Abstract
Cellulose mit β-Cyclodextrin (β-CD) wurde als Wirtsmolekül und Cellulose mit Ferrocen (Fc) als Gastpolymer verwendet. Infrarotspektren, Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC), Ultraviolett-Spektroskopie (UV) und Kontaktwinkelanalyse wurden zur Charakterisierung der Materialstruktur und des Einschlussverhaltens verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass die β-CD-Zellulose und die Fc-Zellulose Einschlusskomplexe bilden können. Darüber hinaus kann die Ferrocenoxidation und -reduktion durch Natriumhypochlorit (NaClO) als Oxidationsmittel und Glutathion (GSH) als Reduktionsmittel eingestellt werden. In dieser Studie wurde ein physikalisches Gel auf der Basis von β-CD-Cellulose/Fc-Cellulose unter milden Bedingungen gebildet, bei denen nach 24 Stunden eine autonome Heilung zwischen den Schnittflächen stattfand. Das physikalische Gel kann im Sol-Gel-Übergang kontrolliert werden. Die Druckfestigkeit des Fc-Cellulose/β-CD-Cellulose-Gels nahm mit steigender Cellulosekonzentration zu. Die Wirt-Gast-Wechselwirkung zwischen den Seitenketten der Cellulose könnte das Gel stärken. Das physikalische Cellulosegel kann möglicherweise als stimulusabhängiges, heilendes Material in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt werden.
1. Einleitung
In Anbetracht der zunehmenden Umwelt- und Energieprobleme hat Cellulose aus natürlicher Biomasse in den letzten Jahren immer mehr Aufmerksamkeit erhalten. Cellulose ist das am häufigsten vorkommende natürlich vorkommende Glukosepolymer, das als Hauptbestandteil von Pflanzen und Naturfasern wie Baumwolle und Leinen vorkommt und als erneuerbare und nachhaltige Rohstoffquelle gilt, um die steigende Nachfrage nach umweltfreundlichen und energieerzeugenden Produkten zu befriedigen. Hydrogele auf Cellulosebasis sind biokompatible und biologisch abbaubare Materialien, die für eine Reihe industrieller Anwendungen vielversprechend sind, insbesondere in Fällen, in denen Umweltfragen eine Rolle spielen. Solche natürlichen Polysaccharide werden aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie hohe Quellfähigkeit, Biokompatibilität, biologische Abbaubarkeit und biologische Funktionen in verschiedenen Bereichen wie der Abwasserbehandlung, der Lebensmittelindustrie, der Kosmetik, der Biomedizin, der Pharmazie und der Gewebezüchtung für die Herstellung von Gelen verwendet.
Cellulose, das am häufigsten vorkommende erneuerbare Polysaccharid auf der Erde, ist ein guter Kandidat für die Herstellung von Gelen, und es wurde über Gele auf Cellulosebasis berichtet, darunter Cellulose-Polymer-Verbundgele und Cellulose-anorganische Hybridgele. Das Design und die Verwendung von Hydrogelen auf Zellulosebasis, die in der Regel ihre biologische Abbaubarkeit mit einem intelligenten, reizempfindlichen Verhalten verbinden, sowie die große Verfügbarkeit von Zellulose in der Natur und die niedrigen Kosten von Zellulosederivaten machen Hydrogele auf Zellulosebasis besonders attraktiv.
Gele auf Zellulosebasis können entweder durch physikalische oder chemische Stabilisierung von wässrigen Lösungen von Zellulosestoffen erhalten werden. Gele auf Cellulosebasis, die entweder reversibel oder stabil sind, können durch geeignete Vernetzung wässriger Lösungen von Celluloseethern , wie Methylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Ethylcellulose (EC), Hydroxyethylcellulose (HEC) und Natriumcarboxymethylcellulose (NaCMC), die zu den am häufigsten verwendeten Cellulosederivaten gehören, gebildet werden. Je nach verwendetem Cellulosederivat kann eine Reihe von Vernetzungsmitteln und Katalysatoren zur Gelbildung eingesetzt werden. Epichlorhydrin, Aldehyde, Reagenzien auf Aldehydbasis, Harnstoffderivate, Carbodiimide und multifunktionelle Carbonsäuren sind die am häufigsten verwendeten Vernetzungsmittel für Cellulose. In den letzten Jahren haben Cellulosegele aus Gründen der Materialverwendung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Supramolekulare Cellulosematerialien, die durch nicht-kovalente Bindungen verbunden sind, haben viel mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen und wurden umfassend untersucht; ihre Reaktionsfähigkeit auf die äußere Umgebung, wie Temperatur, pH-Wert und Medizin (Träger für die Freisetzung von Medikamenten) waren von besonderem Interesse.
