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Artigo de método

Preparação de Hidrogéis Metal-Orgânicos - Gelatina por Coacervação

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DOI:

10.3791/71045

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31 de julho de 2026

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

Neste artigo

Resumo

Neste artigo, apresentamos a preparação de hidrogéis de gelatina MOF, que se beneficiam das propriedades termorreversíveis da gelatina, associadas à sua separação de fases por coacervação. Esses compósitos de hidrogel exibem alta carga de MOF, grande porosidade e uma boa distribuição espacial das partículas de MOF dentro da matriz de gelatina.

Resumo

Uma estratégia original e reprodutível é apresentada para a síntese de compósitos de hidrogel gelatina–Zr(IV) Metal-Orgânico (MOF) verde e ambientalmente benignos, e é descrita passo a passo ao longo do artigo. A abordagem explora a natureza termo-reversível da gelatina e sua capacidade de sofrer separação de fases por coacervação, combinada com a formação in situ de MOFs do tipo UiO-66 sob condições amenas. Usando essa metodologia, o presente trabalho demonstra a preparação de um bionanocomposto baseado em gelatina e no quimicamente estávelZr 4⁺ dicarboxilato UiO-66 MOF. Importante destacar que essa estratégia pode ser estendida para uma família mais ampla de MOFs de Zr(IV) dicarboxilato e fumarato (MOFs do tipo UiO-66 e MOF-801, respectivamente), selecionados para abranger uma ampla gama de funcionalizações de equilíbrio hidrofílico-hidrofóbico e de linkers orgânicos. Os compósitos de hidrogel resultantes apresentam características-chave como altas cargas de MOF (superiores a 50 em peso de peso), alta porosidade acessível e dispersão homogênea das nanopartículas de MOF dentro da rede de gelatina. Essas propriedades decorrem da forte compatibilidade interfacial entre a gelatina e as nanopartículas MOF, evidenciada por técnicas avançadas complementares de caracterização. Devido ao seu comportamento mecânico robusto em condições ambientes, os compósitos podem ser processados em escala de gramas em várias formas macroscópicas, como revestimentos ou monólitos, permitindo seu uso em diversas aplicações, incluindo a captura ou conversão catalítica de poluentes na água ou no ar sob condições ambientes.

Introdução

Estruturas metal-orgânica (MOFs) constituem uma família de materiais híbridos porosos e cristalinos construídos a partir de íons metálicos interligados por ligantes orgânicos polidentados. Devido às suas arquiteturas de poros bem definidas, altas áreas internas de superfície e funcionalidades químicas ajustáveis, os MOFs atraíram considerável atenção científica para diversas aplicações, incluindo armazenamento e separação de gás, detecção, catálise, biomedicina, entreoutros. Apesar desse forte potencial, várias limitações ainda restringem significativamente a transferência em larga escala dos MOFs para a implementação industrial. Um dos principais desafios está na modelagem dessesmateriais 2. De fato, sínteses convencionais de MOF normalmente produzem pós frágeis, cuja fragilidade inerente, baixa processabilidade e propriedades limitadas de manuseio dificultam severamente sua implantação prática. Para resolver essas questões, os MOFs foram processados em pellets, grânulos, contas, fibras ou membranas; no entanto, tais procedimentos de modelagem frequentemente resultam em perda parcial ou total da porosidadeacessível 2.

