Introduction
Aerogels هي فئة من المواد المسامية التي يمكن إعدادها باستخدام مجموعة متنوعة من السلائف تتراوح من غير العضوية (مثل السيليكا، تيتانيا، زركونيا وغيرها)، الاصطناعية (مثل الفورمالديهايد الريسورسنول والبولي يوريثين وغيرها) أو البوليمرات الحيوية (السكريات والبروتينات وغيرها ) 2. ما يفرقهم من مواد مسامية التقليدية هو قدرتها على امتلاك وقت واحد كل الخصائص الثلاث؛ وهي مساحة عالية، كثافة منخفضة للغاية وتوزيع حجم المسام mesoporous (أي أحجام المسام 2-50 نانومتر). مع الخصائص المذكورة أعلاه، يتم تطبيق aerogels نطاق واسع في مجالات العزل، والطب الحيوي، الحفز، والامتزاز والامتصاص التطبيقات والصناعات الدوائية وneutraceuticals 2. مع الأخذ بعين الاعتبار الاحتمالات المذكورة أعلاه، وإنتاج أنظمة هلام البوليمر الحيوي وتحول لاحقا إلى aerogels يفتح العديد من الفرص من أجل القيمة المضافة العالية الحيوي المستخرجالمواد. يؤخذ مثل هذا المسعى حتى في هذه الدراسة استخدام البكتين amidated كمثال على ذلك.
وعادة ما يتم إنتاجها Aerogels بواسطة تقنية سول هلام. المواد الهلامية هي أنظمة تتألف من السوائل المحبوسة في مصفوفة ويمكن عن طريق التساهمية، الأيونية، ودرجة الحموضة الناجمة أعدت، الحراري أو البرد عبر ربط 3. لهذا النظام معين، فإننا نستخدم يشابك الأيونية، أي كاتيون ثنائي التكافؤ (على سبيل المثال، الكالسيوم) لتشعبي سلاسل biopolymeric معا. لأداء يشابك الأيونية يمكن السيطرة عليها من البوليمرات الحيوية مثل البكتين amidated أو الجينات، يمكن للمرء أن استخدام طريقة نشر أو طريقة الإعداد الداخلي 4. في طريقة نشرها، يحدث دبق في البداية في الطبقة الخارجية تليها نشر نشرها، كما تنتشر الكاتيونات من الحل الخارجي إلى البكتين amidated أو قطرة الجينات أو طبقة 4. في طريقة الإعداد الداخلي، تتوزع على شكل غير قابل للذوبان في crosslinker متجانس في محلول البوليمر الحيوييتم الافراج ن والكاتيونات التي كتبها بدء 4،5،6 تغيير درجة الحموضة. ومع ذلك، تواجه كل من التقنيات مسألة تتعلق تجانس هلام النهائي عندما أنتجت في لوح أو شكل متجانسة. يوضح هذا العمل استخدام ارتفاع ضغط CO 2 (5 ميجا باسكال) لإنتاج الهلاميات المائية البكتين amidated بناء المزيد من الأعمال السابقة على المواد الهلامية الجينات 3،7. وباختصار، هو وضع تقنية دبق الداخلية التي تستخدم الضغط CO 2 للحد من درجة الحموضة بدلا من الأحماض الضعيفة لإنتاج المواد الهلامية متجانسة. مع زيادة في الضغط، وذوبان ثاني أكسيد الكربون في الماء يزيد يرافقه انخفاض الرقم الهيدروجيني إلى 3.0 8. هذا يسبب كربونات الكالسيوم لإذابة، والإفراج عن أيونات الكالسيوم. أيونات الكالسيوم تشعبي مع البوليمر الحيوي البكتين amidated لانتاج الهلاميات المائية. يمكن أن تنتج المواد الهلامية متجانسة مستقرة وصولا الى تركيز البوليمر الحيوي منخفضة جدا (0.05٪ بالوزن) باستخدام هذه التقنية (7).
