Abstrakt
Celulóza obsahující β-cyklodextrin (β-CD) byla použita jako hostitelská molekula a celulóza obsahující ferrocen (Fc) jako hostující polymer. K charakterizaci struktury materiálu a inkluzního chování byla použita infračervená spektra, diferenční skenovací kalorimetrie (DSC), ultrafialová spektroskopie (UV) a analýza kontaktního úhlu. Výsledky ukázaly, že β-CD-celulosa a Fc-celulosa mohou tvořit inkluzní komplexy. Kromě toho lze oxidaci ferrocenu a redukci stavu upravit chlornanem sodným (NaClO) jako oxidantem a glutathionem (GSH) jako reduktantem. V této studii byl za mírných podmínek vytvořen fyzikální gel na bázi β-CD-celulózy/Fc-celulózy, ve kterém po 24 hodinách došlo k autonomnímu hojení mezi řeznými plochami. Fyzikální gel lze řídit při přechodu sol-gel. Pevnost v tlaku gelu Fc-celulosa/β-CD-celulosa se zvyšovala se zvyšující se koncentrací celulosy. Interakce hostitel-hostitel mezi postranními řetězci celulózy mohla gel zpevnit. Fyzikální gel z celulózy může být nakonec použit jako hojivý materiál reagující na podněty v biomedicínských aplikacích.
1. Úvod
V souvislosti se zvýšenými obavami o životní prostředí a energii se v posledních letech věnuje stále větší pozornost celulose na bázi přírodní biomasy. Celulóza je nejrozšířenější přirozeně se vyskytující polymer glukózy, který se nachází jako hlavní složka rostlin a přírodních vláken, jako je bavlna a len, a je považována za obnovitelný a udržitelný zdroj suroviny pro uspokojení rostoucí poptávky po ekologicky šetrných a energeticky účinných výrobcích . Hydrogely na bázi celulózy jsou biokompatibilní a biologicky odbouratelné materiály, které jsou slibné pro řadu průmyslových použití, zejména v případech, kdy jsou důležité otázky životního prostředí. Tyto přírodní polysacharidy se díky svým jedinečným vlastnostem, jako je vysoká bobtnavost, biokompatibilita, biologická odbouratelnost a biologické funkce, hojně využívají pro přípravu gelů v různých oblastech , například: čištění odpadních vod, potravinářský průmysl, kosmetika, biomedicína, farmacie a tkáňové inženýrství.
Celulosa, th celulosa, nejrozšířenější obnovitelný polysacharid na Zemi, je silným kandidátem na výrobu gelů a byly popsány gely na bázi celulosy, včetně kompozitních gelů celulosa-polymer a hybridních gelů celulosa-anorganické povahy. Konstrukce a použití hydrogelů na bázi celulózy, které obvykle spojují svou biologickou odbouratelnost s chytrým chováním citlivým na podněty, spolu s velkou dostupností celulózy v přírodě a nízkou cenou derivátů celulózy činí hydrogely na bázi celulózy obzvláště atraktivními.
Gely na bázi celulózy lze získat buď fyzikální, nebo chemickou stabilizací vodných roztoků celulózy . Gely na bázi celulózy, buď reverzibilní, nebo stabilní, lze vytvořit vhodným zesíťováním vodných roztoků etherů celulózy , jako jsou methylcelulóza, hydroxypropylmethylcelulóza, ethylcelulóza (EC), hydroxyethylcelulóza (HEC) a sodná sůl karboxymethylcelulózy (NaCMC), které patří mezi nejpoužívanější deriváty celulózy. V závislosti na použitém derivátu celulózy lze k vytvoření gelů použít řadu síťovacích činidel a katalyzátorů. Epichlorhydrin, aldehydy, činidla na bázi aldehydů, deriváty močoviny, karbodiimidy a multifunkční karboxylové kyseliny jsou nejčastěji používanými síťovacími činidly pro celulózu . Vzhledem k problémům s aplikací materiálů se celulózovým gelům v posledních letech věnuje stále větší pozornost . Celulózové supramolekulární materiály spojené nekovalentními vazbami přitahují mnohem větší pozornost a jsou široce studovány ; jejich reakce na vnější prostředí , jako je teplota , pH a léčiva (nosiče uvolňující léčiva), jsou předmětem zvláštního zájmu.