Uma estratégia amplamente explorada para superar essas desvantagens envolve a integração de MOFs com matrizes de suporte, especialmente polímeros ou materiais à base de carbono, como nanotubos de carbono, grafeno e óxido de grafeno 3,4,5,6. Essa abordagem levou ao desenvolvimento de compósitos multifuncionais que combinam as vantagens intrínsecas dos MOFs (porosidade, cristalinidade) com a robustez mecânica e processabilidade dos materiais hospedeiros. Além disso, a hibridização pode introduzir novas funcionalidades, incluindo maior estabilidade química, condutividade elétrica aprimorada ou porosidadehierárquica 3,4,5,6. Como resultado, compósitos à base de MOF foram amplamente investigados para adsorção e separação de gás, purificação de água, catálise e bioaplicações 3,4,5,6,7,8. No entanto, uma limitação recorrente desses compósitos é a agregação pronunciada de partículas MOF, geralmente atribuída à fraca compatibilidade interfacial entre os MOFs e a matriz de suporte. Esse problema é particularmente prevalente em compósitos preparados pela mistura física de partículas MOF pré-sintetizadas com polímeros ou óxido de grafeno e torna-se cada vez mais severo em altas cargas de MOF, que normalmente são necessárias para otimizar o desempenho 3,4,5,6. Para mitigar esses desafios, diversas estratégias alternativas foram propostas para melhorar a afinidade físico-química entre MOFs e matrizes poliméricas ou baseadas em carbono, preservando a porosidade dos MOF. Esses incluem a funcionalização superficial de partículas MOF, enxerto covalente de polímeros em superfícies MOF, crescimento in situ de MOFs dentro de matrizes poliméricas, cristalização de MOF dirigida por polímeros ou o uso de ligantes poliméricos para construir poliMOFs 3,4,5,6,7,8,9 . Apesar desses avanços, muitos compósitos de polímero MOF ainda sofrem com áreas de superfície reduzidas devido ao bloqueio dos poros por cadeias poliméricas e à dispersão não homogênea dos MOF. Além disso, sua preparação frequentemente depende de rotas sintéticas de múltiplas etapas e que demandam muito tempo, e o uso de polímeros sintéticos derivados de petroquímica levanta preocupações relacionadas à toxicidade, sustentabilidade e impacto ambiental 3,4,5,6.

O objetivo deste artigo é compartilhar os detalhes da preparação de um compósito de hidrogel baseado em um tipo MOF deZr 4⁺ dicarboxilato UiO-66 (UiO = Universidade de Oslo)10e gelatina. Este sistema é selecionado como exemplo representativo para ilustrar uma estratégia sintética geral que pode ser estendida a uma família mais ampla de MOFs porosos policarboxilados, incluindo derivados funcionalizados de UiO-66 e MOF-801(Zr). A gelatina é um biopolímero à base de proteínas amplamente utilizado em aplicações industriais como microencapsulamento de medicamentos e cosméticos, devido ao seu baixo custo, biodegradabilidade, não toxicidade e origemrenovável 11. Nos últimos anos, os hidrogéis de gelatina MOF têm sido principalmente investigados para aplicações bio-relacionadas, como engenharia de tecidos, cicatrização de feridas, administração de medicamentos e bioimagem 12,13,14,15,16,17. Esses compósitos eram geralmente preparados impregnando partículas de MOF pré-formadas em andaimes de gelatina funcionalizados ou géis físicos de gelatina. Embora tais materiais exibam desempenho biológico promissor, normalmente contêm teores muito baixos de MOF (abaixo de 10 wt%), resultando em porosidade limitada e, consequentemente, restringindo a exploração das propriedades fisicoquímicas relacionadasao MOF 12,13,14,15,16,17 . O presente artigo descreve uma estratégia completamente diferente que explora as propriedades termorreversíveis da gelatina e sua capacidade de passar por separação de faseslíquido-líquido (18,19) associada à formação in situ de MOFs em temperatura ambiente (RT). No protocolo descrito neste artigo, serão abordadas etapas críticas na preparação dos compósitos UiO-66/gelatina, incluindo a preparação da solução de gelatina, o processo de coacervação de gelatina, a cristalização RT de UiO-66 dentro da gelatina e a modelagem dos compósitos resultantes. Esses compósitos foram recentemente relatados por alguns de nós como desenvolvendo adsorventes para preservação do patrimônio cultural, mas seu protocolo de síntese não foi descrito em detalhes20. Esperamos que os conceitos e a metodologia apresentados neste artigo motivem a comunidade de pesquisa a explorar e desenvolver uma classe mais ampla de compósitos MOF-biopolímeros. Esses materiais exibem simultaneamente altas cargas de MOF (superiores a 80 em peso), porosidade acessível elevada, dispersão homogênea das partículas de MOF dentro da matriz de gelatina e características hidrofilo-hidrofóbicassintonizáveis 20. Uma vantagem fundamental do uso de biomacromoléculas como a gelatina está em sua complexidade química intrínseca, multifuncionalidade e natureza polieletrólica, que não possuem equivalentes sintéticos diretos. Essa combinação única permite a integração eficaz de MOFs hidrofílicos e hidrofóbicos dentro de uma matriz biopolímero solúvel em água.

