Introduction
Aerogele sind eine Klasse von porösen Materialien, die aus anorganischem (wie Siliciumdioxid, Titandioxid, Zirkoniumdioxid und andere), synthetische (wie Resorcin-Formaldehyd, Polyurethan und andere) oder Biopolymeren (Polysaccharide, Proteine und andere Bereich mit einer Vielzahl von Vorläufern hergestellt werden kann, 2). Was unterscheidet sie von den herkömmlichen porösen Materialien ist ihre Fähigkeit, gleichzeitig alle drei Eigenschaften besitzen; nämlich mit großer Oberfläche, ultra-niedriger Dichte und mesoporöse Porengrößenverteilung (dh Porengrößen von 2 bis 50 nm). Mit vorgenannten Eigenschaften Aerogele sind in den Bereichen der Isolierung, der Biomedizin, der Katalyse, Adsorption und Absorption von Anwendungen, Pharmazeutika und Nutraceuticals 2 extensiv angewandt. Unter Berücksichtigung der oben genannten Möglichkeiten, öffnet sich die Herstellung von Biopolymer-Gel-Systeme und deren anschließende Umwandlung in Aerogele eine Vielzahl von Möglichkeiten zu hohen Wert bis hinzugefügt Bio basiertMaterialien. Eine solche Bemühung ist in dieser Studie unter Verwendung von amidierten Pektins als Beispiel aufgenommen.
Aerogele werden typischerweise durch das Sol-Gel-Technik hergestellt. Gele sind Systeme von Flüssigkeit aus in einer Matrix eingeschlossen und können durch kovalente, ionische, pH induzierten, thermischen oder Kryo Vernetzungs 3 hergestellt werden. Für diese bestimmte System verwenden wir ionische Vernetzung, das heißt, ein zweiwertiges Kation (zB Calcium) biopolymeren Ketten miteinander zu vernetzen. Auszuführen steuerbarer ionische Vernetzung von Biopolymeren , wie beispielsweise amidierten Pektin oder Alginat, kann man den Diffusionsverfahren oder das interne Einstellverfahren 4 verwenden. In dem Diffusionsverfahren tritt Gelierung zunächst in der äußeren Schicht durch Diffusion Ausbreitungs gefolgt, wie die Kationen von der äußeren Lösung in eine amidierte Pektin oder Alginat - Tröpfchen oder Schicht 4 diffundiert. In dem internen Einstellverfahren wird die unlösliche Form des Vernetzers homogen in dem Biopolymer solutio dispergierten und Kationen werden durch Einleiten einer pH - Änderung 4,5,6 freigegeben. Allerdings stehen beide Techniken ein Problem in Bezug auf die Homogenität des fertigen Gels, wenn in Platten- oder monolithischer Form hergestellt. Diese Arbeit zeigt die Verwendung von Hochdruck - CO 2 (5 MPa) für die Herstellung von amidierten Pektin Hydrogele Aufbau weiter auf früheren Arbeiten auf Alginatgelen 3,7. Kurz gesagt, ist es eine interne Einstellung Gelieren Technik , die zwei unter Druck stehende CO nutzt pH anstelle von schwachen Säuren zu reduzieren homogene Gele herzustellen. Mit einer Erhöhung des Drucks, begleitet die Löslichkeit von Kohlendioxid in Wasser steigt durch eine Absenkung des pH auf 3,0 8. Dies bewirkt, dass Calciumcarbonat löslich zu machen, die Calciumionen freigesetzt wird. Die Calciumionen vernetzt mit dem amidierten Pektins Biopolymer Hydrogele zu erhalten. Stabile homogene Gele bis zu sehr niedrigen Konzentrationen Biopolymer (0,05 wt%) konnte mit dieser Technik 7 hergestellt werden.
als gelation in einem wässrigen Medium, Lösungsmittelaustausch zu einem organischen Lösungsmittel erfolgt im CO zu einer Mischungslücke infolge erforderlich 2 / Wasser - System. Typischerweise niedermolekularen Alkoholen (Methanol / Ethanol / Isopropanol) und Ketone (Aceton) für die Lösungsmittelaustauschverfahren verwendet werden. Jedoch direkte Einweichen in einem Bad mit reinem Ethanol oder anderen organischen Lösungsmitteln führt zu erheblichen irreversiblen Schrumpf. Zur Vermeidung dieses Nachteils wird schrittweise Lösungsmittelaustausch 5,9 durchgeführt. Wenn die Lösungsmittelkonzentration innerhalb des Gels erreicht> 98%, wird das organische Lösungsmittel mit überkritischem CO 2 getrocknet (12 MPa) hinter einem Aerogel zu verlassen.
