تولید و ارزیابی آیروژل نانوکامپوزیتی بر پایه نانوفیبریل‌های سلولزی و پروتئینی

سابقه و هدف: زیست نانوکامپوزیت ها گروهی از نانوکامپوزیت های 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 تایید 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 (98/91 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 تایید می‌نماید. به‌طورکلی در آیروژل‌های دوجزئی نانوالیاف سلولزی/پروتئین، با کاهش جزء سلولز و افزایش جزء پروتئین تا 90 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 موثری نشان دادند. نتیجه‌گیری: نتایج این پژوهش نشان می‌دهد افزودن مواد پرکننده طبیعی نظیر نانوالیاف سلولزی، تاثیر 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 50 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.

cellulose nanofibers/protein nanofibrils nanocomposite aerogels: preparation and characterization

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 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.