Resumen
Se utilizó celulosa con β-ciclodextrina (β-CD) como molécula huésped y celulosa con ferroceno (Fc) como polímero invitado. Se utilizaron espectros infrarrojos, calorimetría diferencial de barrido (DSC), espectroscopia ultravioleta (UV) y análisis del ángulo de contacto para caracterizar la estructura del material y el comportamiento de la inclusión. Los resultados mostraron que la β-CD-celulosa y la Fc-celulosa pueden formar complejos de inclusión. Además, la oxidación del ferroceno y la reducción del estado pueden ajustarse mediante hipoclorito de sodio (NaClO) como oxidante y glutatión (GSH) como reductor. En este estudio, se formó un gel físico basado en β-CD-celulosa/Fc-celulosa bajo condiciones suaves en las que se produjo una curación autónoma entre las superficies cortadas después de 24 horas. El gel físico puede ser controlado en la transición sol-gel. La resistencia a la compresión del gel de Fc-celulosa/β-CD-celulosa aumentó con el incremento de la concentración de celulosa. La interacción huésped-huésped entre las cadenas laterales de la celulosa podría reforzar el gel. El gel físico de celulosa podría utilizarse eventualmente como un material curativo que responde a los estímulos en aplicaciones biomédicas.
1. Introducción
A la luz de las crecientes preocupaciones ambientales y energéticas, la celulosa basada en la biomasa de la naturaleza ha recibido una atención creciente en los últimos años. La celulosa es el polímero natural más abundante de la glucosa, que se encuentra como el principal constituyente de las plantas y las fibras naturales como el algodón y el lino, y se considera un recurso renovable y sostenible de la materia prima para satisfacer la creciente demanda de productos respetuosos con el medio ambiente y generadores de energía . Los hidrogeles a base de celulosa son materiales biocompatibles y biodegradables que resultan prometedores para una serie de usos industriales, especialmente en los casos en que las cuestiones medioambientales son importantes. Dichos polisacáridos naturales han sido ampliamente utilizados para la preparación de geles en varios campos , por ejemplo: el tratamiento de aguas residuales, la industria alimentaria, los cosméticos, la biomedicina, la farmacia y las aplicaciones de ingeniería de tejidos, debido a sus propiedades únicas como la alta capacidad de hinchamiento, la biocompatibilidad, la biodegradabilidad y las funciones biológicas.
La celulosa, el polisacárido renovable más abundante en la tierra, es un fuerte candidato para la fabricación de geles y se han reportado geles basados en celulosa, incluyendo geles compuestos de celulosa-polímero y geles híbridos de celulosa-inorgánica. El diseño y el uso de hidrogeles basados en la celulosa, que suelen combinar su biodegradabilidad con un comportamiento inteligente y sensible a los estímulos, junto con la gran disponibilidad de celulosa en la naturaleza y el bajo coste de los derivados de la celulosa, hacen que los hidrogeles basados en la celulosa sean especialmente atractivos.
Los geles basados en la celulosa pueden obtenerse mediante la estabilización física o química de soluciones acuosas de celulosa . Los geles a base de celulosa, ya sean reversibles o estables, pueden formarse mediante la reticulación adecuada de soluciones acuosas de éteres de celulosa , como la metilcelulosa, la hidroxipropilmetilcelulosa, la etilcelulosa (EC), la hidroxietilcelulosa (HEC) y la carboximetilcelulosa sódica (NaCMC), que se encuentran entre los derivados de la celulosa más utilizados. Dependiendo del derivado de la celulosa que se utilice, se pueden emplear varios agentes de reticulación y catalizadores para formar los geles. La epiclorhidrina, los aldehídos, los reactivos basados en aldehídos, los derivados de la urea, las carbodiimidas y los ácidos carboxílicos multifuncionales son los agentes de reticulación más utilizados para la celulosa. A la luz de las preocupaciones sobre la aplicación de materiales, los geles de celulosa han recibido una atención creciente en los últimos años . Los materiales supramoleculares de celulosa unidos por enlaces no covalentes han atraído mucha más atención y han sido ampliamente estudiados; su capacidad de respuesta al entorno externo, como la temperatura, el pH y la medicina (portadores de liberación de fármacos) han sido de particular interés.
