Приготовление биополимера аэрогели с помощью зеленого Растворители

Резюме

A new way for the production of biopolymer-based aerogels by carbon dioxide (CO₂) induced gelation is shown. The technique utilizes pressurized carbon dioxide (5 MPa) for the production of biopolymer hydrogels and supercritical CO₂ (12 MPa) to convert gels into aerogels. The only solvents needed besides CO₂ are water and ethanol.

Аннотация

Although the first reports on aerogels made by Kistler¹ in the 1930s dealt with aerogels from both inorganic oxides (silica and others) and biopolymers (gelatin, agar, cellulose), only recently have biomasses been recognized as an abundant source of chemically diverse macromolecules for functional aerogel materials. Biopolymer aerogels (pectin, alginate, chitosan, cellulose, etc.) exhibit both specific inheritable functions of starting biopolymers and distinctive features of aerogels (80-99% porosity and specific surface up to 800 m²/g). This synergy of properties makes biopolymer aerogels promising candidates for a wide gamut of applications such as thermal insulation, tissue engineering and regenerative medicine, drug delivery systems, functional foods, catalysts, adsorbents and sensors. This work demonstrates the use of pressurized carbon dioxide (5 MPa) for the ionic cross linking of amidated pectin into hydrogels. Initially a biopolymer/salt dispersion is prepared in water. Under pressurized CO₂ conditions, the pH of the biopolymer solution is lowered to 3 which releases the crosslinking cations from the salt to bind with the biopolymer yielding hydrogels. Solvent exchange to ethanol and further supercritical CO₂ drying (10 - 12 MPa) yield aerogels. Obtained aerogels are ultra-porous with low density (as low as 0.02 g/cm³), high specific surface area (350 - 500 m²/g) and pore volume (3 - 7 cm³/g for pore sizes less than 150 nm).

Введение

Аэрогели являются классом пористых материалов, которые могут быть получены с использованием различных предшественников, начиная от неорганических (таких как диоксид кремния, оксид титана, оксид циркония и другие), синтетические (такие как резорцин формальдегида, полиуретан и другие) или биополимеров (полисахариды, белки и другие ) ^2. Что отличает их от обычных пористых материалов является их способность одновременно обладать всеми тремя характеристиками; а именно большой площадью поверхности, сверхнизкой плотности и распределение по размерам пор мезопористого (т.е. размеры пор от 2-50 нм). С вышеуказанными характеристиками, аэрогель широко применяются в области изоляции, биомедицины, катализе, адсорбции и абсорбции приложений, фармацевтических препаратов и нутрицевтиков ^2. Принимая во внимание вышеупомянутые возможности, производство систем биополимера геля и их последующее превращение в аэрогелям открывает множество возможностей по отношению к высокой добавленной стоимостью на основе биоматериалы. Такое усилие ресуспендировали в данном исследовании с использованием Амидированные пектины в качестве примера.

Aerogels обычно получают методом золь-гель. Гели представляют собой системы , состоящие из жидкости захваченный в матрице и могут быть получены с помощью ковалентных, ионных, рН наведенной, термический или крио сшивания ^3. Для этой конкретной системы, мы используем ионную сшивание, то есть двухвалентный катион (например, кальция) сшивать биополимерных цепей вместе. Для выполнения управляемой ионное сшивание биополимеров , таких как амидированный пектин или альгинат, можно использовать метод диффузии или внутреннего метода установки ^4. В методе диффузии, гелеобразование происходит сначала в наружном слое с последующим распространением диффузии, так как катионы диффундируют из наружного раствора в амидированный пектин или альгинат капельке или слой ^4. В методе внутренней установки, нерастворимую форму сшивающего гомогенно диспергируют в биополимера SOLUTIOп и катионы освобождаются путем инициирования изменения рН ^4,5,6. Тем не менее, оба метода сталкиваются с прос о гомогенности конечного геля при продуцировании в плите или монолитной форме. Эта работа демонстрирует использование СО ₂ высокого давления (5 МПа) для производства Амидированные пектины гидрогели строит далее на предыдущих работах по альгинатных гелей ^3,7. Короче говоря, это внутренняя установка метод гелеобразования , которая использует СО ₂ под давлением , чтобы уменьшить рН вместо слабых кислот для получения однородных гелей. С увеличением давления, растворимость углекислого газа в воде увеличивается сопровождается понижением рН до 3,0 ^8. Это вызывает карбонат кальция для солюбилизации, высвобождая ионы кальция. Ионы кальция сшивать с Амидированные пектины биополимера с получением гидрогели. Устойчивые однородные гели вплоть до очень низких концентрациях биополимеров (0,05 мас%) , может быть получено с помощью этой техники ^7.

