تولید و ارزیابی آیروژل نانوکامپوزیتی بر پایه نانوفیبریل‌های سلولزی و پروتئینی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 محقق پسادکتری، گروه مهندسی زیست فرآیند، پژوهشکده زیست‌فناوری صنعت و محیط‌زیست، پژوهشگاه ملی مهندسی ژنتیک و زیست‌فناوری، تهران، ایران.

2 دانشیار، گروه مهندسی زیست فرآیند، پژوهشکده زیست‌فناوری صنعت و محیط‌زیست، پژوهشگاه ملی مهندسی ژنتیک و زیست‌فناوری، تهران، ایران.

چکیده

سابقه و هدف: زیست نانوکامپوزیتها گروهی از نانوکامپوزیتهای پلیمری هستند که از ترکیب پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر و جامدات غیرآلی تشکیل شده‌اند و حداقل یکی از ابعادشان در حد نانومتر است. آیروژل‌ها، موادی با ساختار شبکه‌ای سه‌بعدی حاوی حفره‌های به‌هم‌پیوسته و متشکل از ترکیب مواد مختلف هستند. این مواد به دلیل ویژگی‌های بسیار جالب‌توجهی نظیر سطح مخصوص، منافذ زیاد، و چگالی بسیار کم خواص جالب‌توجه و مصارف پرکاربردی در علوم مختلف دارند. در این پژوهش، آیروژل‌های نانوکامپوزیتی زیست‌سازگار از مواد غیرسمی و تجدیدپذیر که اغلب محصولات جانبی صنایع لبنی و ضایعات کشاورزی هستند تولید شده‌اند. این آیروژل‌های زیست نانوکامپوزیتی، حاوی مقادیر فراوان پلی‌ساکارید و پروتئین بوده و به دلیل ماهیت غیرسمی، تجدیدپذیری و زیست‌تخریب‌پذیری، کاربردهای گسترده‌ای در مصارف مختلف دارند.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه چند نوع آیروژل نانوکامپوزیتی متشکل از ترکیب نانوفیبریل‌های سلولزی، کیتوسان و نانوفیبریل پروتئینی با استفاده از خشک‌کن انجمادی تهیه شده و سپس با استفاده از روش‌های آنالیزی متعدد محتویات این آیروژل‌ها مورد بررسی و تأیید قرار گرفت. در نهایت کارایی این آیروژل‌ها در حذف رنگزای آزو از آب، بر روی یک مدل رنگزای آنیونیکی ارزیابی گردید.
یافته‌ها: آیروژل‌های سه‌جزئی فوق‌سبک (mg cm-3 15) و بسیار متخلخل (۹۱/۹۸ درصد)، با موفقیت تولید شدند. در این آیروژل‌ها از نانوالیاف سلولزی به‌عنوان تقویت‌کننده و کیتوسان و نانوفیبریل‌های پروتئینی به‌عنوان بهبوددهنده استفاده گردید. نتایج آزمون نشر تیوفلاوین-تی بر روی آیروژل‌های نانوکامپوزیتی با نسبت‌های ترکیب مختلف، وجود فیبریل‌های پروتئینی را تأیید می‌نماید. به‌طورکلی در آیروژل‌های دوجزئی نانوالیاف سلولزی/پروتئین، با کاهش جزء سلولز و افزایش جزء پروتئین تا ۹۰ درصد استحکام در حالت تر کاهش می‌یابد. درحالی‌که آیروژل‌های سه‌جزئی (حتی در حالتی که جزء پروتئین بیشترین مقدار را نسبت به کیتوسان داشت)، علاوه بر بهره‌وری از ثبات ابعادی و پایداری بسیار خوب در آب، در حذف رنگزای آنیونیکی نیز عملکرد بسیار مؤثری نشان دادند.
نتیجه‌گیری: نتایج این پژوهش نشان می‌دهد افزودن مواد پرکنندة طبیعی نظیر نانوالیاف سلولزی، تأثیر بسزایی در تقویت خواص مکانیکی آیروژل کیتوسان و نانوفیبریل پروتئینی دارد. ساختار بسیار متخلخل آیروژل سه‌جزئی متشکل از مقادیر بهینه نانوفیبریل‌های سلولزی، کیتوسان و نانوفیبریل‌های پروتئینی است که پس از فرایند خشک‌شدن در دستگاه خشک‌کن انجمادی با برقراری پیوندهای یونی و هیدروژن میان اجزا به‌خوبی حاصل شده است. با ارزیابی نتایج پایداری و جذب آب آیروژل‌های کامپوزیتی می‌توان آیروژل‌های حاوی ۵۰ درصد سلولز و نسبت‌های برابر کیتوسان/نانوفیبریل‌های پروتئینی را به‌عنوان نمونه‌های مطلوب برای ادامه مطالعات در نظر گرفت. لازم به ذکر است، کلیه آیروژل‌های سه‌جزئی حاوی نانوفیبریل‌های پروتئینی با گنجایش جذب حداکثر mg g-1 70 و بازدهی100 درصد رنگزای کنگو رد را جذب نمودند.
واژه‌های کلیدی: آیروژل، نانوفیبریل‌های سلولزی، کیتوسان، نانوفیبریل‌های پروتئینی

