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 (b).

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. (B) 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 (b) - 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 (b) 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.

Pregătirea compusă

Analiza gelului

Adsorbția de As (III)

Ca soluție (III) s-a preparat conform metodei descrise la 21. Soluția As (III), 10 mg/L, pH 7,0 a fost pompată printr-un compozit de 4 ml sau 140 ml AAm - α-Fe2O3. S-a colectat o fracțiune de 10 ml. Concentrația de As (III) a fost măsurată folosind un Perkin Elmer Optima TM 2100 DV ICP-OES sistem.

informatii suplimentare

Cum să citiți acest articol: Savina, I. N. și colab. O metodă simplă pentru producerea de hidrogeluri macroporoase 3D cu volum mare pentru aplicații avansate biotehnologice, medicale și de mediu. Știință. reprezentant. 6, 21154; doi: 10.1038/srep21154 (2016).

Referințe

Chen, B. și colab. Repararea leziunii măduvei spinării prin implantarea hidrogelului hema-moetacl încorporat bfgf la șobolani. Știință. Reprezentant. 5 (2015).

Lee, M. K., Rich, M. H., Baek, K., Lee, J. și Kong, H. Reglarea bioinspirată a dependenței de permeabilitate-rigiditate a hidrogelului pentru cultura de celule 3D. Știință. Reprezentant. 5 (2015).

Wang, Z. și colab. Explorarea sericinei proteinei de mătase naturale pentru medicina regenerativă: un hidrogel 3D injectabil, fotoluminiscent, cu adeziv celular. Știință. Reprezentant. 4 (2014).

Mattiasson, B., Kumar, A. și Galeaev, I. Y. Polimeri macroporoși: proprietăți de producție și aplicații biotehnologice/biomedicale. CRC Press, 2009.

Gun’ko, V. M., Savina, I. N. și Mikhalovsky, S. V. Cryogels: caracterizare morfologică, structurală și de adsorbție. Adv. Col. Interf. Știință. 187, 1-46 (2013).

Lozinsky, V. I. și colab. Criogelurile polimerice ca materiale promițătoare de interes biotehnologic. TENDINȚE în biotehnologie 21, 445–451 (2003).

Plieva, F. M., Galaev, I. Y. și Mattiasson, B. Geluri macropore preparate la temperaturi sub zero ca materiale noi pentru cromatografia fluidelor care conțin particule și aplicații de cultură celulară. J. Sep. Știință. 30, 1657–1671 (2007).

Savina, I. N. și colab. Structura poroasă și starea apei în polio-reticulate crio-hidrogeluri proteice. Materie moale. 7 (9), 4276–4283 (2011).

Gyarmati, B. și colab. Hidrogeli poli (aspartici) reticulați chimic supermacroporos. Acta Biomaterialia (2015).

Dainiak, M. B., Kumar, A., Galaev, I. Y. și Mattiasson, B. Metode în separările celulare. În separarea celulelor (ed. Mattiasson, B. și colab.) 1-18 (Springer, 2007)

Ertürk, G. & Mattiasson, B. Cryogels-versatile tools in bioseparation J. Chromatog. 1357, 24-35 (2014).

Ingavle, G. C. și colab. Legarea prin afinitate a anticorpilor de adsorbanții criogel supermacroporos cu proteina a imobilizată pentru îndepărtarea antigenului de protecție a toxinei antrax. Biomateriale 50, 140–153 (2015).

Kumar, A. & Srivastava, A. Separarea celulară utilizând cromatografie de afinitate pe bază de criogel. Protocoale naturale 5, 1737–1747 (2010).

Noppe, W. și colab. Geluri monolitice macroporoase, criogeluri, cu fagi imobilizați din biblioteca de afișare a fagilor ca o nouă platformă pentru dezvoltarea rapidă a adsorbantului de afinitate capabil să capteze țintă din furaje brute. J. Biotehnologie. 131, 293–299 (2007).

Bölgen, N. și colab. Creșterea 3D a condrocitelor articulare bovine în schele biodegradabile criogel pentru ingineria țesutului cartilajului. J. Țesut ing. Ploaie. Med. 5, 770–779 (2011).

Inci, I., Kirsebom, H., Galaev, I. Y., Mattiasson, B. și Piskin, E. Criogelurile de gelatină reticulate cu dextran oxidat și conținând hidroxiapatită proaspăt formată ca potențiale schele de inginerie a țesutului osos. J. Țesut ing. Ploaie. Med. 7, 584-588 (2013).

Sharma, A., Bhat, S., Vishnoi, T., Nayak, V. & Kumar, A. Matrică criogel tridimensională de caragenan-gelatină pentru aplicații de inginerie a țesuturilor. BioMed. Rez. Int. (2013).