Как Гелатскойионов происходит в водной среде, замена растворителя в органическом растворителе , необходима из - за разрыва растворимостью в системе СО ₂ / вода. спирты Обычно низкомолекулярные (метанол / этанол / изопропанол) и кетоны (ацетон), могут быть использованы для процесса замены растворителя. Тем не менее, прямой замачивание в ванне с чистым этанолом или другими органическими растворителями приводит к значительному необратимому усадки. Чтобы избежать этого недостатка, ступенчато замена растворителя проводят ^5,9. Когда концентрация растворителя внутри геля достигает> 98%, органический растворитель сушат с помощью сверхкритического CO ₂ (12 МПа) , оставляя позади аэрогеля.

протокол

1. Приготовление Амидированные пектины маточного раствора

1. Смешайте 20 г амидированным пектином с 980 г воды (2,0% мас). Степень амидировани 25% мас.
2. Гомогенизации раствора с помощью мешалки высокой скорости (10000 оборотов в минуту) в течение 2 мин, чтобы получить однородную вязкого раствора.
3. Измерение рН с помощью рН-полоски или рН-метр. Если рН ниже, чем 6,5, титруют 0,5 М NaOH для нейтрализации раствора (до рН 7,0).
4. Добавьте карбонат кальция в соотношении 0.1825 г на грамм сухого Амидированные пектины (Q = 1). "Q" обозначает степень сшивки.
5. Для получения 1 кг 2,0% -ного раствора амидированный пектина, добавляют 3,65 г карбоната кальция (Q = 1) ⁷ за 20,0 г сухого пектина.
6. Для большего поперечного сшивания, добавляют 0,3650 г карбоната кальция на грамм сухого амидированный пектин (Q = 2).

2. Производство гидрогелей

1. Однородный амидированный карбонатная смесь пектина / кальция с использованием высокой скорости гомогенизатора (10000 оборотов в минуту), чтобы получитьбелый однородная дисперсия.
2. Передача суспензии в открытые формы полипропиленовые или стеклянные чашки Петри.
3. Поместите формочки в автоклаве под высоким давлением. Уплотнение автоклав.
4. Герметизировать автоклав газообразного СО ₂ до 5 МПа при комнатной температуре. Обратитесь к Гуриков и др. ⁷ для получения дополнительной информации. Поддерживать давление в течение 24 часов.
5. Медленно сбросить давление в автоклаве при давлении 0,2 МПа / мин.
6. Откройте автоклав и удалить пресс-формы. Удалите гидрогели из пресс-форм, поворачивая их. При необходимости, используйте лопаточку.

3. Процедура Solvent Обмен

1. Приготовьте 10 г 10:90 (вес / вес) этанол / вода смеси на грамм гидрогеля.
2. Погружают гидрогели в 10:90 (вес / вес) этанол / вода смесь в течение 12 ч.
3. Продолжайте этот процесс , с увеличением концентрации этанола, то есть, от 10:90 (вес / вес) этанол / вода смесь до 30:70 (вес / вес) этанол / вода смеси. После 12 часов, трансфер до 50:50 (вес / вес) этанол / вода смесь, затем до 70:30 (12 ч), затем 90:10 (12 ч), а затем до 100% -ного этанола (12 ч).
4. Замачивание гель далее в чистом этаноле, так что конечная концентрация внутри геля составляет более 98% (вес / вес). Измерение концентрации с помощью плотномера. Alcogel теперь готов к сверхкритического CO ₂ сушки.