O aplikaci celulózových gelů používaných v léčitelství však existuje jen málo zpráv. V této studii byl syntetizován nový fyzikální gel z celulózy pomocí β-CD-celulózy a Fc-celulózy. Byla také studována interakce mezi hostitelem a hostem mezi β-CD-celulosou a Fc-celulosou, přechod sol-gel a vlastnosti redoxních podnětů tohoto supramolekulárního materiálu.
2. Experimentální
2.1. Materiál a metody
Celulosa, β-cyklodextrin, epichlorhydrin, hydroxid sodný, chlorid lithný, N,N-dimethylacetamid, methylenchlorid, ferrocenkarboxylová kyselina, oxalylchlorid, chlornan sodný a glutathion byly komerčně dostupné a použity tak, jak byly obdrženy.
IR spektra byla zaznamenána pomocí FTIR (Nicolet iN10 Thermo Fisher Scientific China) v oblasti 400-4000 cm-1. Měření DSC bylo provedeno pomocí přístroje Diamond DSC (NETZSCHDSC 204). Vysušené vzorky byly umístěny do tlakově těsných hliníkových DSC komor o teplotě od 20 do 150 °C s rychlostí ohřevu 10 °C min-1. Povrchové kontaktní úhly byly měřeny pomocí dynamického analyzátoru kontaktních úhlů (HARKE-SPCA, hodnota chyby ±0,1°, Beijing HARKE Experimental Instrument Factory). Práškové vzorky celulózy byly stlačeny pomocí infračervené tablety. Povrchové kontaktní úhly byly měřeny během působení kapaliny na zkušební materiály po dobu 1 s, aby se co nejvíce zamezilo penetračním faktorům materiálu. Morfologická charakterizace gelu byla provedena pomocí skenovací elektronové mikroskopie (S-3400N, HIACHI, Japonsko).
Gravimetrická metoda byla použita k měření poměrů bobtnání gelů v destilované vodě při 25 °C. Po ponoření do destilované vody po dobu přibližně 48 hodin, aby se dosáhlo rovnovážného stavu bobtnání, byly vzorky gelů vyjmuty a zváženy po odstranění přebytečné vody na povrchu. U každého údaje byly změřeny tři vzorky a byla stanovena průměrná hodnota tří měření. Rovnovážný poměr bobtnání (SR) byl vypočten jako , kde je hmotnost nabobtnalého gelu a je hmotnost gelu v suchém stavu.
Rovnovážné poměry bobtnání gelů byly měřeny následovně: suchý gel byl umístěn do deionizované vody o teplotě 25°C. V předem stanoveném čase byly vzorky gelu vyjmuty z vodného roztoku a zvážena kvalita , dokud nedosáhly bobtnací rovnováhy. Rychlost bobtnání : .
2.2. Příprava inkluzních komplexů celulosy
2.2.1 Příprava inkluzních komplexů celulosy. Příprava celulosových CD
Celulosa byla rozpuštěna v hydroxidu sodném/močovině. K tomuto roztoku byl přidán cyklodextrin a epichlorhydrin. Po 2 h míchání byl přidán β-CD a roztok byl míchán dalších 12 h při pokojové teplotě. Polymerní produkt byl reprecipitován z destilované vody a promyt destilovanou vodou. Stupeň substituce je 0,32 hm. %, což bylo zjištěno metodou fenolftaleinové sondy .
Ve vodném roztoku NaOH vzniká z celulosy a epichlorhydrinu epoxidová celulosa, která spojila hydroxy β-cyklodextrinu epoxidovou skupinou jako příčným vazebným můstkem.
2.2.2. Syntéza Fc-COCl
Ferocenkarboxylová kyselina byla suspendována v dichlormethanu (DCM). Poté byl po kapkách přidán oxalylchlorid a suspenze byla míchána 3 h při pokojové teplotě. Oranžová suspenze se změnila na červený roztok. Po odpaření rozpouštědla byl shromážděn pevný produkt.