كما gelatأيون يقام في وسط مائي، مطلوب صرف المذيبات إلى المذيبات العضوية وذلك بسبب وجود فجوة الامتزاج في نظام CO 2 / المياه. منخفضة عادة الكحول الوزن الجزيئي (الميثانول / الإيثانول / الأيسوبروبانول) والكيتونات (الأسيتون) يمكن استخدامها لعملية التبادل المذيبات. ومع ذلك، تمرغ المباشر في حمام مع الإيثانول النقي أو المذيبات العضوية الأخرى يؤدي إلى انكماش كبير لا رجعة فيه. لتجنب هذا العيب، يتم تنفيذ صرف المذيبات تدريجي 5،9. عندما يصل تركيز المذيب داخل هلام> 98٪، وجفت المذيبات العضوية مع ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج 2 (12 ميجا باسكال) مخلفا وراءه ايروجيل.
Protocol
1. إعداد Amidated البكتين محلول المخزون
- خلط 20 غراما amidated البكتين مع 980 غ ماء (2.0٪ بالوزن). درجة amidation هي 25٪ بالوزن.
- التجانس الحل مع النمام سرعة عالية (10،000 دورة في الدقيقة) لمدة 2 دقيقة للحصول على حل لزج متجانسة.
- قياس الرقم الهيدروجيني باستخدام شرائح الأس الهيدروجيني أو درجة الحموضة متر. إذا كان الرقم الهيدروجيني أقل من 6.5، يعاير مع 0.5 M هيدروكسيد الصوديوم لتحييد الحل (لدرجة الحموضة 7.0).
- إضافة كربونات الكالسيوم في نسبة 0.1825 غ لكل غرام من البكتين amidated الجافة (ف = 1). "س" يدل على درجة من يشابك.
- ل1 كغ 2.0٪ بالوزن حل البكتين amidated، إضافة 3،65 ز كربونات الكالسيوم (ف = 1) 7 في 20.0 غرام البكتين الجافة.
- لمزيد من يشابك، إضافة 0.3650 جم كربونات الكالسيوم للغرام الواحد من البكتين amidated الجافة (س = 2).
2. إنتاج الهلاميات المائية
- التجانس amidated البكتين / كربونات الكالسيوم الخليط باستخدام الخالط سرعة عالية (10،000 دورة في الدقيقة) للحصول علىتشتت متجانسة الأبيض.
- نقل تعليق في قوالب من مادة البولي بروبيلين مفتوحة أو أطباق بتري الزجاج.
- ضع القوالب في الأوتوكلاف الضغط العالي. ختم الأوتوكلاف.
- الضغط على الأوتوكلاف مع ثاني أكسيد الكربون غاز 2 تصل إلى 5 ميجا باسكال في RT. الرجوع إلى Gurikov وآخرون. (7) لمزيد من المعلومات. الحفاظ على الضغط لمدة 24 ساعة.
- ببطء أزال الضغط الأوتوكلاف في 0.2 ميجا باسكال / دقيقة.
- فتح الأوتوكلاف وإزالة قوالب. إزالة الهلاميات المائية من القوالب التي كتبها تسليمهم. إذا لزم الأمر، واستخدام الملعقة.
3. إجراء تبادل المذيبات
- إعداد 10 غرام من 10:90 (ث / ث) الإيثانول / المياه الخليط في كل غرام من هيدروجيل.
- تزج الهلاميات المائية في 10:90 (ث / ث) خليط الايثانول / الماء لمدة 12 ساعة.
- تستمر هذه العملية مع زيادة تركيزات الإيثانول، أي من 10:90 (ث / ث) خليط الايثانول / المياه إلى 30:70 (ث / ث) الإيثانول / المياه الخليط. بعد 12 ساعة، ونقل إلى 500:50 (ث / ث) خليط الايثانول / الماء، ثم إلى 70:30 (12 ساعة)، ثم 90:10 (12 ساعة) والحل الايثانول ثم إلى 100٪ (12 ساعة).
- نقع هلام أكثر في الإيثانول النقي بحيث التركيز النهائي داخل هلام أكثر من 98٪ (ث / ث). قياس تركيز باستخدام متر الكثافة. وalcogel هو الآن على استعداد لفوق الحرجة CO 2 التجفيف.
4. إنتاج Aerogels من فوق الحرجة CO 2 التجفيف
- وضع العينات في نفس الأوتوكلاف ارتفاع ضغط تستخدم لإعداد هيدروجيل (راجع الخطوة 2.3).
