Metaal-organische raamwerken (MOF's) vormen een familie van poreuse, kristallijne hybride materialen die zijn opgebouwd uit metaalionen die met elkaar verbonden zijn door polydentate organische liganden. Dankzij hun goed gedefinieerde poriënarchitecturen, grote interne oppervlakken en afstembare chemische functionaliteiten hebben MOF's aanzienlijke wetenschappelijke aandacht getrokken voor diverse toepassingen, waaronder gasopslag en -scheiding, sensoren, katalyse, biomedicine,enzovoort. Ondanks dit sterke potentieel beperken verschillende beperkingen nog steeds aanzienlijk de grootschalige overdracht van MOF's naar industriële implementatie. Een van de grootste uitdagingen ligt in het vormgeven van dergelijke materialen2. Inderdaad leveren conventionele MOF-syntheses doorgaans brosse poeders op, waarvan de inherente kwetsbaarheid, slechte verwerkbaarheid en beperkte hanteerbaarheid hun praktische toepassing ernstig belemmeren. Om deze problemen aan te pakken, zijn MOF's verwerkt tot pellets, korrels, kralen, vezels of membranen; dergelijke vormingsprocedures leiden echter vaak tot een gedeeltelijk of volledig verlies van toegankelijke porositeit2.
Een veelbesproken strategie om deze nadelen te overwinnen is het integreren van MOF's met ondersteunende matrices, met name polymeren of koolstofgebaseerde materialen zoals koolstofnanobuisjes, grafeen en grafeenoxide 3,4,5,6. Deze aanpak heeft geleid tot de ontwikkeling van multifunctionele composieten die de intrinsieke voordelen van MOF's (porositeit, kristalliniteit) combineren met de mechanische robuustheid en verwerkingsbaarheid van de gastheermaterialen. Daarnaast kan hybridisatie nieuwe functionaliteiten introduceren, waaronder verbeterde chemische stabiliteit, verbeterde elektrische geleidbaarheid of hiërarchische porositeit 3,4,5,6. Als gevolg hiervan zijn MOF-gebaseerde composieten uitgebreid onderzocht voor gasadsorptie en -scheiding, waterzuivering, katalyse en bio-toepassingen 3,4,5,6,7,8. Desalniettemin is een terugkerende beperking van dergelijke composieten de uitgesproken aggregatie van MOF-deeltjes, wat doorgaans wordt toegeschreven aan een slechte interfacecompatibiliteit tussen de MOF's en de ondersteunende matrix. Dit probleem komt vooral voor bij composieten die worden gemaakt door fysiek voorgesynthetiseerde MOF-deeltjes te mengen met polymeren of grafeenoxide en wordt steeds ernstiger bij hoge MOF-belastingen, die doorgaans nodig zijn om de prestatieste optimaliseren 3,4,5,6. Om deze uitdagingen te beperken, zijn talrijke alternatieve strategieën voorgesteld om de fysisch-chemische affiniteit tussen MOF's en polymere of koolstofgebaseerde matrices te verbeteren, terwijl de MOF-porositeit behouden blijft. Deze omvatten de oppervlaktefunctionalisatie van MOF-deeltjes, covalent entten van polymeren op MOF-oppervlakken, in situ groei van MOF's binnen polymeermatrices, polymeergerichte MOF-kristallisatie, of het gebruik van polymeerliganden om polyMOFs te construeren 3,4,5,6,7,8,9 . Ondanks deze vooruitgang hebben veel MOF-polymeercomposieten nog steeds last van een verminderd oppervlak door poriënblokkades door polymeerketens en door inhomogene MOF-dispersie. Bovendien is hun bereiding vaak afhankelijk van meerstaps, tijdrovende synthetische methoden, en het gebruik van petrochemisch afgeleide synthetische polymeren roept zorgen op over toxiciteit, duurzaamheid enmilieueffect.
Het doel van dit artikel is om de details te delen van de bereiding van een hydrogelcomposiet gebaseerd op een Zr4⁺ dicarboxylaat UiO-66-type MOF (UiO = Universiteit van Oslo)10en gelatine. Dit systeem wordt geselecteerd als representatief voorbeeld om een algemene synthetische strategie te illustreren die kan worden uitgebreid naar een bredere familie van polycarboxyllaatporeuze MOF's, waaronder gefunctionaliseerde UiO-66-afgeleiden en MOF-801(Zr). Gelatine is een veelgebruikte eiwitgebaseerde biopolymeer in industriële toepassingen zoals geneesmiddelen- en cosmetische micro-encapsulatie, vanwege de lage kosten, biologische afbreekbaarheid, niet-toxiciteit en hernieuwbare oorsprong11. In de afgelopen jaren zijn MOF-gelatinehydrogels voornamelijk onderzocht voor bio-gerelateerde toepassingen zoals weefseltechnologie, wondgenezing, geneesmiddelafgifte en bioimaging 12,13,14,15,16,17. Deze composieten werden meestal bereid door voorgevormde MOF-deeltjes te impregneren in gefunctionaliseerde gelatine-scaffolds of fysische gelatinegels. Hoewel dergelijke materialen veelbelovende biologische prestaties vertonen, bevatten ze doorgaans zeer lage MOF-inhoud (onder 10 wt%), wat resulteert in beperkte porositeit en daardoor het benutten van MOF-gerelateerde fysisch-chemische eigenschappenbeperkt 12,13,14,15,16,17 . Het huidige artikel beschrijft een geheel andere strategie die gebruikmaakt van de thermoreversibele eigenschappen van gelatine en het vermogen om vloeistof-vloeistof fasescheidingte ondergaan 18,19 in verband met de in-situ vorming van MOF's bij kamertemperatuur (RT). In het in dit artikel beschreven protocol worden kritieke stappen behandeld bij de voorbereiding van de UiO-66/gelatinecomposieten, waaronder de bereiding van gelatineoplossing, het gelatinecoacervatieproces, de RT-kristallisatie van UiO-66 binnen gelatine, en de vorming van de resulterende composieten. Dergelijke composieten zijn recentelijk door sommigen van ons gemeld als ontwikkelingsmiddelen voor het behoud van cultureel erfgoed, maar hun syntheseprotocol werd niet in detail beschreven20. We hopen dat de concepten en methodologie die in dit artikel worden gepresenteerd, de onderzoeksgemeenschap zullen motiveren om een bredere klasse MOF-biopolymeercomposieten te verkennen en te ontwikkelen. Deze materialen vertonen tegelijkertijd hoge MOF-belastingen (meer dan 80 wt%), grote toegankelijke porositeit, homogene dispersie van MOF-deeltjes binnen de gelatinematrix en afstembare hydrofiel-hydrofobe eigenschappen20. Een belangrijk voordeel van het gebruik van biomacromoleculen zoals gelatine ligt in hun intrinsieke chemische complexiteit, multifunctionaliteit en polyelektrolytkarakter, die geen directe synthetische equivalenten hebben. Deze unieke combinatie maakt de effectieve integratie van zowel hydrofiele als hydrofobe MOF's mogelijk binnen een wateroplosbare biopolymeermatrix.