2.2.3. Rozpouštědlo se rozdělilo na dvě části. Syntéza celulosy-Fc
Celulosa byla rozpuštěna v chloridu lithném/dimethylacetamidu (LiCl/DMAc). Roztok chloridu železitého byl přidán po kapkách. Po míchání přes noc při pokojové teplotě se roztok promyl destilovanou vodou. Oranžová pevná látka se promyla chloridem lithným; pevný produkt se shromáždil odstředivkou a sušil se 4 dny při 50 °C, aby se získala celulosa-Fc jako žlutý prášek. Míra naštěpení ferrocenu je 0,57 ~ 5,7 % hmot., což bylo zjištěno vážením před a po reakci s celulosou.
2.2.4. Příprava redoxního inkluzního komplexu
Produkty v oxidovaném stavu (nebo v edukovaném stavu) byly připraveny protřepáním příslušného množství NaClO aq. (14 mM) (nebo GSH) a inkluzních komplexů Fc-CD-celulosa (nebo produktů oxidovaného stavu) při pokojové teplotě po dobu 24 h. Roztok byl promyt destilovanou vodou a poté byl pevný produkt odebrán pomocí odstředivky a vysušen mrazem. Komplexní směs byla připravena mletím prášků po dobu 20 min.
2.2.5. Směs komplexů byla připravena mletím prášků po dobu 20 min. Syntéza celulosového gelu
Ferrocen-celulosa a cyklodextrin-celulosa byly rozpuštěny v roztoku N,N-dimethylformamidu (DMF) chloridu lithného. Roztok jsme nalili do skleněné formy ve vlhkém boxu, dokud se gel nestabilizoval.
3. Výsledky a diskuse
3.1. Výsledky a diskuse Charakterizace
Na obrázku 1 (křivka a)) a obrázku 1 (křivka b)) jsou znázorněna infračervená spektra celulosy a β-CD-celulosy. Podle obrázku 1 (křivky (a) a (b)) byly pozorovány absorpce při 3380 cm-1 (hydroxylový úsek ovlivněný vodíkovou vazbou), 1646 cm-1 a 1354 cm-1 (karbonylový úsek), 1043 cm-1 (karboxyl v etherech) a 2920 cm-1 (methylen), což jsou absorpce charakteristické pro struktury celulosy a β-CD-celulosy. Jak je patrné z obr. 1 (křivka (c)), charakteristické píky ferrocen-celulosy byly 1402 cm-1, 1100 cm-1 VC-C (cyklopentadienylový kruh) a 816 cm-1 DC-H (cyklopentadienylový kruh). Charakteristické píky ferrocenu zmizely z infračervených spekter obalu inkluzní sloučeniny (křivka d)). To naznačuje, že v inkluzním komplexu se vytvořila ferrocen-celulosa a cyklodextrin-celulosa. Podobná zjištění byla uvedena v literatuře .
Infračervená spektra celulosy ((a) celulosa, (b) celulosa-CD, (c) celulosa-Fc a (d) inkluze celulosa-CD-Fc).
3.2 Inkluze celulosy. Termická analýza
Křivky termické analýzy celulosových inkluzních komplexů jsou uvedeny na obrázku 2, kde je vidět, že křivka (a) celulosy je téměř přímka, ale křivky (b) (CD-celulosa) a (e) (prosté fyzikální smíchání CD-celulosy a Fc-celulosy) měly silný exotermický pík (absorpční pík dehydratace cyklodextrinu při 88. teplotě.9 °C a 95,9 °C), odpovídající ztrátě vody z dutiny CD do atmosféry, což naznačuje, že CD byla ve fyzikální směsi bez komplexace s hosty. Jinak křivka (d) (inkluzní komplex) vykazovala nedostatek endotermických píků, což naznačovalo, že v dutině CD byla místo molekul vody přítomna jiná molekula a ve vzorku komplexu chybělo čisté CD. Podobné výsledky byly v literatuře uvedeny pro interakce mezi jinými léčivy a CD .
DSC křivky řady celulosy ((a) celulosa, (b) celulosa-CD, (c) celulosa-ferrocen, (d) inkluze celulosa-CD-ferrocen, (e) prostá směs celulosa-ferrocen a celulosa-CD).
3.3. Redoxní vlastnosti
Proces redoxní regulace inkluzních komplexů obsahujících ferrocen byl rozsáhle studován.
