Синтез гидрогелей на основе биоматериалов крахмала и натрий-карбоксиметилцеллюлозы

Synthesis of hydrogels based on starch biomaterials and sodium-carboxymethylcellulose
Цитировать:
Холназаров Б.А., Тураев Х.Х., Назаров Ю.Э. Синтез гидрогелей на основе биоматериалов крахмала и натрий-карбоксиметилцеллюлозы // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. 2020. № 10(76). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/10769 (дата обращения: 05.12.2020).
Прочитать статью:

 

АННОТАЦИЯ

Этот полимерный материал демонстрирует значительную долю способности набухать и удерживать воду в его структуре, но не растворяться в воде. Эти гидрогели обладают высокой абсорбирующей способностью и могут содержать более 90 % воды. Гидрогели также имеют степень гибкости, очень похожую на гибкость натуральных тканей, из-за значительного содержания в них воды. В качестве основного материала использовали натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы, которая является биоматериалом для приготовления гидрогеля с оптимальным сшиванием.

ABSTRACT

This polymer material demonstrates a significant proportion of the ability to swell and retain water in its structure, but does not dissolve in water. These hydrogels are highly absorbent and can contain over 90% water. Hydrogels also have a degree of flexibility very similar to that of natural tissues due to their significant water content. The sodium salt of carboxymethyl cellulose was used as the main material, which is a biomaterial for the preparation of a hydrogel with optimal crosslinking.

 

Ключевые слова: крахмал, гидрогель, лимонная кислота, натрий-карбоксиметилцеллюлоза, связующий реагент, раствор сополимеризации.

Keywords: starch, hydrogel, citric acid, sodium-carboxymethylcellulose, crosslinking, copolymerization solution.

 

Введение

Целлюлоза – это вид самого распространенного в мире возобновляемого материала. Она нерастворима в воде, что делает ее пригодной для образования гидрогеля. Введение различных заместителей в целлюлозную структуру уменьшает число сильных водородных связей между гидроксильными группами, поэтому растворимость в воде может быть достигнута относительно легко. Общими группами являются алкильные, гидроксиалкильные и карбоксиметильные функциональные группы, используемые для модификации целлюлозы [5]. Для целей гелеобразования карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) находится в основном материале, но значительное количество исследовательских работ в литературе доказывает, что доступно и для других производных целлюлозы. Гидрогели на основе карбоксиметилцеллюлозы получают из водных растворов с несколькими методами сшивки. Обычно используются сшивающие агенты, такие как поликарбоновые кислоты, эпихлоргидрин и N,N'-метиленбисакриламид (MBA), но гелеобразование также может быть достигнуто с помощью поливалентных катионов, таких как Fe3+ [4]. Для инициирования реакции сшивания в чистой КМЦ высокоэнергетического часто применяются электронно-лучевое облучение и гамма-излучение [3]. Большим преимуществом облучения является то, что образование геля происходит даже без сшивающих агентов. Наличие сшивающих агентов значительно улучшает процесс гелеобразования, что приводит к лучшему гелеобразованию и более мягким необходимым условиям синтеза. На процесс гелеобразования влияют несколько параметров, таких как химическая структура и молекулярная масса полимера, концентрация растворенного вещества, поглощенная доза и атмосфера [2]. Крахмал также является очень дешевым возобновляемым ресурсом, который в основном используется в качестве сополимера в гидрогелях на основе синтетических полимеров. Гомогенную структуру крахмала получают крахмалом, предварительно желатинизированным термической обработкой перед сополимеризацией [1]. Сшивание гидрогелей может быть достигнуто с помощью системы инициатора или облучения высокой энергией, которое дает сшивание свободных радикалов и имеет очень высокие способности к набуханию. На свойства гидрогелей влияют источник крахмала и различное соотношение амилопектина / амилозы. Гидрогели на основе крахмала в сочетании с другими возобновляемыми материалами, такими как гидрогели крахмала / хитозана, имеют плохое поглощение воды. Карбоксиметилцеллюлоза в основном применяется в сополимерах с другими производными целлюлозы и смешивается с другими недорогими возобновляемыми материалами. Целлюлоза и ее водорастворимые производные использовались главным образом для приготовления различных композиционных пленок с желатинизированным крахмалом. Гидрогели были синтезированы с карбоксиметилкрахмалом и карбоксиметилцеллюлозой в присутствии МВА сшивателя. Целью данной работы является получение чистых сшитых гидрогелей КМЦ и КМЦ / крахмала с улучшенными сверхабсорбентными свойствами по сравнению с чистыми гелями на основе КМЦ. Смесь крахмал / КМЦ готовится путем взятия крахмала и КМЦ в различном соотношении. Лимонная кислота используется в качестве катализатора. Были изучены эффект крахмала, содержание свойств геля при различных условиях синтеза.

