Introduction
Aerogeler er en klasse av porøse materialer som kan fremstilles ved bruk av forskjellige forløpere som strekker seg fra uorganiske (for eksempel silika, titanoksid, zirkoniumoksid og andre), syntetiske (så som resorcinol formaldehyd, polyuretan og andre) eller biopolymerer (polysakkarider, proteiner og annet ) 2. Hva skiller dem fra de konvensjonelle porøse materialer er deres evne til å samtidig ha alle de tre kjennetegn; nemlig med høyt overflateareal, ultra-lav tetthet og mesoporøst pore-størrelsesfordeling (dvs., porestørrelser fra 2-50 nm). Med nevnte kjennetegn, er aerogels mye brukt innen isolasjon, biomedisin, katalyse, adsorpsjon og absorpsjon applikasjoner, legemidler og neutraceuticals 2. Tatt i betraktning de ovennevnte muligheter, åpner produksjon av biopolymer gel systemer og deres påfølgende transformasjon til aerogels opp et mangfold av muligheter mot høy verdiskaping biobasertmaterialer. Slike bestrebelser opptas i denne studien ved bruk av amidert pectin som et eksempel.
Aerogeler blir typisk fremstilt ved sol-gel teknikk. Gels er systemer bestående av væske innesluttet i en matriks og kan fremstilles ved kovalent, ionisk, pH indusert, termisk eller cryo kryssbindings 3. For dette spesifikke systemet, benytter vi ionisk tverrbinding, dvs. et toverdig kation (f.eks kalsium) for å tverr biopolymeric kjeder sammen. For å utføre kontrollerbar ioniske kryssbinding av biopolymerer som amidert pektin eller alginat, kan man benytte diffusjon metode eller den interne innstillingen metode 4. Ved diffusjon fremgangsmåten, oppstår geldannelse ved først i det ytre lag, etterfulgt av diffusjon forplantning, som kationene diffundere fra ytre oppløsning i en amidert pectin eller alginat eller dråpesjiktet 4. I den interne innstillingsmetode, er den uløselige formen av tverrbindingsmiddel homogent dispergert i biopolymeren løsning;n og kationer frigis ved å starte en pH-endring 4,5,6. Men begge teknikker står overfor et problem når det gjelder homogenitet av den endelige gelen når produsert i plate eller monolittisk form. Dette arbeidet viser bruken av høytrykks CO 2 (5 MPa) for fremstilling av amiderte pektin hydrogeler som bygger videre på tidligere arbeider på alginatgelene 3,7. I korte trekk er det et internt innstilling geleringsteknikk som utnytter trykksatt CO2 for å redusere pH i stedet for svake syrer for å fremstille homogene geler. Med en økning i trykket, løseligheten av karbondioksid i vann øker ledsaget av en senkning av pH til 3,0 til 8. Dette fører til kalsiumkarbonat for å oppløse, frigjøre kalsiumioner. De kalsiumioner crosslink med amidert pektin biopolymer å gi hydrogeler. Stabile homogene gels ned til svært lave biopolymer konsentrasjoner (0,05 vekt%) kunne produseres ved hjelp av denne teknikken 7.
som Gelation finner sted i et vandig medium, er oppløsningsmiddel for å bytte et organisk oppløsningsmiddel som kreves på grunn av en blandingshull i CO 2 / vannsystem. Vanligvis lavmolekylære alkoholer (metanol / etanol / isopropanol) og ketoner (aceton) kan brukes for oppløsningsmidlet vekslingsprosessen. Men direkte soaking i et bad med ren etanol eller andre organiske løsemidler fører til betydelige irreversible krymping. For å unngå denne ulempen, er trinnvis løsemiddel utveksling utført 5,9. Når løsningsmidlet konsentrasjonen i gelen når> 98%, blir det organiske oppløsningsmiddel ble tørket med superkritisk CO 2 (12 MPa) etterlater en aerogel.
Protocol
1. Utarbeidelse av amidert Pektin lagerløsning
- Bland 20 g amidert pectin med 980 g vann (2,0 vekt%). Graden av Amideringen er 25 vekt-%.
- Homogenisere oppløsningen med en rører med høy hastighet (10000 opm) i 2 min for å oppnå en homogen viskøs løsning.
- Mål pH ved hjelp av pH-strips eller pH-meter. Dersom pH er lavere enn 6,5, titrert med 0,5 M NaOH for å nøytralisere oppløsningen (til pH 7,0).
- Legg kalsiumkarbonat i et forhold på 0,1825 g per gram tørr amidert pectin (q = 1). "Q" angir graden av kryssbinding.
- For 1 kg 2,0 vekt% amidert pektin løsning, tilsett 3,65 g kalsiumkarbonat (q = 1) 7 per 20,0 g tørr pektin.
- For større kryssbinding, legge 0,3650 g kalsiumkarbonat per gram tørr amidert pektin (q = 2).
2. Produksjon av Hydrogeler
- Homogenisere amidert pectin / kalsiumkarbonat blanding ved hjelp av høyhastighets homogenisator (10.000 rpm) for å oppnå enhvit homogen dispersjon.
