の機能特性と統合できる能力から大きな関心を集めています。ゼラチンは水性媒体で容易に成形、架橋、処理が可能な多用途な有機マトリックスを提供し、無機成分は機械的補強、熱安定性、特定の物理化学的機能性を付与します24,25。 これらのゼラチン系複合材料は、組織工学、再生医療、触媒、吸着、環境修復において有望な実績を示しています24,25。

近年では、この戦略がMOFsにも拡張されており、ゼラチンマトリックスに組み込まれ...

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開示事項

著者たちは何も明かすことはありません。

謝辞

SBとNSは、欧州連合のHorizon 2020プログラム(ネモシン・プロジェクト、助成金契約N°760801)からの財政支援を感謝しています。SBとNSはANR-11-LABEX-0039(LabEx charmmmat)からの財政支援を認めています。IMとNSは、l'École Universitaire de Recherche PSGS-HCH Humanités, Création, Patrimoine, Investissement d'Avenir ANR-17-EURE-0021 – 遺産科学基金からの財政支援に感謝します。NNGとNSは、フランス国立研究機関(DOMINO GRANT)を通じて提供された財政支援に感謝します。ANR-22-CE08-0007。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
1,4 ベンゼンジカルボン酸 Acros Organics.180720010
70% ジルコニウムプロポキシド [Zr(OPrn)4] 溶液 in 1-プロパノール Sigma-Aldrich333972-100ML
酢酸 Carlo Erba524520
Avance-NEO 分光光度計BrukerNMR
ジメチルホルムアミド Carlo Erba528221
エタノール Carlo Erba528131
ゼラチンSigma-AldrichG2625-100G
Magna 550 Nicolet 分光光度計Nicolet550 seriesFTIR
走査型電子顕微鏡Jeol JSM-7001FSEM
熱重量分析計Perkin Elmer SDA 6000 モデル
透過型電子顕微鏡Jeol 2100F TEM
X'Pert MDP 回折装置SiemensD5000  XRD

参考文献

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