Introduction
Aerogeler er en klasse af porøse materialer, der kan fremstilles ved anvendelse af forskellige forstadier spænder fra uorganisk (såsom silica, titania, zirconia og andre), syntetiske (såsom resorcinol formaldehyd, polyurethan og andre) eller biopolymerer (polysaccharider, proteiner og andre ) 2. Hvad adskiller dem fra de konventionelle porøse materialer er deres evne til samtidig have alle de tre kendetegn; nemlig stort overfladeareal, ultra-lav densitet og mesoporøse porestørrelsesfordeling (dvs. porestørrelser fra 2-50 nm). Med førnævnte karakteristika aerogeler udstrækning anvendt inden for isolering, biomedicin, katalyse, adsorption og absorption applikationer, lægemidler og Neutraceuticals 2. Under hensyntagen til de ovennævnte muligheder, produktion af biopolymer gel-systemer og deres efterfølgende transformation til aerogeler åbner et væld af muligheder i retning af høj værditilvækst bio baseretmaterialer. en sådan bestræbelse optages i dette forsøg med amideret pektin som et eksempel.
Aerogeler fremstilles typisk ved sol-gel teknik. Geler er systemer, der består af væske indesluttet i en matrix og kan fremstilles ved covalent, ionisk, pH induceret, termisk eller cryo tværbindende 3. Til denne specifikke system, vi anvender ionisk krydsbinding, altså en bivalent kation (fx calcium) til tværbinding biopolymere kæder sammen. For at udføre styrbar ionisk tværbinding af biopolymerer såsom amideret pectin eller alginat, kan man udnytte diffusion metode eller den indre indstillingsmetoden 4. I formidlingen fremgangsmåde, geldannelse forekommer ved første i det ydre lag efterfulgt af diffusion formering, som kationerne diffundere fra ydre opløsning ind en amideret pectin eller alginat dråber eller lag 4. I det indre indstilling metode bliver uopløselig form af tværbinderen homogent dispergeret i biopolymeren opklaringn og kationer frigives ved at indlede en pH-ændring 4,5,6. Men begge teknikker står et problem med hensyn til homogenitet af den endelige gel, når der produceres i flade eller monolitisk formular. Dette arbejde demonstrerer brugen af højt tryk CO 2 (5 MPa) til fremstilling af amideret pektin hydrogeler bygge videre på tidligere værker på alginatgeler 3,7. Kort fortalt er det en intern indstilling gelering teknik, der udnytter tryksat CO2 for at reducere pH i stedet for svage syrer til fremstilling homogene geler. Med en stigning i trykket, opløseligheden af carbondioxid i vand øges ledsages af en mindskelse af pH til 3,0 8. Dette forårsager calciumcarbonat at solubilisere, frigørelse af calciumioner. Calciumionerne tværbinder med den amiderede pectin biopolymeren til dannelse hydrogeler. Stabile homogene geler ned til meget lave biopolymer koncentrationer (0,05 vægt%) kunne fremstilles ved hjælp af denne teknik 7.
Som Gelation finder sted i et vandigt medium, er udskiftning af opløsningsmiddel til et organisk opløsningsmiddel påkrævet på grund af en blandbarhed hul i CO 2 / vand-system. Typisk lavmolekylære alkoholer (methanol / ethanol / isopropanol) og ketoner (acetone) kan anvendes til udskiftning af opløsningsmiddel processen. Men direkte iblødsætning i et bad med ren ethanol eller andre organiske opløsningsmidler medfører betydelige irreversible svind. For at undgå denne ulempe, er trinvis udveksling opløsningsmiddel udført 5,9. Når opløsningsmidlet koncentration inde i gelen når> 98%, er det organiske opløsningsmiddel tørredes med superkritisk CO2 (12 MPa) efterlader en aerogel.
Protocol
1. Fremstilling af Amideret pectin Stamopløsning
- Bland 20 g amideret pectin med 980 g vand (2,0 vægt%). Graden af amidering er 25 vægt-%.
- Homogenisere opløsningen med en omrører med høj hastighed (10.000 rpm) i 2 minutter til opnåelse af en homogen viskos opløsning.
- Mål pH med pH-strimler eller pH-meter. Hvis pH er lavere end 6,5, titreres med 0,5 M NaOH for at neutralisere opløsningen (til pH 7,0).
- Tilføj calciumcarbonat i et forhold på 0,1825 g per gram tør amideret pektin (q = 1). "Q" betegner graden af tværbinding.
- For 1 kg 2,0 vægt-% amideret pectin opløsning tilsættes 3,65 g calciumcarbonat (q = 1) 7 per 20,0 g tør pektin.
- For større tværbinding tilsættes 0,3650 g calciumcarbonat per gram tør amideret pektin (q = 2).
2. Produktion af hydrogeler
- Homogenisere amideret carbonat-blanding pectin / calcium ved hjælp af homogenisator med høj hastighed (10.000 rpm) for at opnå enhvid homogen dispersion.
