Abstract
Celuloza posiadająca β-cyklodekstrynę (β-CD) została użyta jako cząsteczka gospodarza, a celuloza posiadająca ferrocen (Fc) jako polimer gościa. Do charakterystyki struktury materiału i zachowania inkluzyjnego wykorzystano widma w podczerwieni, skaningową kalorymetrię różnicową (DSC), spektroskopię w ultrafiolecie (UV) oraz analizę kąta kontaktowego. Wyniki badań wykazały, że β-CD-celuloza i Fc-celuloza mogą tworzyć kompleksy inkluzyjne. Ponadto, utlenianie i redukcja stanu ferrocenu mogą być regulowane przez podchloryn sodu (NaClO) jako utleniacz i glutation (GSH) jako reduktant. W tym badaniu, fizyczny żel oparty na β-CD-celulozie/Fc-celulozie został utworzony w łagodnych warunkach, w których autonomiczne gojenie między powierzchniami cięcia nastąpiło po 24 godzinach. Żel fizyczny może być kontrolowany w przemianie zol-żel. Wytrzymałość na ściskanie żelu Fc-celuloza/β-CD-celuloza wzrasta wraz ze wzrostem stężenia celulozy. Interakcja gospodarz-gość pomiędzy łańcuchami bocznymi celulozy może wzmocnić żel. Fizyczny żel celulozowy może być ostatecznie wykorzystany jako reagujący na bodźce, leczniczy materiał w zastosowaniach biomedycznych.
1. Wprowadzenie
W świetle zwiększonych obaw związanych z ochroną środowiska i energią, celuloza oparta na biomasie naturalnej zyskuje coraz większą uwagę w ostatnich latach. Celuloza jest najobfitszym naturalnie występującym polimerem glukozy, występującym jako główny składnik roślin i włókien naturalnych, takich jak bawełna i len, i jest uważana za odnawialny i zrównoważony zasób surowca w celu zaspokojenia rosnącego zapotrzebowania na produkty przyjazne dla środowiska i wytwarzające energię. Hydrożele na bazie celulozy są biokompatybilnymi i biodegradowalnymi materiałami, które obiecują wiele zastosowań przemysłowych, szczególnie w przypadkach, gdy ważne są kwestie środowiskowe. Takie naturalne polisacharydy były szeroko stosowane do przygotowania żeli w różnych dziedzinach, na przykład: oczyszczanie ścieków, przemysł spożywczy, kosmetyczny, biomedyczny, farmaceutyczny i zastosowania w inżynierii tkankowej, ze względu na ich unikalne właściwości, takie jak wysoka zdolność pęcznienia, biokompatybilność, biodegradowalność i funkcje biologiczne.
Celuloza, th celuloza, najbardziej obfity odnawialny polisacharyd na Ziemi, jest silnym kandydatem do produkcji żeli, a żele na bazie celulozy zostały zgłoszone, w tym żele kompozytowe celuloza-polimer i celuloza-nieorganiczne żele hybrydowe. Projektowanie i stosowanie hydrożeli na bazie celulozy, które zazwyczaj łączą swoją biodegradowalność z inteligentnym zachowaniem wrażliwym na bodźce, wraz z dużą dostępnością celulozy w przyrodzie i niskim kosztem pochodnych celulozy, czynią hydrożele na bazie celulozy szczególnie atrakcyjnymi.
Żele na bazie celulozy mogą być otrzymywane poprzez fizyczną lub chemiczną stabilizację wodnych roztworów celulozy. Żele na bazie celulozy, odwracalne lub stabilne, mogą być tworzone przez odpowiednie usieciowanie wodnych roztworów eterów celulozy , takich jak metyloceluloza, hydroksypropylometyloceluloza, etyloceluloza (EC), hydroksyetyloceluloza (HEC) i karboksymetyloceluloza sodowa (NaCMC), które są jednymi z najszerzej stosowanych pochodnych celulozy. W zależności od zastosowanej pochodnej celulozy, do tworzenia żeli można użyć szeregu środków sieciujących i katalizatorów. Epichlorohydryna, aldehydy, odczynniki na bazie aldehydów, pochodne mocznika, karbodiimidy i wielofunkcyjne kwasy karboksylowe są najczęściej stosowanymi środkami do sieciowania celulozy. W świetle problemów związanych z zastosowaniem materiałów, w ostatnich latach coraz większą uwagę poświęca się żelom celulozowym. Celulozowe materiały supramolekularne połączone wiązaniami niekowalencyjnymi przyciągnęły znacznie więcej uwagi i były szeroko badane; ich reaktywność na środowisko zewnętrzne, takie jak temperatura, pH i medycyna (nośniki uwalniania leków) były przedmiotem szczególnego zainteresowania.