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Cellulose nanofibers/protein nanofibrils nanocomposite aerogels: Preparation and characterization

نویسندگان [English]

  • Mandana Dilamian 1
  • Dina Morshedi 2
1 Bioprocess Engineering Research Group, Department of Industrial and Environmental Biotechnology, National Institute of Genetic Engineering and Biotechnology, Tehran, Iran
2 Bioprocess Engineering Research Group, Department of Industrial and Environmental Biotechnology, National Institute of Genetic Engineering and Biotechnology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Abstract
Background and objectives: Bio-nanocomposites are a group of polymer nanocomposites constructed from the combination of biodegradable polymers and inorganic solids, in which at least one of their dimensions is in the nanometer range. Aerogels are materials with 3D porous interconnected structures, consisting of various polymer components. Regarding their spectacular features such as high specific surface, high porosity, and very low density, aerogels have interesting and broad potential applications in various sciences. In this research, biocompatible nanocomposite aerogels are produced from non-toxic, sustainable, and renewable materials, which are mostly by-products of the dairy industry and agricultural wastes. These nanocomposite aerogels contain large amounts of polysaccharides and proteins. These aerogels have properties of non-toxic nature, renewability, and biodegradability and can be broadly applied in various fields.
Materials and methods: This study prepared several nanocomposite aerogels composed of various cellulose nanofibrils, chitosan, and protein nanofibrils using the freeze-drying method. The obtained aerogels were evaluated via multiple techniques to verify their components and evaluate their compatibilities. Consequently, an anionic dye was chosen as a model dye to investigate the efficiency of these aerogels in removing azo dye from water.
Results: Ultralight (15 mg cm-3) and highly porous (98.91%) aerogels were produced. Cellulose nanofibers reinforced the structure and chitosan and protein nanofibrils added extra functional groups to the aerogel. The results obtained from the evaluation of Thioflavin-T confirmed the presence of protein nanofibrils (PNF) in composition. Overall, by reducing the cellulose fraction and increasing the protein proportion, the stability of hybrid aerogels of cellulose nanofibers/chitosan decreases up to 90% in a wet state. In contrast, the wet strength of composite aerogel containing cellulose nanofiber/chitosan/protein increased, even though the protein fraction was at its highest value, and these aerogels revealed the highest efficiency in removing anionic dye from water as well.
Conclusion: The results of this research study show that adding natural fillers such as cellulose nanofibers has a striking effect on promoting the mechanical stability of composite aerogels. The highly porous structure of three-component aerogel consists of optimum fractions of cellulose nanofibrils, chitosan, and protein nanofibrils perfectly prepared via establishing ionic and hydrogen bonds after the drying process in freeze-drying. Comparing the results of dimensional stability and water absorption of composite aerogels, it can be claimed that, nanocomposite aerogel containing 50% cellulose with equal proportions of chitosan/protein nanofibrils can be regarded as the optimum sample for further studies. Notably, all three-component aerogels containing PNF exhibited a maximum absorption capacity of 70 mg g-1 and the highest 100% removal efficiency for Congo red anionic dye.
Keywords: Aerogel, Cellulose nanofibrils, Chitosan, Protein nanofibrils

کلیدواژه‌ها [English]

