Name: Przygotowanie aerożeli biopolimerowych przy użyciu zielonych rozpuszczalników (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-04T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 13 s
Description: Poznaj metodę produkcji aerożeli biopolimerowych z pektyny amidowanej przy użyciu wody, etanolu i dwutlenku węgla w stanie nadkrytycznym. Technika ta umożliwia uzyskanie materiałów o ultra-wysokiej porowatości i niskiej gęstości.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Z wdzięcznością dziękujemy za wsparcie finansowe od DFG (projekty SM 82/13-1).

1. Przygotowanie roztworu podstawowego pektyn amidowanych
<ol>
	<li>Wymieszaj 20 g pektyny amidowej z 980 g wody (2,0% wag.). Stopień amidacji wynosi 25% wag.</li>
	<li>Homogenizować roztwór za pomocą mieszadła o dużej prędkości obrotowej (10 000 obr./min) przez 2 minuty, aby uzyskać jednorodny lepki roztwór.</li>
	<li>Zmierz pH za pomocą pasków pH lub pH-metru. Jeśli pH jest niższe niż 6,5, miareczkować 0,5 M NaOH w celu zneutralizowania roztworu (do pH 7,0).</li>
	<li>Dodać węglan wapnia w proporcji 0,1825 g na gram suchej pektyny amidowej (q=1). "q" oznacza stopień usieciowania.</li>
	<li>Na 1 kg 2,0% wag. roztworu pektyny amidowej dodać 3,65 g węglanu wapnia (q=1)7 na 20,0 g suchej pektyny.</li>
	<li>Aby uzyskać lepsze usieciowanie, dodaj 0,3650 g węglanu wapnia na gram suchej pektyny amidowanej (q = 2).</li>
</ol>
2. Produkcja hydrożeli
<ol>
	<li>Homogenizować amidowaną mieszaninę pektyny i węglanu wapnia za pomocą homogenizatora wysokoobrotowego (10 000 obr./min), aby uzyskać białą, jednorodną dyspersję.</li>
	<li>Przenieść zawiesinę do otwartych foremek polipropylenowych lub szklanych szalek Petriego.</li>
	<li>Umieść formy w autoklawie wysokociśnieniowym. Uszczelnij autoklaw.</li>
	<li>Zwiększyć ciśnienie w autoklawie gazowym CO2 do 5 MPa w temperaturze pokojowej. Patrz Gurikov i wsp.7 w celu uzyskania dalszych informacji. Utrzymuj ciśnienie przez 24 godziny.</li>
	<li>Powoli rozhermetyzować autoklaw przy 0,2 MPa/min.</li>
	<li>Otwórz autoklaw i wyjmij formy. Usuń hydrożele z foremek, odwracając je na drugą stronę. W razie potrzeby użyj szpatułki.</li>
</ol>
3. Procedura wymiany rozpuszczalnika
<ol>
	<li>Przygotuj 10 g mieszaniny etanolu i wody w proporcji 10:90 (w/w) na gram hydrożelu.</li>
	<li>Zanurz hydrożele w mieszaninie etanolu i wody w proporcji 10:90 (w/w) na 12 godzin.</li>
	<li>Kontynuuj ten proces ze zwiększaniem stężeń etanolu, tj. od 10:90 (w/w) mieszaniny etanol/woda do 30:70 (w/w) mieszaniny etanol/woda. Po 12 godzinach przenieść do 50:50 (w/w) mieszaniny etanolu i wody, następnie do 70:30 (12 godzin), następnie 90:10 (12 godzin), a następnie do 100% roztworu etanolu (12 godzin).</li>
	<li>Namocz żel w dalszym ciągu w czystym etanolu, tak aby końcowe stężenie wewnątrz żelu wynosiło ponad 98% (w/w). Zmierzyć stężenie za pomocą gęstościomierza. Alkożel jest teraz gotowy do suszenia nadkrytycznymCO2</li>.
</ol>
4. Produkcja aerożeli metodą suszenia nadkrytycznym CO2
<ol>
	<li>Umieścić próbki w tym samym autoklawie wysokociśnieniowym, który jest używany do przygotowania hydrożelu (patrz krok 2.3).</li>
	<li>Napełnij autoklaw dodatkowym etanolem (2-10% objętości autoklawu), aby zapobiec przedwczesnemu odparowaniu rozpuszczalnika z żeli. Całkowite zanurzenie żelu w rozpuszczalniku nie jest wymagane.</li>
	<li>Uszczelnij autoklaw. Włącz ogrzewanie w autoklawie. Ustaw temperaturę pracy autoklawu na 323 K. Zwiększ ciśnienie w autoklawie z dwutlenkiem węgla do 12 MPa za pomocą kompresora lub pompy.</li>
	<li>Okresowo wymieniać CO2 wewnątrz autoklawu10,11 na świeży CO2 utrzymując stałe ciśnienie. Wymagane jest 6-7 objętości mieszkalnych w okresie 6 godzin. Patrz Gurikov i wsp.7 w celu uzyskania dalszych informacji.</li>
	<li>Powoli rozhermetyzować autoklaw przy 0,2 MPa/min.</li>
	<li>Otwórz autoklaw i zbierz aerożel. Przechowuj aerożel w eksykatorze lub szczelnie zamkniętym pojemniku.</li>
</ol>