Protocol
1. Herstellung von amidierten Pektins Stammlösung
- Mischen Sie 20 g amidiertes Pektin mit 980 g Wasser (2,0 Gew%). Der Grad der Amidierung ist 25 Gew%.
- Homogenisieren der Lösung mit einem Hochgeschwindigkeitsrührer (10.000 rpm) für 2 min eine homogene viskose Lösung erhalten wurde.
- Messen Sie pH-Wert mit pH-Streifen oder pH-Meter. Wenn der pH niedriger als 6,5 ist, titriert mit 0,5 M NaOH, die Lösung (auf pH 7,0) zu neutralisieren.
- Hinzufügen Calciumcarbonat in einem Verhältnis von 0,1825 g pro Gramm Trocken amidiertes Pektin (q = 1). "Q" bezeichnet den Grad der Vernetzung.
- Für 1 kg 2,0 Gew% amidierte Pektin - Lösung, fügen 3,65 g Calciumcarbonat (q = 1) 7 pro 20,0 g trockenes Pektin.
- Zur besseren Vernetzung, fügen 0,3650 g Calciumcarbonat pro Gramm Trocken amidierte Pektin (q = 2).
2. Herstellung von Hydrogelen
- Homogenisieren amidiertes Pektin / Calciumcarbonat Gemisch mit der hohen Geschwindigkeit Homogenisator (10.000 Umdrehungen pro Minute) unter Verwendung eines zu erhaltenweiß homogene Dispersion.
- Übertragen Sie die Suspension in offenen Polypropylen-Formen oder Petrischalen aus Glas.
- Legen Sie die Formen in den Hochdruckautoklaven. Siegel des Autoklaven.
- Belüften Sie den Autoklav mit gasförmigem CO 2 bis zu 5 MPa bei RT. Siehe Gurikov et al. 7 für weitere Informationen. Behalten Sie den Druck für 24 Stunden.
- drucklos langsam den Autoklaven bei 0,2 MPa / min.
- Öffnen Sie den Autoklaven und entfernen Sie die Formen. Entfernen Sie die Hydrogele aus den Formen von ihnen umdrehen. Falls erforderlich, einen Spatel verwenden.
3. Lösungsmittelaustauschverfahren
- Herstellung von 10 g 10:90 (w / w) Ethanol / Wasser-Gemisch pro Gramm Hydrogel.
- Tauchen Sie die Hydrogele in der 10:90 (w / w) Ethanol / Wasser-Gemisch 12 Std.
- Diesen Prozess mit zunehmender Ethanolkonzentrationen, dh von 10:90 (w / w) Ethanol / Wasser - Gemisch 30:70 (w / w) Ethanol / Wasser - Gemisch. Nach 12 Stunden, Transfer zum 500.50 (w / w) Ethanol / Wasser-Gemisch, dann in 70:30 (12 h), dann 90:10 (12 h), und dann auf 100% igen Ethanollösung (12 h).
- Einweichen des Gels weiter in reinem Ethanol, so dass die Endkonzentration innerhalb des Gels mehr als 98% (w / w). Messen Sie die Konzentration der Dichtemessgerät verwenden. Die Alcogel ist nun bereit für die überkritische Trocknung CO 2.
4. Herstellung von Aerogelen von überkritischem CO 2 Trocknung
- Legen Sie die Proben in der gleichen Hochdruck-Autoklaven für Hydrogel-Herstellung verwendet (siehe Schritt 2.3).
- Füllen Sie den Autoklaven mit zusätzlichem Ethanol (2-10% des Autoklavenvolumen) vorzeitiges Verdampfen des Lösungsmittels aus den Gelen zu verhindern. Vollständiges Eintauchen des Gels in dem Lösungsmittel nicht erforderlich ist.
- Siegel des Autoklaven. Schalten Sie den Autoklav Heizung. Stellen Sie den Autoklaven Arbeitstemperatur bis 323 K. Beaufschlagen der Autoklav mit Kohlendioxid bis 12 MPa einen Kompressor oder Pumpe.
- Ersetzen Sie regelmäßig die CO 2im Inneren des Autoklaven 10,11 mit frischem CO 2 , um den Druck konstant zu halten. 6-7 Wohnsitz Volumina werden über einen Zeitraum von 6 Stunden erforderlich. Siehe Gurikov et al. 7 für weitere Informationen.
