Сравнительное исследование электрохимических, биомедицинских и тепловых свойств природных и синтетических наноматериалов

Фон

Природные наноматериалы включают наноцеллюлозу в различных формах, таких как нановолокно целлюлозы (NFC) и нанокристаллы целлюлозы (CNC). Грубо говоря, отдельные молекулярные цепи целлюлозы соединяются друг с другом посредством водородных связей с образованием более крупных единиц, известных как рудиментарные фибриллы или микрофибриллы [1]. Эти микрофибриллы имеют несколько аморфных участков и чрезвычайно упорядоченных (кристаллических) участков. Когда микрофибриллы делятся на частицы нанометрового размера, образуются нанофибриллы. Домены нанофибрилл, обычно называемые наноцеллюлозой, являются многообещающим сырьем для новых композитов на биологической основе из-за их высокой механической прочности, жесткости, низкого теплового расширения, большой площади поверхности, возобновляемости, оптической прозрачности, способности к биоразложению и низкой токсичности [2] .

Для приготовления наноцеллюлозы используется множество природных источников. Кенаф - это натуральное тропическое растение, которое выращивают в коммерческих целях для получения вторичного источника дохода для развивающихся стран, включая Малайзию [3]. Высокое содержание целлюлозы в кенафе от 44 до 63,5% вызвало интерес для многих приложений [3, 4]. CNC и NFC могут быть получены путем кислотного гидролиза и механической обработки соответственно. Благодаря своим превосходным характеристикам, таким как нетоксичность, высокие электрические, а также тепловые свойства, они использовались во многих областях, таких как наполнители в полимерных композиционных материалах, для создания множества других функциональных материалов, таких как прозрачные барьерные пленки [5], фотонные кристаллы [6], полимеры с памятью формы [7], носители лекарств [8] и композитные материалы [9].

Синтетические наноматериалы, включая углеродные наноматериалы, находят множество применений в промышленности и науке [10,11,12]. Углеродные наноматериалы, такие как углеродные нанотрубки (CNT) и углеродные нановолокна (CNF), производятся из sp ² атомы углерода с одномерной (1D) структурой [10]. Структуру чистых УНТ можно представить как отдельный лист графита, свернутый в трубку. Свойства нанотрубок зависят от расположения атомов, диаметра и длины трубок, а также морфологии или структуры [13]. Кроме того, УНВ имеют цилиндрические наноструктуры с различным расположением слоев графена, например, сложенные пластинки, ленты или елочки [11, 14]. Их диаметр варьируется от нескольких десятков нанометров до нескольких сотен нанометров, а длина порядка микрометров [14]. Углеродные наноматериалы с низкой плотностью и высоким аспектным отношением, а также исключительными механическими, термическими, электрическими и электрохимическими свойствами использовались во многих сферах деятельности в большинстве областей науки и техники [15]. Кроме того, во многих случаях эти наноматериалы находят множество приложений в биомедицинских областях [12, 16, 17]. Хотя существует несколько методов производства УНТ и УНВ, включая дуговую разрядку [18], лазерную абляцию [19], химическое осаждение из паровой фазы (CVD) [20,21,22,23] и самосборку [24]. CVD как метод крупномасштабного производства использовался для производства высококачественных УНТ и УНВ [25]. Чтобы получить другую морфологию, необходимо изменить некоторые важные параметры CVD, такие как время работы, температура реакции, скорость потока источника углерода и концентрация катализатора [26,27,28,29].

Насколько известно исследователям, до сих пор никто не сообщил о каких-либо исследованиях по сравнению свойств природных и синтетических наноматериалов. Здесь основная цель - сравнить различные формы наноцеллюлозы и наноуглерода с точки зрения их структуры, морфологии, состава, кристаллизации, площади поверхности, а также термической стабильности, эффектов цитотоксичности и электрохимических свойств. Для измерения удельной поверхности применялся анализ Брунауэра, Эммета и Теллера (БЭТ). Морфология поверхности, состав и структурные характеристики образцов были проанализированы с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), энергодисперсионного рентгеновского излучения (EDX), просвечивающего электронного микроскопа (TEM) и дифракции рентгеновских лучей (XRD). Кроме того, для исследования влияния структуры, состава и морфологии наночастиц на их термические, электрохимические и токсические свойства были применены различные анализы, такие как термогравиметрический анализ (ТГА), циклическая вольтамперограмма (ЦВ) и МТТ-анализ. P>

Результаты и обсуждение

Морфология наноматериалов

Изображения SEM и TEM на рис. 1 представляют собой микрофотографии природных и синтетических наноматериалов. На микрофотографиях наноматериалы показывают существенно разные формы и размеры. Чтобы получить ПЭМ-изображения наночастиц, образец диспергировали в растворе ацетона, чтобы отделить наночастицы друг от друга.