<ol><li>Kistler, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coherent+expanded-aerogels%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem%22%5BJournal%5D)">Coherent expanded-aerogels.</a> J. Phys. Chem. 36 (1), 52-64 (1932).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Aerogels+Handbook%22">Aerogels Handbook</a>. Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. , Springer. New York, NY. (2011).</li>
<li>Raman, S. P., Gurikov, P., Smirnova, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hybrid+alginate+based+aerogels+by+carbon+dioxide+induced+gelation%3A+Novel+technique+for+multiple+applications%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Supercrit.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Hybrid alginate based aerogels by carbon dioxide induced gelation: Novel technique for multiple applications.</a> J. Supercrit. Fluids. 106, 23-33 (2015).</li>
<li>Draget, K. I., Skjåk-Bræk, G., Smidsrød, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Alginate+based+new+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Biol.+Macromol%22%5BJournal%5D)">Alginate based new materials.</a> Int. J. Biol. Macromol. 21 (1), 47-55 (1997).</li>
<li>García-González, C. A., Alnaief, M., Smirnova, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polysaccharide-based+aerogels-Promising+biodegradable+carriers+for+drug+delivery+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Carbohydr.+Polym%22%5BJournal%5D)">Polysaccharide-based aerogels-Promising biodegradable carriers for drug delivery systems.</a> Carbohydr. Polym. 86 (4), 1425-1438 (2011).</li>
<li>Alnaief, M., Alzaitoun, M. A., García-González, C. A., Smirnova, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+of+biodegradable+nanoporous+microspherical+aerogel+based+on+alginate%5BTitle%5D)+AND+%22Carbohydr.+Polym%22%5BJournal%5D)">Preparation of biodegradable nanoporous microspherical aerogel based on alginate.</a> Carbohydr. Polym. 84 (3), 1011-1018 (2011).</li>
<li>Gurikov, P., Raman, S. P., Weinrich, D., Fricke, M., Smirnova, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+approach+to+alginate+aerogels%3A+carbon+dioxide+induced+gelation%5BTitle%5D)+AND+%22RSC+Adv%22%5BJournal%5D)">A novel approach to alginate aerogels: carbon dioxide induced gelation.</a> RSC Adv. 5, 7812-7818 (2015).</li>
<li>Meyssami, B., Balaban, M. O., Teixeira, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prediction+of+pH+in+model+systems+pressurized+with+carbon+dioxide%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Prog%22%5BJournal%5D)">Prediction of pH in model systems pressurized with carbon dioxide.</a> Biotechnol. Prog. 8 (2), 149-154 (1992).</li>
<li>Subrahmanyam, R., Gurikov, P., Dieringer, P., Sun, M., Smirnova, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+Road+to+Biopolymer+Aerogels-Dealing+with+the+Solvent%5BTitle%5D)+AND+%22Gels%22%5BJournal%5D)">On the Road to Biopolymer Aerogels-Dealing with the Solvent.</a> Gels. 1 (2), 291-313 (2015).</li>
<li>García-González, C. A., Camino-Rey, M. C., Alnaief, M., Zetzl, C., Smirnova, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Supercritical+drying+of+aerogels+using+CO2%3A+Effect+of+extraction+time+on+the+end+material+textural+properties%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Supercrit.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Supercritical drying of aerogels using CO2: Effect of extraction time on the end material textural properties.</a> J. Supercrit. Fluids. 66, 297-306 (2012).</li>
<li>Özbakır, Y., Erkey, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+and+theoretical+investigation+of+supercritical+drying+of+silica+alcogels%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Supercrit.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Experimental and theoretical investigation of supercritical drying of silica alcogels.</a> J. Supercrit. Fluids. 98, 153-166 (2015).</li>
<li>Rudaz, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aeropectin%3A+Fully+Biomass-Based+Mechanically+Strong+and+Thermal+Superinsulating+Aerogel%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Aeropectin: Fully Biomass-Based Mechanically Strong and Thermal Superinsulating Aerogel.</a> Biomacromolecules. 15 (6), 2188-2195 (2014).</li>
<li>Quraishi, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+non-cytotoxic+alginate-lignin+hybrid+aerogels+as+scaffolds+for+tissue+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Supercrit.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Novel non-cytotoxic alginate-lignin hybrid aerogels as scaffolds for tissue engineering.</a> J. Supercrit. Fluids. 105, 1-8 (2015).</li>
<li>Martins, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+of+macroporous+alginate-based+aerogels+for+biomedical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Supercrit.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Preparation of macroporous alginate-based aerogels for biomedical applications.</a> J. Supercrit. Fluids. 106, 152-159 (2015).</li>
<li>Davidovich-Pinhas, M., Bianco-Peled, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+quantitative+analysis+of+alginate+swelling%5BTitle%5D)+AND+%22Carbohydr.+Polym%22%5BJournal%5D)">A quantitative analysis of alginate swelling.</a> Carbohydr. Polym. 79 (4), 1020-1027 (2010).</li>
<li>Mallepally, R. R., Bernard, I., Marin, M. A., Ward, K. R., McHugh, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Superabsorbent+alginate+aerogels%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Supercrit.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Superabsorbent alginate aerogels.</a> J. Supercrit. Fluids. 79, 202-208 (2013).</li>
<li>Porta, G. D., Del Gaudio, P., De Cicco, F., Aquino, R. P., Reverchon, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Supercritical+Drying+of+Alginate+Beads+for+the+Development+of+Aerogel+Biomaterials%3A+Optimization+of+Process+Parameters+and+Exchange%5BTitle%5D)+AND+%22Ind.+Eng.+Chem.+Res%22%5BJournal%5D)">Supercritical Drying of Alginate Beads for the Development of Aerogel Biomaterials: Optimization of Process Parameters and Exchange.</a> Ind. Eng. Chem. Res. 52 (34), 12003-12009 (2013).</li>
<li>Brown, Z. K., Fryer, P. J., Norton, I. T., Bridson, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drying+of+agar+gels+using+supercritical+carbon+dioxide%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Supercrit.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Drying of agar gels using supercritical carbon dioxide.</a> J. Supercrit. Fluids. 54 (1), 89-95 (2010).</li>
<li>Betz, M., García-González, C. A., Subrahmanyam, R. P., Smirnova, I., Kulozik, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+of+novel+whey+protein-based+aerogels+as+drug+carriers+for+life+science+applications%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Supercrit.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Preparation of novel whey protein-based aerogels as drug carriers for life science applications.</a> J. Supercrit. Fluids. 72, 111-119 (2012).</li>
<li>Antonyuk, S., Heinrich, S., Gurikov, P., Raman, S., Smirnova, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+coating+and+wetting+on+the+mechanical+behaviour+of+highly+porous+cylindrical+aerogel+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Powder+Technol%22%5BJournal%5D)">Influence of coating and wetting on the mechanical behaviour of highly porous cylindrical aerogel particles.</a> Powder Technol. 285, 34-43 (2015).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Stosując technikę żelowania indukowanego CO2 można wyeliminować potrzebę stosowania substytutów chemicznych (na przykład kwasu octowego lub glukono-delta-laktonu (GDL)) wymaganych do indukowania sieciowania biopolimeru. Powierzchnie amidowanych aerożeli pektynowych mieszczą się w wyższych zakresach wartości literaturowych5, jednak objętości porów są znacznie większe niż te przedstawione w literaturze5. Większe objętości porów zaobserwowano również w przypadku aerożeli alginianowych przygotowanych przez żelowanie indukowaneCO2 7. Pozostaje jednak do zweryfikowania, czy przyczyną tak dużej objętości porów (zakres wielkości porów 4-150 nm) jest technika żelowania, czy też nieodłączna właściwość biopolimerów, która wcześniej nie była omawiana w literaturze. W literaturze stwierdzono, że aerożele pektynowe posiadają właściwości superizolacyjne12 , a aerożele alginianowe wytworzone tą techniką posiadają również przewodność cieplną w zakresie superizolacji3,7. W związku z tym można również uznać, że amidowane aerożele pektynowe wytwarzane tą techniką mają właściwości superizolacyjne.
Szybkość rozhermetyzowania w sekcji 2 protokołu jest ważnym krokiem w przygotowaniu hydrożelu. Szybkie rozhermetyzowanie może prowadzić do zwiększenia makroporowatości żeli. Zjawisko to można zastosować w zastosowaniach inżynierii tkankowej, w których makroporowatość materiału z wzajemnymi połączeniami jest ważną cechą wzrostu i proliferacji komórek13,14. Ponadto stopień usieciowania w sekcji 1 protokołu odgrywa ważną rolę w właściwości synerezy i pęcznienia amidowanych hydrożeli pektynowych. Jest to podobne do hydrożeli alginianowych, na których pęcznienie wpływa również stężenie środka sieciującego15. W ten sposób aerożele wytwarzane przez pektyny amidowane mogą być również dostrojone tak, aby posiadały właściwości superchłonne podobne do tych zgłaszanych dla aerożeli alginianowych16.
Stosując żelowanie indukowane CO2 z uwzględnieniem pektyny amidowanej (lub alginianu) jako systemu pierwszorzędowego, można wprowadzić do aerożeli dalszą różnorodność poprzez wprowadzenie różnych środków sieciujących i kombinacji biopolimerów. Dosieciowania krzyżowego można zastosować kilka węglanów metali (np., nikiel, kobalt, miedź, stront, bar) , gdzie kationy mogą być uwalniane przez obniżenie pH w środowisku wodnym z COpod ciśnieniem 2 (3-5 MPa). Jednak nierozpuszczalne sole niektórych z tych kationów mogą nie tworzyć stabilnych dyspersji przy niższych stężeniach biopolimeru i mogą osiadać na dnie, prowadząc do powstania niejednorodnych żeli. Jest to ogólny problem związany z metodą żelowania wewnętrznego utrwalającego, w tym żelowaniem indukowanym CO2 3, a zatem przydatność tej techniki do zastosowania powinna być oceniana indywidualnie dla każdego przypadku.
Różne mieszanki przygotowane przy użyciu rozpuszczalnych w wodzie biopolimerów, takich jak skrobia, karagen, metylo i karboksymetyloceluloza, guma gellan, lignina, żelatyna i inne; rozpuszczalne w wodzie polimery syntetyczne, takie jak glikol polietylenowy (PEG), alkohol poliwinylowy (PVA), Pluronic P-123 i inne; Rozpuszczalne w wodzie prekursory nieorganiczne, takie jak krzemian sodu, można również mieszać z pektyną amidowaną w celu wytworzenia aerożeli hybrydowych podobnych do alginianu2 o właściwościach przestrajalnych.
Ponieważ suszenie CO2 w stanie nadkrytycznym (suszenie scCO2 ) jest kwintesencją procesu produkcji aerożelu, każda kombinacja etapów przetwarzania wstępnego, takich jak wymiana rozpuszczalnika i suszenie przy użyciu CO217,18 lub żelowanie, wymiana rozpuszczalnika i suszenie przy użyciu CO27 może zapewnić wyraźną przewagę w przetwarzaniu. Zaletą jest zintegrowany proces jednozbiornikowy, w którym dyspersje biopolimerowe mogą być przekształcane w aerożele biopolimerowe przy użyciu CO2 jako głównego medium przetwarzania w jednym autoklawie. W przypadku niektórych zastosowań farmaceutycznych można również przewidzieć przeprowadzenie czterech etapów: żelowania, wymiany rozpuszczalnika, suszenia w stanie nadkrytycznym i procesu ładowania składnika aktywnego5,19 w jednym autoklawie przy użyciu CO2 jako medium przetwarzającego. Obróbka końcowa, taka jak powłoka ochronna aerożeli zawierających lek, w niektórych przypadkach jest konieczna do ukierunkowanego uwalniania leku20.
Podsumowując, niniejsza praca demonstruje zastosowanie CO pod ciśnieniemdo żelowania układów na bazie amidowanych pektyn. Ponadto przewiduje się wykorzystanie CO2 pod ciśnieniem jako powszechnego medium do konwersji prekursora na produkt do zastosowań docelowych w jednym autoklawie.