Es gibt jedoch nur wenige Berichte über die Anwendung von Cellulosegelen in der Heilung. In dieser Studie wurde ein neuartiges physikalisches Cellulosegel aus β-CD-Cellulose und Fc-Cellulose synthetisiert. Die Wirt-Gast-Wechselwirkung zwischen der β-CD-Zellulose und der Fc-Zellulose, der Sol-Gel-Übergang und die Redox-Stimuli-Eigenschaften des supramolekularen Materials wurden ebenfalls untersucht.
2. Experimentelles
2.1. Material und Methoden
Cellulose, β-Cyclodextrin, Epichlorhydrin, Natriumhydroxid, Lithiumchlorid, N,N-Dimethylacetamid, Methylenchlorid, Ferrocencarbonsäure, Oxalylchlorid, Natriumhypochlorit und Glutathion waren im Handel erhältlich und wurden wie erhalten verwendet.
IR-Spektren wurden mit FTIR (Nicolet iN10 Thermo Fisher Scientific China) im Bereich von 400-4000 cm-1 aufgenommen. DSC-Messungen wurden mit einem Diamant-DSC-Gerät (NETZSCHDSC 204) durchgeführt. Die getrockneten Proben wurden in druckdichten Aluminium-DSC-Zellen bei einer Temperatur von 20 bis 150 °C und einer Aufheizrate von 10 °C pro Minute gelagert. Die Oberflächenkontaktwinkel wurden mit einem dynamischen Kontaktwinkelanalysator (HARKE-SPCA, Fehlerwert von ±0,1°, Beijing HARKE Experimental Instrument Factory) gemessen. Die Zellulosepulverproben wurden mit einer Infrarottablette verdichtet. Die Oberflächenkontaktwinkel wurden gemessen, während die Flüssigkeit 1 s lang auf die Testmaterialien einwirkte, um Faktoren der Materialpenetration so weit wie möglich zu vermeiden. Die morphologische Charakterisierung der Gele erfolgte mittels Rasterelektronenmikroskopie (S-3400N, HIACHI, Japan).
Die gravimetrische Methode wurde zur Messung der Quellungsverhältnisse der Gele in destilliertem Wasser bei 25°C verwendet. Nach dem Eintauchen in destilliertes Wasser für etwa 48 Stunden, um das Quellungsgleichgewicht zu erreichen, wurden die Gelproben entnommen und gewogen, nachdem das überschüssige Wasser auf den Oberflächen entfernt worden war. Es wurden jeweils drei Proben gemessen, und der Durchschnittswert der drei Messungen wurde ermittelt. Das Quellungsverhältnis im Gleichgewicht (SR) wurde wie folgt berechnet, wobei das Gewicht des gequollenen Gels und das Gewicht des Gels im trockenen Zustand ist.
Die Quellungsverhältnisse der Gele wurden wie folgt gemessen: Das trockene Gel wurde in deionisiertes Wasser von 25°C gelegt. Zu einem bestimmten Zeitpunkt wurden die Gelproben aus der wässrigen Lösung entnommen und die Qualität gewogen, bis das Quellungsgleichgewicht erreicht war. Quellungsrate:
2.2. Herstellung von Cellulose-Einschlusskomplexen
2.2.1. Herstellung von Cellulose-CDs
Cellulose wurde in Natriumhydroxid/Harnstoff aufgelöst. Zu dieser Lösung wurden Cyclodextrin und Epichlorhydrin hinzugefügt. Nach 2 Stunden Rühren wurde β-CD zugegeben und die Lösung weitere 12 Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Das Polymerprodukt wurde aus destilliertem Wasser wieder ausgefällt und mit destilliertem Wasser gewaschen. Der Substitutionsgrad beträgt 0,32 Gew.-%, was mit der Phenolphthalein-Sondenmethode nachgewiesen wurde.
