Très stable, fonctionnelle Hairy Nanoparticules et biopolymères à partir de fibres de bois: Vers la nanotechnologie durable
Summary
Synthesis schemes to prepare highly stable wood fiber-based hairy nanoparticles and functional cellulose-based biopolymers have been detailed.
Abstract
Nanoparticules, comme l'un des matériaux clés dans la nanotechnologie et de la nanomédecine, ont acquis une importance significative au cours de la dernière décennie. Bien que des nanoparticules à base de métaux sont associés à des tracas synthétiques et environnementaux, la cellulose présente, une alternative verte durable pour la synthèse de nanoparticules. Ici, nous présentons les procédures de synthèse et de séparation chimiques pour produire de nouvelles classes de nanoparticules poilues (portant régions à la fois amorphes et cristallins) et biopolymères à base de fibres de bois. Grâce à l'oxydation periodate de pâte de bois tendre, l'anneau de glucose de la cellulose est ouverte à la liaison C2-C3 pour former des groupes 2,3-dialdéhyde. En outre le chauffage des fibres partiellement oxydées (par exemple, T = 80 ° C) résulte en trois produits, à savoir de fibres de cellulose oxydée, la cellulose nanocristalline stabilisée stériquement (SNCC) et dissous dialdéhyde cellulose modifiée (DAMC), qui sont bien séparés par centrifugation intermittente et l'addition de co-solvant.Les fibres partiellement oxydées (sans chauffage) ont été utilisés comme intermédiaire hautement réactif pour réagir avec le chlorite pour convertir la quasi-totalité aldéhyde en groupes carboxyle. précipitation et centrifugation Co-solvant conduit à la cellulose électrostérique stabilisé nanocristalline (ENCC) et de la cellulose dicarboxylées (DCC). La teneur en aldéhyde de la SNCC et par conséquent la charge de surface de ENCC (teneur en groupes carboxyle) a été contrôlée avec précision en régulant le periodate temps de réaction d'oxydation, ce qui entraîne des nanoparticules extrêmement stables comportant plus de 7 mmol de groupes fonctionnels par gramme de nanoparticules (par exemple, par rapport à CNC conventionnel portant << 1 mmol groupe fonctionnel / g). La microscopie à force atomique (AFM), la microscopie électronique à transmission (MET) et microscopie électronique à balayage (SEM) attestées à la morphologie analogue à une tige. titration conductimétrique, transformée de Fourier spectroscopie infrarouge (FTIR), la résonance magnétique nucléaire (RMN), la diffusion de lumière dynamique (DLS), électrocinétique-sonic-amplitude (ESA) et acoustique spectroscopie d'atténuation faire la lumière sur les propriétés supérieures de ces nanomatériaux.
Introduction
Cellulose, comme le biopolymère le plus abondant dans le monde, a été servi récemment comme une matière première clé pour obtenir des nanoparticules cristallines nommées nanocellulose cristalline (NCC, aussi connu comme la cellulose nanocristaux CNC) 1. Pour comprendre le mécanisme de la synthèse CCN, la structure des fibres de cellulose doit être exploré. La cellulose est un polymère linéaire et polydispersé comprenant du poly-bêta (1,4) -D-résidus glucose 2. Les anneaux de sucre dans chaque monomère sont reliés par l' oxygène glycosidique pour former des chaînes de (1-1,5) x 10 4 unités glucopyranose 2,3, présentant en alternance des parties cristallines et, des régions amorphes désordonnés, d' abord rapportées par Nageli et Schwendener 2,4. En fonction de la source, les parties cristallines de la cellulose peuvent adopter diverses formes polymorphes 5.