Материалы и методы

Водный раствор CMCNa при 20 °С, рН раствора 2 %-ного – 6,0–8,0), лимонная кислота (Merck Life Science Pvt Ltd) компании Nice Chemical Pvt Ltd. Кукурузный крахмал (25 % амилозы и 75 % амилопектина) производства Golden Corn Ташкентского крахмалопаточного завода. ИК-спектроскопия (Merck KgaA, Дармштадт, Германия); ДСК марки Netzsch Simultaneous Analyzer STA 409 PG (Германия); электронный     микроскоп фирмы Jeol Interactive Corporation, Japan JSM-6460LA.

Подготовка сшитого КМЦ

Соответствующее количество раствора КМЦ перемешивали в течение 1 часа при 70 °C. 1 %-ный раствор лимонной кислоты добавляли в качестве сшивающего агента и оставляли перемешиваться в течение еще 30 минут. Затем раствор высушивали при 70 °С до образования пленки. Пленку измельчали блендером, а затем измельчали в порошок с помощью ступки и пестика.

Приготовление сшитой смеси крахмал / КМЦ

 Смесь сшитого крахмала / КМЦ готовят следующим образом. Соответствующее количество крахмала растворяют в дистиллированной воде (ДВ) на водяной бане 80 °С в течение 30 минут. Высушенная пленка из сшитой КМЦ была измельчена и растворена в ДВ. С использованием магнитной горячей пластины желатинизированный крахмал (этап 1) смешивают с раствором, полученным на этапе 2, в течение 30 минут при 70 °С. Полученную пасту сушили в течение ночи при 90 °С, измельчали и испытывали. Смесь крахмал / КМЦ готовили путем смешивания 50 % крахмала и 50 % КМЦ, сшитых с 1 %-ной лимонной кислотой. Различные соотношения смеси крахмал / КМЦ получали смешением крахмала и КМЦ в различных соотношениях, и их свойства были изучены. Затем смешивали 75 % крахмала и 25 % КМЦ. Наконец, 25 % крахмала и 75 % КМЦ смешивали и изучали их свойства. Исследовано влияние содержания крахмала на свойства геля при различных условиях синтеза.

Таблица 1.

Физические свойства гидрогелей

Содержание

Толщина (мм)

Плотность (г/см3)

4

Крахмал / КМЦ (50/50)

0,045

0,014

5

Крахмал / КМЦ (25/75)

0,0415

0,019

6

Крахмал / КМЦ (75/25)

0,0325

0,032

 

 

Рисунок 1. Поглощение воды гидрогелем на основе крахмала и карбоксиметилцеллюлозы, массовое соотношение крахмала и карбоксиметилцеллюлозы и зависимость концентрации от связующего

 

На рисунке 1 показано водопоглощение при изменении сшивающих агентов. Результаты показывают, что этот гидрогель относится к суперабсорбентным гидрогелям, поскольку он поглощает более чем в 120 раз его первоначальный вес. Более высокое поглощение воды показано КМЦ 1 %-ной лимонной кислотой в качестве сшивающего агента по сравнению с 1,5 %-ной и 2 %-ной. Лимонная кислота используется в качестве сшивающего агента. Когда количество сшивающего агента увеличивается, становится совершенно ясно, что потребление воды уменьшается, что является общей тенденцией сверхпоглощающих гидрогелей. Исследовано водопоглощение гидрогелей смеси крахмал / КМЦ, сшитых лимонной кислотой, в различных соотношениях. Значения водопоглощения этих гидрогелей показаны на фигуре 2. Понятно, что соотношение крахмала и КМЦ 50/50 давало максимальное водопоглощение. Все гидрогели имеют характеристики суперсорбента, поскольку водопоглощение очень высокое.

 

Рисунок 2. Термогравиаметрический анализ гидрогеля крахмал / КМЦ

 

На рисунке 2 показана термограмма ТГА гидрогеля крахмал / КМЦ. Образец показывает небольшую (–11,07 %) потерю массы для первой стадии разложения и потерю массы (8,28 %) для второй стадии. Разложение максимально при 350 °C. Все летучие и легко разлагаемые органические материалы удаляются при этой температуре.