Aerożele to klasa porowatych materiałów, które mogą być przygotowane przy użyciu różnych prekursorów, począwszy od nieorganicznych (takich jak krzemionka, tytan, tlenek cyrkonu i inne), syntetycznych (takich jak rezorcynol, formaldehyd, poliuretan i inne) lub biopolimerów (polisacharydy, białka i inne)2. To, co odróżnia je od konwencjonalnych materiałów porowatych, to ich zdolność do jednoczesnego posiadania wszystkich trzech cech; a mianowicie duża powierzchnia, bardzo niska gęstość i mezoporowaty rozkład wielkości porów (tj. rozmiary porów od 2 do 50 nm). Dzięki wyżej wymienionym właściwościom aerożele są szeroko stosowane w dziedzinie izolacji, biomedycyny, katalizy, adsorpcji i absorpcji, farmaceutyków i neutraceutyków2. Biorąc pod uwagę powyższe możliwości, produkcja systemów biopolimerowych żeli i ich późniejsza transformacja w aerożele otwiera wiele możliwości w kierunku materiałów pochodzenia biologicznego o wysokiej wartości dodanej. Takie przedsięwzięcie podjęto w niniejszym badaniu na przykładzie pektyny amidowej.
Aerożele są zazwyczaj produkowane techniką zol-żel. Żele są układami składającymi się z cieczy uwięzionej w matrycy i mogą być wytwarzane przez sieciowanie kowalencyjne, jonowe, indukowane pH, termiczne lub kriogeniczne3. W tym konkretnym systemie wykorzystujemy sieciowanie jonowe; tj. kation dwuwartościowy (np. Wapń) do sieciowania ze sobą łańcuchów biopolimerowych. Aby przeprowadzić kontrolowane sieciowanie jonowe biopolimerów, takich jak ektyna amidowa lub alginian, można zastosować metodę dyfuzji lub metodę ustawiania wewnętrznego4. W metodzie dyfuzyjnej żelowanie zachodzi najpierw w warstwie zewnętrznej, a następnie propagacja dyfuzyjna, ponieważ kationy dyfundują z roztworu zewnętrznego do amidowanej kropli pektyny lub alginianu lub warstwy4. W metodzie osadzania wewnętrznego nierozpuszczalna forma środka sieciującego jest jednorodnie dyspersgowana w roztworze biopolimeru, a kationy są uwalniane przez zainicjowanie zmiany pH4,5,6. Jednak obie techniki napotykają problem dotyczący jednorodności końcowego żelu w przypadku produkcji w postaci płaskiej lub monolitycznej. W pracy przedstawiono zastosowanie wysokociśnieniowego CO2 (5 MPa) do produkcji amidowanych hydrożeli pektynowych, kontynuując wcześniejsze prace nad żelami alginianowymi3,7. Krótko mówiąc, jest to technika żelowania wewnętrznego wiązania, która wykorzystuje CO2 pod ciśnieniem do obniżenia pH zamiast słabych kwasów w celu uzyskania jednorodnych żeli. Wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta rozpuszczalność dwutlenku węgla w wodzie, czemu towarzyszy obniżenie pH do 3,08. Powoduje to rozpuszczanie węglanu wapnia, uwalnianie jonów wapnia. Jony wapnia sieciują się z amidowanym biopolimerem pektyn w celu uzyskania hydrożeli. Przy użyciu tej techniki można wytwarzać stabilne, jednorodne żele o bardzo niskich stężeniach biopolimeru (0,05% wag.)7.
Ponieważ żelowanie odbywa się w środowisku wodnym, konieczna jest wymiana rozpuszczalnika na rozpuszczalnik organiczny ze względu na przerwę w mieszalności w systemie CO2/woda. Zazwyczaj w procesie wymiany rozpuszczalnika można stosować alkohole o niskiej masie cząsteczkowej (metanol/etanol/izopropanol) i ketony (aceton). Jednak bezpośrednie moczenie w kąpieli z czystym etanolem lub innymi rozpuszczalnikami organicznymi prowadzi do znacznego nieodwracalnego skurczu. Aby uniknąć tej wady, przeprowadza się stopniową wymianę rozpuszczalnika5,9. Gdy stężenie rozpuszczalnika w żelu osiągnie >98%, rozpuszczalnik organiczny suszy się nadkrytycznym CO2 (12 MPa), pozostawiając aerożel.