  • Aerogel
  • Cellulose nanofibrils
  • Chitosan
  • Protein nanofibrils

مراجع

1.Ganesamoorthy, R., Vadivel, V.K., Kumar, R., Kushwaha, O.S., and Mamane, H. 2021. Aerogels for water treatment: A review. J. of Cleaner Production. 329: 129713.
2.Kistler, S.S., Fischer, E.A., and Freeman, I.R. 1943. Sorption and surface area in silica aerogel. J. of American Chemical Society. 65: 10. 1909-1919.
3.Sehaqui, H., Zhou, Q., and Berglund, L.A. 2011. High-porosity aerogels of high specific surface area prepared from nanofibrillated cellulose (NFC). Composites Science and Technology. 71: 13. 1593-1599.
4.Sehaqui, H. 2013. Lightweight foams and aerogels of biobased nanofibers. Handb of Green Materials. pp. 121-137.
5.Jiang, F., and Hsieh, Y.L. 2014. Amphiphilic superabsorbent cellulose nanofibril aerogels. J. of Materials Chemistry A. 2: 18. 6337-6342.
6.Peydayesh, M., and Mezzenga, R. 2021. Protein nanofibrils for next generation sustainable water purification. Nature Communications. 12: 1. 3248.
7.Ablouh, E.H., Kassab, Z., Semlali Aouragh Hassani, F., El Achaby, M., and Sehaqui, H. 2022. Phosphorylated cellulose paper as highly efficient adsorbent for cadmium heavy metal ion removal in aqueous solutions. RSC Advances. 12: 2. 1084-1094.
8.Choudhury, R.R., Sahoo, S.K., and Gohil, J.M. 2020. Potential of bioinspired cellulose nanomaterials and nanocomposite membranes thereof for water treatment and fuel cell applications. Cellulose. 27: 12. 6719-6746.
9.Abdel-Halim, E.S. 2014. Chemical modification of cellulose extracted from sugarcane bagasse: Preparation of hydroxyethyl cellulose. Arabian J. of Chemistry. 7: 3. 362-371.
10.Abd El-Hack, M.E., El-Saadony, M.T., Shafi, M.E., Zabermawi, N.M., Arif, M., Batiha, G.E., Khafaga, A.F., Abd
El-Hakim, Y.M., and Al-Sagheer, A.A. 2020. Antimicrobial and antioxidant properties of chitosan and its derivatives and their applications: A review. International J. of Biological Macromolecules. 164: 2726-2744.
11.Arcari, M., Axelrod, R., Adamcik, J., Handschin, S., Sánchez-Ferrer, A., Mezzenga, R., and Nyström, G. 2020. Structure-property relationships of cellulose nanofibril hydro-and aerogels and their building blocks. Nanoscale. 12: 21. 11638-11646.
12.Jung, J., Savin, G., Pouzot, M., and Schmitt, C. 2008. Structure of heat-induced - lactoglobulin aggregates and their complexes with sodium-dodecyl sulfate. Biomacromolecules. 9: 9. 2477-2486.
13.Ke, P.C., Zhou, R., Serpell, L.C., Riek, R., Knowles, T.P.J., Lashuel, H.A., Gazit, E., Hamley, I.W., Davis, T.P., Fändrich, M., Otzen, D.E., Chapman, M.R., Dobson, C.M., Eisenberg, D.S., and Mezzenga, R. 2020. Half a century of amyloids: Past, present and future. Chemical Society Reviews. 49: 15. 5473-5509.
14.Knowles, T.P.J., and Mezzenga, R. 2016. Amyloid fibrils as building blocks for natural and artificial functional materials. Advanced Materials. 28: 31. 6546-6561.
15.Fischer, F., Rigacci, A., Pirard, R., Berthon-Fabry, S., and Achard, P. 2006. Cellulose-based aerogels. Polymer. 47: 22. 7636–7645.
16.Korhonen, J.T., Kettunen, M., Ras, R.H.A., and Ikkala, O. 2011. Hydrophobic nanocellulose aerogels as floating, sustainable, reusable, and  recyclable oil absorbents. ACS Applied Materials & Interfaces. 3: 6. 1813-1816.
17.Nguyen, S.T., Feng, J., Le, N.T., Le, A.T.T., Hoang, N., Tan, V.B.C., and Duong, H.M. 2013. Cellulose aerogel from paper waste for crude oil spill cleaning. Industrial & Engineering Chemistry Research. 52: 51. 18386-18391.
18.Feng, J., Nguyen, S.T., Fan, Z., and Duong, H.M. 2015. Advanced fabrication and oil absorption properties of super-hydrophobic recycled cellulose aerogels. Chemical Engineering J. 15: 270. 168-175.