SEM / TEM изображения a ЧПУ, b NFC, c CNF и d CNT

Согласно изображениям, ЧПУ представляют собой игольчатую структуру со средней длиной 150 нм и диаметром 12 нм, тогда как NFC демонстрируют сильно перепутанную сетчатую структуру с диаметром в диапазоне от 50 до 200 нм (см.рис. 1а, б). Сильно запутанная структура NFC значительно увеличила сопротивление потоку и привела к гелеобразному поведению образца NFC в полученном виде. На рис. 1в видно, что УНВ со стержнеобразной структурой диаметром 150–200 нм имеет очень грубую и твердую поверхность, в то время как УНТ на поверхности многостенные, изогнутые и перепутанные друг с другом. На рис. 1г показано, что диаметры толщины стенок УНТ составляли около 10–30 нм. Как и в случае с NFC, длины CNT и CNF были слишком большими, и было нелегко измерить длину отдельного волокна с высокой точностью из-за их структуры перепутывания.

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

Чтобы найти состав каждой наноструктуры, использовали EDX. Результаты EDX для каждого типа наноматериалов представлены в таблице 1. Все наночастицы показали присутствие углерода и кислорода в огромных количествах. Результат EDX для ЧПУ показал, что не только углерод и кислород, но также присутствие небольшого количества S, в то время как присутствие загрязняющих веществ для NFC не сообщалось, что было связано с методом подготовки. Результаты EDX для CNF и CNT, синтезированных методом CVD, доказали присутствие небольшого количества Ni-катализатора в продуктах. Хотя CNF и CNT были погружены в FeCl ₃ / HCl для удаления катализатора Ni, небольшое количество Ni, связанное с присутствием катализатора Ni в нановолокне и нанотрубках, все еще наблюдалось. Как и ожидалось, полученные наноматериалы содержали в основном углерод и кислород, а количество примесей было низким, как указано в таблице 1.

Площадь СТАВКИ

Для определения поверхностной активности природных и синтетических наноматериалов была определена удельная поверхность по БЭТ. В таблице 2 представлены результаты БЭТ, полученные из изотерм адсорбции-десорбции азота. Наноматериалы сушили при 200 ° C для удаления влаги. Гистерезис адсорбции и десорбции указывает на наличие пор в наноструктурах. Согласно результатам, площади поверхности по БЭТ для природных наноматериалов ниже, чем для синтетических наноматериалов, что подтверждается размером пор и объемом наноматериалов. Размер пор и объем природных наноматериалов намного меньше размера пор и объема синтетических.

Следовательно, площадь поверхности наноуглерода была больше, чем у наноцеллюлозы, что было связано с образованием углеродных наноматериалов не только малых размеров, но и сетчатых структур. Кроме того, различие в морфологии и диаметре УНВ и УНТ привело к различной поверхностной активности. Наконец, было обнаружено, что среди этих наночастиц у NFC была самая низкая площадь поверхности, а у CNT - самая высокая. Следовательно, полученные УНТ с наибольшей площадью поверхности потенциально могут быть использованы в качестве новаторских наночастиц для многих приложений, таких как поглощающие композиты.

XRD

Рентгеновская дифракция (XRD), представленная на рис. 2, представляет собой метод определения расположения атомов в кристалле. Три четко выраженных кристаллических пика, типичных для целлюлозных наноматериалов, присутствовали при примерно 2θ =15 °, 22,5 ° и 35 °. Можно видеть, что пик для ЧПУ при 2θ =22,5 ° был значительно острее, чем пик для NFC. Это было связано с существованием более высокого кристаллического домена ЧПУ, чем NFC.

Рентгенограмма наноматериалов

Для углеродных наноструктур самый сильный дифракционный пик под углом (2θ) в диапазоне примерно 20–30 ° может быть проиндексирован как отражение C (002) гексагональной графитовой структуры. Острота пика при угле (2) 25,5 ° указывает на то, что графитовая структура УНТ не была повреждена, поскольку любое снижение порядка кристалличности в УНВ сделает пики XRD более широкими. Другие характерные дифракционные пики графита при 2θ около 43 ° были связаны с дифракцией C (100) графита.