4. Производство аэрогеля сверхкритическим CO ₂ Сушка

1. Поместите образцы в том же автоклаве высокого давления, используемого для приготовления гидрогеля (см шаг 2.3).
2. Наполните автоклав с дополнительным этанолом (2-10% от объема автоклава), чтобы предотвратить преждевременное испарение растворителя из гелей. Полное погружение геля в растворителе, не требуется.
3. Уплотнение автоклав. Включите нагрева автоклава. Установите рабочую температуру автоклава до 323 К. герметизировать автоклав с диоксидом углерода до 12 МПа с использованием компрессора или насоса.
4. Периодически заменить CO ₂внутри автоклава ^10,11 с свежей CO ₂ поддержании постоянного давления. 6-7 объемов проживание требуются в течение 6 часов. Обратитесь к Гуриков и др. ⁷ для получения дополнительной информации.
5. Медленно сбросить давление в автоклаве при давлении 0,2 МПа / мин.
6. Откройте автоклав и собирать аэрогель. Храните аэрогель в эксикатор или герметичном контейнере.

Результаты

Типичные гидрогели , полученные после гелеобразования стадии с более высокой поперечной сшивки степени (Q = 2) (как указано в разделе Протокола 2) показаны на рисунке 1. Образцы слева (образец А и В) являются 2 мас% и 1% мас пектиновые гели , полученные СО ₂ , индуцированного гелеобразования. По мере снижения концентрации биополимера (0,5 мас% или ниже), гели становятся прозрачными (образец С). Дальнейшее снижение концентрации биополимера (0,25% по весу) также дает стабильные гидрогели (образец D), но эти гели очень хрупкие и могут сломаться при работе. Пузырьки , наблюдаемые внутри гидрогели создаются при разгерметизации , когда растворенный CO ₂ выходит из системы водного геля за счет снижения растворимости CO _2.

Амидированный характеристики пектин аэрогеля представлены в таблице 1. Полученные аэрогеля являются ультра-пористая с низкой рва плотность (по цене от 0,013 г / см ³⁾ , измеренное как отношение между массой аэрогеля и его объем. Площадь поверхности измеряется с помощью адсорбции азота. Для получения пектиновых аэрогеля, она дала удельную площадь поверхности между 350 - 500 м ² / г. Объем пор по размерам пор в диапазоне 4-150 нм измеряют с помощью модели Кельвина заполнения пор с использованием азота (метод BJH). Объем пор для амидированный пектин аэрогелям было между 3 - 7 см ³ / г для размеров пор от 4 до 150 нм.

Рисунок 1. Амидированные пектины гидрогели с более высокой степенью поперечной сшивки (Q = 2) верхнего левого угла: 2% вес (образец А);. в правом верхнем углу: 1% масс (образец B); внизу слева: 0,5% масс (образец C); справа внизу: 0,25% вес (образец D). Гели становятся прозрачными с уменьшением концентрации биополимера. Пузырьки образуются во время СО ₂ разгерметизации.https://www.jove.com/files/ftp_upload/54116/54116fig1large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Концентрация Пектин [% по весу]	Сшивание степень д	Насыпная плотность [г / см 3]	Удельная поверхность [м 2 / г]	Удельный объем пор [см 3 / г]	Средний размер пор (диаметр) [нм]
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

Таблица 1. Характеристики Амидированные пектины аэрогеля.

Обсуждение

При использовании СО ₂ , индуцированный метод гелеобразования, можно устранить необходимость в химических заменителей (например , уксусная кислота или глюконо дельта-лактон (ГДЛ)) , необходимого для индукции сшивание биополимера. Площадь поверхности амидированного пектина аэрогели в более высоких диапазонах значений литературы ^5, однако объемы пор значительно выше , чем представленные в литературе ^5. Более высокие объемы пор наблюдались также для альгината аэрогеля , полученных CO ₂ , индуцированного гелеобразования ^7. Тем не менее, остается проверить, вызвана ли методом гелеобразования или врожденного свойства биополимеров, которые ранее не рассматриваемых в литературе причина для этого больших объемов пор (4-150 нм пор диапазон размеров). Пектин аэрогель сообщалось в литературе обладать свойствами superinsulating ¹² и альгината аэрогеля , полученные этим методом также обладают теплопроводностью в диапазоне superinsulating^3,7. Поэтому Амидированные пектины аэрогель, полученные с помощью этой методики можно также предусмотреть, чтобы обладать superinsulating свойствами.

