Altamente estável, funcional Hairy Nanopartículas e Biopolímeros de fibras de madeira: Rumo a nanotecnologia Sustentável
Summary
Synthesis schemes to prepare highly stable wood fiber-based hairy nanoparticles and functional cellulose-based biopolymers have been detailed.
Abstract
Nanopartículas, como um dos principais materiais em nanotecnologia e nanomedicina, ganharam importância significativa durante a década passada. Enquanto nanopartículas à base de metal estão associados com dificuldades sintéticos e ambientais, celulose apresenta uma alternativa verde, sustentável para a síntese de nanopartículas. Aqui, apresentamos os procedimentos de síntese e separação química para produzir novas classes de nanopartículas peludos (rolamento regiões tanto amorfas e cristalinas) e biopolímeros com base em fibras de madeira. Através de oxidação com periodato de polpa de madeira macia, o anel de glicose da celulose é aberto na ligação C2-C3 para formar grupos 2,3-dialdeído. Aquecimento adicional das fibras parcialmente oxidados (por exemplo, T = 80 ° C) resulta em três produtos, a saber, fibroso de celulose oxidada, estericamente estabilizados celulose nanocristalino (SNCC), e dissolveu-se dialdeído celulose modificada (DAMC), que estão bem separadas por centrifugação intermitente e a adição de co-solvente.As fibras parcialmente oxidada (sem aquecimento) foram utilizados como um intermediário altamente reactiva para reagir com clorito para a conversão de quase todos aldeído para grupos carboxilo. Co-precipitação de solvente e centrifugação resultou em celulose electrosterically estabilizado nanocristalino (ENCC) e celulose dicarboxylated (DCC). O conteúdo em aldeído de SNCC e, consequentemente, a carga superficial da ENCC (teor de carboxilo) foram precisamente controlado, controlando o tempo da reacção de oxidação com periodato, resultando em nanopartículas altamente estáveis que contenham mais de 7 mmol de grupos funcionais por grama de nanopartículas (por exemplo, em comparação com NCC convencional rolamento << 1 mmol grupo funcional / g). microscopia de força atômica (AFM), microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e microscopia eletrônica de varredura (SEM) atestou a morfologia vara. titulação conductométrica, espectroscopia no infravermelho (FTIR), ressonância magnética nuclear (RMN), dispersão de luz dinâmica (DLS), electrocinético-sONIC-amplitude (ESA) e lançar luz espectroscopia de atenuação acústica nas propriedades superiores destes nanomateriais.
Introduction
Celulose, como o biopolímero mais abundante no mundo, foi servido recentemente como uma matéria-prima fundamental para produzir nanopartículas cristalinas nomeados celulose nanocristalino (NCC, também conhecidas como nanocristais de celulose CNC) 1. Para entender o mecanismo de síntese NCC, a estrutura de fibras de celulose precisa ser explorado. A celulose é um polímero linear e polidispersa que compreende poli-beta (1,4) -D-glucose resíduos 2. Os anéis de açúcar em cada monômero são conectados através de oxigênio glicosídica para formar cadeias de (1-1,5) x 10 4 unidades de glucopiranose 2,3, introduzindo alternando partes cristalinas e amorfas, regiões desordenadas, relatadas pela primeira vez por Nageli e Schwendener 2,4. Dependendo da fonte, partes cristalinas de celulose pode adotar vários polimorfos 5.
Se uma fibra de celulose é tratada com um ácido forte, tal como ácido sulfúrico, a fase amorfa podem ser completamente hidrolisada awaY para interromper o polímero e produzir partículas cristalinas de várias relação de aspecto, dependendo da fonte (por exemplo, de madeira e de rendimento de algodão nanorods mais do que 90% cristalinas de largura ~ 5-10 nm e comprimento de ~ 100-300 nM, ao passo que tunicin, bactérias, e algas produzem 5-60 nm de largura e 100 nm a vários micrómetros de comprimento NCCs) 6. Os leitores são encaminhados para a grande quantidade de literatura disponível sobre os aspectos científicos e de engenharia destes nanomateriais 2,5,7-16. Apesar das inúmeras propriedades interessantes dessas nanopartículas, a sua estabilidade coloidal tem sido sempre um problema em altas concentrações de sal e alto / baixo pH, devido à sua relativamente baixo teor de carga de superfície (menos de 1 mmol / g) 17.