<table><tbody><tr><td>Equipment</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Homogenizator Ultraturrax</td><td>IKA, Niemcy</td><td>T 25 Cyfrowe</td><td></td></tr><tr><td>formy polipropylenowe</td><td>TH. Geyer, Niemcy</td><td>9,033,201</td><td></td></tr><tr><td>Autoklaw wysokociśnieniowy&nbsp;</td><td>Ernst Haage, Niemcy</td> na <td>zamówienie</td><td>Konfiguracja konstrukcja wykonana we własnym zakresie</td></tr><tr><td>Sprężarka</td><td>Andreas Hofer</td><td>MKZ 185-40</td><td>Konstrukcja konfiguracji wykonana we własnym zakresie</td></tr><tr><td>Adsorpcja</td><td>azotu Quantachrome</td><td>Nova 4000e</td><td></td></tr><tr><td>Gęstościomierz</td><td>Anton Paar</td><td>DMA 4000</td><td></td></tr><tr><td>Chemicals</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>amidowany pektyna</td><td>Herbstreith and Fox, Niemcy</td><td>CU 025</td><td>CAS # 56645-02-4; dostarczane przez firmę do celów badawczych</td></tr><tr><td>Wodorotlenek sodu</td><td>Sigma Aldrich, Niemcy</td><td>S8045</td><td>CAS # 1310-73-2; wymagane tylko w przypadku, gdy roztwór pektyny musi zostać zneutralizowany do pH 6,5-7,5</td></tr><tr><td>Węglan wapnia</td><td>Magnesia GmbH, Niemcy</td><td>4421 Węglan wapnia, leicht, pr&auml; zipitiert, EP, E170</td><td>CAS # 471-34-1</td></tr><tr><td>Etanol, 99.8%</td><td>Sigma Aldrich, Niemcy</td><td>32205</td><td>CAS # 64-17-5</td></tr><tr><td>Dwutlenek węgla, 99.9%</td><td>AGA Gas GmbH, Niemcy</td><td></td><td>CAS # 124-38-9; dostępny zbiornik wewnętrzny (3 tony)</td></tr><tr><td>Woda</td><td></td><td></td> dejonizowana <td>CAS # 7732-18-5; &nbsp; dostępne we własnym zakresie (6,4-7,0 pH)</td></tr></tbody></table>