- drucklos langsam den Autoklaven bei 0,2 MPa / min.
- Öffnen Sie den Autoklaven und sammeln das Aerogel. Lagern Sie das Aerogel in einem Exsikkator oder einem verschlossenen Behälter.
Representative Results
Die typischen Hydrogele nach dem Gelieren Schritt mit einer höheren Vernetzungsgrad (q = 2) erhalten (wie in Abschnitt Protokoll - 2 angegeben) sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Proben auf der linken Seite (Probe A und B) sind die 2 Gew% und 1 Gew% Pektingelen durch CO 2 induzierte Gelierung erhalten. Durch die Verringerung der Biopolymer-Konzentration (0,5 Gew% oder weniger), werden die Gele transparent (Probe C). Eine weitere Verringerung der Biopolymer-Konzentration (0,25 Gewichts-%) ergibt auch eine stabile Hydrogele (Probe D), aber diese Gele sind sehr empfindlich und können brechen beim Umgang. Die Blasen in den Hydrogelen beobachtet werden während der Entspannungs erstellt , wenn das gelöste CO 2 , das Gel Wassersystem aufgrund Abnahme der CO 2 Löslichkeit verlässt.
Die amidiertes Pektin Aerogel Merkmale in der Tabelle dargestellt werden 1. Die erhaltenen Aerogele sind hochporöse mit niedrigen Höhle sität (so niedrig wie 0,013 g / cm 3) als das Verhältnis zwischen der Masse des Aerogels und sein Volumen gemessen. Die Oberfläche wird durch das Stickstoff-Adsorptionsverfahren gemessen. Für Pektin Aerogele, ergab es eine spezifische Oberfläche zwischen 350 - 500 m 2 / g. Das Porenvolumen für Porengrößen im 4-150 nm-Bereich wird durch die Kelvin-Modell der Porenfüllung unter Verwendung von Stickstoff (BJH-Methode) gemessen. Das Porenvolumen für die amidierten Pektins Aerogele lag zwischen 3 bis 7 cm 3 / g für Porengrößen zwischen 4 und 150 nm.
Abbildung 1. amidierten Pektin Hydrogele mit einem höheren Vernetzungsgrad (q = 2) Oben links: 2 Gew% (Probe A);. oben rechts: 1 Gew% (Probe B); unten links: 0,5 Gew% (Probe C); rechts unten: 0,25 Gew% (Probe D). Die Gele werden transparent mit Biopolymer-Konzentration abnimmt. Die Blasen werden während der CO 2 Druckentlastungs hergestellt.https://www.jove.com/files/ftp_upload/54116/54116fig1large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
| Pektin - Konzentration [Gew%] | Vernetzungsgrad q | Schüttdichte [g / cm 3] | Spezifische Oberfläche [m 2 / g] | Spezifische Porenvolumen [cm 3 / g] | Durchschnittliche Porengröße (Durchmesser) [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 |
Tabelle 1. Eigenschaften der amidierten Pektin Aerogele.
Discussion
Durch die Verwendung des CO 2 induzierte Gelierung Technik kann man den Bedarf an chemischen Substitute (beispielsweise Essigsäure oder Glucono - delta-lacton (GDL)) eliminieren zum Induzieren der Vernetzung des Biopolymers erforderlich. Die Oberflächenbereiche der amidiertes Pektin Aerogele sind in den höheren Bereichen der Literaturwerte 5, jedoch die Porenvolumina als 5 in der Literatur dargestellt sind , viel höher sind. Höhere Porenvolumina wurden auch für Alginat - Aerogele , die durch CO 2 induzierte Gelierung 7 beobachtet. Es bleibt jedoch, ob der Grund für diese hohen Porenvolumen (4-150 nm Porengrößenbereich) zurückzuführen ist bisher nicht in der Literatur behandelt das Gelieren Technik oder eine inhärente Eigenschaft der Biopolymere überprüft werden. Pectin Aerogele wurden in der Literatur berichtet , besitzen die durch diese Technik hergestellten Eigenschaften 12 und Alginat Aerogele superinsulating besitzen auch Wärmeleitfähigkeiten im Bereich superinsulating3,7. Daher können die amidierten Pektin Aerogele durch diese Technik erzeugt auch zu besitzen superinsulating Eigenschaften in Betracht gezogen werden.