- ملء الأوتوكلاف مع الايثانول إضافي (2-10٪ من حجم الأوتوكلاف) لمنع تبخر المذيبات من السابق لأوانه من المواد الهلامية. ليس مطلوبا الانغماس الكامل من هلام في المذيب.
- ختم الأوتوكلاف. تشغيل التدفئة الأوتوكلاف. ضبط درجة حرارة الأوتوكلاف إلى 323 ك الضغط على الأوتوكلاف مع ثاني أكسيد الكربون إلى 12 ميجا باسكال باستخدام ضاغط أو مضخة.
- استبدال دوري CO 2داخل الأوتوكلاف 10،11 مع ثاني أكسيد الكربون النقي 2 حفظ ثابت الضغط. ويلزم 6-7 أحجام الإقامة خلال فترة من 6 ساعات. الرجوع إلى Gurikov وآخرون. (7) لمزيد من المعلومات.
- ببطء أزال الضغط الأوتوكلاف في 0.2 ميجا باسكال / دقيقة.
- فتح الأوتوكلاف وجمع ايروجيل. تخزين ايروجيل في exicator أو حاوية مغلقة.
Representative Results
الهلاميات المائية النموذجية التي تم الحصول عليها بعد خطوة دبق مع ارتفاع درجة يشابك (ف = 2) (وفقا للتعليمات في قسم البروتوكول 2) في الشكل 1. العينات على اليسار (عينة A و B) هي 2٪ بالوزن و1 بالوزن و٪ المواد الهلامية البكتين التي حصلت عليها CO 2 دبق التي يسببها. من خلال خفض تركيز البوليمر الحيوي (0.5٪ بالوزن أو أقل)، تصبح المواد الهلامية الشفافة (عينة C). مزيد من الانخفاض في تركيز البوليمر الحيوي (0.25٪ بالوزن) أيضا ينتج الهلاميات المائية مستقرة (عينة D) ولكن هذه المواد الهلامية هشة جدا ويمكن كسر عند التعامل مع. يتم إنشاء فقاعات وحظ داخل الهلاميات المائية خلال تخفيض الضغط عندما يغادر حل CO 2 نظام المياه هلام بسبب تراجع في CO 2 الذوبان.
يتم عرض خصائص البكتين ايروجيل amidated في الجدول 1. وaerogels تم الحصول عليها هي فائقة يسهل اختراقها مع دن منخفضة SITY (ما يصل الى 0.013 جم / سم 3) قياس النسبة بين كتلة ايروجيل وحجمه. يتم قياس مساحة السطح من امتصاص النيتروجين. لaerogels البكتين، انها اسفرت عن مساحة محددة بين 350-500 م 2 / ز. يتم قياس حجم المسام لأحجام المسام في نطاق 4-150 نانومتر نموذج كلفن من ملء المسام باستخدام النيتروجين (طريقة BJH). بلغ حجم المسام للaerogels البكتين amidated بين 3-7 سم 3 / ز لأحجام المسام بين 4 و 150 نانومتر.
الشكل 1. الهلاميات المائية Amidated البكتين مع ارتفاع درجة يشابك (ف = 2) أعلى اليسار: 2٪ بالوزن (نموذج A)،. أعلى اليمين: 1٪ بالوزن (عينة B)؛ أسفل اليسار: 0.5٪ بالوزن (نموذج C)؛ أسفل اليمين: 0.25٪ بالوزن (نموذج د). تصبح المواد الهلامية الشفافة مع تناقص تركيز البوليمر الحيوي. وتنتج فقاعات خلال CO 2 تخفيض الضغط.https://www.jove.com/files/ftp_upload/54116/54116fig1large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| تركيز البكتين [٪ بالوزن] | درجة ف عبر ربط | الكثافة [جم / سم 3] | مساحة محددة [م 2 / ز] | حجم المسام محددة [سم 3 / ز] | حجم متوسط المسام (قطر) [نانومتر] |
| 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 |
الجدول 1. خصائص aerogels البكتين amidated.