przygotowanie aerożeli biopolimerowych przy użyciu zielonych rozpuszczalników

Preparation of Biopolymer Aerogels Using Green Solvents

Chociaż pierwsze doniesienia o aerożelach wykonanych przez Kistler1 w latach 30. dotyczyły aerożeli zarówno z tlenków nieorganicznych (krzemionka i inne), jak i biopolimerów (żelatyna, agar, celuloza), dopiero niedawno biomasy zostały uznane za obfite źródło chemicznie zróżnicowanych makrocząsteczek dla funkcjonalnych materiałów aerożelowych. Aerożele biopolimerowe (pektyny, alginian, chitozan, celuloza itp.) wykazują zarówno specyficzne dziedziczne funkcje biopolimerów wyjściowych, jak i charakterystyczne cechy aerożeli (porowatość 80-99% i powierzchnia właściwa do 800m2/g). Ta synergia właściwości sprawia, że aerożele biopolimerowe są obiecującymi kandydatami do szerokiej gamy zastosowań, takich jak izolacja termiczna, inżynieria tkankowa i medycyna regeneracyjna, systemy dostarczania leków, żywność funkcjonalna, katalizatory, adsorbenty i czujniki. Praca ta demonstruje zastosowanie dwutlenku węgla pod ciśnieniem (5 MPa) do jonowego sieciowania pektyn amidowanych w hydrożele. Początkowo w wodzie przygotowuje się dyspersję biopolimerowo-solną. W warunkach CO2 pod ciśnieniem pH roztworu biopolimeru obniża się do 3, co uwalnia kationy sieciujące z soli w celu związania się z biopolimerem, dając hydrożele. Wymiana rozpuszczalnika na etanol i dalsze suszenie nadkrytycznym CO2 (10 - 12 MPa) daje aerożele. Otrzymane aerożele są ultraporowate o niskiej gęstości (już od 0,02 g/cm3), dużej powierzchni właściwej (350 - 500m2/g) i objętości porów (3 - 7 cm, 3/g dla wielkości porów poniżej 150 nm).