- Suspensionen overføres åbne polypropylenforme eller glas petriskåle.
- Placer formene i højtryksautoklavproces. Forsegl autoklaven.
- Tryksætte autoklaven med gasformigt CO 2 op til 5 MPa ved stuetemperatur. Se Gurikov et al. 7 for yderligere information. Oprethold trykket i 24 timer.
- trykket langsomt autoklaven 0.2 MPa / min.
- Åbn autoklaven og fjerne formene. Fjern hydrogelerne fra formene ved at dreje dem over. Brug om nødvendigt en spatel.
3. Solvent Exchange Procedure
- Forbered 10 g 10:90 (w / w) ethanol / vand-blanding per gram hydrogel.
- Fordybe hydrogelerne i 10:90 (w / w) ethanol / vand-blanding i 12 timer.
- Fortsætte denne proces med stigende ethanolkoncentrationer, dvs, fra 10:90 (w / w) ethanol / vand-blanding til 30:70 (w / w) ethanol / vand-blanding. Efter 12 timer, overførsel til 500:50 (w / w) ethanol / vand-blanding, derpå til 70:30 (12 timer), derefter 90:10 (12 timer) og derefter til 100% ethanolopløsning (12 timer).
- Soak gelen yderligere i ren ethanol, således at slutkoncentrationen inde i gelen er mere end 98% (vægt / vægt). Måle koncentrationen ved hjælp af massefylden måleren. Alcogelen er nu klar til superkritisk CO2 tørring.
4. Produktion af Aerogeler af superkritisk CO 2 Tørring
- Placer prøverne i samme højtryksautoklavproces anvendes til hydrogel fremstilling (se trin 2.3).
- Fyld autoklaven med yderligere ethanol (2-10% af autoklaven volumen) for at forhindre for tidlig fordampning af opløsningsmiddel fra gelerne. Fuldstændig nedsænkning af gel i opløsningsmidlet er ikke påkrævet.
- Forsegl autoklaven. Tænd autoklaven opvarmning. Indstil autoklaven arbejdstemperatur til 323 K. tryksætte autoklaven med carbondioxid til 12 MPa ved hjælp af en kompressor eller pumpe.
- Periodisk erstatte CO 2inde i autoklaven 10,11 med frisk CO2 holde trykket konstant. 6-7 residence volumener kræves over en periode på 6 timer. Se Gurikov et al. 7 for yderligere information.
- trykket langsomt autoklaven 0.2 MPa / min.
- Åbn autoklaven og indsamle aerogel. Opbevar aerogel i en exicator eller en forseglet beholder.
Representative Results
De typiske hydrogeler opnået efter gelering skridt med højere tværbinding grad (q = 2) (som anvist i protokollen afsnit 2) er vist i figur 1. Prøverne til venstre (prøve A og B) er 2 vægt% og 1 vægt% pektin geler opnået ved CO 2, fremkalder geldannelse. Ved at nedsætte biopolymeren koncentration (0,5 vægt-% eller lavere), gelerne bliver gennemsigtige (prøve C). Yderligere reduktion i biopolymeren koncentration (0,25 vægt%) giver også stabile hydrogeler (prøve D), men disse geler er meget skrøbelige og kan derfor sprænges under håndtering. Er skabt De observerede inde hydrogelerne bobler under trykaflastning, når det opløste CO2 forlader gel vand system på grund af fald i CO 2 opløselighed.
De amiderede pectin aerogel egenskaber er vist i tabel 1. De opnåede aerogeler er ultra-porøs med lav hule sity (så lav som 0,013 g / cm3) målt som forholdet mellem massen af aerogelen og dens volumen. Overfladearealet måles ved nitrogenadsorption. For pektin aerogeler, det gav et specifikt overfladeareal på mellem 350 - 500 m 2 / g. Porevolumenet for porestørrelser i 4-150 nm måles ved Kelvin model af porefyldning under anvendelse af nitrogen (BJH metoden). Porevolumenet for amiderede pektin aerogeler var periode mellem 3 - 7 cm, 3 / g for porestørrelser mellem 4 og 150 nm.
Figur 1. Amideret pektin hydrogeler med højere tværbinding grad (q = 2) Øverst til venstre: 2 vægt% (prøve A);. Øverst til højre: 1 vægt% (prøve B); nederst til venstre: 0,5 vægt% (prøve C); nederst til højre: 0,25 vægt-% (prøve D). Gels bliver gennemsigtige med faldende biopolymer koncentration. Produceres Boblerne i CO 2 trykaflastning.https://www.jove.com/files/ftp_upload/54116/54116fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.
| Pektin koncentration [vægt%] | Tværbinding grad q | Rumvægt [g / cm 3] | Specifikt overfladeareal [m2 / g] | Specifikke porevolumen [cm3 / g] | Gennemsnitlig porestørrelse (diameter) [nm] |
| 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 |
Tabel 1. Karakteristik af de amiderede pektin aerogeler.