Interakce hostitel-hostitel mezi kovovým ferrocenem s β-CD může být také reverzibilní regulací oxidací a redukcí ferrocenu. Před více než 20 lety bylo oznámeno, že redukovaný ferrocen účinně tvoří inkluzní sloučeninu s β-CD, zatímco oxidace ferrocenu byla nemožná . Povaha ferrocenu je v redukovaném stavu hydrofobní a v oxidovaném stavu hydrofilní. Vratné regulace inkluzních komplexů tvořících binární komplex lze dosáhnout změnou redoxního stavu ferrocenu. Proto se očekávalo, že celulosové materiály budou mít redoxní reakční účinnost roubováním ferrocenu na celulosu.
Interakce hostitel-host mezi kovovým ferrocenem s β-CD může být také reverzibilní regulace oxidací a redukcí ferrocenu. Před více než 20 lety bylo oznámeno, že ferrocen redukované formy inkluzní sloučeniny s β-CD účinně, zatímco ferrocen oxidovaný je v podstatě nemožný . Povaha ferrocenu je hydrofobní v redukovaném stavu a hydrofilní v oxidovaném stavu. Reverzibilní regulace inkluzních komplexů ve formě binárního komplexu lze dosáhnout změnou redoxního stavu ferrocenu. Proto se očekává, že celulózové materiály budou mít redoxní reakční vlastnosti roubováním ferrocenu na celulózu.
Redoxní chování ferrocenu bylo studováno měřením povrchového kontaktního úhlu s vodou. Kontaktní úhel cyklodextrin-celulosa byl 59,6° (obr. 3(a)) a kontaktní úhel ferrocen-celulosa byl 82,1° (obr. 3(b)). Kontaktní úhel se změnil z 82,1° na 61,2° (obrázek 3c), když ferrocen-celulosa a cyklodextrin-celulosa vytvořily inkluzní komplexy. To prokázalo, že ferrocen byl inkluzí v dutině cyklodextrinu.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Snímky kontaktního úhlu řady celulóz ((a) celulóza-CD, (b) celulóza-ferrocen, (c) inkluze celulóza-CD-ferrocen, (d) vzorek ošetřený NaClO a (e) vzorek ošetřený GSH).
Vodný NaClO byl zvolen jako oxidant a GSH jako reduktant. Přidáním vodného NaClO k inkluzním komplexům celulosa-βCD/celulosa-Fc se zvýšil kontaktní úhel z 61,2° na 71,7° (obr. 3(d)). Naproti tomu kontinuální přídavek GSH k inkluzním komplexům obnovil Fc skupinu, čímž se kontaktní úhel vrátil na původní hodnotu (obrázek 3(e)). Celulosa-β-CD vykazovala vysokou afinitu k redukovanému stavu Fc skupiny v důsledku své hydrofobní povahy, zatímco oxidovaný stav Fc skupiny (Fc+) vykazoval nízkou afinitu k celulose-β-CD v důsledku kationtové Fc+ skupiny . Kromě toho inkluzní komplexy celulosy vykazovaly vynikající uzamykací a odemykací vlastnosti řízené redoxem ferrocenu.
3.4. Pevnost v tlaku Fc-celulosa/β-CD-celulosového gelu
Gely se skládají z trojrozměrné hydrofilní polymerní sítě, ve které je proloženo velké množství vody. Pro mechanické vlastnosti je důležitý poměr zesíťování sítě. Se zvýšením koncentrace celulózy z 1 % (w/w) na 5 % (w/w) se pevnost gelu zvýšila z 5 kPa na 100,5 kPa (obr. 4). To bylo způsobeno tím, že počet míst zesíťování na jednotku objemu sítě se zvyšoval se zvyšujícím se počtem funkčních skupin na molekulárním řetězci, což bylo způsobeno zvýšenou koncentrací celulózy . Podobné zlepšení mechanické pevnosti bylo pozorováno také při zvýšení stupně zesíťování změnou poměru roubování Fc. Pevnost v tlaku gelu Fc-celulosa/β-CD-celulosa se změnila z 13,32 kPa na 40,97 kPa při změně poměru roubování Fc z 0,57 % (w/w) na 5,66 % (w/w) (obr. 5), což naznačuje, že interakce hostitel-host mezi postranními řetězci celulosy se podílela na tvorbě trojrozměrné síťové struktury gelu a také ovlivnila jeho pevnost.
Pevnost v tlaku při různém obsahu celulózy ((a) 1 hm. %, (b) 3 hm. %, (c) 4 hm. % a (d) 5 hm. %).