Discussion
باستخدام تقنية يسببها دبق CO 2، يمكن للمرء أن تلغي الحاجة إلى البدائل الكيميائية (على سبيل المثال حمض الخليك أو glucono دلتا لاكتون (GDL)) المطلوبة لإحداث يشابك من البوليمر الحيوي. المناطق السطحية من aerogels البكتين amidated هي في نطاقات أعلى من قيم الأدب 5، إلا أن أحجام المسام هي أعلى بكثير من تلك التي عرضت في الأدب 5. وقد لوحظت أحجام المسام أعلى أيضا لaerogels الجينات التي CO 2 يسببها دبق 7 إعداد. ومع ذلك، فإنه لا يزال يتعين التحقق ما إذا كان السبب في ذلك كميات عالية المسامية (4-150 نانومتر مسام نطاق حجم) ويرجع ذلك إلى تقنية دبق أو خاصية متأصلة من البوليمرات الحيوية سابقا لم تعالج في الأدب. وقد تم الإبلاغ عن aerogels البكتين في الأدب لامتلاك superinsulating خصائص 12 و aerogels الجينات بواسطة هذه التقنية التي أعدت أيضا نمتلك التوصيلات الحرارية في نطاق superinsulating3،7. لذلك، يمكن أيضا توخي aerogels البكتين amidated التي تنتجها هذه التقنية لتمتلك خصائص superinsulating.
معدل تخفيض الضغط في القسم بروتوكول 2 هو خطوة هامة في إعداد هيدروجيل. تخفيض الضغط سريع يمكن أن يؤدي إلى زيادة macroporosity من المواد الهلامية. هذه الظاهرة يمكن تطبيقها لتطبيقات هندسة الأنسجة حيث macroporosity من المواد مع الترابط هو سمة هامة لنمو وتكاثر الخلايا 13،14. وبالإضافة إلى ذلك، فإن درجة يشابك في بروتوكول القسم 1 تلعب دورا هاما في تساحب وتورم ملكا للالهلاميات المائية البكتين amidated. هذا هو مماثل لالهلاميات المائية الجينات التي يتأثر تركيز crosslinker كذلك 15 السلوك تورم. وبالتالي aerogels التي البكتين amidated كما يمكن ضبطها لامتلاك الممتلكات superabsorbent مماثلة لتلك التي ذكرت عن aerogels الجينات 16.
<ص الطبقة = "jove_content"> باستخدام ثاني أكسيد الكربون الناجم عن 2 دبق النظر البكتين amidated (أو الجينات) كنظام أساسي، مزيد من التنوع يمكن أن تدرج في aerogels عن طريق إدخال عبر مختلف وكلاء ومجموعات البوليمر الحيوي الذي يربط. عدة كربونات المعادن (مثل الزنك والنيكل والكوبالت والنحاس والسترونتيوم والباريوم) يمكن أن تستخدم لربط عبر 3، حيث يمكن أن تنطلق الكاتيونات التي كتبها الرقم الهيدروجيني خفض في الوسط المائي مع ثاني أكسيد الكربون المضغوط 2 (3-5 ميجا باسكال). ومع ذلك، أملاح غير قابلة للذوبان بعض هذه الكاتيونات قد لا تشكل التفرق مستقرة للتركيز البوليمر الحيوي أقل ويمكن أن يستقر في القاع مما أدى إلى المواد الهلامية غير متجانسة. هذه قضية عامة مع طريقة الإعداد دبق الداخلي بما في ذلك CO 2 يسببها دبق 3 وبالتالي، ينبغي تقييم قابليتها للاستخدام تقنية للتطبيق على حالة على أساس كل حالة.أعدت التوليفات المختلفة باستخدام المياه الحيوي للذوبانالبوليمرات مثل النشا، الكاراجينان، الميثيل والسليلوز الميثيل كربوكسي، الصمغ جيلان، اللجنين، والجيلاتين وغيرها؛ المياه البوليمرات الاصطناعية القابلة للذوبان مثل البولي ايثيلين جلايكول (PEG)، البولي فينيل الكحول (PVA)، Pluronic P-123 وغيرها؛ وللذوبان في الماء السلائف غير العضوية مثل سيليكات الصوديوم يمكن أن تكون مختلطة أيضا مع البكتين amidated لإنتاج aerogels الهجينة مشابهة لالجيني 2 مع خصائص الانضباطي.