Термостойкость

В процессе ТГА, когда материалы поглощали определенное количество тепла, начиналась единичная стадия деградации для всех образцов, а также термическая деградация. Процесс деградации привел к разрушению матричной структуры образца. Диаграммы ТГА на рис. 3 иллюстрируют деградацию наноматериалов на основе потери веса (мас.%) В зависимости от температуры (° C). Температура, при которой потеря веса составляла 5 мас.%, Была определена как температура начала разложения (T _начало ), а температура, при которой скорость разложения достигла максимума, была определена как Tmax. Для ЧПУ два процесса разложения были очевидны при температуре около 180 ° C и 300 ° C, в то время как NFC продемонстрировал только один процесс пиролиза при 300 ° C, что типично для целлюлозы. Они показали, что термостабильность ЧПУ, полученных гидролизом серной кислоты, была ниже, чем у ЧПУ, полученного механическим способом. Более низкотемпературный процесс может соответствовать разрушению высокодоступных и, следовательно, более высокосульфатированных аморфных областей, тогда как более высокотемпературный процесс был связан с разрушением несульфатированных кристаллов. Наличие кислых сульфатных групп снижает термическую стабильность целлюлозы в результате реакции дегидратации [30]. Кроме того, ЧПУ с большой площадью поверхности имеет более высокую скорость теплопередачи, что приводит к снижению термической стабильности.

Кривые TGA для ЧПУ, NFC, CNF и CNT

С другой стороны, было очевидно, что температура разложения CNF начинается примерно с 480 ° C и заканчивается при 615 ° C, тогда как для CNT температура разложения образца повышается примерно до 600 ° C и завершается при 690 ° C. . Поскольку состав УНТ и УНВ схож, следовательно, термостойкость УНТ выше, чем у УНВ, благодаря ее размеру, структуре и морфологии. Хотя УНТ имеет большую площадь поверхности по сравнению с УНВ, УНТ с более прочной структурой обладают более высокой термостойкостью. Вкратце, результаты ТГА показали, что термическая деградация синтетических наноматериалов (CNF и CNT) намного ниже, чем у природных наноструктур (CNC и CNF). Таким образом, синтетические наноматериалы, особенно УНТ с высокой термостойкостью, могут использоваться в тепловых устройствах.

Электрохимические результаты

Циклические вольтамперограммы (ЦВА) ТФЭ, природных и синтетических наноматериалов представлены на рис. 4. Вольтамперограммы наноматериалов показали, что прямоугольные пики с пиками окислительно-восстановительного потенциала демонстрируют вклад способа электрохимического двухслойного конденсатора (EDLC) и воздействия псевдоемкости.

Циклические вольтамперограммы CNC, CNF, CNT и NFC в буферном растворе PBS (pH 7,0). Скорость сканирования:0,1 Vs ⁻¹

Увеличение циклических площадей синтетических наноматериалов по сравнению с естественными наноматериалами связано с увеличением накопительной емкости электродов CNF и CNT, и, возможно, из-за этого факта пористость и площадь поверхности синтетических наноматериалов намного больше чем натуральные наноматериалы. Пики окислительно-восстановительного потенциала в синтетических наноматериалах показали, что CNF и CNT могут ускорить электрохимическую реакцию и предоставить отличный способ переноса заряда. Кроме того, синтетические наноматериалы увеличили выходную мощность электрода за счет увеличения площади поверхности и уменьшения сопротивления току. Наличие плато при напряжении от -0,5 до 0,5 В может быть связано с образованием пленки на границе раздела твердого электролита (SEI) на поверхности электродов CNC и NFC.

Анализ цитотоксичности

МТТ-анализ использовали для проверки жизнеспособности наноматериалов. Относительная жизнеспособность клеток (%), относящаяся к контрольным лункам, содержащим среду для культивирования клеток без наночастиц, рассчитывалась по следующему уравнению:

На основании результатов, показанных на рис. 5, соединение природных наноматериалов оказалось менее токсичным для линии клеток рака молочной железы 4T1 по сравнению с соединением синтетических наноматериалов. Соединение NFC и CNC ингибировало / убивало около 1,1 и 7% клеток при концентрации 100 мкг / мл, тогда как при аналогичной концентрации углеродное нановолокно и нанотрубки убивали клетки с более высоким процентом (34 и 28% соответственно). . При концентрации 12,5 мкг / мл NFC не обнаружил какой-либо токсичности по отношению к клетке, поскольку клетки были на 100% жизнеспособными, тогда как это не относится к соединению CNC, поскольку оно убивает 7% живых клеток. Кроме того, CNC не оказывал токсического эффекта при 3,125 мкг / мл, тогда как при этой концентрации CNF и CNT убивали 4,3 и 1,7% соответственно. Поэтому для биомедицинских приложений лучше использовать натуральные наноматериалы, чем синтетические наноструктуры.