Sin embargo, hay pocos informes sobre la aplicación del gel de celulosa utilizado en la curación. En este estudio, se sintetizó un novedoso gel físico de celulosa mediante β-CD-celulosa y Fc-celulosa. También se estudió la interacción huésped-huésped entre la β-CD-celulosa y la Fc-celulosa, la transición sol-gel y las propiedades de estímulo redox del material supramolecular.
2. Experimental
2.1. Material y métodos
La celulosa, la β-ciclodextrina, la epiclorhidrina, el hidróxido de sodio, el cloruro de litio, la N,N-dimetil acetamida, el cloruro de metileno, el ácido ferroceno carboxílico, el cloruro de oxalilo, el hipoclorito de sodio y el glutatión estaban disponibles comercialmente y se utilizaron tal como se recibieron.
Los espectros IR se registraron mediante FTIR (Nicolet iN10 Thermo Fisher Scientific China) en la región de 400-4000 cm-1. Las mediciones DSC se llevaron a cabo utilizando un aparato Diamond DSC (NETZSCHDSC 204). Las muestras secas se colocaron en celdas DSC de aluminio herméticas de 20 a 150°C con una velocidad de calentamiento de 10°C min-1. Los ángulos de contacto de la superficie se midieron utilizando un analizador de ángulo de contacto dinámico (HARKE-SPCA, valor de error de ±0,1°, Beijing HARKE Experimental Instrument Factory). Las muestras de polvo de celulosa se comprimieron con una pastilla de infrarrojos. Los ángulos de contacto de la superficie se midieron durante la exposición del líquido a los materiales de prueba durante 1 s para evitar en lo posible los factores de penetración del material. La caracterización morfológica del gel se realizó con microscopía electrónica de barrido (S-3400N, HIACHI, Japón).
Se empleó el método gravimétrico para medir los índices de hinchamiento de los geles en agua destilada a 25°C. Tras la inmersión en agua destilada durante unas 48 horas para alcanzar el equilibrio de hinchamiento, se sacaron las muestras de gel y se pesaron tras eliminar el exceso de agua en las superficies. Se midieron tres muestras y se tomó el valor medio de las tres mediciones. La relación de hinchamiento de equilibrio (SR) se calculó como , donde es el peso del gel hinchado y es el peso del gel en estado seco.
Las relaciones de hinchamiento de los geles se midieron de la siguiente manera: el gel seco se colocó en agua desionizada de 25°C. A un tiempo predeterminado, las muestras de gel se sacaron de la solución acuosa y se pesó la calidad , hasta que alcanzó el equilibrio de hinchamiento. Velocidad de hinchamiento : .
2.2. Preparación de complejos de inclusión de celulosa
2.2.1. Preparación de celulosa-CDs
La celulosa se disolvió en hidróxido de sodio/urea. A esta solución se añadió ciclodextrina y epiclorhidrina. Tras agitar durante 2 h, se añadió β-CD y la solución se agitó durante otras 12 h a temperatura ambiente. El producto polimérico se reprecipitó en agua destilada y se lavó con agua destilada. El grado de sustitución es del 0,32% en peso, que se detectó por el método de la sonda de fenolftaleína.
En la solución acuosa de NaOH, la celulosa y la epiclorhidrina generan la celulosa epoxi, que conectó el hidroxi de la β-ciclodextrina por el grupo epoxi como puente de reticulación.
2.2.2. Síntesis de Fc-COCl
El ácido ferrocenocarboxílico se suspendió en diclorometano (DCM). A continuación se añadió cloruro de oxalilo gota a gota, y la suspensión se agitó durante 3 h a temperatura ambiente. La suspensión naranja se convirtió en una solución roja. Tras evaporar el disolvente, se recogió el producto sólido.