Burova, T. V. și colab. Criogel de copolimer termoresponsiv care posedă memorie moleculară: sinteză, energie a colapsului și interacțiune cu liganzi. Macromol. Chem. Fizic. 212, 72-80 (2011).

Peniche, H. și colab. Criogeluri macroporoase termosensibile funcționalizate cu nanoparticule bioactive de chitosan/bemiparină. Macromol. Biosci. 13, 1556–1567 (2013).

Shevchenko, R. V. și colab. in vitro caracterizarea unui eșafod de gelatină, preparat prin criogelare și evaluat in vivo ca înlocuitor dermic în repararea plăgii. Acta biomaterialia 10, 3156-3166 (2014).

Savina, I. N. și colab. Îndepărtarea cu eficiență ridicată a As (III) dizolvat utilizând compozite polimerice macroporice încorporate în nanoparticule de fier. J. Haz. Mat. 192, 1002–1008 (2011).

Hajizadeh, S., Kirsebom, H., Galaev, I. Y. și Mattiasson, B. Evaluarea criogelului compozit selectiv pentru îndepărtarea bromatului din apa potabilă. J. Sep. Știință. 33, 1752–1759 (2010).

Le Noir, M., Plieva, F. M. și Mattiasson, B. Îndepărtarea compușilor care perturbă endocrinul din apă folosind criogeluri macroporoase imprimate molecular într-un reactor cu pat mobil. J. Sep. Știință. 32, 1471–1479 (2009).

Jain, E. & Kumar, A. Matrică polimerică de unică folosință pentru bioreactor criogel pentru producerea de proteine ​​terapeutice. Protocoale naturale 8, 821-835 (2013).

Bansal, V., Roychoudhury, P. K., Mattiasson, B. & Kumar, A. Recuperarea urokinazei din bioreactorul criogelic de cultură de celule mamifere integrate și purificarea enzimei utilizând cromatografia de afinitate p-aminobenzamidină. J. Mol. Recog. 19, 332–339 (2006).

Bölgen, N. și colab. Creșterea tridimensională a celulelor osoase în cadrul schelelor biodegradabile de criogel în bioreactoare la diferite regimuri. Ingineria țesuturilor partea A 14, 1743-1750 (2008).

Gutiérrez, M. C., Ferrer, M. L. și del Monte, F. Materiale cu gheață: structuri sofisticate care prezintă funcționalități îmbunătățite obținute după înghețarea unidirecțională și auto-asamblare indusă de segregarea gheaței. Mater. 20, 634–648 (2008).

Qian, L. & Zhang, H. Congelare controlată și uscare prin congelare: un traseu versatil pentru materiale poroase și micro-/nano-structurate. J. Chem. Tehnologie. Biotehnologie. 86, 172–184 (2011).

Önnby, L. și colab. Adsorbanți nanocompozite pe bază de nanocompozit pentru îndepărtarea arsenicului (v): evaluarea performanței, toxicității și scurgerii particulelor. Știință. Mediu total 473, 207–214 (2014).

Sandeman, S. R. și colab. Adsorbția coloranților anionici și cationici de către carboni activi, hidrogeli PVA și compozit PVA/AC. J. Coll. Interf. Știință. 358, 582-592 (2011).

Mulțumiri

Această lucrare a fost susținută financiar de proiectele FP7: PERG08-GA-2010-276954 (BioSmart), PEOPLE-2013-IAPP-612250 (WasClean) și PEOPLE-2011-IAPP-286089 (OncoNanoBBB). Autorii sunt recunoscători Protista Biotechnology AB (www.protista.se) pentru accesul la materiale și tehnologie ale structurii polimerice poroase monolitice (MPPS®).

Informatia autorului

Afilieri

Școala de Farmacie și Științe Biomoleculare, Universitatea din Brighton, clădirea Huxley, Lewes Road, BN2 4GJ, Brighton, Marea Britanie

Irina N. Savina, Ganesh C. Ingavle și Sergey V. Mikhalovsky

Școala de mediu și tehnologie, Universitatea din Brighton, Clădirea Cockcroft, Lewes Road, BN2 4GJ, Brighton, Marea Britanie

Școala de Inginerie, Universitatea Nazarbayev, 010000, Astana, Kazahstan

Serghei V. Mihalovski

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Contribuții

I.S.și S.M. a proiectat cercetarea originală. ESTE. și G.I. a efectuat sinteza, caracterizarea, a analizat datele și a elaborat manuscrisul. I.S., G.I., S.M. și A.C. a discutat rezultatele și aplicațiile/implicațiile acestora și a comentat manuscrisul. Toți autorii au examinat manuscrisul.

Declarații de etică

Interese concurente

Autorii declară că nu există interese financiare concurente.