방법 논문

녹색 용매를 사용하여 생체 고분자 에어로젤의 제조

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DOI:

10.3791/54116

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2016년 7월 4일

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

이 논문에서

요약

이산화탄소(CO2) 유도 겔화에 의한 생체 고분자 기반 에어로겔 생산을 위한 새로운 방법이 제시되었습니다. 이 기술은 바이오 고분자 하이드로겔 생산을 위해 가압 이산화탄소(5MPa)를 사용하고 겔을 에어로겔로 변환하기 위해 초임계 CO2(12MPa)를 사용합니다. CO2 외에 필요한 유일한 용매는 물과 에탄올입니다.

초록

1930년대에 Kistler1이 만든 에어로겔에 대한 첫 번째 보고서는 무기 산화물(실리카 및 기타)과 바이오 고분자(젤라틴, 한천, 셀룰로오스)의 에어로겔을 다루었지만, 바이오매스는 최근에야 기능성 에어로겔 물질에 대한 화학적으로 다양한 거대분자의 풍부한 공급원으로 인식되었습니다. 바이오 폴리머 에어로겔(펙틴, 알긴산, 키토산, 셀룰로오스 등)은 바이오 폴리머 시작의 특정 유전 가능한 기능과 에어로겔의 독특한 특징(80-99% 다공성 및 최대 800m2/g의 특정 표면)을 모두 나타냅니다. 이러한 특성의 시너지 효과로 인해 생체 고분자 에어로겔은 단열, 조직 공학 및 재생 의학, 약물 전달 시스템, 기능성 식품, 촉매, 흡착제 및 센서와 같은 광범위한 응용 분야에 대한 유망한 후보가 되었습니다. 이 작업은 아미티드 펙틴을 하이드로겔로 이온 교차 결합시키기 위해 가압된 이산화탄소(5MPa)를 사용하는 것을 보여줍니다. 처음에는 바이오 폴리머/염 분산액을 물에서 준비합니다. 가압된CO2 조건에서 바이오 고분자 용액의 pH는 3으로 낮아져 염에서 가교 양이온을 방출하여 바이오 고분자와 결합하여 하이드로겔을 생성합니다. 에탄올로의 용매 교환 및 추가 초임계 CO2 건조(10 - 12 MPa)는 에어로겔을 생성합니다. 얻어진 에어로겔은 낮은 밀도(0.02g/cm3 미만), 높은 비표면적(350 - 500m2/g) 및 공극 부피(150nm 미만의 기공 크기의 경우 3 - 7cm3/g)를 가진 초다공성입니다.

서론

에어로젤은 무기에서, 합성 또는 바이오 폴리머 (예 : 레조 르시 놀 - 포름 알데히드, 폴리 우레탄 등과 같은) (폴리 사카 라이드, 단백질, 및 기타 (예 : 실리카, 티타니아, 지르코니아 등의) 범위 전구체 된 다양한 방법을 사용하여 제조 될 수있는 다공성 물질의 부류이다 ) 2. 무엇 기존의 다공성 물질에서 차별화하는 동시에 모든 세 가지 특징을 가지고 할 수있는 능력이다 즉, 높은 표면적, 매우 낮은 밀도와 메조 기공 크기 분포 (예, 2-50 nm 내지 기공 크기). 전술 한 특성으로, 에어로젤은 광범위하게 절연, 생물 의약, 촉매, 흡착 및 흡수 응용 프로그램, 의약품 및 neutraceuticals 2의 분야에서 적용됩니다. 위의 가능성을 고려하여, 생체 고분자 겔 시스템의 생산 및 에어로젤에 그 이후의 변환은 바이오 기반의 고 부가가치를 향한 기회의 군중을 열어재료. 이러한 노력은 예를 들어 아미드 화 펙틴을 이용하여 본 연구에서 용해된다.