2.2.3. Síntesis de Celulosa-Fc
La celulosa se disolvió en cloruro de litio/dimetilacetamida (LiCl/DMAc). La solución de cloruro ferrocenocarboxílico se añadió gota a gota. Tras agitar toda la noche a temperatura ambiente, la solución se lavó con agua destilada. El sólido anaranjado se lavó con cloruro de litio; el producto sólido se recogió mediante una centrifugadora y se secó durante 4 días a 50°C para obtener celulosa-Fc como polvo amarillo. La tasa de injerto de ferroceno es de 0,57~5,7 wt%, que se detectó pesando antes y después de la reacción de la celulosa.
2.2.4. Preparación del complejo de inclusión redox
Los productos en estado oxidado (o educado) se prepararon agitando cantidades adecuadas de NaClO aq. (14 mM) (o GSH) y complejos de inclusión de Fc-CD-celulosa (o productos de estado oxidado) a temperatura ambiente durante 24 h. La solución se lavó con agua destilada y después se recogió el producto sólido mediante una centrifugadora y se liofilizó. Se preparó una mezcla compleja moliendo los polvos durante 20 min.
2.2.5. Síntesis del gel de celulosa
La ferrocelulosa y la ciclodextrina-celulosa se disolvieron en una solución de cloruro de litio de N,N-dimetilformamida (DMF). Vertimos la solución en un molde de vidrio en una caja húmeda hasta que el gel se estabilizó.
3. Resultados y discusión
3.1. Caracterización
La Figura 1 (curva (a)) y la Figura 1 (curva (b)) muestran los espectros infrarrojos de la celulosa y de la β-CD-celulosa. Según la Figura 1 (curvas (a) y (b)), se observó la absorción en 3380 cm-1 (tramo de hidroxilo influido por el enlace de hidrógeno), 1646 cm-1 y 1354 cm-1 (tramo de carbonilo), 1043 cm-1 (carboxilo en éteres) y 2920 cm-1 (metileno), que eran absorciones características en las estructuras de celulosa y β-CD-celulosa. Como se observa en la Figura 1 (curva (c)), los picos característicos del ferroceno-celulosa eran 1402 cm-1, 1100 cm-1 VC-C (anillo de ciclopentadienilo), y 816 cm-1 DC-H (anillo de ciclopentadienilo). Los picos característicos del ferroceno desaparecieron de los espectros infrarrojos de la envoltura del compuesto de inclusión (curva (d)). Esto indicaba que el ferroceno-celulosa y la ciclodextrina-celulosa se habían formado en el complejo de inclusión. En la literatura se informó de hallazgos similares .
Espectro infrarrojo de la celulosa ((a) celulosa, (b) celulosa-CD, (c) celulosa-Fc, y (d) inclusión de celulosa-CD-Fc).
3.2. Análisis térmico
Las curvas de análisis térmico de los complejos de inclusión celulósica se muestran en la Figura 2, donde puede verse que la curva (a) de la celulosa es casi una línea recta, pero las curvas (b) (celulosa-CD) y (e) (mezcla física simple de celulosa-CD y celulosa-Fc) tenían un fuerte pico exotérmico (picos de absorción de deshidratación de ciclodextrina a 88.9°C y 95,9°C, respectivamente), correspondiente a la pérdida de agua de la cavidad del CD a la atmósfera, lo que indica que el CD estaba libre de la complejación del huésped en la mezcla física . Por otra parte, la curva (d) (el complejo de inclusión) mostraba una falta de picos endotérmicos, lo que sugería la presencia de una molécula diferente en la cavidad del CD, en lugar de las moléculas de agua y la falta de CD puro en la muestra del complejo. En la bibliografía se informaron resultados similares para las interacciones entre otros fármacos y CD .
Curvas de DSC de las series de celulosa ((a) celulosa, (b) celulosa-CD, (c) celulosa-ferroceno, (d) inclusión de celulosa-CD-ferroceno, (e) mezcla simple de celulosa-ferroceno, y celulosa-CD).
3.3. Las propiedades redox
El proceso de regulación redox de los complejos de inclusión que contienen ferroceno se ha estudiado ampliamente.