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Protocolo

1. Preparação de soluções de gelatina

  1. Use gelatina comercial extraída da pele suína (tipo A), com um Bloom de 175 g, peso molecular médio de aproximadamente 40.000 g·mol⁻1 e ponto isoelétrico (IEP) de 8.
  2. Prepare um gel de gelatina aquosa com concentração de 10% em peso inchando os grânulos de gelatina em água ultrapura por uma duração mínima de 3 horas a 5 °C.
  3. Depois, prepare uma solução de gelatina aquosa aquecendo o gel de gelatina a 50 °C. Mexa a solução de gelatina usando um agitador magnético por 30 minutos a 300 rpm. Uma vez obtida uma solução clara de gelatina, mantenha-a a uma temperatura de 50 °C (Figura 1).

figure-protocol-1
Figura 1: Fotografia de uma solução aquosa de gelatina com concentração de 10% em peso. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

2. Síntese do compósito hidrogel UiO-66-gelatina

  1. Síntese de [Zr 6O4(OH)4(OAc)12] (OAc = acetato) oxo cluster
    1. Em um frasco de cintilação de 20 mL, adicione 71 μL de uma solução de propóxido de zircônio a 70% em 1-propanol [Zr(OPrⁿ)₄] (0,0519 g, 0,158 mmol) a 7 mL de dimetilformamida (DMF) e 4 mL de ácido acético (4,196 g, 70 mmol) (Figura 2A).
    2. Aqueça a mistura resultante em um bloco de alumínio em uma placa quente a 130 °C por 2 horas, durante as quais uma mudança distinta de cor de incolor para amarelo é observada (Figura 2B).
    3. Deixe a solução para esfriar no RT.
  2. Síntese in situ de UiO-66(Zr) na presença de coacervato de gelatina
    1. Misture 11 mL da solução de oxo-cluster {Zr₆} (0,158 mmol) obtida na etapa 2.1 com 0,5 mmol (84 mg) de 1,4-benzeno dicarboxílico (1,4-bdc) de ligador orgânico.
    2. Mexa a mistura por 15 minutos até obter uma dispersão homogênea.
    3. Depois, adicione 2 mL de uma solução de gelatina com 10% de wt%, preparada na tarefa 1 a 50 °C a essa solução. (Figura 3).
    4. Mexa a mistura em RT por 10 minutos, seguido pela adição de 2 mL de etanol. A solução fica turva e branca.
    5. Mexa a mistura resultante em RT (20 °C) por 24 horas. Uma separação de fase líquido-líquido ocorre progressivamente ao longo do tempo.
      NOTA: Logo após a adição do etanol, a solução inicial é branca e turva (Figura 4A) e então evolui com o tempo para uma amostra macroscópicamente bifásica composta por uma solução diluída de gelatina flutuando acima de uma fase branca mais densa e viscosa (Figura 4B–F).
    6. Para uma separação completa de fases, adicione 10 mL de etanol a essa mistura. Após mexer a solução, extraia a fase viscosa da solução sobrenadante para obter o compósito de hidrogel (Figura 5).
    7. Deixe este composto secar em temperatura ambiente e caracterize-o ainda mais combinando difração de raios X em pó (PXRD), análise termogravimétrica, espectroscopia de Transformada de Fourier no Infravermelho (FT-IR), porosimetriaN2 , microscopia eletrônica de varredura e transmissão (SEM e TEM), ressonância magnética nuclear de estado sólido (RMN) e espectroscopia de emissão atômica por plasma acoplado indutivamente (ICP-AES), conforme relatadoanteriormente (Figura 6).
  3. Modelação de UiO-66(Zr) /gelatina em monólitos
    1. Aqueça a fase viscosa obtida no passo 2.2.6, junto com seu sobrenadante, a 70 °C por 15 minutos, seguido por 90 °C por 5 minutos.
      NOTA: Este tratamento teve como objetivo transformar o hidrogel de gelatina MOF em uma mistura homogênea líquida e viscosa que pode ser facilmente despejada em um molde.
    2. Depois, despeje o hidrogel sem sua solução sobrenadante no molde termalizado a 70 °C.
    3. Forme um monólito resfriando em RT por 15 minutos, depois mantenha a 2 °C por 1 dia (Figura 7).