에어로젤은 일반적으로 졸 - 겔 기술에 의해 제조된다. 겔 매트릭스로 이루어진 액체 포획 시스템이며, 열 또는 크라이 크로스 3 연결의 공유, 이온, pH를 유도함으로써 제조 될 수있다. 이러한 특정 시스템에있어서, 우리는 이온 성 가교를 이용하는, 즉, 이가 양이온 (예 : 칼슘)을 함께 biopolymeric 사슬을 가교. 이러한 아미드 화 펙틴 또는 알긴산과 같은 생체 고분자의 제어 이온 가교 결합을 수행하기 위해, 하나의 확산 방법 또는 내부 설정 방법 4를 사용할 수있다. 양이온은 아미드 화 펙틴 또는 알긴산 또는 액적 층 (4)에 외부 용액으로부터 확산으로 확산 방법에있어서, 겔화 확산 전파 다음 외층에서 처음 발생한다. 내부 설정 방법에있어서, 가교제의 수용성 형태가 균일 생체 고분자에 분산되어 solution 및 양이온은 pH 변화에 4,5,6를 시작하여 해제됩니다. 그러나 두 기술은 슬래브 또는 모 놀리 식 형태로 제조 할 때 최종 젤의 동질성에 관한 문제에 직면 해있다. 이 작품은 알긴산 겔 3,7에 이전 작품에 추가 구축 아미드 화 펙틴 하이드로 겔의 제조를위한 고압 CO 2 (5 MPa로)을 사용하는 방법을 보여줍니다. 간단히, 이는 균일 한 겔을 제조하는 대신 약산의 산도를 감소시키는 가압 이산화탄소를 이용하는 내부 설정 겔화 기술이다. 압력의 증가와 함께, 수분이 증가 이산화탄소의 용해도는 3.0 ~ 8의 pH의 저하를 수반. 이것은 칼슘 이온을 방출 가용화 탄산 칼슘시킨다. 칼슘 이온을 하이드로 겔을 수득 할 아미드 화 펙틴 생체 고분자와 가교. 매우 낮은 생체 고분자의 농도 (0.05 중량 %)에 이르기까지 균일 한 안정된 겔 7이 기술을 사용하여 제조 될 수있다.

gelat로이온은 수성 매질에서 일어나는 유기 용매로 용매 교환 인해 CO 2 / 물 시스템에서 혼 화성 갭 요구된다. 일반적으로, 저 분자량 알콜 (메탄올 / 에탄올 / 이소프로판올) 및 케톤 (아세톤), 용매 교환 프로세스에 사용될 수있다. 그러나, 순수한 에탄올 또는 다른 유기 용제와 목욕에 직접 침지 상당한 돌이킬 수없는 수축으로 이어집니다. 이러한 단점을 피하기 위해, 단계적으로 용매 교환은 5,9를 수행한다. 젤 내부의 용매 농도가> 98 %에 도달 할 때, 상기 유기 용매는 에어로젤 남기고 임계 CO 2 (12 MPa로)로 건조된다.

프로토콜

아미드 화 펙틴 원액 1. 준비

  1. 980g의 물 (2.0 중량 %)과 20g 아미드 화 펙틴을 섞는다. 아미드 화의 정도는 25 중량 %이다.
  2. 균질 한 점성 용액을 얻었다 2 분간 고속 교반 (10,000 RPM)를 상기 용액을 균질화한다.
  3. 산도 스트립 또는 pH 미터를 이용하여 pH를 측정한다. pH가 6.5 미만이면, (PH 7.0) 용액을 중화하고, 0.5 M NaOH로 적정한다.
  4. 건조 아미드 화 펙틴 (Q = 1)의 g 당 0.1825 g의 비율로 탄산 칼슘을 추가한다. "Q"는 가교 결합의 정도를 나타낸다.
  5. 1kg 2.0 중량 %의 아미드 화 펙틴 용액의 경우, 3.65 g의 탄산 칼슘 (Q = 1) 7 20.0 당 g 건조 펙틴을 추가합니다.
  6. 큰 가교를 들어, 건조 아미드 화 펙틴 (Q = 2)의 그램 당 0.3650 g의 탄산 칼슘을 추가합니다.