Jednakże istnieje niewiele doniesień na temat zastosowania żelu celulozowego stosowanego w leczeniu. W niniejszej pracy zsyntetyzowano nowy fizyczny żel celulozowy za pomocą β-CD-celulozy i Fc-celulozy. Zbadano również interakcję gospodarz-gość pomiędzy β-CD-celulozą i Fc-celulozą, przejście zol-żel oraz właściwości stymulujące redoks supramolekularnego materiału.
2. Eksperymentalne
2.1. Material and Methods
Celuloza, β-cyklodekstryna, epichlorohydryna, wodorotlenek sodu, chlorek litu, N,N-dimetyloacetamid, chlorek metylenu, ferrocenowy kwas karboksylowy, chlorek oksalilu, podchloryn sodu i glutation były dostępne w handlu i stosowane zgodnie z otrzymanymi informacjami.
Widma podczerwieni rejestrowano metodą FTIR (Nicolet iN10 Thermo Fisher Scientific China) w zakresie 400-4000 cm-1. Pomiary DSC przeprowadzono przy użyciu aparatu Diamond DSC (NETZSCHDSC 204). Wysuszone próbki umieszczano w szczelnych aluminiowych komorach DSC w zakresie temperatur od 20 do 150°C z szybkością grzania 10°C min-1. Powierzchniowe kąty kontaktowe mierzono przy użyciu dynamicznego analizatora kątów kontaktowych (HARKE-SPCA, wartość błędu ±0,1°, Beijing HARKE Experimental Instrument Factory). Próbki proszku celulozowego prasowano przy użyciu tabletki na podczerwień. Powierzchniowe kąty kontaktowe mierzono podczas ekspozycji cieczy na badane materiały przez 1 s, aby w jak największym stopniu uniknąć czynników penetracji materiału. Charakterystykę morfologiczną żeli przeprowadzono za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (S-3400N, HIACHI, Japonia).
Metodę grawimetryczną zastosowano do pomiaru współczynników pęcznienia żeli w wodzie destylowanej w temperaturze 25°C. Po zanurzeniu w wodzie destylowanej na około 48 h, aby osiągnąć równowagę pęcznienia, próbki żelu zostały wyjęte i zważone po usunięciu nadmiaru wody na powierzchniach. Dla każdej z danych zmierzono trzy próbki, a następnie przyjęto średnią wartość z trzech pomiarów. Równowagowy współczynnik pęcznienia (SR) obliczono jako , gdzie jest masą spęczniałego żelu i jest masą żelu w stanie suchym.
Współczynniki pęcznienia żeli mierzono w następujący sposób: suchy żel umieszczano w dejonizowanej wodzie o temperaturze 25°C. W określonym czasie, próbki żelu wyjęto z roztworu wodnego i zważono jakość, aż do osiągnięcia równowagi pęcznienia. Szybkość reswelling : .
2.2. Przygotowanie kompleksów inkluzyjnych z celulozą
2.2.1. Preparation of Cellulose-CDs
Celulozę rozpuszczono w wodorotlenku sodu/moczniku. Do tego roztworu dodawano cyklodekstrynę i epichlorohydrynę. Po mieszaniu przez 2 h dodano β-CD i roztwór mieszano przez kolejne 12 h w temperaturze pokojowej. Produkt polimerowy wytrącano z wody destylowanej i przemywano wodą destylowaną. Stopień podstawienia wynosi 0,32% mas., co wykryto metodą sondy fenoloftaleinowej .
W wodnym roztworze NaOH, celuloza i epichlorohydryna generują epoksydową celulozę, która połączyła hydroksy β-cyklodekstrynę przez grupę epoksydową jako mostek sieciujący.
2.2.2. Synteza Fc-COCl
Kwas ferrocenokarboksylowy zawieszono w dichlorometanie (DCM). Następnie dodawano kroplowo chlorek oksalilu, a zawiesinę mieszano przez 3 h w temperaturze pokojowej. Pomarańczowa zawiesina zamieniła się w czerwony roztwór. Po odparowaniu rozpuszczalnika zebrano stały produkt.
2.2.3. Synteza Celulozy-Fc
Celulozę rozpuszczono w chlorku litu/dimetyloacetamidku (LiCl/DMAc). Kroplami dodawano roztwór chlorku ferrocenokarboksylowego. Po nocnym mieszaniu w temperaturze pokojowej, roztwór przemyto wodą destylowaną. Pomarańczową substancję stałą przemyto chlorkiem litu; stały produkt zebrano przez wirówkę i suszono przez 4 dni w temp. 50°C, otrzymując celulozę-Fc jako żółty proszek. Stopień szczepienia ferrocenu wynosi 0,57~5,7% mas., co wykryto poprzez ważenie przed i po reakcji z celulozą.