figure-protocol-2
Figura 2: Fotografias de uma solução contendo 71 μL de uma solução de propóxido de zircônio a 70% em 1-propanol [Zr(OPrⁿ)₄] (0,0519 g, 0,158 mmol), 7 mL de DMF e 4 mL de ácido acético. (A) Antes e (B) após aquecimento a 130 °C por 2 horas. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-protocol-3
Figura 3: Fotografia da amostra obtida após misturar 11 mL do oxo cluster [Zr 6O 4(OH)4(OAc)12] (0,158 mmol), do linker 1,4-bdc (0,5 mmol) e 2 mL da solução de gelatina aquosa de 10% em peso no RT. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-protocol-4
Figura 4: Fotografias de amostras contendo o oxo cluster [Zr 6O 4(OH)4(OAc)12], o linker 1,4-bdc e a solução de gelatina aquosa de 10% em peso no RT após a adição de 2 mL de etanol. As fotografias mostram a separação progressiva da gelatina em fase líquido-líquido após o envelhecimento das amostras em diferentes momentos: (A) 0 min, (B) 15 min, (C) 1 h, (D) 2 h, (E) 18 h, (F) 24 h. Simultaneamente, a reação entre o oxo cluster [Zr 6O 4(OH)4(OAc)12] e o linker 1,4-bdc deu origem à formação de nanopartículas UiO-66(Zr). Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

figure-protocol-5
Figura 5: Fotografias de amostras contendo gelatina e UiO-66(Zr). (A–D) Antes de (A,C) e depois de (B,D) adicionando 10 mL de etanol. A solução, inicialmente branca e turva (A,C), se transforma em amostras macroscópicamente bifásicas contendo uma solução de gelatina diluída e um hidrogel viscoso (B,D). Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

figure-protocol-6
Figura 6: Caracterização do hidrogel UiO-66/gelatina. (A) Padrão experimental de PXRD de UiO-66/gelatina em comparação com o padrão calculado de UiO-66. (B) PorosimetriaN 2 (adsorção, símbolos preenchidos; dessorção, símbolos vazios) de UiO-66/gelatina em comparação com nanopartículas puras de UiO-66 em 77 K (p°=1 atm). (C) Imagem TEM de uma fatia ultramicrotomizada de 80 nm do hidrogel UiO-66/gelatina. (D) Imagens SEM do hidrogel UiO-66/gelatina após lavagem em água. Esta figura foi reimpressa (adaptada) com permissão de Biswas et al.20. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

figure-protocol-7
Figura 7: Fotografia do compósito moldado UiO-66/gelatina. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

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Resultados

O composto hidrogel UiO-66(Zr)/gelatina foi sintetizado acoplando a simples coacervação da gelatina com a formação in situ das nanopartículas de UiO-66(Zr). O protocolo sintético foi repetido várias vezes para garantir robustez, produzindo consistentemente resultados reproduzíveis (ou seja, características estruturais e físico-químicas dos compósitos) sob condições experimentais idênticas. Nanopartículas de UiO-66(Zr) foram preparadas em RT seguindo um protocolo de duas etapas p...

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Discussão

Compósitos que combinam gelatina com materiais inorgânicos, como óxidos metálicos, hidroxiapatita e duplos hidróxidos em camadas, têm despertado grande interesse devido à sua capacidade de integrar a biocompatibilidade e processabilidade da gelatina com as propriedades funcionais das fasesinorgânicas 24,25. A gelatina fornece uma matriz orgânica versátil que pode ser facilmente moldada, reticulada e processada em meio...

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Divulgações

Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

SB e NS reconhecem o apoio financeiro do programa Horizonte 2020 da União Europeia (Projeto Nemosine, acordo de subvenção N°760801). SB e NS reconhecem o apoio financeiro do ANR-11-LABEX-0039 (charmmat LabEx). IM e NS reconhecem o apoio financeiro da École Universitaire de Recherche PSGS-HCH Humanités, Création, Patrimoine, Investissement d'Avenir ANR-17-EURE-0021 – Fondation des Sciences du Patrimoine. A NNG e a NS reconhecem o apoio financeiro da Agência Nacional de Pesquisa da França por meio da bolsa Domino nº ANR-22-CE08-0007.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
1,4 benzene dicarboxylic acid Acros Organics.180720010
70% zirconium propoxide [Zr(OPrn)4] solution in 1-propanol Sigma-Aldrich333972-100ML
Acetic acid Carlo Erba524520
Avance-NEO spectrometerBrukerNMR
Dimethyl formamide Carlo Erba528221
Ethanol Carlo Erba528131
GelatinSigma-AldrichG2625-100G
Magna 550 Nicolet spectrophotometerNicolet550 seriesFTIR
Scanning electron microscopeJeol JSM-7001FSEM
Thermogravimetric analyzerModel Perkin Elmer SDA 6000
Transmission electron microscopeJeol 2100F TEM
X’Pert MDP diffractometerSiemensD5000  XRD

Referências

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