히드로 겔 2. 생산

  1. 를 얻기 위해 고속으로 균질화 (10,000 RPM)를 사용하여 아미드 화 펙틴 / 탄산 칼슘 혼합물을 균질화흰색 균일 한 분산.
  2. 열린 폴리 프로필렌 금형 또는 유리 페트리 접시에 현탁액을 전송합니다.
  3. 고압 오토 클레이브에 금형을 놓습니다. 오토 클레이브를 밀봉합니다.
  4. RT에서 5 MPa의 최대 가스 CO 2와 오토 클레이브를 가압. Gurikov 등의 알을 참조하십시오. (7) 자세한 내용은. 24 시간 동안 압력을 유지한다.
  5. 천천히 압력 0.2MPa / 분 오토 클레이브를 감압.
  6. 오토 클레이브를 열고 금형을 제거합니다. 이를 통해 돌려 금형에서 하이드로 겔을 제거합니다. 필요한 경우, 주걱을 사용한다.

3. 용매 교환 절차

  1. 10:90 10 g을 준비 하이드로 겔의 그램 당 에탄올 / 물 혼합물 (/ w w).
  2. 10:90의 하이드로 겔을 담가 12 시간 동안 에탄올 / 물 혼합물 (/ w w).
  3. 10:90 (w / w) 30:70에 에탄올 / 물 혼합물 (w / w) 에탄올 / 물 혼합물로부터, 즉 증가 에탄올 농도,이 과정을 계속합니다. 12 시간 후, 5로 전송0시 50분 70:30 (12 시간)을 에탄올 / 물 혼합물, 다음 90:10 (12 시간) 한 후 100 % 에탄올 수용액 (12 시간) (W / w).
  4. 겔 내부의 최종 농도 (w / w)의 98 % 이상이되도록 순수 에탄올에 상기 겔을 담근다. 농도계를 사용하여 농도를 측정한다. 알코 겔은 이제 초 임계 이산화탄소 건조 준비가되어 있습니다.

초 임계 이산화탄소 건조하여 에어로젤 4. 생산

  1. 하이드로 겔의 제조에 사용 된 것과 같은 고압 오토 클레이브에 샘플을 배치한다 (단계 2.3 참조).
  2. 젤에서 조기 용매 증발을 방지하기 위해 추가로 에탄올 (오토 클레이브 볼륨의 2-10%)와 오토 클레이브를 입력합니다. 용매에 겔의 완전한 몰입이 필요하지 않습니다.
  3. 오토 클레이브를 밀봉합니다. 오토 클레이브 가열을 켭니다. K. 323에 압력을 압축기 또는 펌프를 이용하여 12 MPa로하는 이산화탄소 오토 클레이브에 오토 클레이브를 작동 온도를 설정한다.
  4. 주기적으로 CO 2를 교체신선한 CO 2 압력을 일정하게 유지하면서, 오토 클레이브 내부 10,11. 6-7 체류 볼륨은 6 시간에 걸쳐 요구된다. Gurikov 등의 알을 참조하십시오. (7) 자세한 내용은.
  5. 천천히 압력 0.2MPa / 분 오토 클레이브를 감압.
  6. 오토 클레이브를 열고 에어로젤를 수집합니다. exicator 또는 밀폐 용기에 에어로젤을 저장합니다.

결과

도 1에 도시되어있다 (프로토콜 (2)에 지시 된 바와 같이) 통상적 인 하이드로 겔은 높은 가교 결합도 (Q = 2)로 겔화 공정 후의. 샘플을 좌측 (샘플 A 및 B) 2 중량 % 및 1 중량 % 인에 CO 2에 의한 겔화에 의해 얻어진 펙틴 젤. 생체 고분자의 농도 (0.5 중량 % 이하)를 감소시킴으로써, 겔은 투명 (샘플 C)이된다. 생체 고분자 농도 (0.25 중량 %)의 추가 감소는 또한 안정적인 하이드로 겔 (샘플 D)을 얻을 수 있지만,이 젤은 매우 연약하고 처리 할 때 휴식 할 수 있습니다. 용해 된 CO 2가 CO 2 용해도 감소로 인한 겔 물 시스템을 나뭇잎 때 하이드로 겔 내부에 관찰 된 기포가 감압 중에 생성됩니다.

