O metodă simplă pentru producerea de hidrogeluri macroporoase 3D cu volum mare pentru avansați

Subiecte

Abstract

Introducere

Rezultate

Sinteza convențională a gelurilor macroporoase

Gelurile macroporoase au fost preparate prin criogelare, implicând înghețarea soluției inițiale de formare a gelului și efectuarea polimerizării sau formării gelului la temperaturi de 12-18 grade sub punctul de îngheț al solventului (Fig. 1a).

producerea

O reprezentare schematică a metodei de preparare a criogelului prin metoda convențională (A) și abordarea nouă (pre-congelare) prezentată aici ().

Cristalele de solvent (gheață) formate în timpul înghețării solventului acționează ca un porogen. Porii umpluți cu apă se formează după dezghețarea materialului. Pentru a obține un gel macroporos, cristalele de solvent trebuie formate înainte ca gelul să se formeze. Pentru a reduce gradientul de temperatură și, de asemenea, a încetini reacția care duce la formarea gelului, soluția de reactiv a fost pre-răcită în gheață înainte de a adăuga inițiatorul sau reticulatorul și, de asemenea, concentrația inițiatorului a fost redusă pentru a încetini polimerizarea în sine . Gelul macroporos s-a format după decongelare. Morfologia gelului a depins de viteza de răcire și de geometria gelului. Când s-a preparat un gel într-o cutie Petri scufundată într-o baie de etanol de răcire, înghețarea începe în partea de jos a vasului, unde se formează rapid cristale de gheață mici, rezultând formarea de pori mai mici, de dimensiuni medii 30 μm (Fig. 2A, jos) . Răcirea a fost mai lentă în partea de sus a probei, lăsând mai mult timp pentru creșterea cristalului de gheață, ceea ce duce la formarea de pori mai mari, 76 μm (Fig. 2A, partea de sus). Mărimea eșantionului a fost de doar câțiva (aproximativ 2) milimetri. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că o creștere a dimensiunii probei va duce la un gradient de temperatură mai ridicat în probă și la variații mari ale morfologiei gelului.

(A) Imagine microscopică cu scanare laser confocală (CLSM) a unei secțiuni transversale de hidrogel de gelatină preparată într-o cutie Petri. Înghețarea a început de la fundul vasului Petri unde s-au format pori mici, în timp ce porii mai mari s-au format la contactul cu aerul (sus). Bara de scară este de 500 mm. () Profiluri de temperatură măsurate în probe de criogel HEMA: a) patru probe diferite câte 5 ml fiecare, b) și c) probă de 100 ml preparată utilizând metoda convențională; și d) 100 ml probă după pre-congelare.

Profiluri de temperatură: înghețarea volumelor mari

Metoda de pre-congelare

Poli (2-hidroxietil metacrilat-polietilen glicol), pHEMA, gel de formă cilindrică (400 ml) produs prin metoda convențională (stânga) și pre-congelarea (dreapta)A) și secțiunile sale transversale () - convențional, (c) - pre-congelare),d) prezintă secțiuni transversale confocale cu scanare laser cu imagini de microscopie ale unui gel convențional, în timp ce (e) prezintă scanarea imaginilor cu microscopie electronică a unui gel produs prin metoda de pre-congelare, (f) prezintă distribuția mărimii porilor în trei părți ale gelurilor: sus, mijloc și jos.

Dublă porozitate în gelurile pHEMA preparate prin metoda de pre-congelare

Imagini SEM ale unui criogel pHEMA realizat folosind metodele convenționale și de pre-congelare și un criogel de poliacrilamidă (pAAm) realizat prin metoda de pre-congelare (morfologia gelului de pAAm preparat prin metoda convențională a fost similară, datele nu sunt prezentate).

Compozite

Compozite criogel poliacrilamidice. (A) cu nanoparticule α-Fe2O3 (20 nm) și () cu margele de cărbune activ (250-500 mm), produse prin metoda convențională (eprubeta din stânga) și produse prin congelarea prealabilă a suspensiei înainte de inițierea polimerizării (eprubeta din dreapta). Compusul criogel poliacrilamidic cu nanotuburi de carbon (c) și secțiunea sa transversală (d). Coloana α-Fe2O3-AAm produsă prin metoda de pre-congelare (140 ml volum) și metoda convențională (1 ml volum)e). Adsorbția As (III) prin coloană de 4 și 140 mlf). Distribuția mărimii porilor (g). A se vedea textul pentru discuție.

Aplicare potențială pentru curățarea apei

O coloană compozită (140 ml) încărcată cu nanoparticule de fier α-Fe2O3 a fost preparată folosind metoda de pre-congelare pentru aplicarea prin flux (Fig. 5e). Coloana a fost testată pentru adsorbția As (III) dintr-o soluție apoasă și comparată cu o coloană de 4 ml preparată prin metoda convențională. Coloana de 4 ml a fost obținută prin stivuirea a 4 bucăți de 1 ml de gel. Bucățile mici de criogel (1 ml) au fost pregătite pentru a menține o distribuție uniformă a nanoparticulelor. O soluție de 10 mg/L As (III) a fost pompată prin coloană la un debit de 10 ml/min. Profilul avansat pentru coloana de 4 ml (debit de 4 ml/min) și coloana de 140 ml (debit de 10 ml/min) demonstrează o mărire eficientă a procesului de adsorbție cu utilizarea coloanei mari realizată de pre - metoda de congelare (Fig. 5f).

Discuţie

Reprezentarea schematică a procesului de îngheț: răcirea începe la temperatura A și soluția se răcește până la B. La B începe nucleația și temperatura crește la C (temperatura de îngheț, Tf). Cristalizarea și concentrația solutului în lichidul neînghetat continuă până la D, temperatura țintă.

Metode

Prepararea gelului

Foile de hidrogel de gelatină (gel G) au fost preparate într-o matriță de sticlă. S-a adăugat glutaraldehidă (3% v/g) la soluția de gelatină (6% g/g). Soluția a fost plasată în matrița de sticlă și congelată într-o cameră de răcire Julabo la -12 ° C timp de 20 de ore. Apoi a fost decongelat și spălat cu un exces de apă. Gelurile de 2-hidroxietil metacrilat au fost preparate prin dizolvarea 2-hidroxietil metacrilatului (HEMA, Acros Organic, 98%) și poli (etilen glicol) diacrilatului (PEGDA, Aldrich, Mn

258) în apă (soluție 6% greutate/volum, raport molar HEMA: PEGDA 8: 1). Amestecul de reacție a fost degazat la presiune scăzută timp de 25 de minute pentru a elimina oxigenul dizolvat înainte de gelificare. În metoda convențională amestecul a fost răcit la 0 ° C timp de 15 minute și apoi s-au adăugat N, N, N ′, N'-tetrametil-etilendiamină (TEMED, Fisher Scientific, 99%) și persulfat de amoniu (APS, 98%) iar amestecul s-a lăsat să înghețe complet. În metoda de pre-congelare, amestecul a fost răcit cu amestecare constantă într-o baie de răcire cu etanol la -18 ° C. După formarea cristalelor de gheață, amestecul a fost pre-răcit la -2 ° C cu amestecare constantă. S-au adăugat N, N, N ', N'-tetrametil-etilendiamină (TEMED, Fisher Scientific, 99%) și persulfat de amoniu (APS, 98%) și amestecul a fost lăsat să înghețe complet. Amestecul înghețat a fost menținut la -18 ° C timp de 20 de ore și apoi dezghețat la temperatura camerei.