Методическая статья

Приготовление биополимера аэрогели с помощью зеленого Растворители

20K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/54116

⸱

4 июля 2016 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Показан новый способ получения аэрогелей на основе биополимеров путем гелеобразования, вызванного углекислым газом (CO2). В этой технологии используется углекислый газ под давлением (5 МПа) для производства биополимерных гидрогелей и сверхкритический CO2 (12 МПа) для преобразования гелей в аэрогели. Единственными растворителями, необходимыми помимоCO2, являются вода и этанол.

Аннотация

Хотя первые отчеты об аэрогелях, сделанные Kistler1 в 1930-х годах, касались аэрогелей как из неорганических оксидов (кремнезем и другие), так и из биополимеров (желатин, агар, целлюлоза), только недавно биомассы были признаны обильным источником химически разнообразных макромолекул для функциональных аэрогелевых материалов. Биополимерные аэрогели (пектин, альгинат, хитозан, целлюлоза и др.) проявляют как специфические наследственные функции исходных биополимеров, так и отличительные черты аэрогелей (пористость 80-99% и удельная поверхность до 800м2/г). Эта синергия свойств делает биополимерные аэрогели перспективными кандидатами для широкого спектра применений, таких как теплоизоляция, тканевая инженерия и регенеративная медицина, системы доставки лекарств, функциональные продукты питания, катализаторы, адсорбенты и датчики. В данной работе демонстрируется использование углекислого газа под давлением (5 МПа) для ионного сшивания амидатированного пектина в гидрогели. Первоначально в воде готовят биополимерно-солевую дисперсию. В условиях давления CO2 pH раствора биополимера снижается до 3, что высвобождает сшивающие катионы из соли для связывания с биополимерами, образующими гидрогели. При замене растворителя на этанол и последующей сверхкритической сушке CO2 (10 - 12 МПа) получаются аэрогели. Полученные аэрогели являются ультрапористыми с низкой плотностью (всего 0,02 г/см3), большой удельной поверхностью (350 - 500м2/г) и объемом пор (3 - 7см3/г для размеров пор менее 150 нм).

Введение

Аэрогели являются классом пористых материалов, которые могут быть получены с использованием различных предшественников, начиная от неорганических (таких как диоксид кремния, оксид титана, оксид циркония и другие), синтетические (такие как резорцин формальдегида, полиуретан и другие) или биополимеров (полисахариды, белки и другие ) 2. Что отличает их от обычных пористых материалов является их способность одновременно обладать всеми тремя характеристиками; а именно большой площадью поверхности, сверхнизкой плотности и распределение по размерам пор мезопористого (т.е. размеры пор от 2-50 нм). С вышеуказанными характеристиками, аэрогель широко применяются в области изоляции, биомедицины, катализе, адсорбции и абсорбции приложений, фармацевтических препаратов и нутрицевтиков 2. Принимая во внимание вышеупомянутые возможности, производство систем биополимера геля и их последующее превращение в аэрогелям открывает множество возможностей по отношению к высокой добавленной стоимостью на основе биоматериалы. Такое усилие ресуспендировали в данном исследовании с использованием Амидированные пектины в качестве примера.

Aerogels обычно получают методом золь-гель. Гели представляют собой системы , состоящие из жидкости захваченный в матрице и могут быть получены с помощью ковалентных, ионных, рН наведенной, термический или крио сшивания 3. Для этой конкретной системы, мы используем ионную сшивание, то есть двухвалентный катион (например, кальция) сшивать биополимерных цепей вместе. Для выполнения управляемой ионное сшивание биополимеров , таких как амидированный пектин или альгинат, можно использовать метод диффузии или внутреннего метода установки 4. В методе диффузии, гелеобразование происходит сначала в наружном слое с последующим распространением диффузии, так как катионы диффундируют из наружного раствора в амидированный пектин или альгинат капельке или слой 4. В методе внутренней установки, нерастворимую форму сшивающего гомогенно диспергируют в биополимера SOLUTIOп и катионы освобождаются путем инициирования изменения рН 4,5,6. Тем не менее, оба метода сталкиваются с прос о гомогенности конечного геля при продуцировании в плите или монолитной форме. Эта работа демонстрирует использование СО 2 высокого давления (5 МПа) для производства Амидированные пектины гидрогели строит далее на предыдущих работах по альгинатных гелей 3,7. Короче говоря, это внутренняя установка метод гелеобразования , которая использует СО 2 под давлением , чтобы уменьшить рН вместо слабых кислот для получения однородных гелей. С увеличением давления, растворимость углекислого газа в воде увеличивается сопровождается понижением рН до 3,0 8. Это вызывает карбонат кальция для солюбилизации, высвобождая ионы кальция. Ионы кальция сшивать с Амидированные пектины биополимера с получением гидрогели. Устойчивые однородные гели вплоть до очень низких концентрациях биополимеров (0,05 мас%) , может быть получено с помощью этой техники 7.