Typowe hydrożele otrzymane po etapie żelowania z wyższym stopniem usieciowania (q=2) (zgodnie z instrukcją w sekcji 2 Protokołu) przedstawiono na Rysunku 1. Próbki po lewej stronie (próbka A i B) to żele pektynowe o stężeniu 2% mas. i 1% mas. otrzymane w wyniku żelowania indukowanego CO2. Przy zmniejszeniu stężenia biopolimeru (0,5% mas. lub mniej) żele stają się przezroczyste (próbka C). Dalsza redukcja stężenia biopolimeru (0,25% mas.) również pozwala na otrzymanie stabilnych hydrożeli (próbka D), jednak żele te są bardzo kruche i mogą pękać podczas manipulacji. Pęcherzyki obserwowane wewnątrz hydrożeli powstają podczas dekompresji, gdy rozpuszczony CO2 opuszcza system wodny żelu z powodu spadku rozpuszczalności CO2.
Charakterystyka aerogelu z pektyny amidowanej została przedstawiona w Tabeli 1. Otrzymane aerogele są ultra-porowate o niskiej gęstości (nawet do 0,013 g/cm3), mierzonej jako stosunek masy aerogelu do jego objętości. Powierzchnia właściwa była mierzona metodą adsorpcji azotu. W przypadku aerogeli pektynowych pozwoliło to uzyskać powierzchnię właściwą w zakresie od 350 do 50 m2/g. Objętość porów dla rozmiarów od 4 do 150 nm mierzono z wykorzystaniem modelu Kelvina dla wypełniania porów azotem (metoda BJH). Objętość porów dla aerogeli z pektyny amidowanej wynosiła od 3 do 7 cm3/g dla rozmiarów porów między 4 a 150 nm.
<img alt="Schemat żelowania w szalce Petriego; etapy tworzenia hydrożelu; analiza polimeryzacji; układ doświadczalny." src="/files/ftp_upload/54116/54116fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1. Amidowane hydrożele pektynowe o wyższym stopniu sieciowania (q=2). Górny lewy: 2% wag. (Próbka A); górny prawy: 1% wag. (Próbka B); dolny lewy: 0,5% wag. (Próbka C); dolny prawy: 0,25% wag. (Próbka D). Żele stają się przezroczyste wraz ze spadkiem stężenia biopolimeru. Pęcherzyki powstają podczas CO2 dekpresuryzacja <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54116/54116fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody >
		<tr >
			<td >Stężenie pektyny [wt%]</td>
			<td >Stopień sieciowania q</td>
			<td >Gęstość objętościowa [g/cm3]</td>
			<td >Specyficzna powierzchnia właściwa [m2/g]</td>
			<td >Specyficzna objętość porów [cm3/g]</td>
			<td >Średnia wielkość porów (średnica) [nm]</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >2.00</td >
			<td >1</td >
			<td >0.081</td >
			<td >502</td >
			<td >4.1</td >
			<td >14</td >
		</tr>
		<tr >
			<td >1.0</td >
			<td >1</td >
			<td >0.04</td >
			<td >491</td >
			<td >7.1</td >
			<td >27</td >
		</tr>
		<tr >
			<td >0.50</td >
			<td >1</td >
			<td >0.035</td >
			<td >357</td >
			<td >3.8</td >
			<td >27</td >
		</tr>
		<tr >
			<td >0.25</td >
			<td >1</td >
			<td >0.013</td >
			<td >35</td >
			<td >4.9</td >
			<td >41</td >
		</tr>
		<tr >
			<td >2.0</td >
			<td >2</td >
			<td >0.069</td >
			<td >47</td >
			<td >3.1</td >
			<td >13</td >
		</tr>
		<tr >
			<td >1.00</td >
			<td >2</td >
			<td >0.048</td >
			<td >41</td >
			<td >3.6</td >
			<td >26</td >
		</tr>
		<tr >
			<td >0.50</td >
			<td >2</td >
			<td >0.030</td >
			<td >429</td >
			<td >5.8</td >
			<td >25</td >
		</tr>
		<tr >
			<td >0.25</td >
			<td >2</td >
			<td >0.017</td >
			<td >347</td >
			<td >5.0</td >
			<td >24</td >
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1. Charakterystyka aerogeli z amidowanej pektyny.

Pokazano nowy sposób produkcji aerożeli na bazie biopolimerów poprzez żelowanie indukowane dwutlenkiem węgla (CO2). Technika ta wykorzystuje dwutlenek węgla pod ciśnieniem (5 MPa) do produkcji hydrożeli biopolimerowych i nadkrytycznego CO2 (12 MPa) do przekształcania żeli w aerożele. Jedynymi rozpuszczalnikami potrzebnymi oprócz CO2 są woda i etanol.

Przygotowanie aerożeli biopolimerowych przy użyciu zielonych rozpuszczalników

Although the first reports on aerogels made by Kistler1 in the 1930s dealt with aerogels from both inorganic oxides (silica and others) and biopolymers ...

