Introduction
Aerogeler är en klass av porösa material som kan framställas med hjälp av olika prekursorer som sträcker sig från oorganisk (såsom kiseldioxid, titanoxid, zirkoniumoxid och andra), syntetiska (såsom resorcinol formaldehyd, polyuretan och andra) eller biopolymerer (polysackarider, proteiner och andra ) 2. Vad som skiljer dem från de konventionella porösa material är deras förmåga att samtidigt ha alla de tre egenskaperna; nämligen hög yta, extremt låg densitet och mesoporösa porstorleksfördelning (dvs porstorlekar från 2-50 nm). Med ovan nämnda egenskaper, är aerogel i stor utsträckning tillämpas i fråga om isolering, biomedicin, katalys, adsorption och absorption tillämpningar, läkemedel och Neutraceuticals 2. Med beaktande av ovanstående möjligheter, produktion av biopolymer gelsystem och deras efterföljande omvandling till aerogel öppnar upp en mängd olika möjligheter mot högt förädlingsvärde bio baseradmaterial. en sådan strävan upptages i denna studie med användning av amiderade pektin som ett exempel.
Aerogeler produceras typiskt genom sol-gel-tekniken. Geler är system som består av vätska innesluten i en matris och kan framställas genom kovalent, jonisk, pH inducerad, termisk eller kryo tvärbindande 3. För detta specifika system vi använder jonisk tvärbindning, dvs en bivalent katjon (t.ex. kalcium) för att tvärbinda biopolymera kedjor tillsammans. För att utföra kontrollerbar jonisk tvärbindning av biopolymerer såsom amiderad pektin eller alginat, kan man använda diffusion metoden eller interna inställningsmetod 4. I diffusion förfarande förekommer gelning vid först i det yttre skiktet, följt av diffusion förökning, såsom katjonerna diffundera från ytter lösningen i en amiderad pektin eller alginat droppen eller skikt 4. I den interna inställningsmetoden, är den olösliga formen av tvärbindningsmedlet homogent dispergerat i biopolymeren Solution och katjoner frigörs genom att initiera en pH-förändring 4,5,6. båda teknikerna dock inför en fråga om homogenitet i den slutliga gelén vid produktion i platta eller monolitisk form. Detta arbete visar användningen av högtrycks CO2 (5 MPa) för framställning av amiderade pektin hydrogeler bygger vidare på tidigare arbeten på alginatgeler 3,7. I korthet är det en intern inställning gelning teknik som utnyttjar trycksatt CO2 för att reducera pH-värdet i stället för svaga syror för framställning av homogena geler. Med en ökning av trycket, lösligheten av koldioxid i vatten ökar åtföljs av en sänkning av pH-värdet till 3,0 8. Detta orsakar kalciumkarbonat för att solubilisera, frisläppande av de kalciumjoner. Kalciumjonerna tvärbinds med den amiderade pektin biopolymer att ge hydrogel. Stabila homogena geler ner till mycket låga biopolymer koncentrationer (0,05 vikt-%) kan framställas med hjälp av denna teknik 7.
som Gelatjon sker i ett vattenbaserat medium, är lösningsmedelsutbyte till ett organiskt lösningsmedel som krävs på grund av en blandbarhet lucka i CO2 / vattensystemet. Typiskt lågmolekylära alkoholer (metanol / etanol / isopropanol) och ketoner (aceton) kan användas för lösningsmedelsutbytesprocessen. Men direkt blötläggning i ett bad med ren etanol eller andra organiska lösningsmedel medför betydande oåterkalleliga krympning. För att undvika denna nackdel, är stegvis lösningsmedelsutbyte utförs 5,9. När lösningsmedelskoncentrationen inuti gelén når> 98%, är det organiska lösningsmedlet torkades med superkritisk CO2 (12 MPa) lämnar efter sig en aerogel.
Protocol
1. Framställning av Amiderat pektin Stock Solution
- Blanda 20 g amiderad pektin med 980 g vatten (2,0 vikt%). Graden av amidering är 25 vikt%.
- Homogenisera lösningen med en höghastighetsomrörare (10000 rpm) under 2 min för att erhålla en homogen viskös lösning.
- Mät pH med användning av pH-remsor eller pH-mätare. Om pH är lägre än 6,5, titrera med 0,5 M NaOH för att neutralisera lösningen (till pH 7,0).
- Lägga kalciumkarbonat i ett förhållande av 0,1825 g per gram torr amiderade pektin (q = 1). "Q" betecknar graden av tvärbindning.
- För 1 kg 2,0 vikt-% amiderad pektin lösningen, tillsätt 3,65 g kalciumkarbonat (q = 1) 7 per 20,0 g torrt pektin.
- För ökad tvärbindning, tillsätt 0,3650 g kalciumkarbonat per gram torr amiderade pektin (q = 2).
2. Produktion av Hydrogeler
- Homogenisera amiderade pektin / kalciumkarbonat blandningen genom användning av höghastighetshomogenisator (10000 rpm) för att erhålla envit homogen dispersion.