아미드 화 펙틴 에어로젤의 특성을 표 1에 나타내었다. 얻어진 에어로젤은 낮은 서재와 초 다공성 SITY는 (낮은 0.013으로는 g / cm 3) 에어로겔 및 부피의 질량의 비율로 측정 하였다. 표면적은 질소 흡착에 의해 측정된다. 500m 2 / g - 펙틴 에어로젤의 경우, (350) 사이의 비 표면적을 수득 하였다. 4-150 나노 미터 범위의 세공 크기의 기공 부피를 질소 (BJH 방법)을 이용하여 충진 구멍의 켈빈 모델에 의해 측정된다. (4)을 150 nm 사이의 공극 크기에 7cm 3 / g - 아미드 화 펙틴 에어로젤의 세공 부피는 (3) 사이였다.

figure-results-1
높은 가교도 (Q = 2) 그림 1. 아미드 화 펙틴 하이드로 겔 왼쪽 위 : 2 중량 % (시료 A);. 오른쪽 상단 : 1 중량 % (시료 B); 왼쪽 하단 : 0.5 중량 % (샘플 C); 오른쪽 아래 : 0.25 중량 % (샘플 D). 젤은 생체 고분자의 농도가 감소 투명하게. 거품은 CO 2 감압 동안 생성된다.https://www.jove.com/files/ftp_upload/54116/54116fig1large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

펙틴 농도 [중량 %] 가교도 Q 벌크 밀도 [g / ㎤] 비 표면적 [㎡ / g의] 특정한 세공 용적 [cm의 3 / g] 평균 기공 크기 (직경) [나노]
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 이 0.069 (447) 3.1 (13)
1.00 이 0.048 (441) 3.6 (26)
0.50 이 0.030 429 5.8 (25)
0.25 이 0.017 347 5.0 (24)

표 아미드 화 펙틴 에어로젤 1. 특성.

토론

이산화탄소 유발 겔 기술을 이용하여 하나의 생체 고분자의 가교 결합을 유도하기 위해 필요한 (예를 들면, 아세트산 또는 글루 코노 델타 락톤 (GDL)에 대한) 화학 대체품에 대한 필요성을 제거 할 수있다. 아미드 화 펙틴 에어로젤의 표면적 그러나, 공극 체적은 문헌 5에 제시된 것보다 훨씬 더 높은, 문헌 값 (5)의 높은 범위에있다. 높은 기공 부피는 CO 2 유도 겔화 (7)에 의해 제조 된 알긴산 에어로젤 관찰되었다. 그러나, 이러한 높은 공극 체적 (4-150 nm의 기공 크기 범위)에 대한 이유는 겔 기술 또는 이전에 문헌에 나와 있지 고분자 물질의 고유 특성에 기인하는지 여부가 확인하기 위해 남아있다. 펙틴 에어로젤은 속성 (12) 및이 방법으로 제조 한 알긴산 에어로젤 superinsulating 소유 문헌에보고 된 superinsulating 범위 열전도율을 가지고 또한3,7. 따라서,이 방법에 의해 제조 된 아미드 화 펙틴 에어로젤은 superinsulating 특성을 갖는 것으로 예상 될 수있다.

프로토콜 제 2 감압의 비율은 하이드로 겔 준비에 중요한 단계입니다. 빠른 감압은 겔의 증가 거대 다공성으로 이어질 수 있습니다. 이 현상은 상호 접속 성을 가진 물질의 거대 다공도가 셀 (13, 14)의 성장과 증식에 중요한 기능이다 조직 공학 어플리케이션에 적용될 수있다. 또한, 의정서 제 1의 가교 정도는 아미드 화 펙틴 하이드로 겔의 이수에 중요한 역할을하고 붓기 재산을한다. 이것은 누구의 붓기 행동뿐만 아니라 15 가교제의 농도에 의해 영향을 받는다 알지네이트 하이드로 겔과 비슷합니다. 이에 아미드 화 펙틴 의해 에어로젤은 알긴산 에어로젤 (16)에 대해보고 된 것과 유사한 흡수성 특성을 갖는 것으로 조정될 수있다.