In wässriger NaOH-Lösung bilden Cellulose und Epichlorhydrin die Epoxycellulose, die das Hydroxy des β-Cyclodextrins über die Epoxygruppe als Vernetzungsbrücke verbindet.
2.2.2. Synthese von Fc-COCl
Ferrocencarbonsäure wurde in Dichlormethan (DCM) suspendiert. Dann wurde Oxalylchlorid tropfenweise zugegeben und die Suspension 3 Stunden lang bei Raumtemperatur gerührt. Die orangefarbene Suspension verwandelte sich in eine rote Lösung. Nach Verdampfen des Lösungsmittels wurde das feste Produkt gesammelt.
2.2.3. Synthese von Cellulose-Fc
Cellulose wurde in Lithiumchlorid/Dimethylacetamid (LiCl/DMAc) aufgelöst. Die Ferrocencarbonsäurechlorid-Lösung wurde tropfenweise zugegeben. Nach Rühren über Nacht bei Raumtemperatur wurde die Lösung mit destilliertem Wasser gewaschen. Der orangefarbene Feststoff wurde mit Lithiumchlorid gewaschen; das feste Produkt wurde mit einer Zentrifuge gesammelt und 4 Tage lang bei 50°C getrocknet, um Cellulose-Fc als gelbes Pulver zu erhalten. Die Ferrocen-Pfropfung beträgt 0,57~5,7 Gew.-%, was durch Wiegen vor und nach der Cellulosereaktion festgestellt wurde.
2.2.4. Herstellung des Redox-Einschlusskomplexes
Die Produkte im oxidierten Zustand (oder im Edukt-Zustand) wurden durch Schütteln entsprechender Mengen von NaClO aq. (14 mM) (oder GSH) und Fc-CD-Cellulose-Einschlusskomplexe (oder Produkte im oxidierten Zustand) bei Raumtemperatur 24 h lang geschüttelt wurden. Die Lösung wurde mit destilliertem Wasser gewaschen, dann wurde das feste Produkt mittels einer Zentrifuge gesammelt und gefriergetrocknet. Ein Komplexgemisch wurde durch 20-minütiges Mahlen von Pulvern hergestellt.
2.2.5. Synthese von Cellulosegel
Die Ferrocen-Cellulose und Cyclodextrin-Cellulose wurden in N,N-Dimethylformamid (DMF) Lithiumchloridlösung gelöst. Wir gossen die Lösung in eine Glasform in einem feuchten Kasten, bis das Gel stabilisiert war.
3. Ergebnisse und Diskussion
3.1. Charakterisierung
Abbildung 1 (Kurve (a)) und Abbildung 1 (Kurve (b)) zeigen die Infrarotspektren der Cellulose und β-CD-Cellulose. Gemäß Abbildung 1 (Kurven (a) und (b)) wurden Absorptionen bei 3380 cm-1 (Hydroxyl-Strecke, beeinflusst durch Wasserstoffbrückenbindungen), 1646 cm-1 und 1354 cm-1 (Carbonyl-Strecke), 1043 cm-1 (Carboxyl in Ethern) und 2920 cm-1 (Methylen) beobachtet, die charakteristische Absorptionen in Cellulose- und β-CD-Cellulose-Strukturen sind. Wie aus Abbildung 1 (Kurve (c)) ersichtlich, waren die charakteristischen Peaks von Ferrocen-Cellulose 1402 cm-1, 1100 cm-1 VC-C (Cyclopentadienylring) und 816 cm-1 DC-H (Cyclopentadienylring). Die charakteristischen Peaks von Ferrocen verschwanden aus den Infrarotspektren der Umhüllung der Einschlussverbindung (Kurve (d)). Dies deutet darauf hin, dass sich in dem Einschlusskomplex Ferrocen-Cellulose und Cyclodextrin-Cellulose gebildet haben. Ähnliche Befunde wurden in der Literatur berichtet.
Infrarotspektren von Cellulose ((a) Cellulose, (b) Cellulose-CD, (c) Cellulose-Fc und (d) Cellulose-CD-Fc-Einschluss).
3.2. Thermische Analyse
Die Kurven der thermischen Analyse der cellulosischen Einschlusskomplexe sind in Abbildung 2 dargestellt, wo zu sehen ist, dass die Kurve (a) der Cellulose fast eine gerade Linie ist, aber die Kurven (b) (CD-Cellulose) und (e) (einfache physikalische Mischung von CD-Cellulose und Fc-Cellulose) hatten einen starken exothermen Peak (Cyclodextrin-Dehydratisierungs-Absorptionspeaks bei 88.9°C bzw. 95,9°C), der dem Verlust von Wasser aus dem CD-Hohlraum an die Atmosphäre entspricht, was darauf hindeutet, dass CD in der physikalischen Mischung frei von Gastkomplexen war. Andernfalls zeigte die Kurve (d) (der Einschlusskomplex) keine endothermen Spitzen, was darauf hindeutet, dass in der CD-Kavität anstelle der Wassermoleküle ein anderes Molekül vorhanden war und in der Komplexprobe kein reines CD vorhanden war. Ähnliche Ergebnisse wurden in der Literatur für Wechselwirkungen zwischen anderen Arzneimitteln und CDs berichtet.
DSC-Kurven der Cellulose-Serien ((a) Cellulose, (b) Cellulose-CD, (c) Cellulose-Ferrocen, (d) Cellulose-CD-Ferrocen-Einschluss, (e) einfache Mischung von Cellulose-Ferrocen und Cellulose-CD).
3.3. Die Redox-Eigenschaften
Der Redox-Regulationsprozess von ferrocenhaltigen Einschlusskomplexen wurde ausgiebig untersucht.
Die Wirt-Gast-Wechselwirkung zwischen dem Metall-Ferrocen und β-CD kann auch eine reversible Regulation durch Oxidation und Reduktion des Ferrocen sein. Vor mehr als 20 Jahren wurde berichtet, dass das reduzierte Ferrocen effektiv eine Einschlussverbindung mit dem β-CD bildet, während die Oxidation des Ferrocen unmöglich war. Ferrocen ist in seinem reduzierten Zustand hydrophob und in seinem oxidierten Zustand hydrophil. Die reversible Regulierung der Einschlusskomplexe, die einen binären Komplex bilden, kann durch Änderung des Redoxzustands des Ferrocen erreicht werden. Daher wurde erwartet, dass die Cellulosematerialien durch das Aufpfropfen von Ferrocen auf die Cellulose eine Redoxreaktion aufweisen.
Die Wirt-Gast-Wechselwirkung zwischen dem Metallferrocen und β-CD kann auch eine reversible Regulierung durch Oxidation und Reduktion des Ferrocen sein. Vor mehr als 20 Jahren wurde berichtet, dass das Ferrocen reduzierte Formen der Einschlussverbindung mit dem β-CD effektiv, während das Ferrocen oxidiert ist im Grunde unmöglich . Das Ferrocen ist im reduzierten Zustand hydrophob und im oxidierten Zustand hydrophil. Die reversible Regulierung der Einschlusskomplexe in Form von binären Komplexen kann durch Änderung des Redox-Zustands des Ferrocen erreicht werden. Daher wird erwartet, dass die Cellulosematerialien durch die Aufpfropfung von Ferrocen auf die Cellulose ein Redoxverhalten zeigen.
Das Redoxverhalten von Ferrocen wurde durch Messung des Oberflächenkontaktwinkels mit Wasser untersucht. Der Cyclodextrin-Cellulose-Kontaktwinkel betrug 59,6° (Abbildung 3(a)) und der Ferrocen-Cellulose-Kontaktwinkel 82,1° (Abbildung 3(b)). Der Kontaktwinkel änderte sich von 82,1° auf 61,2° (Abbildung 3(c)), als die Ferrocen-Cellulose und die Cyclodextrin-Cellulose Einschlusskomplexe bildeten. Dies zeigt, dass das Ferrocen ein Einschluss in der Cyclodextrinhöhle war.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Kontaktwinkelbilder der Serien von Cellulose ((a) Cellulose-CD, (b) Cellulose-Ferrocen, (c) Cellulose-CD-Ferrocen-Einschluss, (d) NaClO-behandelte Probe und (e) GSH-behandelte Probe).
Als Oxidationsmittel wurde wässriges NaClO und als Reduktionsmittel GSH gewählt. Die Zugabe von wässrigem NaClO zu den Cellulose-βCD/Cellulose-Fc-Einschlusskomplexen erhöhte den Kontaktwinkel von 61,2° auf 71,7° (Abbildung 3(d)). Im Gegensatz dazu wurde durch die kontinuierliche Zugabe von GSH zu den Einschlusskomplexen die Fc-Gruppe wiederhergestellt, so dass der Kontaktwinkel auf seinen früheren Wert zurückging (Abbildung 3(e)). Cellulose-β-CD zeigte aufgrund seiner hydrophoben Natur eine hohe Affinität für den reduzierten Zustand der Fc-Gruppe, während der oxidierte Zustand der Fc-Gruppe (Fc+) aufgrund der kationischen Fc+-Gruppe eine geringe Affinität für Cellulose-β-CD aufwies. Darüber hinaus wiesen die Cellulose-Einschlusskomplexe hervorragende Verriegelungs- und Entriegelungseigenschaften auf, die durch das Redox von Ferrocen gesteuert wurden.
3.4. Die Druckfestigkeit von Fc-Cellulose/β-CD-Cellulosegel
Gele bestehen aus einem dreidimensionalen hydrophilen Polymernetzwerk, in das eine große Menge Wasser eingelagert ist. Das Vernetzungsverhältnis des Netzwerks ist wichtig für die mechanischen Eigenschaften. Mit der Erhöhung der Cellulosekonzentration von 1 % (w/w) auf 5 % (w/w) stieg die Festigkeit des Gels von 5 kPa auf 100,5 kPa (Abbildung 4). Dies war darauf zurückzuführen, dass die Anzahl der Vernetzungsstellen pro Volumeneinheit des Netzwerks mit zunehmender Anzahl funktioneller Gruppen an der Molekülkette zunahm, was durch die erhöhte Konzentration von Cellulose verursacht wurde. Ähnliche Verbesserungen der mechanischen Festigkeit wurden auch bei Erhöhung des Vernetzungsgrades durch Änderung des Pfropfungsverhältnisses von Fc beobachtet. Die Druckfestigkeit des Fc-Cellulose/β-CD-Cellulose-Gels änderte sich von 13,32 kPa auf 40,97 kPa, als sich das Pfropfverhältnis von Fc von 0,57 % (w/w) auf 5,66 % (w/w) änderte (Abbildung 5), was darauf hindeutet, dass die Wirt-Gast-Wechselwirkung zwischen den Seitenketten der Cellulose an der Bildung der dreidimensionalen Netzwerkstruktur des Gels beteiligt war und auch seine Festigkeit beeinflusste.
Die Druckfestigkeit bei unterschiedlichem Cellulosegehalt ((a) 1 Gew.-%, (b) 3 Gew.-%, (c) 4 Gew.-% und (d) 5 Gew.-%).
Die Druckfestigkeit unterschiedlicher Pfropfanteile von Ferrocen ((a) 5.66 Gew.-%, (b) 2,83 Gew.-%, (c) 1,41 Gew.-%, (d) 0,57 Gew.-%).
3.5. Die Wasseraufnahme von Fc-Cellulose/β-CD-Cellulose-Gel
Das Quellungsverhältnis des Gels war die wichtigste Variable, die für die gegebenen Umgebungsbedingungen zu bewerten war, da es die diffusiven, mechanischen, optischen, akustischen und Oberflächeneigenschaften des Gels selbst beeinflusste. Das Quellungsverhältnis des Fc-Zellulose/β-CD-Zellulosegels nahm mit steigender Zellulosekonzentration ab (Abbildung 6). Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Wassermenge, die von den Maschen des Hydrogelnetzes zurückgehalten wird, von der Struktur des Polymernetzes selbst abhängt. Das Fc-Cellulose/β-CD-Cellulose-Gel wurde durch die richtige Vernetzung der Celluloseketten gebildet. Die Anzahl der Vernetzungsstellen pro Volumeneinheit des Polymernetzwerks nahm mit steigender Cellulosekonzentration zu. Der höhere Vernetzungsgrad war der Diffusion von Wassermolekülen nicht förderlich.