La interacción huésped-huésped entre el ferroceno metálico con el β-CD puede ser también una regulación reversible por oxidación y reducción del ferroceno. Hace más de 20 años, se informó de que el ferroceno reducido forma efectivamente un compuesto de inclusión con el β-CD, mientras que la oxidación del ferroceno era imposible . La naturaleza del ferroceno es hidrofóbica en su estado reducido e hidrofílica en su estado oxidado. La regulación reversible de los complejos de inclusión que forman un complejo binario puede lograrse cambiando el estado redox del ferroceno. Por lo tanto, se esperaba que los materiales de celulosa tuvieran un rendimiento de respuesta redox injertando el ferroceno en la celulosa.
La interacción huésped-huésped entre el ferroceno metálico con el β-CD también puede ser una regulación reversible por oxidación y reducción del ferroceno. Hace más de 20 años, se informó de que el ferroceno reducido formas del compuesto de inclusión con el β-CD con eficacia, mientras que el ferroceno oxidado es básicamente imposible . La naturaleza del ferroceno es hidrofóbica en el estado reducido e hidrofílica en el estado oxidado. La regulación reversible de la forma de los complejos de inclusión del complejo binario se puede lograr cambiando el estado redox del ferroceno. Por lo tanto, se espera que los materiales de celulosa tengan el rendimiento de respuesta redox mediante el injerto de ferroceno en la celulosa.
El comportamiento redox del ferroceno se estudió midiendo el ángulo de contacto superficial con el agua. El ángulo de contacto ciclodextrina-celulosa fue de 59,6° (Figura 3(a)) y el ángulo de contacto ferroceno-celulosa fue de 82,1° (Figura 3(b)). El ángulo de contacto cambió de 82,1° a 61,2° (Figura 3(c)) cuando el ferroceno-celulosa y la ciclodextrina-celulosa formaron complejos de inclusión. Esto demostró que el ferroceno era una inclusión en la cavidad de la ciclodextrina.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Imágenes del ángulo de contacto de la serie de celulosa ((a) celulosa-CD, (b) celulosa-ferroceno, (c) inclusión de celulosa-CD-ferroceno, (d) muestra tratada con NaClO, y (e) muestra tratada con GSH).
Se eligió NaClO acuoso como oxidante y GSH como reductor. La adición de NaClO acuoso a los complejos de inclusión celulosa-βCD/celulosa-Fc aumentó el ángulo de contacto de 61,2° a 71,7° (Figura 3(d)). En cambio, la adición continua de GSH a los complejos de inclusión recuperó el grupo Fc, haciendo que el ángulo de contacto volviera a su valor anterior (Figura 3(e)). La celulosa-β-CD mostró una alta afinidad por el estado reducido del grupo Fc debido a su naturaleza hidrofóbica, mientras que el estado oxidado del grupo Fc (Fc+) mostró una baja afinidad por la celulosa-β-CD debido al grupo catiónico Fc+ . Además, los complejos de inclusión de celulosa exhibieron excelentes propiedades de bloqueo y desbloqueo controladas por el redox del ferroceno.
3.4. La resistencia a la compresión del gel de celulosa Fc/β-CD
Los geles están compuestos por una red polimérica hidrofílica tridimensional en la que se interpone una gran cantidad de agua. La proporción de reticulación de la red es importante para las propiedades mecánicas. Al aumentar la concentración de celulosa del 1% (p/p) al 5% (p/p), la resistencia del gel aumentó de 5 kPa a 100,5 kPa (Figura 4). Esto se debió a que el número de sitios de reticulación por unidad de volumen de la red aumentó con un mayor número de grupos funcionales en la cadena molecular, lo que fue causado por el aumento de la concentración de celulosa . También se observaron mejoras similares en la resistencia mecánica al aumentar el grado de reticulación cambiando la proporción de injerto de Fc. La resistencia a la compresión del gel de Fc-celulosa/β-CD-celulosa cambió de 13,32 kPa a 40,97 kPa al cambiar la proporción de injerto de Fc de 0,57% (p/p) a 5,66% (p/p) (Figura 5), lo que indica que la interacción huésped-huésped entre las cadenas laterales de la celulosa participó en la formación de la estructura de red tridimensional del gel y también afectó a su resistencia.
La resistencia a la compresión de diferentes contenidos de celulosa ((a) 1 wt%, (b) 3 wt%, (c) 4 wt%, y (d) 5 wt%).