Как Гелатскойионов происходит в водной среде, замена растворителя в органическом растворителе , необходима из - за разрыва растворимостью в системе СО 2 / вода. спирты Обычно низкомолекулярные (метанол / этанол / изопропанол) и кетоны (ацетон), могут быть использованы для процесса замены растворителя. Тем не менее, прямой замачивание в ванне с чистым этанолом или другими органическими растворителями приводит к значительному необратимому усадки. Чтобы избежать этого недостатка, ступенчато замена растворителя проводят 5,9. Когда концентрация растворителя внутри геля достигает> 98%, органический растворитель сушат с помощью сверхкритического CO 2 (12 МПа) , оставляя позади аэрогеля.

Протокол

1. Приготовление Амидированные пектины маточного раствора

  1. Смешайте 20 г амидированным пектином с 980 г воды (2,0% мас). Степень амидировани 25% мас.
  2. Гомогенизации раствора с помощью мешалки высокой скорости (10000 оборотов в минуту) в течение 2 мин, чтобы получить однородную вязкого раствора.
  3. Измерение рН с помощью рН-полоски или рН-метр. Если рН ниже, чем 6,5, титруют 0,5 М NaOH для нейтрализации раствора (до рН 7,0).
  4. Добавьте карбонат кальция в соотношении 0.1825 г на грамм сухого Амидированные пектины (Q = 1). "Q" обозначает степень сшивки.
  5. Для получения 1 кг 2,0% -ного раствора амидированный пектина, добавляют 3,65 г карбоната кальция (Q = 1) 7 за 20,0 г сухого пектина.
  6. Для большего поперечного сшивания, добавляют 0,3650 г карбоната кальция на грамм сухого амидированный пектин (Q = 2).

2. Производство гидрогелей

  1. Однородный амидированный карбонатная смесь пектина / кальция с использованием высокой скорости гомогенизатора (10000 оборотов в минуту), чтобы получитьбелый однородная дисперсия.
  2. Передача суспензии в открытые формы полипропиленовые или стеклянные чашки Петри.
  3. Поместите формочки в автоклаве под высоким давлением. Уплотнение автоклав.
  4. Герметизировать автоклав газообразного СО 2 до 5 МПа при комнатной температуре. Обратитесь к Гуриков и др. 7 для получения дополнительной информации. Поддерживать давление в течение 24 часов.
  5. Медленно сбросить давление в автоклаве при давлении 0,2 МПа / мин.
  6. Откройте автоклав и удалить пресс-формы. Удалите гидрогели из пресс-форм, поворачивая их. При необходимости, используйте лопаточку.

3. Процедура Solvent Обмен

  1. Приготовьте 10 г 10:90 (вес / вес) этанол / вода смеси на грамм гидрогеля.
  2. Погружают гидрогели в 10:90 (вес / вес) этанол / вода смесь в течение 12 ч.
  3. Продолжайте этот процесс , с увеличением концентрации этанола, то есть, от 10:90 (вес / вес) этанол / вода смесь до 30:70 (вес / вес) этанол / вода смеси. После 12 часов, трансфер до 50:50 (вес / вес) этанол / вода смесь, затем до 70:30 (12 ч), затем 90:10 (12 ч), а затем до 100% -ного этанола (12 ч).
  4. Замачивание гель далее в чистом этаноле, так что конечная концентрация внутри геля составляет более 98% (вес / вес). Измерение концентрации с помощью плотномера. Alcogel теперь готов к сверхкритического CO 2 сушки.

4. Производство аэрогеля сверхкритическим CO 2 Сушка

  1. Поместите образцы в том же автоклаве высокого давления, используемого для приготовления гидрогеля (см шаг 2.3).
  2. Наполните автоклав с дополнительным этанолом (2-10% от объема автоклава), чтобы предотвратить преждевременное испарение растворителя из гелей. Полное погружение геля в растворителе, не требуется.
  3. Уплотнение автоклав. Включите нагрева автоклава. Установите рабочую температуру автоклава до 323 К. герметизировать автоклав с диоксидом углерода до 12 МПа с использованием компрессора или насоса.
  4. Периодически заменить CO 2внутри автоклава 10,11 с свежей CO 2 поддержании постоянного давления. 6-7 объемов проживание требуются в течение 6 часов. Обратитесь к Гуриков и др. 7 для получения дополнительной информации.
  5. Медленно сбросить давление в автоклаве при давлении 0,2 МПа / мин.
  6. Откройте автоклав и собирать аэрогель. Храните аэрогель в эксикатор или герметичном контейнере.