Em vez da hidrólise ácida forte, fibras de celulose podem ser tratadas com um agente oxidante (periodato), clivando C2-C3 de ligação nos resíduos D-glucopiranose anidros para formar unidades de 2,3-dialdeído sem reacções colaterais significativos 18,19. Estas fibras parcialmente oxidados podem ser utilizados como um material intermediário valioso para produzir nanopartículas de rolamento regiões tanto amorfas e cristalinas (celuloses nanocristalinos cabeludas), utilizando reacções químicas exclusivamente sem qualquer corte mecânico ou de ultra-som 20. Quando o grau de oxidação parcial DS <2, aquecimento oxidado fibras resultados em três lotes de produtos, nomeadamente de celulose fibrosa, nanowhiskers celulose dispersível em água de dialdeído chamados estericamente estabilizado nanocristalino celulose (SNCC), e dissolveu-se dialdeído celulose modificada (DAMC), que pode ser isolado por um controle preciso sobre a adição de co-solvente e centrifugação intermitentes 21.
Realizando a oxidação de clorito controlada sobre as fibras parcialmente oxidados converte quase todos os grupos carboxilo de aldeído para unidades, as quais podem introduzir-se em 7 mmol de grupos COOH por grama de celulose nanocristalina, dependendo do conteúdo em aldeído 18 </sup>, actuando como estabilizantes. Estas nanopartículas são chamados de celulose nanocristalina electrosterically estabilizado (ENCC). Além disso, foi confirmado que as camadas macias de cadeias salientes semelhantes a cabelos carregadas existe na ENCC 17. Este material foi usado como um adsorvente altamente eficiente para eliminar iões de metais pesados 22. O custo destas nanopartículas pode ser precisamente controlada, controlando o tempo de reacção 23 periodato.
Apesar de reacções de oxidação conhecidas de celulose, a produção de SNCC e ENCC nunca foi relatada por outros grupos de investigação mais provavelmente devido aos desafios de separação. Nós temos sido capazes de sintetizar e isolar várias fracções de nanoprodutos concebendo precisamente os passos de reacção e de separação com sucesso. Este artigo demonstra visuais com detalhe completo como preparar reprodutível e caracterizar os acima mencionados novos nanowhiskers tendo ambos parte amorfa e cristalinas a partir de fibras de madeira. Este tutorial pode ser um trunfo para pesquisadores ativos nas áreas de material macio, biológicas e ciências medicinais, nanotecnologia e nanofotônica, ciências ambientais e engenharia e física.
Protocol
Representative Results
Discussion
Seguindo a química discutidos neste trabalho visual, um espectro de nanopartículas à base de celulose altamente estáveis com carga ajustável tendo ambas as fases cristalinas e amorfas (celuloses nanocristalinos cabeludo) são produzidos. Dependendo do tempo de oxidação com periodato, como apresentado na Tabela 1, os vários produtos são originou: fibras oxidado (fracção 1), SNCC (fracção 2), e DAMC (fracção 3) cada um dos quais proporcionando propriedades únicas, tais como tamanho d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financial support from an Industrial Research Chair funded by FPInnovations and NSERC for a NSERC Discovery grant and from the NSERC Innovative Green Wood Fiber Products Network are acknowledged.
Materials
| Q-90 softwood pulp | FPInnovations | – | – |
| Sodium periodate | Sigma-Aldrich | S1878-500G/CAS7790-28-5 | Light sensitive, Strong oxidizer, must be kept away from flammable materials |
| Sodium chloride | ACP Chemicals | S2830-3kg/7647-14-5 | – |
| 2-Propanol | Fisher | L-13597/67-63-0 | Flammable |
| Ethylene glycol | Sigma-Aldrich | 102466-1L/107-21-1 | – |
| Sodium hydroxide | Fisher | L-19234/1310-73-2 | Strong base, causes serious health effects |
| Sodium chlorite | Sigma-Aldrich | 71388-250G/7758-19-2 | Reactive with reducing agents and combustible materials |
| Hydrogen peroxide | Fisher | H325-500/7722-84-1 | Corrosive and oxidizing agent, keep in a cool and dark place |
| Ethanol | Commercial alcohols | P016EAAN | Flammable |
| Hydrochloric acid | ACP Chemicals | H-6100-500mL/7647-01-0 | Strong acid, causes serious health effects |
| Hydroxylamine hydrochloride | Sigma-Aldrich | 159417-100G/5470-11-1 | Unstable at high temperature and humidity, mutagenic |
| Centrifuge | Beckman Coulter | J2 | High rotary speed |
| Fixed angle rotor | Beckman Coulter | JA-25.50 | Tighten the lid carefully |
| Dialysis tubing | Spectrum Labs | Spectra (Part No. 132676) | Cutoff Mw = 12-14 kD, Length ~ 30 cm, width ~ 4.5 cm |
| Aluminum cup | VWR | 611-1371 | 57 mm |
| Titrator | Metrohm | 836 Titrando | – |
References
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