Si une fibre de cellulose est traitée avec un acide fort, tel que l'acide sulfurique, la phase amorphe peut être complètement hydrolysé away perturber le polymère et produire des particules cristallines de diverses proportions en fonction de la source (par exemple, le bois et le rendement du cotonnier nanotiges plus de 90% cristallins de largeur ~ 5-10 nm et une longueur ~ 100-300 nm, tandis que la tunicine, des bactéries, et les algues produisent 5-60 nm de large et de 100 nm à plusieurs micromètres de long NCC) 6. Les lecteurs sont appelés à la grande quantité de documentation disponible sur les aspects scientifiques et techniques de ces nanomatériaux 2,5,7-16. Malgré de nombreuses propriétés intéressantes de ces nanoparticules, leur stabilité colloïdale a toujours été un problème à des concentrations élevées de sel et à faible pH élevé / en raison de leur teneur relativement faible en charge de surface (moins de 1 mmol / g) 17.
Au lieu d' une hydrolyse acide fort, les fibres cellulosiques peuvent être traitées avec un agent d' oxydation (périodate) cliver liaison en C2 ou C3 dans les résidus D-glucopyranose pour former des unités anhydro 2,3-dialdéhyde sans réactions secondaires significatifs 18,19. Ces fibres partiellement oxydées peuvent être utilisées en tant que matériau intermédiaire utile pour produire des nanoparticules portant des régions à la fois amorphes et cristallins (celluloses nanocristallines poilus) en utilisant des réactions chimiques uniquement sans cisaillement mécanique ou par ultrasons 20. Lorsque le degré d'oxydation partielle DS <2, le chauffage oxydé fibres résultat en trois lots de produits, à savoir la cellulose fibreuse, dispersable dans l'eau dialdéhyde nanotrichites de cellulose appelée stériquement stabilisée nanocristallin cellulose (SNCC), et on dissout le dialdéhyde de cellulose modifiée (DAMC), qui peut être isolée par un contrôle précis sur l'addition de co-solvant et centrifugation intermittente 21.
Effectuer une oxydation de chlorite contrôlée sur les fibres partiellement oxydées convertit pratiquement tous les groupes aldéhyde aux unités carboxyle, ce qui peut introduire aussi élevé que 7 mmol groupes COOH par gramme de cellulose nanocristalline en fonction de la teneur en aldéhyde 18 </sup>, agissant en tant que stabilisants. Ces nanoparticules sont appelées cellulose nanocristalline stabilisation électrostérique (ENCC). En outre, il a été confirmé que les couches molles de chaînes saillantes ressemblant à des cheveux chargés existent sur ENCC 17. Ce matériau a été utilisé comme un adsorbant très efficace pour piéger les ions de métaux lourds 22. La charge de ces nanoparticules peut être contrôlée avec précision en contrôlant le temps de réaction periodate 23.
En dépit des réactions d'oxydation connues de cellulose, la production de SNCC et ENCC n'a jamais été rapportée par d'autres groupes de recherche le plus probablement en raison des défis de séparation. Nous avons été en mesure de faire la synthèse avec succès et d'isoler différentes fractions de nanoproduits en concevant précisément les étapes de séparation et de réaction. Cet article démontre visuel avec le détail complet comment préparer et de caractériser de manière reproductible les nouveaux nanobarbes précités portant à la fois une partie amorphe et cristallins à partir de fibres de bois. Ce tutoriel peut être un atout pour les chercheurs actifs dans les domaines de la matière molle, biologiques et sciences médicinales, la nanotechnologie et la nanophotonique, sciences de l'environnement et de l'ingénierie et de la physique.
Protocol
Representative Results
Discussion
Suite à la chimie discuté dans ce document visuel, un spectre de nanoparticules à base de cellulose très stables avec charge accordable portant phases à la fois cristallines et amorphes (celluloses nanocristallins poilue) sont produits. En fonction du temps d'oxydation au periodate, comme le montre le tableau 1, les différents produits on obtient des résultats: Les fibres oxydées (fraction 1), SNCC (fraction 2) et DAMC (fraction 3) dont chacune offrant des propriétés uniques, telles que la…
Divulgazioni
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 | – |
Riferimenti
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