Ogólnym celem niniejszej pracy jest wizualna prezentacja technik wytwarzania aerogeli biopolimerowych z wykorzystaniem amidowanej pektyny jako modelowego biopolimeru oraz wody, etanolu i dwutlenku węgla jako rozpuszczalników. Produkcja aerogelu biopolimerowego jest procesem trzystopniowym, w którym woda służy do tworzenia żelu, etanol do zastąpienia wody, a nadkrytyczny CO2 do usunięcia etanolu.Dwutlenek węgla ma ogromny wpływ na ten proces, ponieważ jest on kluczowym składnikiem w produkcji aerogeli. Nasze badania nad tym, jak dwutlenek węgla przekształca roztwór biopolimerowy w aerogel, doprowadziły nas do wniosku, że CO2 może nie tylko żelować roztwór biopolimerowy, ale także pomóc w produkcji aerogelu w ramach jednowstępowego podejścia typu „one port”. Omówimy to w niniejszym filmie.W tej sekcji zademonstrowano sposób przygotowania dyspersji amidowanej pektyny i węglanu wapnia w wodzie, jednak procedurę tę można dostosować do sporządzania wielu innych mieszanin roztworów. Homogenizuj 2% roztwór pektyny w wodzie z dużą prędkością przez dwie minuty, aby uzyskać lepki roztwór. Następnie sprawdź pH.Jeśli wartość ta jest niższa niż 6,5, należy przeprowadzić miareczkowanie 0,5 M wodorotlenkiem sodu, aby zneutralizować roztwór. Następnie odważyć i wymieszać węglan wapnia. Nie ma konieczności przestrzegania tego stopnia sieciowania.Jednak zbyt duża ilość czynnika sieciującego może prowadzić do ponownego wytrącenia i negatywnie wpłynąć na powierzchnię właściwą aerogeli. Na koniec ponownie homogenizuj mieszaninę z dużą prędkością, aż do uzyskania białej, jednorodnej dyspersji. Przystąp do przenoszenia przygotowanej zawiesiny do otwartych mis z polipropylenu lub szklanych szalek Petriego.Następnie umieść formy w autoklawie wysokociśnieniowym. Poddaj autoklaw ciśnieniu dwutlenku węgla do 5 megapascals w temperaturze pokojowej. Głębokość roztworu w formie determinuje czas żelowania.Cienki żel o grubości dwóch milimetrów można przygotować w czasie krótszym niż 30 minut. Po żelowaniu należy powoli obniżać ciśnienie w autoklawie w tempie 0,2 megapascals na minutę. Szybsza dekompresja może doprowadzić do pęknięcia żelu.Po całkowitym spadku ciśnienia otwórz autoklaw i wyjmij formy. Wyjmij hydrożele z form, odwracając je do góry dnem i w razie potrzeby podważając szpachelką. Idealny hydrożel powinien być jednorodny.Dla każdego grama przygotowanego hydrożelu należy przygotować 10 g mieszaniny etanolu i wody w stosunku wagowym jeden do dziewięciu. Następnie hydrożele należy zanurzyć w mieszaninie etanolu i wody na 12 godzin. Czas równoważenia zależy głównie od grubości próbki.Następnie zanurz żele w roztworze etanolu i wody o stosunku wagowym od trzech do siedmiu. Nastąpi skurcz żelu. Skurcz jest silnie zależny od gradientu stężeń podczas wymiany rozpuszczalnika, rodzaju i stężenia biopolimeru, wielkości żelu oraz stopnia sieciowania.Zawsze należy dążyć do zminimalizowania skurczu, ponieważ zbyt duży skurcz doprowadzi do pogorszenia właściwości aerogelu. Ostatecznie końcowe stężenie etanolu w żelu powinno być wyższe niż 98% wagowo. Należy zmierzyć je za pomocą densytometru, a po potwierdzeniu wartości przystąpić do suszenia nadkrytycznym dwutlenkiem węgla.Przygotować próbkę żelu do suszenia z wykorzystaniem nadkrytycznego dwutlenku węgla. Wypełnić autoklaw etanolem. Należy wykorzystać od 2% do 10% objętości autoklawu, aby zapobiec przedwczesnemu odparowaniu rozpuszczalnika.Całkowite zanurzenie żeli nie jest konieczne. Teraz należy podgrzać autoklaw do 323 kelvin i przyłożyć ciśnienie 12 megapascal przy użyciu dwutlenku węgla. Okresowo wymieniaj dwutlenek węgla wewnątrz autoklawu, utrzymując stałe ciśnienie.Zazwyczaj wymagane jest około sześciu lub siedmiu objętości przebywania. Czas suszenia zależy od grubości żelu. Podobnie jak poprzednio, powoli obniż temperaturę i ciśnienie w autoklawie.Następnie przygotowane aerogele należy przechowywać w szczelnym pojemniku lub eksykatorem. Aerogele te są wrażliwe na wilgoć w atmosferze. Alternatywą dla dekompresji jest rozpoczęcie wymiany rozpuszczalnika w podciśnieniowym autoklawie.Aby to osiągnąć, należy stopniowo pompować mieszaniny etanolu i wody do autoklawu, dbając o to, aby żel pozostawał zanurzony w cieczy. W przypadku żelu o grubości dwóch milimetrów proces ten trwa około 90 minut. Po osiągnięciu pożądanego stężenia rozpuszczalnika należy rozpocząć suszenie nadkrytyczne, zwiększając ciśnienie z 5 do 12 megapascal przy użyciu nadkrytycznego dwutlenku węgla.W przypadku żelu o grubości dwóch milimetrów proces żelowania, wymiany rozpuszczalnika i suszenia powinien zająć tylko około trzech godzin. Stężenie biopolimeru odgrywa istotną rolę w przejrzystości hydrożeli. Próbki o stężeniu jednego i dwóch procent nie były przejrzyste, natomiast próbki o stężeniu jednej drugiej i jednej czwartej procent były.Procenty te podano w odniesieniu do masy. Podczas dekompresji w hydrożelach powstawały pęcherzyki, gdy rozpuszczony dwutlenek węgla opuszczał układ wodny żelu z powodu zmniejszonej rozpuszczalności dwutlenku węgla. Znaczna redukcja stężenia biopolimeru do jednej czwartej procenta pozwoliła na uzyskanie stabilnych, lecz kruchych hydrożeli.Otrzymane aerogele charakteryzowały się ultrawysoką porowatością oraz niską gęstością. Ich powierzchnie właściwe zmierzono metodą adsorpcji azotu. W zakresie wielkości porów od 4 do 150 nanometrów ich objętości zmierzono przy użyciu modelu Kelvina dla wypełniania porów azotem.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo zrozumieć, jak suszyć żele w rozpuszczalniku organicznym z wykorzystaniem nadkrytycznego dwutlenku węgla, a także jak suszyć hydrożele przy użyciu rozpuszczalnika organicznego i nadkrytycznego dwutlenku węgla. Powinni Państwo również zrozumieć, jak przekształcać roztwory biopolimerowe w aerogel w procesie jednoportowym. Po opanowaniu całej tej procedury.z roztworu biopolimeru do aerogelu może zostać przeprowadzony w czasie nawet trzech godzin, w zależności od grubości żelu. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest monitorowanie wartości pH roztworu początkowego, szybkości dekompresji po żelowaniu, końcowego stężenia rozpuszczalnika przed suszeniem nadkrytycznym oraz szybkości dekompresji po suszeniu nadkrytycznym. Wierzymy, że technika ta przyciągnie wielu badaczy, jak i inżynierów.I zmuszenie ich do produkcji różnych materiałów i produktów w dziedzinie izolacji piankowej, farmaceutyków, nutraceutyków i tak dalej. Należy pamiętać, że etanol jest łatwopalnym rozpuszczalnikiem, a w tej procedurze jest on stosowany w środowisku wysokiego ciśnienia. Stosowanie środków ochrony osobistej oraz bezpiecznych procedur obsługi laboratorium i sprzętu jest niezbędne w przypadku tej procedury.