19.Li, Z., Shao, L., Ruan, Z., Hu, W., Lu, L., and Chen, Y. 2018. Converting untreated waste office paper and chitosan into aerogel adsorbent for  the removal of heavy metal ions. Carbohydrate Polymers. 193: 221-227.
20.Li, Z., Shao, L., Hu, W., Zheng, T., Lu, L., Cao, Y., and Chen, Y. 2018. Excellent reusable chitosan/cellulose aerogel as an oil and organic solvent absorbent. Carbohydrate Polymers. 191: 183-190.
21.Tu, H., Yu, Y., Chen, J., Shi, X., Zhou, J., Deng, H., and Du, Y. 2017. Highly cost-effective and high-strength hydrogels as dye adsorbents from natural polymers: chitosan and cellulose. Polymer Chemistry. 8: 19. 2913-2921.
22.Leung, W.H., So, P.K., Wong, W.T., Lo, W.H., and Chan, P.H. 2016. Ethylenediamine-modified amyloid fibrils of hen lysozyme with stronger adsorption capacity as rapid nano-biosorbents for removal of chromium (vi) ions. RSC Advances. 6: 108. 106837-106846.
23.Morshedi, D., Mohammadi, Z., Boojar, M.M.A., and Aliakbari, F. 2013. Using protein nanofibrils to remove azo dyes from aqueous solution by the coagulation process. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 112. 245-254.
24.Peydayesh, M., Suter, M.K., Bolisetty, S., Boulos, S., Handschin, S., Nyström, L., and Mezzenga, R. 2020. Amyloid fibrils aerogel for sustainable removal of organic contaminants from water. Advanced Materials. 32: 12. 1-6.
25.Nystrom, G., Fong, W.K., and Mezzenga, R. 2017. Ice-templated and cross-linked amyloid fibril aerogel scaffolds for cell growth. Biomacromolecules. 18: 9. 2858-2865.
26.Biancalana, M., and Koide, S. 2010. Molecular mechanism of thioflavin-T binding to amyloid fibrils. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics. 1804: 7. 1405-1412.
27.Nyström, G., Fong, W., and Mezzenga, R. 2017. Ice-templated and cross-linked amyloid fibril aerogel scaffolds for cell growth. Biomacromolecules. 18: 9. 2858-2865.
28.Usuelli, M., Germerdonk, T., Cao, Y., Peydayesh, M., Bagnani, M., Handschin, S., Nyström, G., and Mezzenga, R. 2021. Polysaccharide-reinforced amyloid fibril hydrogels and aerogels. Nanoscale. 13: 29. 12534-12545.
29.Dilamian, M., and Noroozi, B. 2021. Rice straw agri-waste for water pollutant adsorption: Relevant mesoporous
super hydrophobic cellulose aerogel. Carbohydrate Polymers. 251: 117016.
30.Peydayesh, M., Chen, X., Vogt, J., Donat, F., Müller, C.R., and Mezzenga, R. 2022. Amyloid fibril-UiO-66- NH2 aerogels for environmental remediation. Chemical Communications. 58: 5104-5107.
31.Rong, N., Chen, C., Ouyang, K., Zhang, K., Wang, X., and Xu, Z. 2021. Adsorption characteristics of directional cellulose nanofiber/ chitosan/ montmorillonite aerogel as adsorbent for wastewater treatment. Separation and Purification Technology. 274: 119120.
32.Rahimi Aqdam, S., Otzen, D.E., Mahmoodi, N.M., and Morshedi, D. 2021. Adsorption of azo dyes by a novel bio-nanocomposite based on whey protein nanofibrils and nano-clay: quilibrium isotherm and kinetic modeling. J. of Colloid and Interface Science. 602: 490-503.
33.Mohammadreza Miraboutalebi, S., Peydayesh, M., Bagheri, M., and Mohammadi, T. 2020. Polyacrylonitrile/ α-Fe2O3 hybrid photocatalytic composite adsorbents for enhanced dye removal. Chemical Engineering Technology. 43: 6. 1214-1223.
34.Jia, X., Peydayesh, M., Huang, Q., and Mezzenga, R. 2022. Amyloid fibril templated MOF aerogels for water purification. Small. 18: 4. 2105502.
35.Yang, G.H., Bao, D.D., Zhang, D.Q., Wang, C., Qu, L.L., and Li, H.T. 2018. Removal of antibiotics from water with an all-carbon 3D nanofiltration membrane. Nanoscale Research Letters. 13: 1. 1-8.
پژوهش‌های علوم و فناوری چوب و جنگل
دوره 29، شماره 4
دی 1401
صفحه 113-138

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار