Abstract
Cellulose met β-cyclodextrine (β-CD) werd gebruikt als gastmolecule en cellulose met ferroceen (Fc) als gastpolymeer. Infraroodspectra, differentiële scanning calorimetrie (DSC), ultraviolet spectroscopie (UV) en contacthoekanalyse werden gebruikt om de materiaalstructuur en het insluitgedrag te karakteriseren. Uit de resultaten bleek dat de β-CD-cellulose en de Fc-cellulose inclusiecomplexen kunnen vormen. Bovendien kan de oxidatie van ferroceen en de reductie van de toestand worden geregeld door natriumhypochloriet (NaClO) als oxidant en glutathion (GSH) als reductant. In deze studie werd een fysische gel op basis van β-CD-cellulose/Fc-cellulose gevormd onder milde omstandigheden waarbij autonome genezing tussen snijvlakken optrad na 24 uur. De fysische gel kan worden gecontroleerd in de sol-gel overgang. De druksterkte van de Fc-cellulose/β-CD-cellulose-gel nam toe met toenemende celluloseconcentratie. De gastheer-gastheer interactie tussen de zijketens van cellulose kan de gel versterken. De cellulose fysische gel kan uiteindelijk worden gebruikt als een stimulus-responsief, genezend materiaal in biomedische toepassingen.
1. Inleiding
In het licht van de toegenomen bezorgdheid over milieu en energie, heeft cellulose op basis van natuurlijke biomassa de laatste jaren steeds meer aandacht gekregen. Cellulose is het meest voorkomende natuurlijk voorkomende polymeer van glucose, gevonden als hoofdbestanddeel van planten en natuurlijke vezels zoals katoen en linnen en wordt beschouwd als een hernieuwbare en duurzame bron van grondstof om aan de toenemende vraag naar milieuvriendelijke en energieopwekkende producten te voldoen . Op cellulose gebaseerde hydrogels zijn biocompatibele en biologisch afbreekbare materialen die veelbelovend zijn voor een aantal industriële toepassingen, vooral in gevallen waarin milieukwesties een belangrijke rol spelen. Dergelijke natuurlijke polysacchariden zijn op grote schaal gebruikt voor de bereiding van gels op verschillende gebieden , bijvoorbeeld: afvalwaterbehandeling, de voedingsindustrie, cosmetica, biomedische, farmaceutische en tissue engineering toepassingen, vanwege hun unieke eigenschappen zoals een hoog zwelvermogen, biocompatibiliteit, biologische afbreekbaarheid, en biologische functies.
Cellulose, th cellulose, de meest overvloedige hernieuwbare polysaccharide op aarde, is een sterke kandidaat voor de fabricage van gels en op cellulose gebaseerde gels zijn gemeld, waaronder cellulose-polymeer composiet gels en cellulose-inorganische hybride gels. Het ontwerp en het gebruik van op cellulose gebaseerde hydrogels, die gewoonlijk hun biologische afbreekbaarheid koppelen aan een slim stimulusgevoelig gedrag, samen met de grote beschikbaarheid van cellulose in de natuur en de lage kosten van cellulosederivaten, maken op cellulose gebaseerde hydrogels bijzonder aantrekkelijk.
Gels op cellulosebasis kunnen worden verkregen door fysische of chemische stabilisatie van waterige oplossingen van celluloseverbindingen. Op cellulose gebaseerde gels, omkeerbaar of stabiel, kunnen worden gevormd door waterige oplossingen van cellulose-ethers , zoals methylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, ethylcellulose (EC), hydroxyethylcellulose (HEC), en natriumcarboxymethylcellulose (NaCMC), die tot de meest gebruikte cellulosederivaten behoren, op de juiste wijze te verknopen. Afhankelijk van het gebruikte cellulosederivaat kan een aantal cross-linking agents en katalysatoren worden gebruikt om gels te vormen. Epichloorhydrine, aldehyden, reagentia op basis van aldehyden, ureumderivaten, carbodiimiden en multifunctionele carboxylzuren zijn de meest gebruikte cross-linking agentia voor cellulose. In het licht van de bezorgdheid over materiaaltoepassingen hebben cellulosegels de laatste jaren steeds meer aandacht gekregen. Cellulose supramoleculaire materialen verbonden door niet-covalente bindingen hebben veel meer aandacht getrokken en zijn op grote schaal bestudeerd ; hun reactievermogen op de externe omgeving , zoals temperatuur , pH , en medicijnen (drug release dragers) zijn van bijzonder belang.
Echter, er zijn weinig rapporten over de toepassing van cellulose gel gebruikt in genezing. In deze studie werd een nieuwe cellulose fysische gel gesynthetiseerd door β-CD-cellulose en Fc-cellulose. De gastheer-gast interactie tussen de β-CD-cellulose en de Fc-cellulose, de sol-gel overgang, en de redox stimuli eigenschappen van het supramoleculaire materiaal werden ook bestudeerd.
2. Experimenteel
2.1. Materiaal en Methoden
Cellulose, β-cyclodextrine, epichloorhydrine, natriumhydroxide, lithiumchloride, N,N-dimethylacetamide, methyleenchloride, ferroceencarboxylzuur, oxalylchloride, natriumhypochloriet en glutathion waren in de handel verkrijgbaar en werden gebruikt zoals ontvangen.
IR-spectra werden opgenomen met FTIR (Nicolet iN10 Thermo Fisher Scientific China) in het gebied van 400-4000 cm-1. DSC-metingen werden uitgevoerd met een Diamond DSC-apparaat (NETZSCHDSC 204). De gedroogde monsters werden in drukdichte aluminium DSC-cellen geplaatst van 20 tot 150°C met een verwarmingssnelheid van 10°C min-1. De oppervlaktecontacthoeken werden gemeten met een dynamische contacthoekanalysator (HARKE-SPCA, foutwaarde van ±0,1°, Beijing HARKE Experimental Instrument Factory). De cellulose poedermonsters werden samengeperst met behulp van een infrarood tablet. De oppervlaktecontacthoeken werden gemeten tijdens de blootstelling van de testmaterialen aan vloeistof gedurende 1 s, om de penetratiefactoren van het materiaal zoveel mogelijk te vermijden. De morfologische karakterisering van de gel werd uitgevoerd met een rasterelektronenmicroscopie (S-3400N, HIACHI, Japan).
De gravimetrische methode werd gebruikt om de zwelratio’s van de gels te meten in gedestilleerd water bij 25°C. Na onderdompeling in gedestilleerd water gedurende ongeveer 48 uur om zwellingsevenwicht te bereiken, werden de gelmonsters eruit gehaald en gewogen na verwijdering van het overtollige water op de oppervlakken. Er werden drie monsters gemeten, en de gemiddelde waarde van drie metingen werd genomen. De evenwichtszwelverhouding (SR) werd berekend als , waarbij het gewicht van de gezwollen gel en het gewicht van de gel in droge toestand is.
De zwelverhoudingen van de gels werden als volgt gemeten: de droge gel werd in gedeïoniseerd water van 25°C gelegd. Op vooraf bepaalde tijdstippen werden de gelmonsters uit de waterige oplossing genomen en werd de kwaliteit gewogen, totdat het zwellingsevenwicht was bereikt. Opzwelsnelheid : .
2.2. Voorbereiding van cellulose-inclusiecomplexen
2.2.1. Voorbereiding van Cellulose-CD’s
Cellulose werd opgelost in natriumhydroxide/ureum. Aan deze oplossing werden cyclodextrine en epichloorhydrine toegevoegd. Na 2 uur roeren werd β-CD toegevoegd en werd de oplossing nog eens 12 uur bij kamertemperatuur geroerd. Het polymeerproduct werd gereprecipiteerd uit gedestilleerd water en gewassen met gedestilleerd water. De substitutiegraad is 0,32 wt%, die werd gedetecteerd door de fenolftaleïnesonde methode.
In NaOH waterige oplossing, cellulose en epichloorhydrine genereren de epoxy cellulose, die hydroxy van β-cyclodextrine verbonden door de epoxy groep als een cross-linking brug.
2.2.2. Synthese van Fc-COCl
Ferrocenecarbonzuur werd gesuspendeerd in dichloormethaan (DCM). Vervolgens werd druppelsgewijs oxalylchloride toegevoegd en de suspensie werd gedurende 3 uur bij kamertemperatuur geroerd. De oranje suspensie veranderde in een rode oplossing. Na verdamping van het oplosmiddel werd het vaste product opgevangen.
2.2.3. Synthese van Cellulose-Fc
Cellulose werd opgelost in lithiumchloride/dimethylacetamide (LiCl/DMAc). De ferroconecarboxylchloride-oplossing werd druppelsgewijs toegevoegd. Na een nacht roeren bij kamertemperatuur werd de oplossing gewassen met gedestilleerd water. De oranje vaste stof werd gewassen met lithiumchloride; het vaste product werd via een centrifuge opgevangen en 4 dagen bij 50°C gedroogd om cellulose-Fc als geel poeder te verkrijgen. De ferroceen-enting bedraagt 0,57~5,7 wt%, hetgeen werd vastgesteld door weging voor en na de cellulosereactie.
2.2.4. Voorbereiding van Redox Inclusion Complex
De geoxideerde toestand (of educed toestand) producten werden bereid door het schudden van passende hoeveelheden NaClO aq. (14 mM) (of GSH) en Fc-CD-cellulose inclusie complexen (of geoxideerde toestand producten) bij kamertemperatuur gedurende 24 uur. De oplossing werd gewassen met gedestilleerd water en vervolgens werd het vaste product verzameld via een centrifuge en gevriesdroogd. Een complex mengsel werd bereid door de poeders gedurende 20 min. te malen.
2.2.5. Synthese van cellulosegel
De ferroceen-cellulose en de cyclodextrine-cellulose werden opgelost in N,N-dimethylformamide (DMF) lithiumchloride-oplossing. We goten de oplossing in een glazen mal in een vochtige doos totdat de gel gestabiliseerd was.
3. Resultaten en Discussie
3.1. Karakterisering
Figuur 1 (curve (a)) en figuur 1 (curve (b)) tonen de infraroodspectra van de cellulose en de β-CD-cellulose. Volgens figuur 1 (curven (a) en (b)), werd absorptie waargenomen bij 3380 cm-1 (hydroxyl stretch beïnvloed door waterstofbinding), 1646 cm-1 en 1354 cm-1 (carbonyl stretch), 1043 cm-1 (carboxyl in ethers), en 2920 cm-1 (methyleen), die karakteristieke absorpties in cellulose en β-CD-cellulose structuren waren. Zoals blijkt uit figuur 1 (curve c)) waren de karakteristieke pieken van ferroceen-cellulose 1402 cm-1, 1100 cm-1 VC-C (cyclopentadienylring), en 816 cm-1 DC-H (cyclopentadienylring). De karakteristieke pieken van ferroceen verdwenen uit de infraroodspectra van het omhulsel van de inclusieverbinding (curve d)). Dit wees erop dat de ferroceen-cellulose en de cyclodextrine-cellulose in het inclusiecomplex zijn gevormd. Vergelijkbare bevindingen werden gerapporteerd in de literatuur .
Infraroodspectra van cellulose ((a) cellulose, (b) cellulose-CD, (c) cellulose-Fc, en (d) cellulose-CD-Fc inclusie).
3.2. Thermische analyse
De thermische analysekrommen van de cellulose-insluitingscomplexen worden getoond in figuur 2, waar te zien is dat de kromme (a) van cellulose bijna een rechte lijn is, maar de krommen (b) (CD-cellulose) en (e) (eenvoudige fysische menging van CD-cellulose en Fc-cellulose) hadden een sterke exotherme piek (cyclodextrine-absorptiepieken voor dehydratie bij 88.9°C en 95,9°C), die overeenkomen met het verlies van water uit de CD-holte naar de atmosfeer, wat erop wijst dat CD in het fysische mengsel vrij was van gastcomplexatie. Anders vertoonde de curve (d) (het inclusiecomplex) een gebrek aan endotherme pieken, wat erop wijst dat een ander molecuul in de CD-holte aanwezig was in plaats van de watermoleculen en een gebrek aan zuivere CD in het complexmonster. Vergelijkbare resultaten werden in de literatuur gerapporteerd voor interacties tussen andere geneesmiddelen en CD’s .
DSC-curven van de series cellulose ((a) cellulose, (b) cellulose-CD, (c) cellulose-ferroceen, (d) cellulose-CD-ferroceeninsluiting, (e) eenvoudige vermenging van cellulose-ferroceen, en cellulose-CD).
3.3. De Redox-eigenschappen
Het redox-regulatieproces van insluitingscomplexen die ferroceen bevatten, is uitgebreid bestudeerd.
De gastheer-gastheerinteractie tussen het metaalferroceen met β-CD kan ook een omkeerbare regulatie zijn door oxidatie en reductie van het ferroceen. Meer dan 20 jaar geleden werd gerapporteerd dat het gereduceerde ferroceen effectief een inclusieverbinding vormt met het β-CD, terwijl de oxidatie van het ferroceen onmogelijk was . De aard van ferroceen is hydrofoob in zijn gereduceerde toestand en hydrofiel in zijn geoxideerde toestand. De omkeerbare regeling van de inclusiecomplexen die een binair complex vormen, kan worden bereikt door de redoxtoestand van het ferroceen te veranderen. Daarom werd verwacht dat de cellulosematerialen een redoxreactievermogen zouden hebben door ferroceen op de cellulose te enten.
De gastheer-gastheerinteractie tussen het metaalferroceen met β-CD kan ook een omkeerbare regulatie zijn door oxidatie en reductie van het ferroceen. Meer dan 20 jaar geleden werd gerapporteerd dat de ferroceen gereduceerde vormen van de inclusie verbinding met de β-CD effectief, terwijl de ferroceen geoxideerd is in principe onmogelijk . De aard van ferroceen is hydrofoob in de gereduceerde toestand en hydrofiel in de geoxideerde toestand. De omkeerbare regeling van de inclusiecomplexen vorm van binair complex kan worden bereikt door het veranderen van de redoxtoestand van het ferroceen. Daarom wordt van de cellulosematerialen verwacht dat zij de redoxresponsprestaties hebben door ferroceen op de cellulose te enten.
Het redoxgedrag van ferroceen werd bestudeerd door de oppervlaktecontacthoek met water te meten. De contacthoek van cyclodextrine-cellulose was 59,6° (figuur 3(a)) en de contacthoek van ferroceen-cellulose was 82,1° (figuur 3(b)). De contacthoek veranderde van 82,1° naar 61,2° (figuur 3(c)) wanneer het ferroceen-cellulose en het cyclodextrine-cellulose inclusiecomplexen vormden. Hieruit bleek dat het ferroceen een insluiting vormde in de cyclodextrineholte.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Contacthoekbeelden van de series cellulose ((a) cellulose-CD, (b) cellulose-ferroceen, (c) cellulose-CD-ferroceeninsluiting, (d) met NaClO behandeld monster, en (e) met GSH behandeld monster).
Waterig NaClO werd gekozen als oxidant en GSH als reductant. Toevoeging van waterig NaClO aan de cellulose-βCD/cellulose-Fc inclusiecomplexen verhoogde de contacthoek van 61,2° tot 71,7° (figuur 3(d)). Daarentegen herstelde de continue toevoeging van GSH aan de inclusiecomplexen de Fc-groep, waardoor de contacthoek naar zijn vroegere waarde terugkeerde (figuur 3(e)). Cellulose-β-CD vertoonde een hoge affiniteit voor de gereduceerde toestand van de Fc-groep vanwege zijn hydrofobe aard, terwijl de geoxideerde toestand van de Fc-groep (Fc+) een lage affiniteit vertoonde voor cellulose-β-CD vanwege de kationische Fc+ groep. Bovendien vertoonden de cellulose-insluitingscomplexen uitstekende vergrendelings- en ontgrendelingseigenschappen die door de redox van ferroceen werden gecontroleerd.
3.4. De druksterkte van Fc-Cellulose/β-CD-Cellulose Gel
Gels zijn samengesteld uit een driedimensionaal hydrofiel polymeernetwerk waarin een grote hoeveelheid water is tussengevoegd. De verknopingsverhouding van het netwerk is belangrijk voor de mechanische eigenschappen. Naarmate de concentratie cellulose toenam van 1% (m/m) tot 5% (m/m) nam de gelsterkte toe van 5 kPa tot 100,5 kPa (figuur 4). Dit kwam doordat het aantal verknopingsplaatsen per volume-eenheid van het netwerk toenam naarmate het aantal functionele groepen op de moleculaire keten toenam, wat werd veroorzaakt door de verhoogde concentratie cellulose. Soortgelijke verbeteringen in de mechanische sterkte werden ook waargenomen bij het verhogen van de vernettingsgraad door het veranderen van de entverhouding van Fc. De druksterkte van Fc-cellulose/β-CD-cellulose-gel veranderde van 13,32 kPa tot 40,97 kPa naarmate de entverhouding van Fc veranderde van 0,57% (m/m) tot 5,66% (m/m) (figuur 5), wat erop wijst dat de gastheer-gastheer interactie tussen de zijketens van cellulose deelnam aan de vorming van de driedimensionale netwerkstructuur van de gel en ook de sterkte ervan beïnvloedde.
De druksterkte van verschillende cellulosegehaltes ((a) 1 wt%, (b) 3 wt%, (c) 4 wt%, en (d) 5 wt%).
De druksterkte van verschillende entingsverhoudingen van ferroceen ((a) 5.66 wt%, (b) 2,83 wt%, (c) 1,41 wt%, (d) 0,57 wt%).
3.5. De waterabsorptie van Fc-cellulose/β-CD-cellulose gel
De zwelverhouding van de gel was de belangrijkste variabele die voor gegeven omgevingsomstandigheden moest worden geëvalueerd, aangezien deze van invloed was op de diffusieve, mechanische, optische, akoestische en oppervlakte-eigenschappen van de gel zelf. De zwelverhouding van de Fc-cellulose/β-CD-cellulose-gel nam af naarmate de concentratie van cellulose toenam (figuur 6). Dit komt doordat de hoeveelheid water die door de mazen van het hydrogelnetwerk wordt vastgehouden, afhankelijk is van de structuur van het polymeernetwerk zelf. De Fc-cellulose/β-CD-cellulose-gel werd gevormd door een goede verknoping van de celluloseketens. Het aantal cross-linking sites per volume-eenheid van het polymeernetwerk nam toe met toenemende celluloseconcentratie. De grotere mate van verknoping was niet bevorderlijk voor de diffusie van watermoleculen.
De zwelverhouding van de Fc-cellulose/β-CD-cellulose hydrogel.
De uitzettingsverhouding van de Fc-cellulose/β-CD-cellulose-gel daalde van 3330% (m/m) (figuur 6) tot 73,06% (m/m) (figuur 7), toen de droge gel weer in gedeïoniseerd water werd gelegd. Uit de poriegrootte van de superabsorberende gel blijkt dat de waterretentiecapaciteit bepalend is voor de efficiëntie van de absorptie. Er kan worden vastgesteld dat een groter aantal poriën meer water kan vasthouden. Figuur 8 toont de vriesdroogmorfologie van de cellulosegel en de Fc-cellulose/β-CD-cellulosegel; vergeleken met de cellulosegel had de Fc-cellulose/β-CD-cellulosegel een dichtere poriestructuur. Na het drogen van de gel werd de dichte poriestructuur gemakkelijk samengedrukt en opgesloten; daarom was de reswelling ratio van de Fc-cellulose/β-CD-cellulose gel slecht.
De reswelling ratio van de Fc-cellulose/β-CD-cellulose hydrogel.
(a)
(b)
(a)
(b)
De SEM-afbeeldingen van gel ((a) cellulosehydrogel en (b) Fc-cellulose/β-CD-cellulosehydrogel).
3.6. De oppervlaktemorfologie van de gel
De oppervlaktemorfologie van de gel wordt ook getoond in figuur 8. Cellulose- en Fc-cellulose/β-CD-cellulose-insluitingscomplexen gels werden volgens dezelfde methode bereid. De cellulosegel (figuur 8(a)) had een relatief grote, poreuze structuur; evenals de Fc-cellulose/β-CD-cellulose-insluitingscomplexen had de gel een relatief dichte oppervlaktestructuur. Dit kan veroorzaakt zijn door de verschillende intermoleculaire krachten als gevolg van de wijziging van de structuur van de cellulosemoleculaire keten.
4. Conclusies
Ferroceen en cyclodextrine werden respectievelijk op het celluloseoppervlak geënt. De cellulose fysische gel werd bereid door Fc-cellulose en β-CD-cellulose bij kamertemperatuur. De β-CD-cellulose en de Fc-cellulose kunnen inclusiecomplexen vormen. Bovendien kan de oxidatie en reductie van ferroceen worden geregeld door natriumhypochloriet (NaClO) als oxidant en glutathion (GSH) als reductant. De sol-gel overgang kan worden gecontroleerd. De druksterkte van Fc-cellulose/β-CD-cellulosegel neemt toe met toenemende celluloseconcentratie. De gastheer-gastheer interactie tussen de zijketens van cellulose kan de gel versterken. Zo werd aangenomen dat deze stimulus-responsieve, genezende eigenschappen uiteindelijk kunnen worden gebruikt in verschillende biomedische toepassingen.
Conflict of Interests
De auteurs verklaren dat er geen belangenconflict is met betrekking tot de publicatie van dit artikel.
Acknowledgments
Dit document wordt ondersteund door “de Fundamentele Onderzoeksfondsen voor de Centrale Universiteiten” en “Guangxi Key Laboratory of chemistry and Engineering of Forest Products Open Fund Project GXFC12-03.”