 

Рисунок 3. ИК-спектр гидрогеля на основе Na-КМЦ / крахмал (50/50), сшитой с лимонной кислотой

 

Исследовали смесь ИК КМЦ / крахмал (50/50), сшитую с лимонной кислотой. На рисунке 3 показаны спектры ИК для сшитой смеси крахмал / КМЦ. Рисунок доказывает, что выборка представляет собой КМЦ, поскольку она имеет подтвержденную область для полос КМЦ. Марио и др. обнаружили, что карбоксильные группы и их соли появляются при волновых числах 1716,65 см–1 и 1411,89 см–1 соответственно. Сильная полоса поглощения при 1605 см–1 подтверждает наличие группы С=О в КМЦ, где поглощение зон, связанных связью С=О, обычно очень сильное из-за большого изменения диполя, происходящего в этой модели. Слабые полосы около 759,95 см–1 связаны с растяжением и деформацией кольца a-Д-(1-4) и a-Д-(1-6) связей соответственно. Полоса около 1330,88 см–1 предназначена для изгибных колебаний ОН. Широкий благодаря частоте растяжения группы – ОН спектр крахмала показывает C-C, растягивающийся при 759,95 см–1, колебания a-1,4, гликозидную связь (C-O-C) при 931,62 см–1, первичный спирт – растяжение CH2OH мода при 1076,28 см–1, изгиб C-O-H при 1014,56 см–1, C-O растяжение при 1149,57 см–1, изгиб CH2 при 1411,89 см–1, вода адсорбируется в аморфных областях крахмала при 1593,20 см–1, O-H растягивается при 3217,27 см–1.

Выводы

Частичная замена КМЦ на крахмал улучшила гелевую фракцию, при этом также наблюдалось небольшое увеличение водопоглощения. Однако очень высокое содержание крахмала отрицательно сказалось на гелеобразовании, что привело к уменьшению гелевой фракции. Наилучшие свойства показали гидрогели, содержащие 50 % крахмала. Гранулы и фрагменты крахмала были диспергированы в матрице КМЦ. Набухание гелей КМЦ / крахмал показало высокую чувствительность к ионной силе в воде из-за компонента КМЦ. Однако смешанные гели менее чувствительны к ионной силе, чем чистые гели КМЦ. Введение крахмала в системы карбоксиметилцеллюлозы привело к улучшенным свойствам. Такие гели показали более высокое водопоглощение, особенно в среде с высокой концентрацией электролита.

 

Список литературы:

  1. Синтез суперабсорбентного гидрогеля на основе крахмала, акриловой кислоты и монтмориллонита / Б.А. Холназаров, Х.Х. Тўраев, Ш.Д. Ширинов, А.Т. Джалилов // Universum: технические науки. – М., 2019. – № 8/65. – C. 11–16.
  2. Kholnazaeov B.А., Тuraev Kh.Kh., Dzhalilov А.Т. Synthesis of starch, acrylamide, acrylic acid and montmorillonite-based superabsorbent polymer composite // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. – 2019. –56. P. 6973.
  3. Kizil R., Irudayaraj J., Seetharaman K. Characterization of Irradiated Starches by Using FTRaman and FTIR Spectroscopy. – 2011.
  4. Synthesis and characterization of novel carboxymethyl cellulose Hydrogels and carboxymethylcellulose-hydrogel ZnO-nanocomposites / M. Hashem, S. Sharaf, M.M. Abd El-Hady, A. Hebeish // Carbohydrate Polymers. – 2013. – № 95. – P. 421–427.
  5. Synthesis and characterization of sodium carboxymethyl cellulose from pod husk of Cacao (Theobroma cacao L.) / G.S. Hutomo, D.W. Marseno, S. Anggrahini, Supriyanto // African Journal of Food Science. – 2012. – Vol. 6 (6). – P. 180–185.
Информация об авторах

доктор философии (PhD) по техническим наукам, Термезский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Термез

Senior researcher, Termez State University, Republic of Uzbekistan, Termez

д-р хим. наук, профессор, Термезский государственный университет, 190111, Республика Узбекистан, г. Термез, улица Ф. Ходжаева, 43

doctor of chemical sciences, professor, Termez State University, 190111, Republic of Uzbekistan, Termez, F.Hojayev str., 43

преподаватель Термезский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Термез

Lecturer Termez State University, Republic of Uzbekistan, Termez

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top