Анализ цитотоксичности a ЧПУ, b NFC, c CNF и d CNT

Выводы

В этом исследовании природные наноматериалы (CNC и NFC) были произведены с использованием кислотного гидролиза и механических методов, а также синтетические наноструктуры (CNF и CNT) с помощью метода CVD. Методы SEM, TEM и XRD не только подтвердили кристаллическую природу CNC и структуру УНТ с высокой графитизацией, но также определили меньший диаметр по сравнению с NFC и CNF. Кроме того, EDX подтвердил высокую чистоту наноматериалов. Более того, анализатор площади поверхности BET обнаружил, что синтетические наноматериалы имеют гораздо большую площадь поверхности, чем природные наноматериалы.

Свойства полученных наноматериалов, такие как электрохимические свойства, термостойкость и цитотоксичность, влияние на живые клетки были всесторонне исследованы и сопоставлены. Таким образом, было изучено влияние морфологии наноматериалов на их свойства. Что касается полученных результатов, синтетические наночастицы обладали более высокой термостойкостью и накопительной способностью по сравнению с природными наноматериалами, в то время как природные наноматериалы с более низким воздействием цитотоксичности на живые клетки имели больший потенциал для использования в биомедицинских приложениях.

Методы

Материалы и методы должны быть описаны с достаточной детализацией, чтобы другие могли воспроизвести и использовать опубликованные результаты. Обратите внимание, что публикация вашей рукописи подразумевает, что вы должны сделать все материалы, данные, компьютерный код и протоколы, связанные с публикацией, доступными для читателей. Просьба раскрывать на этапе подачи любые ограничения на доступность материалов или информации. Следует подробно описать новые методы и протоколы, а хорошо зарекомендовавшие себя методы можно кратко описать и надлежащим образом процитировать.

Подготовка натуральных нановолокон

Целлюлозу выделяли из лубяных волокон кенафа методом, адаптированным из Kargarzadeh et al. (2012) [30]. Здесь CNC и NFC были произведены из целлюлозного лубяного волокна кенафа с использованием кислотного гидролиза и механических методов, соответственно. ЧПУ был выделен с помощью метода, описанного Каргарзаде и соавторами в 2012 году, с использованием кислотного гидролиза, проведенного при 65% водном H ₂ SO ₄ при механическом перемешивании при 50 ° С в течение 40 мин [30]. Затем суспензию охлаждали и разбавляли дистиллированной водой (10 ° C), а затем трижды центрифугировали при 10000 об / мин в течение 10 мин. После этого его диализовали дистиллированной водой до достижения фиксированного значения pH. Для диспергирования нанокристаллов была проведена ультразвуковая обработка. После добавления нескольких капель хлороформа для предотвращения роста бактерий полученная суспензия впоследствии хранилась в холодильнике.

Для изготовления NFC пропитанные водой лубяные волокна кенафа, обозначенные как RF, были разрезаны на короткие кусочки и затем приготовлены во вращающемся варочном котле JSR-212 с 25 мас.% NaOH и 0,1 мас.% Раствором антрахинона (соотношение щелока к волокну было 7:1) при 160 ° C. ° C в течение 2 ч. Антрахинон был добавлен в варочный раствор для повышения скорости делигнификации, а также для защиты волокон от разложения щелочью и так называемого конечного разложения целлюлозных цепей.

Подготовка синтетических нановолокон

В этой части порошок гексагидрата нитрата никеля (Ni (NO ₃ ) ₂ .6H ₂ O) помещали в качестве прекурсоров для Ni-катализатора в кварцевую лодочку, расположенную в реакторе CVD, затем сушили при 160 ° C для удаления влаги в течение 50 минут, а затем повышали температуру до 400 ° C для удаления нитратных соединений в течение 1 часа. На этом этапе были получены частицы Ni в качестве катализаторов. Для синтеза синтетических нановолокон необходимо изменить температуру реакции CVD [10, 31]. Температура была зафиксирована на уровне 650 ° C и 800 ° C для получения УНВ и УНТ с высоким качеством соответственно. Процесс проводился разложением ацетилена при скорости потока 50 см 3 / мин на частицах Ni при 100/100 куб. См H ₂ . / N ₂ расход за 30 мин. Чтобы исключить катализатор из изготовленных углеродных наноматериалов, использовали смесь FeCl3 (1 M) / HCl (1 M), в которую залили углеродные наноматериалы с последующей фильтрацией. Затем его несколько раз промыли дистиллированной водой и окончательно высушили.