Результаты

Типичные гидрогели , полученные после гелеобразования стадии с более высокой поперечной сшивки степени (Q = 2) (как указано в разделе Протокола 2) показаны на рисунке 1. Образцы слева (образец А и В) являются 2 мас% и 1% мас пектиновые гели , полученные СО 2 , индуцированного гелеобразования. По мере снижения концентрации биополимера (0,5 мас% или ниже), гели становятся прозрачными (образец С). Дальнейшее снижение концентрации биополимера (0,25% по весу) также дает стабильные гидрогели (образец D), но эти гели очень хрупкие и могут сломаться при работе. Пузырьки , наблюдаемые внутри гидрогели создаются при разгерметизации , когда растворенный CO 2 выходит из системы водного геля за счет снижения растворимости CO 2.

Амидированный характеристики пектин аэрогеля представлены в таблице 1. Полученные аэрогеля являются ультра-пористая с низкой рва плотность (по цене от 0,013 г / см 3) , измеренное как отношение между массой аэрогеля и его объем. Площадь поверхности измеряется с помощью адсорбции азота. Для получения пектиновых аэрогеля, она дала удельную площадь поверхности между 350 - 500 м 2 / г. Объем пор по размерам пор в диапазоне 4-150 нм измеряют с помощью модели Кельвина заполнения пор с использованием азота (метод BJH). Объем пор для амидированный пектин аэрогелям было между 3 - 7 см 3 / г для размеров пор от 4 до 150 нм.

figure-results-1
Рисунок 1. Амидированные пектины гидрогели с более высокой степенью поперечной сшивки (Q = 2) верхнего левого угла: 2% вес (образец А);. в правом верхнем углу: 1% масс (образец B); внизу слева: 0,5% масс (образец C); справа внизу: 0,25% вес (образец D). Гели становятся прозрачными с уменьшением концентрации биополимера. Пузырьки образуются во время СО 2 разгерметизации.https://www.jove.com/files/ftp_upload/54116/54116fig1large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Концентрация Пектин [% по весу] Сшивание степень д Насыпная плотность [г / см 3] Удельная поверхность [м 2 / г] Удельный объем пор [см 3 / г] Средний размер пор (диаметр) [нм]
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 2 0,069 447 3.1 13
1,00 2 0,048 441 3.6 26
0,50 2 0.030 429 5.8 25
0,25 2 0.017 347 5.0 24

Таблица 1. Характеристики Амидированные пектины аэрогеля.

Обсуждение

При использовании СО 2 , индуцированный метод гелеобразования, можно устранить необходимость в химических заменителей (например , уксусная кислота или глюконо дельта-лактон (ГДЛ)) , необходимого для индукции сшивание биополимера. Площадь поверхности амидированного пектина аэрогели в более высоких диапазонах значений литературы 5, однако объемы пор значительно выше , чем представленные в литературе 5. Более высокие объемы пор наблюдались также для альгината аэрогеля , полученных CO 2 , индуцированного гелеобразования 7. Тем не менее, остается проверить, вызвана ли методом гелеобразования или врожденного свойства биополимеров, которые ранее не рассматриваемых в литературе причина для этого больших объемов пор (4-150 нм пор диапазон размеров). Пектин аэрогель сообщалось в литературе обладать свойствами superinsulating 12 и альгината аэрогеля , полученные этим методом также обладают теплопроводностью в диапазоне superinsulating3,7. Поэтому Амидированные пектины аэрогель, полученные с помощью этой методики можно также предусмотреть, чтобы обладать superinsulating свойствами.

Скорость разгерметизации в Протоколе раздела 2 является важным шагом в подготовке гидрогеля. Быстрый сброс давления может привести к увеличению макропористости гелей. Это явление может быть применена для тканевой инженерии , где макропор материала с взаимосвязанности является важной особенностью для роста и пролиферации клеток 13,14. Кроме того, степень сшивания в Протоколе Раздел 1 играет важную роль в синерезиса и припухлость свойство Амидированные пектины гидрогели. Это похоже на альгинатных гидрогелей , чьи набуханию зависит от концентрации сшивающего а 15. Тем самым аэрогель , сделанные Амидированные пектины также может быть настроен , чтобы обладать свойством сверхпоглощающий аналогичные тем , которые сообщили для альгината аэрогеля 16.