- Överför suspensionen i öppna formar polypropen eller glaspetriskålar.
- Placera formarna i högtrycksautoklaven. Försegla autoklaven.
- Trycksätta autoklaven med gasformig CO 2 upp till 5 MPa vid RT. Se Gurikov et al. 7 för ytterligare information. Håll trycket i 24 h.
- Sakta tryckavlasta autoklaven vid 0,2 MPa / min.
- Öppna autoklaven, och ta bort formarna. Ta bort hydrogeler från formarna genom att vrida dem. Om det behövs, använd en spatel.
3. Lösningsmedel Utbyte ordningen
- Förbereda 10 g 10:90 (vikt / vikt) etanol / vatten-blandning per gram hydrogel.
- Doppa hydrogeler i 10:90 (vikt / vikt) blandning av etanol / vatten under 12 timmar.
- Fortsätt denna process med ökande etanolkoncentrationer, dvs från 10:90 (v / v) blandning etanol / vatten till 30:70 (v / v) etanol / vatten-blandning. Efter 12 timmar, transfer till 500:50 (vikt / vikt) blandning av etanol / vatten, sedan till 70:30 (12 tim), därefter 90:10 (12 h) och sedan till 100% etanollösning (12 h).
- Blöt gelén ytterligare i ren etanol så att den slutliga koncentrationen inuti gelén är mer än 98% (vikt / vikt). Mäta koncentrationen med användning av densitetsmätare. Den alkogel är nu klar för superkritisk CO2 torkning.
4. Produktion av Aerogel av superkritisk CO2 Torkning
- Placera proven i samma högtrycksautoklav används för hydrogel beredning (se steg 2.3).
- Fylla autoklaven med ytterligare etanol (2-10% av autoklaven volym) för att förhindra för tidig avdunstning av lösningsmedel från gelerna. Fullständig nedsänkning av gelén i lösningsmedlet är inte nödvändig.
- Försegla autoklaven. Slå på autoklaven uppvärmning. Ställa autoklaven arbetstemperatur till 323 K. trycksätta autoklaven med koldioxid till 12 MPa med användning av en kompressor eller pump.
- Periodvis ersätta CO 2inuti autoklaven 10,11 med färsk CO2 hålla trycket konstant. 6-7 uppehållsvolymer krävs över en period av 6 timmar. Se Gurikov et al. 7 för ytterligare information.
- Sakta tryckavlasta autoklaven vid 0,2 MPa / min.
- Öppna autoklav och samla aerogelen. Lagra aerogelen i en exicator eller en sluten behållare.
Representative Results
De typiska hydrogeler erhålls efter gelning steg med högre tvärbindningsgraden (q = 2) (enligt instruktionerna i protokoll avsnitt 2) visas i figur 1. Proverna till vänster (prov A och B) är två vikt% och 1 vikt% pektin geler erhållna genom CO 2 inducerade gelning. Genom att minska den biopolymer koncentration (0,5 vikt% eller lägre), gelerna blir genomskinliga (prov C). Ytterligare minskning av biopolymer koncentration (0,25 vikt%) ger också stabila hydrogeler (prov D) men dessa geler är mycket bräcklig och kan gå sönder vid hantering. Bubblorna som observerats i hydrogelerna skapas under trycksänkning när det upplösta CO2 lämnar gel vattensystemet på grund av minskad CO2 löslighet.
De amiderade pektin aerogel egenskaper presenteras i Tabell 1. De erhållna aerogeler är ultra-porös med låg håla fald (så lågt som 0,013 g / cm 3) mäts som förhållandet mellan massan av aerogelen och dess volym. Ytarean mäts genom kväveadsorption. För pektin aerogeler, gav det en specifik ytarea mellan 350 - 500 m 2 / g. Porvolymen för porstorlekar inom 4-150 nm mäts genom Kelvin modell av porfyllning med användning av kväve (BJH-metoden). Porvolymen för den amiderade pektin aerogel var mellan 3-7 cm 3 / g för porstorlekar mellan 4 och 150 nm.
Figur 1. Amiderat pektin hydrogeler med högre tvärbindningsgraden (q = 2) Överst till vänster: 2 vikt% (prov A);. överst till höger: 1 vikt% (prov B); nedre vänstra: 0,5 vikt% (prov C); längst ned till höger: 0,25 vikt% (prov D). Geler blir genomskinliga med minskande biopolymer koncentration. Bubblorna produceras under CO2 sänkning.https://www.jove.com/files/ftp_upload/54116/54116fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Pektin koncentration [vikt%] | Tvärbindningsgrad q | Skrymdensitet [g / cm 3] | Specifik ytarea [m2 / g] | Specifik porvolym [cm 3 / g] | Genomsnittlig porstorlek (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 |
Tabell 1. Egenskaper hos de amiderade pektin aerogel.