<일차 시스템과 CO 2 유도 겔화 고려 아미드 화 펙틴 (또는 알긴산 염)을 사용하여 P 클래스 = "jove_content는">, 상기 다이버 시티 에이전트와 생체 고분자의 조합을 연결하는 다른 단면을 도입하여 에어로젤에 혼입 될 수있다. 여러 금속 탄산염 (예를 들면, 아연, 니켈, 코발트, 구리, 스트론튬, 바륨)을 크로스 양이온 가압 CO 2 (3-5 MPa의) 수성 매체 저하의 pH에 의해 해제 될 수있다 (3)를 연결하는 데 사용될 수있다. 그러나 이러한 양이온의 일부 불용성 염은 낮은 생체 고분자의 농도에 대한 안정적인 분산을 형성하지 않을 수 있으며 균일 젤로 이어지는 하단에 정착 할 수 있습니다. 이 CO 2에 의한 겔화 3함으로써, 응용 프로그램에 대한 기술의 유용성이 경우 기준에 경우에 평가해야한다을 포함하여 내부 설정 겔화 방법과 일반적인 문제입니다.

다양한 블렌드 수용성 생물을 사용하여 제조전분, 카라기난, 메틸 카르복시 메틸 셀룰로오스, 겔란 검, 리그닌, 젤라틴 등과 같은 중합체; 폴리에틸렌 글리콜 (PEG), 폴리 비닐 알코올 (PVA), 플루로 닉 P-123 등의 수용성 합성 중합체; 및 규산 나트륨 같은 수용성 무기 전구체는 또한 조정 가능한 특성을 갖는 2 알긴산 유사한 하이브리드 에어로젤을 제조하는 아미드 화 펙틴과 혼합 될 수있다.

초 임계 이산화탄소 건조로 (scCO이 건조) 에어로겔 생산의 전형적인 단계, 예를 제공 할 수있는 CO 2 7 사용 용매 교환 및 건조 CO 2 17, 18 또는 겔화하여, 용매 교환 및 건조 등의 사전 처리 단계의 조합입니다 명확한 처리 장점. 생체 고분자 분산액을 단일 오토 클레이브 주 처리 매체로서 이산화탄소를 사용하여 생체 고분자 에어로젤로 전환 될 수있는 이점이 집적 한 냄비 프로세스로서 구상된다. 에 대한특정 제약 어플리케이션 하나는 네 단계를 수행 상상할 수 겔화 용매 교환, 초 임계 건조 활성 성분 로딩 5,19 프로세스 처리 매체로서 CO 2 사용하여 단일 오토 클레이브. 이러한 경우에 따라 약물로드 에어로젤의 보호 코팅 등 후 처리 대상으로 약물 방출 (20)가 필요합니다.

결론적으로, 본 연구는 아미드 화 펙틴 기반 시스템 겔화 가압 CO 2의 사용을 보여준다. 또한, 단일 오토 클레이브 타겟 애플리케이션 제품 전환 전구체를위한 공통 매체로 가압 CO 2의 사용이 예상된다.

공개 사항

저자는 더 경쟁 재정적 이해 관계가 없음을 선언합니다.

감사의 글

DFG에서 재정 지원은 기꺼이 인정 (프로젝트 82 / 13-1 SM).

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
Equipment
Ultraturrax 균질화기IKA, 독일T 25 디지털
폴리프로필렌 주형TH. Geyer, 독일9,033,201
고압 오토클레이브 Ernst Haage, 독일맞춤 제작사내 구성
압축기Andreas HoferMKZ 185-40자체 구성
설치 질소 흡착QuantachromeNova 4000e
밀도계Anton PaarDMA 4000
Chemicals
Amidated 펙틴Herbstreith and Fox, 독일CU 025CAS # 56645-02-4; 연구 목적으로 회사에서 제공
수산화나트륨시그마 알드리치, 독일S8045CAS # 1310-73-2; 펙틴 용액이 pH 6.5-7.5로 중화되어야 하는 경우에만 필요
칼슘 카보네이Magnesia GmbH, 독일4421 칼슘 carbonat, leicht, prä zipitiert, EP, E170CAS # 471-34-1
에탄올, 99.8 %Sigma Aldrich, 독일32205CAS # 64-17-5
이산화탄소, 99.9 %AGA 가스 GmbH, 독일CAS # 124-38-9;사내 탱크 사용 가능 (3 톤)
탈 이온수CAS # 7732-18-5;   원내에서 사용 가능(6.4-7.0 pH)
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참고문헌

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  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).
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