Discussion
Ved at bruge CO 2 fremkalder geldannelse teknik, kan man fjerne behovet for kemiske substitutter (fx eddikesyre eller glucono-delta-lacton (GDL)), der kræves for at inducere tværbinding af biopolymeren. De overfladearealer af amideret pektin aerogeler er i de højere områder af litteratur værdier 5, men pore mængder er meget højere end dem, der præsenteres i litteraturen fem. Højere pore mængder blev også observeret for alginat aerogeler udarbejdet af CO 2 induceret gelering 7. Det er dog stadig, skal kontrolleres, om årsagen til denne høje pore mængder (4-150 nm porestørrelse range) skyldes geldannelse teknik eller en iboende egenskab af biopolymerer ikke tidligere behandlet i litteraturen. Pektin aerogeler er blevet rapporteret i litteraturen at besidde superinsulating egenskaber 12 og alginat aerogeler fremstillet ved denne teknik også besidder termisk ledningsevne i superinsulating rækkevidde3,7. Derfor kan amideret pektin aerogeler fremstillet ved denne teknik også tænkes at besidde superinsulating egenskaber.
Satsen for trykaflastning i protokol Afsnit 2 er et vigtigt skridt i hydrogel forberedelse. Hurtig trykaflastning kan føre til øget makroporøsitet af gelerne. Dette fænomen kan anvendes til vævsdyrkningsapplikationer hvor makroporøsitet af materialet med sammenkobling er en vigtig egenskab for vækst og proliferation af celler 13,14. Derudover tværbindingsgraden i protokol Afsnit 1 spiller en vigtig rolle i synærese og hævelse egenskab af de amiderede pektin hydrogeler. Dette svarer til alginathydrogeler hvis kvældningsadfærd påvirkes af tværbinderen koncentration samt 15. Derved aerogeler foretaget af amideret pektin kan også indstilles til at besidde superabsorberende ejendom svarer til dem rapporteret for alginat aerogeler 16.
<p class = "jove_content"> Ved at bruge CO 2 fremkalder geldannelse overvejer amideret pectin (eller alginat) som det primære system, kan yderligere mangfoldighed inkorporeres i aerogeler ved at indføre forskellige tværbindingsmidler og biopolymer kombinationer. Adskillige metalcarbonater (fx zink, nikkel, cobalt, kobber, strontium, barium) kan anvendes til tværbinding 3, hvor kationer kan frigives ved pH-sænkende i vandige medier med tryksat CO2 (3-5 MPa). Imidlertid kan uopløselige salte af nogle af disse kationer ikke danne stabile dispersioner til lavere koncentrationer biopolymer og kan slå sig ned på bunden, der fører til inhomogene geler. Dette er et generelt spørgsmål med den interne indstilling gelering metode, herunder CO 2 fremkalder geldannelse 3 og dermed, bør den teknik anvendelighed for et program vurderes fra sag til sag.Forskellige blandinger fremstilles under anvendelse af vand opløseligt biopolymerer, såsom stivelse, carrageenan, methyl og carboxymethylcellulose, gellangummi, lignin, gelatine og andre; vandopløselige syntetiske polymerer, såsom polyethylenglycol (PEG), polyvinylalkohol (PVA), Pluronic P-123 og andre; og vandopløselige uorganiske forstadier såsom natriumsilicat kan også blandes med amideret pectin at producere hybride aerogeler ligner alginat 2 med afstemmelige egenskaber.
Som superkritisk CO 2 tørring (SCCO 2 tørring) er en kvintessensen skridt i aerogel produktion, enhver kombination af præ-procestrin såsom udveksling opløsningsmidler og tørring ved hjælp af CO 2 17,18 eller gelering, udveksling opløsningsmiddel og tørring ved hjælp af CO 2 7 kunne give en klar forarbejdning fordel. Fordelen er planlagt som integreret en pot proces: hvor biopolymer dispersioner kan omdannes til biopolymer aerogeler ved hjælp af CO 2 som de vigtigste behandling medium i en enkelt autoklave. Tilvisse farmaceutiske anvendelser, kan man også forestiller udfører en firetrins: gelering, udskiftning af opløsningsmiddel, superkritisk tørring og aktive komponent loading 5,19 proces i et enkelt autoklave ved hjælp af CO 2 som procesmediet. Efterbehandling såsom beskyttende belægning af narkotika indlæst aerogeler i visse tilfælde er nødvendig for målrettet drug release 20.
Afslutningsvis det foreliggende arbejde viser anvendelsen af tryksat CO2 i geldannelse af amiderede pektin baserede systemer. Desuden er anvendelsen af tryksat CO 2 som et fælles medium for precursor til produktgruppe konvertering for målanvendelser i en enkelt autoklave forudset.
Disclosures
Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
Økonomisk støtte fra DFG (projekter SM 82 / 13-1) er taknemmeligt anerkendt.
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).