<р класс = "jove_content"> С помощью СО 2 , индуцированный гелеобразование пектина с учетом амидирована (или альгинат) в качестве основной системы, дальнейшее разнообразие могут быть включены в аэрогеля путем введения различных поперечных сшивающих агентов и их комбинаций биополимеров. Несколько карбонатами металлов (например, цинк, никель, кобальт, медь, стронций, барий) может быть использован для сшивания 3, где катионы могут быть освобождены от рН понижающего в водной среде с помощью СО 2 под давлением (3-5 МПа). Тем не менее, нерастворимые соли некоторых из этих катионов не могут образовывать стабильные дисперсии для более низких концентраций биополимеров и может располагаться в нижней части, ведущей к неоднородным гелей. Это общая проблема с внутренним методом установки гелеобразования включая CO 2 , индуцированного гелеобразования 3 и тем самым, удобство и простота использования этой техники для приложения следует оценивать в каждом конкретном случае на индивидуальной основе.

Различные смеси приготовлены с использованием растворимого в воде биополимеры, такие как крахмал, каррагинан, метила и карбокси-метилцеллюлоза, геллановая камедь, лигнин, желатин и другие; водорастворимые синтетические полимеры, такие как полиэтиленгликоль (ПЭГ), поливиниловый спирт (ПВС), Pluronic P-123 и другие; и растворимые в воде неорганические предшественники , такие как силикат натрия , могут быть также смешаны с амидированный пектин и производить гибридные -аэрогели аналогичные альгинат 2 с перестраиваемой свойствами.

В качестве сверхкритической СО 2 сушки (SCCO 2 сушка) является наиболее существенным шагом в аэрогеля производства, любая комбинация шагов предварительной обработки , таких как замены растворителя и сушки с использованием СО 2 17,18 или гелеобразование, замены растворителя и сушки с использованием СО 2 7 может обеспечить явное преимущество обработки. Преимущество предполагается как интегрированного процесса в одном реакционном сосуде: где биополимер Дисперсии могут быть превращены в биополимерных аэрогелям с использованием CO 2 в качестве основной среды обработки в одном автоклаве. Длянекоторых фармацевтических приложений, можно также предусматривают выполнение четырех этапов: гелеобразование, замена растворителя, сушки при сверхкритической температуре и активный процесс при загрузке компонента 5,19 в одном автоклаве с использованием СО 2 в качестве технологической среды. Последующая обработка таких как защитное покрытие из наполненные лекарством аэрогели в некоторых случаях необходимо для целенаправленного высвобождения лекарственного средства 20.

В заключение, настоящая работа демонстрирует использование сжатого CO 2 для гелеобразования амидированных систем на основе пектина. Кроме того, использование сжатого CO 2 в качестве общей среды для предшественника конверсии продукта для целевых применений в одном автоклаве предусматривается.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

Финансовая поддержка DFG (проекты SM 82 / 13-1) выражает искреннюю признательность.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Equipment
Ultraturrax гомогенизаторIKA, ГерманияT 25 Цифровые
полипропиленовые формыTH. Гейер, Германия9,033,201
Автоклав высокого давления Эрнст Хааге, ГерманияМонтажна заказ
КомпрессорАндреас ХоферMKZ 185-40Монтаж выполнен на собственном предприятии
Адсорбция азотаQuantachromeNova 4000e
ПлотномерAnton PaarDMA 4000
<сильно>Химикаты
Амидированные пектинHerbstreith and Fox, ГерманияCU 025CAS # 56645-02-4; предоставляется компанией для исследовательских целей
Гидроксид натрияSigma Aldrich, ГерманияS8045CAS # 1310-73-2; требуется только в случае, если раствор пектина необходимо нейтрализовать до pH 6,5-7,5
Карбонат кальцияMagnesia GmbH, Германия4421 Карбонат кальция, leicht, prä zipitiert, EP, E170CAS # 471-34-1
Этанол, 99,8%Sigma Aldrich, Германия32205CAS # 64-17-5
Углекислый газ, 99,9%AGA Gas GmbH, ГерманияCAS # 124-38-9; имеется собственный бак (3 тонны)
Деионизированная водаCAS # 7732-18-5;   Поставляется на месте (6,4–7,0 pH)
изготовлен

Ссылки

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

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Сверхкритический диоксид углеродаамидированный пектинобмен растворителейформирование гидрогелясушка этаноломионное сшиваниепористые материалытеплоизоляция
Приготовление биополимера аэрогели с помощью зеленого Растворители
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.