Характеристика синтезированных наноматериалов

Микроскопия

Для анализа морфологии, структуры и состава наноматериалов использовались сканирующая электронная микроскопия (SEM), энергодисперсионный рентгеновский спектрометр (EDX) и просвечивающая электронная микроскопия (TEM).

Рентгеновский дифракционный анализ (XRD)

Методом неразрушающего определения характеристик, который выявляет некоторую необходимую информацию о расстоянии между слоями, структурной деформации и примесях продукта, является анализ дифракции рентгеновских лучей (XRD). Для наноцеллюлозы рентгеноструктурный анализ показывает пик C (002) с различной индексированной интенсивностью (CrI). Аморфная часть была измерена как самая низкая интенсивность при угле дифракции около 2 =18,0 °. С другой стороны, углеродная наноструктура демонстрирует диаграмму XRD, состоящую из нескольких широких полос, расположенных около (002; 2θ =25) и (100; 2θ =45) отражений гексагональной структуры графита и дифракции графита, соответственно.

Анализ площади поверхности СТАВКИ

Согласно ISO 9277, метод Брунауэра, Эммета и Теллера (БЭТ) использовался для расчета удельной поверхности наноматериалов с помощью адсорбционного прибора (анализатора BELSORP-mini II).

Электрохимический анализ

Для проведения электрохимического анализа использовалась система PGSTAT204. Кроме того, циклическая вольтамперометрия применялась для оценки электрохимического поведения модифицированных электродов с наноматериалами на электроде с трафаретной печатью (SPE) в буферном растворе с 100 мВ · с ⁻¹ скорость сканирования. Первоначально гомогенную суспензию (2 мл деионизированной воды / 1 мг порошка наноматериала) обрабатывали ультразвуком в течение 6 мин. Затем путем капельного литья 10 мкл суспензии на ТФЭ модифицированные электроды. Диаграммы вольт-амперной характеристики (CV) образцов оценивались при напряжении от –1,5 до 1,5 В при комнатных условиях.

Анализ цитотоксичности

Для анализа потенциала цитотоксичности различных наноматериалов и жизнеспособности клеток использовали восстановление красителя 3- [4,5-диметилтиазол-2-ил] -2,5 дифенилтетразолийбромид (МТТ). Цитотоксический эффект наноматериалов можно было измерить с помощью этого анализа на основе полученного IC50. 100 мкл клеток 4T1 при концентрации 0,8 × 105 клеток / лунку выливали в 96-луночный планшет и выдерживали в среде RPMI в течение 24 часов. На следующий день в лунки добавляли натуральные и синтетические наноматериалы и инкубировали в течение 72 часов. Раствор МТТ (5 мг / мл) (Calbiochem) добавляли отдельно в объеме 20 мкл в каждую лунку и инкубировали в течение 3 часов. Позже растворы удаляли из лунок и добавляли 100 мкл ДМСО для растворения кристаллов формазана. Наконец, планшет считывали с помощью планшет-ридера для ELISA при длине волны 570 нм (Bio-Tek Instruments, США).

Термогравиметрический анализ (ТГА)

Для анализа термического сопротивления использовали термогравиметрический анализ (ТГА). ТГА выполняли на термогравиметрическом анализаторе Mettle Stare SW 9.10. Первоначально 0,5 мг наноматериалов помещали в тигель, расположенный в системе ТГА, и нагревали примерно до 200 ° C в течение 5 мин для устранения влажности. После этого программа нагрева была увеличена до 600 ° C и 900 ° C со скоростью 10 ° C / мин в присутствии N ₂ . поток для натуральных нановолокон и синтетических нановолокон соответственно.

Сокращения

СТАВКА:

Брунауэр, Эммет и Теллер

ЧПУ:

Нанокристалл целлюлозы

CNF:

Углеродное нановолокно

CNT:

Углеродные нанотрубки

Резюме:

Циклические вольтамперограммы

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы

EDLC:

Электрохимический двухслойный конденсатор

EDX:

Электронно-дисперсионная рентгенография

NFC:

Нановолоконная целлюлоза

SEI:

Интерфейс твердого электролита

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия

TGA:

Термогравиметрический анализ

XRD:

Рентгеновская дифракция