Discussion
Med hjälp av CO 2 inducerade gelning teknik kan en eliminera behovet av kemiska substitut (t.ex. ättiksyra eller glukono delta-lakton (GDL)) som krävs för att inducera tvärbindning av biopolymeren. Ytan för de amiderade pektin aerogeler är i de högre intervallen för litteraturvärden 5, men de porvolymer är mycket högre än de som presenteras i litteraturen 5. Högre porvolymer observerades också för alginat aerogel som utarbetats av CO 2 inducerade gelning 7. Det återstår dock att kontrolleras om orsaken till denna höga porvolymer (4-150 nm porstorlek intervall) beror på gelning teknik eller en inneboende egenskap av biopolymerer tidigare inte behandlats i litteraturen. Pektin aerogeler har rapporterats i litteraturen att besitta superinsulating egenskaper 12 och alginat aerogeler framställda genom denna teknik också ha värmeledningsförmågor i superinsulating intervallet3,7. Därför kan de amiderade pektin aerogel som produceras av denna teknik också övervägas att ha superinsulating egenskaper.
Graden av tryckminskning i protokollenheten 2 är ett viktigt steg i hydrogel beredningen. Snabb trycksänkning kan leda till ökad makroporositet av gelerna. Detta fenomen kan användas för vävnadstekniska tillämpningar där makroporositet av materialet med sammankoppling är en viktig funktion för tillväxt och proliferation av celler 13,14. Dessutom tvärbindningsgraden i protokollenheten 1 spelar en viktig roll i syneres och svullnad egenskap hos de amiderade pektin hydrogeler. Detta liknar alginat hydrogel vars svällande beteende påverkas av tvärbindaren koncentrationen samt 15. Därigenom aerogel görs av amiderad pektin kan också ställas in för att ha superabsorberande egenskap liknar de som rapporterats för alginat aerogel 16.
<p class = "jove_content"> Genom att använda CO 2 inducerade gelning väger amiderad pektin (eller alginat) som det primära systemet, kan vidare mångfald införlivas i aerogeler genom att införa olika tvärbindningsmedel och biopolymer kombinationer. Flera metallkarbonater (t.ex. zink, nickel, kobolt, koppar, strontium, barium) kan användas för tvärbindande 3, där katjoner kan frigöras genom sänkningen av pH i vattenhaltiga medier med trycksatt CO2 (3-5 MPa). Emellertid kan olösliga salter av några av dessa katjoner inte bilda stabila dispersioner för lägre biopolymer koncentrationer och kan slå sig ner på botten leder till inhomogena geler. Detta är en allmän fråga med den interna inställningen gel metod inklusive CO2 inducerade gelning 3 och därmed bör tekniken användbarhet för ett program ska utvärderas från fall till fall.Olika blandningar framställes med användning av vattenlöslig biopolymerer, såsom stärkelse, karragenan, metyl och karboximetylcellulosa, gellangummi, lignin, gelatin och andra; vattenlösliga syntetiska polymerer, såsom polyetylenglykol (PEG), polyvinylalkohol (PVA), Pluronic P-123 och andra; och vattenlösliga oorganiska prekursorer såsom natriumsilikat kan också blandas med amiderad pektin för att producera hybrid aerogel liknande alginat 2 med avstämbara egenskaper.
Som superkritisk CO2 torkning (SCCO två torkning) är ett avgörande steg i aerogel produktion, någon kombination av pre-processteg såsom lösningsmedelsutbyte och torkning med hjälp av CO2 17,18 eller gelning, lösningsmedelsutbyte och torkning med hjälp av CO 2 7 kan ge en tydlig processfördel. Fördelen är tänkt som integrerade en pott process: där biopolymer dispersioner kan omvandlas till biopolymer aerogel som använder CO2 som huvudbehandlingsmedium i en enda autoklav. Förvissa farmaceutiska tillämpningar, kan man också föreställa sig att utföra en fyra steg: gelning, lösningsmedelsutbyte, superkritisk torkning och aktiva komponenten lastning 5,19 process i en enda autoklav med användning av CO2 som bearbetningsmedium. Efterbehandling såsom skyddande beläggning av läkemedelsladdade aerogeler i vissa fall är nödvändigt för riktad läkemedelsfrisättning 20.
För att sammanfatta, visar användningen av trycksatt CO2 under gelning av amiderade pektin baserade system föreliggande arbete. Dessutom är användningen av trycksatt CO2 som en gemensam medium för föregångare till produktomvandling för mål-applikationer i en enda autoklav planeras.
Disclosures
Författarna förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.
Acknowledgments
Ekonomiskt stöd från DFG (projekt SM 82 / 13-1) är tacksamma.
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. Coherent expanded-aerogels. J. Phys. Chem. 36 (1), 52-64 (1932).
- 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. Alginate based new materials. Int. J. Biol. Macromol. 21 (1), 47-55 (1997).
- 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. Superabsorbent alginate aerogels. J. Supercrit. Fluids. 79, 202-208 (2013).
- 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).