preparation-of-biopolymer-aerogels-using-green-solvents

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Ten artykuł opisuje metodę szybkiej ekstrakcji nadkrytycznej do wytwarzania aerożeli krzemionkowych. Dzięki zastosowaniu ograniczonej formy i hydraulicznej prasy na gorąco, monolityczne aerożele można wytwarzać w ciągu ośmiu godzin lub krócej.

Otrzymywanie monolitów aerożelu krzemionkowego metodą szybkiej ekstrakcji nadkrytycznej

Wykazano wydajną, trzyetapową syntezę fluorescencyjnych glikopolimerów na bazie RAFT, składającą się z przygotowania glikomonomeru, kopolimeryzacji i późniejszej modyfikacji. Protokół ten może być wykorzystany do przygotowania statystycznych glikopolimerów na bazie tratwy o pożądanych strukturach.

Łatwe i wydajne otrzymywanie trójskładnikowych glikopolimerów fluorescencyjnych za pomocą polimeryzacji kontrolowanej przez RAFT

Dwu- i trójwymiarowe superhydrofobowe materiały polimerowe są przygotowywane przez elektroprzędzenie lub elektronatryskiwanie biodegradowalnych polimerów zmieszanych z polimerem o niższej energii powierzchniowej o podobnym składzie.

Wytwarzanie superhydrofobowych materiałów polimerowych do zastosowań biomedycznych

Ta metoda wideo opisuje syntezę monolitycznych materiałów 3D na bazie grafenu o dużej powierzchni, pochodzących z prekursorów polimerów, a także jednowarstwowego tlenku grafenu.

Synteza i funkcjonalizacja materiałów nanografenowych 3D: aerożele grafenowe i makrozespoły grafenu

Ten artykuł opisuje praktyczne metody przygotowania hydrożeli w foliach wolnostojących i impregnowanych membranach oraz charakteryzuje ich właściwości fizyczne, w tym właściwości transportu wody.

Synteza hydrożeli o właściwościach przeciwporostowych jako membran do oczyszczania wody

Tutaj prezentujemy protokoły przygotowania i testowania aerożeli katalitycznych poprzez wprowadzanie gatunków metali do platform aerożelowych z krzemionki i tlenku glinu. Przedstawiono metody otrzymywania materiałów z wykorzystaniem soli miedzi i nanocząstek zawierających miedź. Protokoły badań katalitycznych wykazują skuteczność tych aerożeli w zastosowaniach katalizy trójdrożnej.

Wytwarzanie i testowanie aerożeli katalitycznych otrzymanych w procesie szybkiej ekstrakcji nadkrytycznej

Przedstawiono szybką, bezpośrednią metodę syntezy redukcyjnej opartej na roztworze w celu uzyskania aerożeli Au, Pd i Pt.

Metoda szybkiej syntezy aerożeli Au, Pd i Pt poprzez bezpośrednią redukcję na bazie roztworu

Przedstawiono metodę syntezy aerożeli kompozytowych z bioszablonowego palladu z nanowłókien celulozowych. Powstałe w ten sposób kompozytowe materiały aerożelowe oferują potencjał w zastosowaniach związanych z katalizą, wykrywaniem i magazynowaniem wodoru.

Metoda syntezy aerożeli kompozytowych z biofibry palladowej z nanowłókien celulozowych

Przykład podejścia opartego na zamkniętej pętli w kierunku gospodarki materiałowej o obiegu zamkniętym jest opisany tutaj. Przedstawiono cały zrównoważony cykl, w którym półaromatyczne poliestry pochodzenia biologicznego są projektowane poprzez polimeryzację, depolimeryzację, a następnie repolimeryzację z niewielkimi zmianami w ich wydajności lub właściwościach końcowych.

Zaprojektowany do recyklingu molekularnego: półaromatyczny polimer pochodzenia biologicznego na bazie ligniny

Ten protokół opisuje metodę wytrawiania tekstu, wzorów i obrazów na powierzchni monolitów aerożelu krzemionkowego w formie natywnej i barwionej oraz łączenia aerożeli w mozaiki.

Estetycznie ulepszony aerożel krzemionkowy dzięki zastosowaniu wytrawiania laserowego i barwników

Poznaj metodę produkcji aerożeli biopolimerowych z pektyny amidowanej przy użyciu wody, etanolu i dwutlenku węgla w stanie nadkrytycznym. Technika ta umożliwia uzyskanie materiałów o ultra-wysokiej porowatości i niskiej gęstości.

Przygotowanie aerożeli biopolimerowych przy użyciu zielonych rozpuszczalników

Przeglądaj więcej filmów