- Overfør suspensjonen i åpne polypropylen former eller glass petriskåler.
- Plasser formene i høytrykks autoklaven. Tett autoklaven.
- Trykk autoklaven med gassformig CO 2 til 5 MPa ved romtemperatur. Se i Gurikov et al. 7 for ytterligere informasjon. Opprettholde trykket i 24 timer.
- Sakte trykket fra autoklav på 0,2 MPa / min.
- Åpne autoklaven og fjerne muggsopp. Fjern hydrogeler fra formene ved å slå dem over. Om nødvendig, bruk en slikkepott.
3. Solvent Utveksling Prosedyre
- Fremstille 10 g 10:90 (vekt / vekt) etanol / vann-blanding per gram hydrogel.
- Dyppe hydrogelene i 10:90 (v / v) etanol / vann-blanding i 12 timer.
- Fortsett denne prosessen med økende etanolkonsentrasjoner, dvs. fra 10:90 (v / v) etanol / vann-blanding til 30:70 (vekt / vekt) etanol / vann-blanding. Etter 12 timer, overføring til 500:50 (v / v) etanol / vann-blanding, og deretter til 70:30 (12 timer), deretter 90:10 (12 timer) og deretter til 100% etanolløsning (12 timer).
- Sug gelen ytterligere i ren etanol slik at sluttkonsentrasjonen i gelen er mer enn 98% (vekt / vekt). Måle konsentrasjonen ved hjelp av tetthetsmåleren. Den alcogel er nå klar for superkritisk CO 2 tørking.
4. Produksjon av Aerogels av superkritisk CO 2 Tørking
- Plassere prøvene på den samme høye trykk autoklav anvendt for fremstilling hydrogel (se trinn 2.3).
- Fylle autoklaven med ytterligere etanol (2-10% av autoklavens volum) for å forhindre for tidlig fordampning av løsningsmiddel fra gelene. Fullstendig nedsenking av gelen i løsningsmidlet er ikke nødvendig.
- Tett autoklaven. Slå på autoklaven oppvarming. Setter autoklaven arbeidstemperatur til 323 K. trykksette autoklaven med karbondioksid til 12 MPa ved hjelp av en kompressor eller pumpe.
- Med jevne mellomrom erstatte CO 2inne i autoklaven 10,11 med frisk CO 2 å holde trykket konstant. 6-7 oppholdsvolum er nødvendig over en periode på 6 timer. Se i Gurikov et al. 7 for ytterligere informasjon.
- Sakte trykket fra autoklav på 0,2 MPa / min.
- Åpnes autoklaven og samle aerogel. Oppbevar aerogel i en eksikator eller en lukket beholder.
Representative Results
De typiske hydrogeler ble oppnådd etter geleringen trinn med høyere tverrbindingsgrad (q = 2) (som beskrevet i protokoll seksjon 2) er vist i figur 1. Prøvene til venstre (prøve A og B) er de 2 vekt% og 1 vekt% pektin gels innhentet av CO 2 indusert gelering. Ved å redusere biopolymer-konsentrasjon (0,5 vekt-% eller lavere), gelene bli gjennomsiktig (prøve C). Ytterligere reduksjon i biopolymer konsentrasjon (0,25 vekt%) gir også stabile hydrogeler (prøve D), men disse gels er svært skjør og kan bryte ved håndtering. Boblene observert inne hydrogelene dannes ved trykkreduksjon når det oppløste CO2 forlater gelen vann-system på grunn av reduksjon i CO 2 løselighet.
De amiderte pektin aerogel egenskaper er presentert i tabell 1. De oppnådde aerogels er ultra-porøs med lav hiet sity (så lavt som 0,013 g / cm 3) målt som forholdet mellom massen av aerogel og dens volum. Overflatearealet måles ved hjelp av nitrogenadsorpsjon. For pektin aerogeler, det ga et spesifikt overflateareal mellom 350 - 500 m 2 / g. Porevolumet for porestørrelser på 4-150 nm måles ved Kelvin modell av pore fylling ved hjelp av nitrogen (BJH-metoden). Porevolumet for amidert pectin aerogeler var mellom 3 - 7 cm 3 / g for porestørrelser mellom 4 og 150 nm.
Figur 1. amidert pektin hydrogeler med høyere tverrbindingsgrad (q = 2) Øverst til venstre: 2 vekt% (prøve A);. Øverst til høyre: 1 vekt% (Prøve B); nederst til venstre: 0,5 vekt% (prøve C); nede til høyre: 0,25 vekt% (prøve D). Geleer bli gjennomsiktig med synkende biopolymer konsentrasjon. Boblene dannes under CO to trykkavlastning.https://www.jove.com/files/ftp_upload/54116/54116fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Pektin konsentrasjon [wt%] | Cross-linking grad q | Bulktetthet [g / cm3] | Spesifikk overflate [m2 / g] | Spesifikt porevolum [cm3 / g] | Gjennomsnittlig pore størrelse (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 | 1. 3 |
| 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. Kjennetegn ved amidert pektin aerogels.