2.2.4. Przygotowanie Redox Inclusion Complex
Produkty w stanie utlenionym (lub wykształconym) przygotowano przez wytrząsanie odpowiednich ilości NaClO aq. (14 mM) (lub GSH) i kompleksów inkluzyjnych Fc-CD-celuloza (lub produktów stanu utlenionego) w temperaturze pokojowej przez 24 h. Roztwór przemywano wodą destylowaną, a następnie produkt stały zbierano przez wirówkę i liofilizowano. Mieszaninę kompleksową przygotowywano przez mielenie proszków przez 20 min.
2.2.5. Synteza żelu celulozowego
Żele ferrocenowo-celulozowe i cyklodekstrynowo-celulozowe rozpuszczono w roztworze chlorku litu w N,N-Dimetyloformamidzie (DMF). Roztwór wlewaliśmy do szklanej formy w wilgotnym pudełku do czasu ustabilizowania się żelu.
3. Wyniki i Dyskusja
3.1. Charakterystyka
Rysunek 1 (krzywa (a)) i rysunek 1 (krzywa (b)) przedstawiają widma w podczerwieni celulozy i β-CD-celulozy. Zgodnie z rysunkiem 1 (krzywe (a) i (b)) zaobserwowano absorpcję przy 3380 cm-1 (odcinek hydroksylowy pod wpływem wiązania wodorowego), 1646 cm-1 i 1354 cm-1 (odcinek karbonylowy), 1043 cm-1 (karboksylowy w eterach) oraz 2920 cm-1 (metylenowy), które były charakterystycznymi absorpcjami w strukturach celulozy i β-CD-celulozy. Jak wynika z rysunku 1 (krzywa (c)) charakterystycznymi pikami ferrocenu-celulozy były 1402 cm-1, 1100 cm-1 VC-C (pierścień cyklopentadienylowy) oraz 816 cm-1 DC-H (pierścień cyklopentadienylowy). Charakterystyczne piki ferrocenu znikały z widm podczerwonych obwiedni związku inkluzyjnego (krzywa (d)). Wskazuje to, że w kompleksie inkluzyjnym utworzyły się ferrocen-celuloza i cyklodekstryna-celuloza. Podobne wyniki badań były podawane w literaturze .
Widma w podczerwieni celulozy ((a) celuloza, (b) celuloza-CD, (c) celuloza-Fc, i (d) inkluzja celuloza-CD-Fc).
3.2. Analiza termiczna
Krzywe analizy termicznej celulozowych kompleksów inkluzyjnych przedstawiono na rysunku 2, gdzie można zauważyć, że krzywa (a) celulozy jest prawie linią prostą, ale krzywe (b) (CD-celuloza) i (e) (proste fizyczne mieszanie CD-celulozy i Fc-celulozy) miały silny pik egzotermiczny (piki absorpcji odwodnienia cyklodekstryny przy 88.9°C i 95.9°C, resp.), odpowiadający utracie wody z wnęki CD do atmosfery, wskazujący, że CD była wolna od kompleksacji gościa w mieszaninie fizycznej. W przeciwnym razie, krzywa (d) (kompleks inkluzyjny) wykazała brak pików endotermicznych, co sugeruje, że inna cząsteczka była obecna we wnęce CD, zamiast cząsteczek wody i brak czystego CD w próbce kompleksowej. Podobne wyniki były podawane w literaturze dla interakcji pomiędzy innymi lekami a CD.
KrzyweDSC serii celuloz ((a) celuloza, (b) celuloza-CD, (c) celuloza-ferrocen, (d) inkluzja celuloza-CD-ferrocen, (e) proste mieszanie celuloza-ferrocen, i celuloza-CD).
3.3. Właściwości redoks
Proces regulacji redoks kompleksów inkluzyjnych zawierających ferrocen został szeroko przebadany.
Oddziaływanie gospodarz-gość pomiędzy ferrocenem metalu z β-CD może być również odwracalną regulacją poprzez utlenianie i redukcję ferrocenu. Ponad 20 lat temu doniesiono, że zredukowany ferrocen efektywnie tworzy związek inkluzyjny z β-CD, podczas gdy utlenianie ferrocenu jest niemożliwe. Charakter ferrocenu jest hydrofobowy w stanie zredukowanym i hydrofilowy w stanie utlenionym. Odwracalna regulacja kompleksów inkluzyjnych tworzących kompleks binarny może być osiągnięta poprzez zmianę stanu redoks ferrocenu. Dlatego spodziewano się, że materiały celulozowe będą miały wydajność odpowiedzi redoks poprzez szczepienie ferrocenu na celulozie.