كما فوق الحرجة CO 2 التجفيف (scCO 2 التجفيف) هو خطوة جوهرية في ايروجيل الإنتاج، أي مزيج من الخطوات ما قبل المعالجة مثل تبادل المذيبات والتجفيف باستخدام ثاني أكسيد الكربون 2 17،18 أو دبق، وتبادل المذيبات والتجفيف باستخدام ثاني أكسيد الكربون 2 7 يمكن أن توفر ميزة المعالجة واضحة. وتصور ويمتاز بانه عملية متكاملة لإعداد وعاء واحد: حيث التفرق البوليمر الحيوي يمكن تحويلها إلى aerogels البوليمر الحيوي باستخدام ثاني أكسيد الكربون 2 باعتبارها وسيلة المعالجة الرئيسية في الأوتوكلاف واحد. إلىبعض التطبيقات الصيدلانية، يمكن للمرء أيضا نتصور أداء خطوة أربعة: دبق، وتبادل المذيبات، والتجفيف فوق الحرجة ونشطة عملية عنصر تحميل 5،19 في الأوتوكلاف واحد باستخدام ثاني أكسيد الكربون 2 باعتبارها وسيلة المعالجة. بعد العلاج مثل طلاء واقية من aerogels المخدرات التي تم تحميلها في حالات معينة ضرورية لاستهداف الافراج عن المخدرات 20.
وختاما، فإن العمل الحالي يوضح استخدام ثاني أكسيد الكربون المضغوط 2 للدبق أنظمة البكتين أساس amidated. وبالإضافة إلى ذلك، كان من المنتظر استخدام ثاني أكسيد الكربون المضغوط 2 كوسيط مشترك للتمهيدا لتحويل المنتج للحصول على التطبيقات المستهدفة في الأوتوكلاف واحد.
Disclosures
الكتاب تعلن أنه ليس لديهم مصالح مالية المتنافسة.
Acknowledgments
الدعم المالي من DFG (المشاريع SM 82 / 13-1) وامتنان.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Ultraturrax homogenizer | IKA, Germany | T 25 Digital | |
| Polypropylene molds | TH. Geyer, Germany | 9,033,201 | |
| High pressure autoclave | Ernst Haage, Germany | custom made | Setup constuction done in-house |
| Compressor | Andreas Hofer | MKZ 185-40 | Setup constuction done in-house |
| Nitrogen adsorption | Quantachrome | Nova 4000e | |
| Density meter | Anton Paar | DMA 4000 | |
| Chemicals | |||
| Amidated pectin | Herbstreith and Fox, Germany | CU 025 | CAS # 56645-02-4; provided by company for research purposes |
| Sodium Hydroxide | Sigma Aldrich, Germany | S8045 | CAS # 1310-73-2; required only in case the pectin solution needs to be neutralized to pH 6.5-7.5 |
| Calcium carbonate | Magnesia GmbH, Germany | 4421 Calcium carbonat, leicht, präzipitiert, EP, E170 | CAS # 471-34-1 |
| Ethanol, 99.8% | Sigma Aldrich, Germany | 32205 | CAS # 64-17-5 |
| Carbon dioxide, 99.9% | AGA Gas GmbH, Germany | CAS # 124-38-9; in-house tank available (3 ton) | |
| Deionised Water | CAS # 7732-18-5; available in-house (6.4-7.0 pH) |
References
- Kistler, S. S.
- Aerogels Handbook. Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. , Springer. New York, NY. (2011).
- 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).
- Draget, K. I., Skjåk-Bræk, G., Smidsrød, O.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Özbakır, Y., Erkey, C. Experimental and theoretical investigation of supercritical drying of silica alcogels. J. Supercrit. Fluids. 98, 153-166 (2015).
- Rudaz, C., et al. Aeropectin: Fully Biomass-Based Mechanically Strong and Thermal Superinsulating Aerogel. Biomacromolecules. 15 (6), 2188-2195 (2014).
- Quraishi, S., et al. Novel non-cytotoxic alginate-lignin hybrid aerogels as scaffolds for tissue engineering. J. Supercrit. Fluids. 105, 1-8 (2015).
- Martins, M., et al. Preparation of macroporous alginate-based aerogels for biomedical applications. J. Supercrit. Fluids. 106, 152-159 (2015).
- Davidovich-Pinhas, M., Bianco-Peled, H. A quantitative analysis of alginate swelling. Carbohydr. Polym. 79 (4), 1020-1027 (2010).
- Mallepally, R. R., Bernard, I., Marin, M. A., Ward, K. R., McHugh, M. A.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