Pevnost v tlaku různého poměru roubování ferrocenu ((a) 5.66 hm. %, (b) 2,83 hm. %, (c) 1,41 hm. %, (d) 0,57 hm. %).
3,5 %. Absorpce vody v gelu Fc-celulosa/β-CD-celulosa
Podíl bobtnání gelu byl nejdůležitější proměnnou, kterou bylo třeba vyhodnotit pro dané podmínky prostředí, protože ovlivňoval difuzní, mechanické, optické, akustické a povrchové vlastnosti samotného gelu. Poměr bobtnání gelu Fc-celulosa/β-CD-celulosa klesal se zvyšující se koncentrací celulosy (obr. 6). To bylo způsobeno tím, že množství vody zadržené síťovinou hydrogelové sítě záviselo na struktuře samotné polymerní sítě . Fc-celulosa/β-CD-celulosový gel vznikl správným zesíťováním celulosových řetězců. Počet zesíťovaných míst na jednotku objemu polymerní sítě se zvyšoval s rostoucí koncentrací celulosy. Větší stupeň zesíťování neprospíval difúzi molekul vody.
Poměr bobtnání hydrogelu Fc-celulosa/β-CD-celulosa.
Po opětovném umístění suchého gelu do deionizované vody se poměr bobtnání gelu Fc-celulosa/β-CD-celulosa snížil z 3330 % (w/w) (obr. 6) na 73,06 % (w/w) (obr. 7). Velikost pórů superabsorpčního gelu ukázala, že to byla právě schopnost zadržovat vodu, která způsobila účinnost absorpce. Lze pozorovat, že větší počet pórů dokáže zadržet více vody. Obrázek 8 ukazuje morfologii lyofilizace celulosového gelu a Fc-celulosového/β-CD-celulosového gelu; ve srovnání s celulosovým gelem měl Fc-celulosový/β-CD-celulosový gel hustší strukturu pórů. Po vysušení gelu se hustá pórová struktura snadno zhroutila a uzavřela; proto byl poměr opětovného rozpouštění Fc-celulosového/β-CD-celulosového gelu špatný.
Poměr opětovného rozpouštění hydrogelu Fc-celulosa/β-CD-celulosa.
(a)
(b)
(a)
(b)
Snímky SEM gelu ((a) celulózového hydrogelu a (b) Fc-celulosa/β-CD-celulosový hydrogel).
3.6. Morfologie povrchu gelu
Morfologie povrchu gelu je rovněž znázorněna na obrázku 8. Stejnou metodou byly připraveny gely inkluzních komplexů celulosa a Fc-celulosa/β-CD-celulosa. Celulosový gel (obr. 8a) měl poměrně velkou porézní strukturu; stejně jako inkluzní komplexy Fc-celulosa/β-CD-celulosa měl gel poměrně hustou povrchovou strukturu. To mohlo být způsobeno odlišnými mezimolekulárními silami vznikajícími v důsledku změny struktury molekulárního řetězce celulosy.
4. Závěry
Ferrocen a cyklodextrin byly naroubovány na povrch celulosy, resp. Fc-celulózou a β-CD-celulózou byl při pokojové teplotě připraven fyzikální gel z celulózy. β-CD-celulosa a Fc-celulosa mohou tvořit inkluzní komplexy. Kromě toho lze oxidaci a redukci stavu ferrocenu upravovat chlornanem sodným (NaClO) jako oxidantem a glutathionem (GSH) jako reduktantem. Přechod sol-gel lze řídit. Pevnost v tlaku gelu Fc-celulosa/β-CD-celulosa se zvyšovala se zvyšující se koncentrací celulosy. Interakce hostitel-host mezi postranními řetězci celulosy může gel zpevnit. Proto se předpokládalo, že tyto hojivé vlastnosti reagující na podněty mohou být nakonec využity v různých biomedicínských aplikacích.
Konflikt zájmů
Autoři prohlašují, že v souvislosti s publikováním tohoto článku nedošlo ke konfliktu zájmů.
Poděkování
Tento článek vznikl za podpory „Fundamental Research Funds for the Central Universities“ a „Guangxi Key Laboratory of chemistry and Engineering of Forest Products Open Fund Project GXFC12-03“
.