Interakcja gospodarz-gość pomiędzy ferrocenem metalu z β-CD może być również odwracalną regulacją poprzez utlenianie i redukcję ferrocenu. Ponad 20 lat temu, stwierdzono, że ferrocen zredukowane formy związku włączenia z β-CD skutecznie, podczas gdy ferrocen utlenione jest w zasadzie niemożliwe . Natura ferrocenu jest hydrofobowa w stanie zredukowanym i hydrofilowa w stanie utlenionym. Odwracalna regulacja formy kompleksów inkluzyjnych w kompleksie binarnym może być osiągnięta przez zmianę stanu redoks ferrocenu. Dlatego oczekuje się, że materiały celulozowe będą miały wydajność odpowiedzi redoks przez szczepienie ferrocenu na celulozie.
Zachowanie redoks ferrocenu badano przez pomiar kąta kontaktu powierzchniowego z wodą. Kąt kontaktu cyklodekstryna-celuloza wynosił 59,6° (rysunek 3(a)), a kąt kontaktu ferrocen-celuloza wynosił 82,1° (rysunek 3(b)). Kąt zwilżania zmienił się z 82,1° do 61,2° (rysunek 3(c)), gdy ferrocen-celuloza i cyklodekstryna-celuloza utworzyły kompleksy inkluzyjne. Wykazało to, że ferrocen był inkluzją w zagłębieniu cyklodekstryny.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Obrazy kąta kontaktu serii celuloz ((a) celuloza-CD, (b) celuloza-ferrocen, (c) inkluzja celuloza-CD-ferrocen, (d) próbka poddana działaniu NaClO, oraz (e) próbka poddana działaniu GSH).
Wodna NaClO została wybrana jako utleniacz, a GSH jako reduktant. Dodanie wodnego NaClO do kompleksów inkluzyjnych celuloza-βCD/celuloza-Fc zwiększyło kąt kontaktu z 61,2° do 71,7° (Rysunek 3(d)). Natomiast ciągłe dodawanie GSH do kompleksów inkluzyjnych odzyskiwało grupę Fc, powodując powrót kąta kontaktu do poprzedniej wartości (rysunek 3(e)). Celuloza-β-CD wykazywała wysokie powinowactwo do zredukowanego stanu grupy Fc ze względu na jej hydrofobowy charakter, podczas gdy utleniony stan grupy Fc (Fc+) wykazywał niskie powinowactwo do celulozy-β-CD ze względu na kationową grupę Fc+ . Ponadto, kompleksy inkluzyjne celulozy wykazywały doskonałe właściwości blokowania i odblokowywania kontrolowane przez redoks ferrocenu.
3.4. The Compressive Strength of Fc-Cellulose/β-CD-Cellulose Gel
Żele składają się z trójwymiarowej hydrofilowej sieci polimerowej, w którą wtopiona jest duża ilość wody. Stosunek usieciowania sieci jest istotny dla właściwości mechanicznych. Wraz ze wzrostem stężenia celulozy z 1% (w/w) do 5% (w/w) wytrzymałość żelu wzrastała z 5 kPa do 100,5 kPa (rys. 4). Wynikało to z faktu, że liczba miejsc sieciowania w jednostce objętości sieci wzrastała wraz ze wzrostem liczby grup funkcyjnych na łańcuchu molekularnym, co było spowodowane zwiększonym stężeniem celulozy. Podobną poprawę wytrzymałości mechanicznej zaobserwowano również przy zwiększaniu stopnia usieciowania poprzez zmianę stosunku szczepienia Fc. Wytrzymałość na ściskanie żelu Fc-celuloza/β-CD-celuloza zmieniała się od 13,32 kPa do 40,97 kPa, gdy stosunek szczepienia Fc zmieniał się od 0,57% (w/w) do 5,66% (w/w) (rys. 5), wskazując, że interakcja gospodarz-gość między łańcuchami bocznymi celulozy uczestniczyła w tworzeniu trójwymiarowej struktury sieciowej żelu, a także wpływała na jego wytrzymałość.
Wytrzymałość na ściskanie różnych zawartości celulozy ((a) 1 wt%, (b) 3 wt%, (c) 4 wt%, i (d) 5 wt%).