La resistencia a la compresión de diferentes proporciones de injerto de ferroceno ((a) 5.66 wt%, (b) 2,83 wt%, (c) 1,41 wt%, (d) 0,57 wt%).
3.5. La absorción de agua del gel de Fc-celulosa/β-CD-celulosa
La relación de hinchamiento del gel era la variable más importante a evaluar para unas condiciones ambientales determinadas, ya que afectaba a las propiedades difusivas, mecánicas, ópticas, acústicas y superficiales del propio gel. La relación de hinchamiento del gel Fc-celulosa/β-CD-celulosa disminuyó al aumentar la concentración de celulosa (Figura 6). Esto se debió a que la cantidad de agua retenida por la malla de la red de hidrogeles dependía de la estructura de la propia red polimérica . El gel Fc-celulosa/β-CD-celulosa se formó mediante la reticulación adecuada de las cadenas de celulosa. El número de sitios de reticulación por unidad de volumen de la red polimérica aumentó con el incremento de la concentración de celulosa. El mayor grado de reticulación no favorecía la difusión de las moléculas de agua.
La relación de hinchamiento del hidrogel de Fc-celulosa/β-CD-celulosa.
La relación de hinchamiento del gel de Fc-celulosa/β-CD-celulosa disminuyó del 3330% (p/p) (Figura 6) al 73,06% (p/p) (Figura 7), cuando el gel seco se colocó de nuevo en agua desionizada. Los tamaños de los poros del gel superabsorbente mostraron que era la capacidad de retención de agua la que engendraba la eficacia de la absorción. Se puede observar que el mayor número de poros puede retener más agua. La figura 8 muestra la morfología de liofilización del gel de celulosa y del gel de celulosa Fc/β-CD; en comparación con el gel de celulosa, el gel de celulosa Fc/β-CD tenía una estructura de poros más densa. Después de secar el gel, la estructura densa de poros se colapsó y confinó fácilmente; por lo tanto, la relación de resellado del gel de Fc-celulosa/β-CD-celulosa era pobre.
La relación de resellado del hidrogel de Fc-celulosa/β-CD-celulosa.
(a)
(b)
(a)
(b)
Las imágenes SEM del gel ((a) hidrogel de celulosa y (b) Fc-celulosa/β-CD-hidrogel de celulosa).
3.6. La morfología de la superficie del gel
La morfología de la superficie del gel también se muestra en la Figura 8. Los geles de celulosa y de complejos de inclusión Fc-celulosa/β-CD-celulosa se prepararon por el mismo método. El gel de celulosa (Figura 8(a)) tenía una estructura porosa relativamente grande; al igual que los complejos de inclusión Fc-celulosa/β-CD-celulosa, el gel tenía una estructura superficial relativamente densa. Esto puede haber sido causado por las diferentes fuerzas intermoleculares que surgen de la alteración de la estructura de la cadena molecular de la celulosa.
4. Conclusiones
El ferroceno y la ciclodextrina se injertaron en la superficie de la celulosa, respectivamente. El gel físico de celulosa fue preparado por Fc-celulosa y β-CD-celulosa a temperatura ambiente. La β-CD-celulosa y la Fc-celulosa pueden formar complejos de inclusión. Además, la oxidación y la reducción de estado del ferroceno pueden ajustarse mediante hipoclorito de sodio (NaClO) como oxidante y glutatión (GSH) como reductor. Se puede controlar la transición sol-gel. La resistencia a la compresión del gel de Fc-celulosa/β-CD-celulosa aumenta con el incremento de la concentración de celulosa. La interacción huésped-huésped entre las cadenas laterales de la celulosa puede reforzar el gel. Por lo tanto, se creía que estas propiedades curativas que responden a los estímulos podrían utilizarse eventualmente en diversas aplicaciones biomédicas.
Conflicto de intereses
Los autores declaran que no existe ningún conflicto de intereses en relación con la publicación de este artículo.
Agradecimientos
Este trabajo está apoyado por «los Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales» y «el Laboratorio Clave de Guangxi de Química e Ingeniería de Productos Forestales Proyecto de Fondo Abierto GXFC12-03».