Die Rate der Entspannung in Protokoll Abschnitt 2 ist ein wichtiger Schritt in der Hydrogelpräparat. Schnelle Entspannung kann zu erhöhten Makroporosität der Gele führen. Dieses Phänomen kann für Tissue - Engineering - Anwendungen angewendet werden , wo Makroporosität des Materials mit Zusammenschaltbarkeit ist ein wichtiges Merkmal für das Wachstum und die Proliferation von Zellen , 13,14. Darüber hinaus spielt der Vernetzungsgrad in Protokoll Abschnitt 1 eine wichtige Rolle bei der Synärese und Quellvermögen der amidiertes Pektin Hydrogelen. Dies ist ähnlich zu Alginat - Hydrogele , deren Quellverhalten durch die Vernetzerkonzentration beeinflusst wird und 15. Dadurch Aerogelen von amidierten Pektins aus kann auch superabsorbierende Eigenschaft besitzen , die denen für Alginat Aerogele 16 berichtet abgestimmt werden.
<p class = "jove_content"> Durch die CO 2 induzierte Gelierung mit Berücksichtigung amidiertes Pektin (oder Alginat) als primäres System, weitere Vielfalt kann in die Aerogele eingebaut werden , indem man verschiedene Quer Einführung Mittel und Biopolymer Kombinationen verbinden. Mehrere Metallcarbonate (zB Zink, Nickel, Kobalt, Kupfer, Strontium, Barium) verwendet werden zur Vernetzung 3, wobei Kationen können mit unter Druck stehendem CO 2 (3-5 MPa) in wässrigen Medien von pH freigesetzt werden senken. Jedoch unlösliche Salze einiger dieser Kationen können keine stabilen Dispersionen für niedrigere Biopolymer Konzentrationen bilden und am Boden zu inhomogen Gele sesshaft führt. Dies ist ein allgemeines Problem mit der internen Einstellung Gelieren Verfahren einschließlich CO 2 induzierte Gelierung 3 und damit sollte die Usability - Technik für eine Anwendung von Fall zu Fall beurteilt werden.Verschiedene Mischungen hergestellt wasserlösliche Bio mitPolymere, wie Stärke, Carrageen, Methyl- und Carboxymethylcellulose, Gellan-Gummi, Lignin, Gelatine und andere; wasserlösliche synthetische Polymere wie Polyethylenglykol (PEG), Polyvinylalkohol (PVA), Pluronic P-123 und andere; und wasserlösliche anorganische Precursoren wie Natriumsilikat kann auch mit amidierten Pektin gemischt werden , um Hybrid - Aerogele produzieren ähnlich 2 mit einstellbaren Eigenschaften Alginat.
Als überkritischem CO 2 Trocknen (scCO 2 Trocknen) ist eine Quintessenz Schritt in Aerogel Produktion, eine beliebige Kombination von Vorverarbeitungsschritte wie Lösungsmittelaustausch und Trocknen unter Verwendung von CO 2 17,18 oder Gelieren, Lösungsmittelaustausch und Trocknen unter Verwendung von CO 2 7 liefern könnte eine klare Verarbeitungsvorteil. Der Vorteil wird als integrierte Ein - Topf - Verfahren in Betracht gezogen: worin Biopolymer Dispersionen können in Biopolymer Aerogele unter Verwendung von CO 2 als Hauptverarbeitungsmedium in einem Autoklaven umgesetzt werden. FürGelieren, Lösungsmittelaustausch, überkritische Trocknung und aktive Komponente Lade 5,19 Prozess in einem einzigen Autoklaven unter Verwendung von CO 2 als Verarbeitungsmedium: bestimmte pharmazeutische Anwendungen, kann man auch einen vierstufigen Envision durchführen. Nachbehandlung , wie Schutzbeschichtung von Wirkstoff beladen Aerogele in bestimmten Fällen ist für eine gezielte Arzneimittelfreisetzung 20 notwendig.
Abschließend zeigt die vorliegende Arbeit die Verwendung von unter Druck stehendem CO 2 für die Gelierung von amidiertes Pektin basierten Systemen. Darüber hinaus wird die Verwendung von unter Druck stehendem CO 2 als ein gemeinsames Medium für Vorläufer zur Produktumsetzung für Zielanwendungen in einem einzigen Autoklaven vorgesehen.
Disclosures
Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.
Acknowledgments
Die finanzielle Unterstützung von DFG (Projekte SM 82 / 13-1) wird gedankt.
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) |
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