Wytrzymałość na ściskanie przy różnym stosunku szczepienia ferrocenu ((a) 5.66 wt%, (b) 2,83 wt%, (c) 1,41 wt%, (d) 0,57 wt%).
3.5. The Water Absorption of Fc-Cellulose/β-CD-Cellulose Gel
Stosunek pęcznienia żelu był najważniejszą zmienną, którą należało ocenić dla danych warunków środowiskowych, ponieważ wpływał on na właściwości dyfuzyjne, mechaniczne, optyczne, akustyczne i powierzchniowe samego żelu. Współczynnik pęcznienia żelu Fc-celuloza/β-CD-celuloza zmniejszał się wraz ze wzrostem stężenia celulozy (rys. 6). Wynikało to z faktu, że ilość wody zatrzymywanej przez siateczkę sieci hydrożelowej zależała od struktury samej sieci polimerowej. Żel Fc-celuloza/β-CD-celuloza powstał w wyniku odpowiedniego usieciowania łańcuchów celulozy. Liczba miejsc usieciowania przypadająca na jednostkę objętości sieci polimerowej wzrasta wraz ze wzrostem stężenia celulozy. Większy stopień usieciowania nie sprzyjał dyfuzji cząsteczek wody.
Stosunek pęcznienia hydrożelu Fc-celuloza/β-CD-celuloza.
Stosunek reswelingu żelu Fc-celuloza/β-CD-celuloza zmniejszył się z 3330% (w/w) (Rysunek 6) do 73,06% (w/w) (Rysunek 7), gdy suchy żel umieszczono ponownie w wodzie dejonizowanej. Rozmiary porów superabsorbentu żelowego wskazują, że to zdolność do zatrzymywania wody jest czynnikiem decydującym o efektywności absorpcji. Można zaobserwować, że większa liczba porów może zatrzymać więcej wody. Rysunek 8 przedstawia liofilizacyjną morfologię żelu celulozowego i żelu Fc-celuloza/β-CD-celuloza; w porównaniu z żelem celulozowym, żel Fc-celuloza/β-CD-celuloza miał bardziej gęstą strukturę porów. Po wysuszeniu żelu, gęsta struktura porów łatwo ulegała zapadaniu się i zamykaniu; dlatego współczynnik reswelacji żelu Fc-celuloza/β-CD-celuloza był słaby.
Współczynnik reswelacji hydrożelu Fc-celuloza/β-CD-celuloza.
(a)
(b)
(a)
(b)
Obrazy SEM żelu ((a) hydrożel celulozowy i (b) Fc-hydrożel celulozowy/β-CD-celuloza).
3.6. Morfologia powierzchni żelu
Morfologia powierzchni żelu została również przedstawiona na rysunku 8. Żele celulozowe i żele kompleksów inkluzyjnych Fc-celuloza/β-CD-celuloza przygotowano tą samą metodą. Żel celulozowy (rysunek 8(a)) miał stosunkowo dużą, porowatą strukturę; podobnie jak kompleksy inkluzyjne Fc-celuloza/β-CD-celuloza, żel miał stosunkowo gęstą strukturę powierzchni. Mogło to być spowodowane różnymi siłami międzycząsteczkowymi wynikającymi ze zmiany struktury łańcucha molekularnego celulozy.
4. Wnioski
Ferrocen i cyklodekstryna zostały zaszczepione odpowiednio na powierzchni celulozy. Fizyczny żel celulozowy otrzymano z Fc-celulozy i β-CD-celulozy w temperaturze pokojowej. β-CD-celuloza i Fc-celuloza mogą tworzyć kompleksy inkluzyjne. Ponadto, utlenianie i redukcję stanu ferrocenu można regulować za pomocą podchlorynu sodu (NaClO) jako utleniacza i glutationu (GSH) jako reduktanta. Przejście zol-żel może być kontrolowane. Wytrzymałość na ściskanie żelu Fc-celuloza/β-CD-celuloza wzrasta wraz ze wzrostem stężenia celulozy. Interakcja gospodarz-gość pomiędzy łańcuchami bocznymi celulozy może wzmocnić żel. Dlatego uważano, że te reagujące na bodźce, lecznicze właściwości mogą być ostatecznie wykorzystane w różnych zastosowaniach biomedycznych.
Konflikt interesów
Autorzy deklarują, że nie ma konfliktu interesów dotyczących publikacji tej pracy.
Podziękowania
Ta praca jest wspierana przez „the Fundamental Research Funds for the Central Universities” i „Guangxi Key Laboratory of chemistry and Engineering of Forest Products Open Fund Project GXFC12-03.”
.