Das Quellungsverhältnis des Fc-Cellulose/β-CD-Cellulose-Hydrogels.
Das Quellverhältnis des Fc-Cellulose/β-CD-Cellulose-Gels verringerte sich von 3330% (w/w) (Abbildung 6) auf 73,06% (w/w) (Abbildung 7), als das trockene Gel wieder in deionisiertes Wasser gelegt wurde. Die Porengrößen des superabsorbierenden Gels zeigten, dass die Wasserrückhaltekapazität für die Absorptionseffizienz ausschlaggebend war. Es ist zu beobachten, dass eine größere Anzahl von Poren mehr Wasser zurückhalten kann. Abbildung 8 zeigt die Gefriertrocknungsmorphologie des Cellulosegels und des Fc-Cellulose/β-CD-Cellulosegels; im Vergleich zum Cellulosegel hatte das Fc-Cellulose/β-CD-Cellulosegel eine dichtere Porenstruktur. Nach dem Trocknen des Gels wurde die dichte Porenstruktur leicht kollabiert und eingeschlossen; daher war das Quellverhältnis des Fc-Cellulose/β-CD-Cellulose-Gels schlecht.
Das Quellverhältnis des Fc-Cellulose/β-CD-Cellulose-Hydrogels.
(a)
(b)
(a)
(b)
Die REM-Aufnahmen des Gels ((a) Cellulosehydrogel und (b) Fc-Cellulose/β-CD-Cellulose-Hydrogel).
3.6. Die Oberflächenmorphologie des Gels
Die Oberflächenmorphologie des Gels ist ebenfalls in Abbildung 8 dargestellt. Die Gele aus Cellulose und Fc-Cellulose/β-CD-Cellulose-Einschlusskomplexen wurden nach demselben Verfahren hergestellt. Das Cellulosegel (Abbildung 8(a)) hatte eine relativ große, poröse Struktur; ebenso wie die Fc-Cellulose/β-CD-Cellulose-Einschlusskomplexe hatte das Gel eine relativ dichte Oberflächenstruktur. Dies könnte auf die unterschiedlichen intermolekularen Kräfte zurückzuführen sein, die sich aus der Veränderung der Molekülkettenstruktur der Cellulose ergeben.
4. Schlussfolgerungen
Ferrocen und Cyclodextrin wurden jeweils auf die Celluloseoberfläche aufgepfropft. Das physikalische Cellulosegel wurde aus Fc-Cellulose und β-CD-Cellulose bei Raumtemperatur hergestellt. Die β-CD-Cellulose und die Fc-Cellulose können Einschlusskomplexe bilden. Außerdem kann die Oxidation und Reduktion des Ferrocen-Zustands durch Natriumhypochlorit (NaClO) als Oxidationsmittel und Glutathion (GSH) als Reduktionsmittel eingestellt werden. Der Sol-Gel-Übergang kann kontrolliert werden. Die Druckfestigkeit des Fc-Cellulose/β-CD-Cellulose-Gels nimmt mit steigender Cellulosekonzentration zu. Die Wirt-Gast-Wechselwirkung zwischen den Seitenketten der Cellulose kann das Gel stärken. Daher wurde angenommen, dass diese auf Reize reagierenden, heilenden Eigenschaften in verschiedenen biomedizinischen Anwendungen genutzt werden könnten.
Interessenkonflikt
Die Autoren erklären, dass es keinen Interessenkonflikt im Zusammenhang mit der Veröffentlichung dieser Arbeit gibt.
Danksagungen
Diese Arbeit wurde von den „Fundamental Research Funds for the Central Universities“ und dem „Guangxi Key Laboratory of chemistry and Engineering of Forest Products Open Fund Project GXFC12-03“ unterstützt.