Discussion
Ved hjelp av CO 2 induserte geleringsteknikk kan man eliminere behovet for kjemiske substitutter (for eksempel eddiksyre eller glucono-delta-lakton (GDL)) som kreves for å indusere tverrbinding av biopolymer. Overflatearealene til de amiderte pektin aerogeler er i de høyere områder av litteraturverdier 5, men de porevolumer er mye høyere enn de som er presentert i litteraturen 5. Høyere pore volumer ble også observert for alginat aerogels utarbeidet av CO 2 indusert gelering 7. Imidlertid gjenstår det å være bekreftet om årsaken til denne høye pore volumer (4-150 nm porestørrelse range) skyldes gelering teknikk eller en iboende egenskap av biopolymerer tidligere ikke omtalt i litteraturen. Pektin aerogels har blitt rapportert i litteraturen å ha superinsulating eiendommer 12 og alginat aerogels utarbeidet av denne teknikken også ha varmeledningsevne i superinsulating serien3,7. Derfor kan de amiderte pektin aerogeler fremstilt ved denne teknikken også tenkes å ha superinsulating egenskaper.
Satsen for trykkavlastning i protokoll § 2 er et viktig skritt i hydrogel forberedelse. Rask trykkavlastning kan føre til økt makroporøsitet av gelene. Dette fenomenet kan brukes for tissue engineering applikasjoner der makroporøsitet materialet med tilkoblinger er en viktig funksjon for vekst og spredning av celler 13,14. I tillegg spiller tverrbindingsgraden i protokoll § en en viktig rolle i det synerese og hevelse egenskap av de amiderte pektin hydrogeler. Dette ligner på alginat hydrogeler som har svellende oppførsel påvirkes av tverrbindingskonsentrasjonen i tillegg 15. Dermed aerogels laget av amidert pektin kan også være innstilt til å ha superabsorberende eiendom lik de rapportert for alginat aerogels 16.
<p class = "jove_content"> Ved å bruke CO 2 induserte gele vurderer amidert pectin (eller alginat) som det primære system, kan ytterligere mangfoldet innarbeides i de aerogeler ved å innføre forskjellige kryssbindingsmidler og biopolymer-kombinasjoner. Flere metall-karbonater (for eksempel sink, nikkel, kobolt, kobber, strontium, barium) kan brukes for tverrbindings 3, hvor kationer kan frigjøres ved å senke pH-verdien i vandige medier med trykksatt CO 2 (3-5 MPa). Imidlertid kan uløselige salter av noen av disse kationer ikke danne stabile dispersjoner for lavere biopolymer konsentrasjoner og kan slå seg ned på bunnen fører til inhomogene gels. Dette er et generelt problem med den interne innstillingen geleringsmetode inkludert CO 2 indusert gelering 3 og dermed bør teknikken sin brukervennlighet for en søknad bli vurdert fra sak til sak.Ulike blandinger utarbeidet etter vannløselig biopolymerer slik som stivelse, carrageenan, metyl og karboksymetylcellulose, gellangummi, lignin, gelatin og andre; vannoppløselige syntetiske polymerer slik som polyetylenglykol (PEG), polyvinylalkohol (PVA), Pluronic P-123 og andre; og vannoppløselige uorganiske forløpere slik som natriumsilikat kan også blandes med amidert pectin for å fremstille hybrid-aerogeler tilsvarende alginat 2 med avstembare egenskaper.
Som superkritisk CO 2 tørke (scCO to tørking) er en typisk skritt i aerogel produksjon, en kombinasjon av pre-behandlingstrinn som løsemiddel utveksling og tørking ved hjelp av CO 2 17,18 eller gelering løsemiddel utveksling og tørking ved hjelp av CO 2 7 kan gi en klar behandling fordel. Fordelen er tenkt som en integrert kolbeprosess: hvor biopolymer dispersjoner kan omdannes til biopolymer aerogeler ved hjelp av CO 2 som hovedprosessmedium i en enkelt autoklav. Tilvisse farmasøytiske anvendelser, kan man også ser for å utføre en fire trinn: gelering, løsningsmiddelutveksling, overkritisk tørking og aktiv bestanddel lasting 5,19 prosess i en enkelt autoklav ved hjelp av CO 2 som prosessmedium. Post behandling som beskyttende belegg av narkotika lastet aerogels i visse tilfeller er nødvendig for målrettet medikament utgivelse 20.
For å konkludere, demonstrerer foreliggende arbeid ved bruk av trykksatt CO 2 for gelering av amiderte pektin-baserte systemer. I tillegg er bruken av trykksatt CO2 som et felles medium for forløperen til produkt konvertering for mål-applikasjoner i en enkelt autoklav forutsett.
Disclosures
Forfatterne hevder at de ikke har noen konkurrerende økonomiske interesser.
Acknowledgments
Økonomisk støtte fra DFG (prosjekter SM 82 / 13-1) er takknemlig anerkjent.
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).