Скорость разгерметизации в Протоколе раздела 2 является важным шагом в подготовке гидрогеля. Быстрый сброс давления может привести к увеличению макропористости гелей. Это явление может быть применена для тканевой инженерии , где макропор материала с взаимосвязанности является важной особенностью для роста и пролиферации клеток ^13,14. Кроме того, степень сшивания в Протоколе Раздел 1 играет важную роль в синерезиса и припухлость свойство Амидированные пектины гидрогели. Это похоже на альгинатных гидрогелей , чьи набуханию зависит от концентрации сшивающего а ^15. Тем самым аэрогель , сделанные Амидированные пектины также может быть настроен , чтобы обладать свойством сверхпоглощающий аналогичные тем , которые сообщили для альгината аэрогеля ^16.

<р класс = "jove_content"> С помощью СО ₂ , индуцированный гелеобразование пектина с учетом амидирована (или альгинат) в качестве основной системы, дальнейшее разнообразие могут быть включены в аэрогеля путем введения различных поперечных сшивающих агентов и их комбинаций биополимеров. Несколько карбонатами металлов (например, цинк, никель, кобальт, медь, стронций, барий) может быть использован для сшивания ^3, где катионы могут быть освобождены от рН понижающего в водной среде с помощью СО ₂ под давлением (3-5 МПа). Тем не менее, нерастворимые соли некоторых из этих катионов не могут образовывать стабильные дисперсии для более низких концентраций биополимеров и может располагаться в нижней части, ведущей к неоднородным гелей. Это общая проблема с внутренним методом установки гелеобразования включая CO ₂ , индуцированного гелеобразования ³ и тем ^самым, удобство и простота использования этой техники для приложения следует оценивать в каждом конкретном случае на индивидуальной основе.

Различные смеси приготовлены с использованием растворимого в воде биополимеры, такие как крахмал, каррагинан, метила и карбокси-метилцеллюлоза, геллановая камедь, лигнин, желатин и другие; водорастворимые синтетические полимеры, такие как полиэтиленгликоль (ПЭГ), поливиниловый спирт (ПВС), Pluronic P-123 и другие; и растворимые в воде неорганические предшественники , такие как силикат натрия , могут быть также смешаны с амидированный пектин и производить гибридные -аэрогели аналогичные альгинат ² с перестраиваемой свойствами.

В качестве сверхкритической СО ₂ сушки (SCCO ₂ сушка) является наиболее существенным шагом в аэрогеля производства, любая комбинация шагов предварительной обработки , таких как замены растворителя и сушки с использованием СО ₂ ^17,18 или гелеобразование, замены растворителя и сушки с использованием СО ₂ ⁷ может обеспечить явное преимущество обработки. Преимущество предполагается как интегрированного процесса в одном реакционном сосуде: где биополимер Дисперсии могут быть превращены в биополимерных аэрогелям с использованием CO ₂ в качестве основной среды обработки в одном автоклаве. Длянекоторых фармацевтических приложений, можно также предусматривают выполнение четырех этапов: гелеобразование, замена растворителя, сушки при сверхкритической температуре и активный процесс при загрузке компонента ^5,19 в одном автоклаве с использованием СО ₂ в качестве технологической среды. Последующая обработка таких как защитное покрытие из наполненные лекарством аэрогели в некоторых случаях необходимо для целенаправленного высвобождения лекарственного средства ^20.

В заключение, настоящая работа демонстрирует использование сжатого CO ₂ для гелеобразования амидированных систем на основе пектина. Кроме того, использование сжатого CO ₂ в качестве общей среды для предшественника конверсии продукта для целевых применений в одном автоклаве предусматривается.

Материалы

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
Name	Company	Catalog Number	Comments
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)