高吸水性セルロース

Scientific Reports volume 12、記事番号: 8920 (2022) この記事を引用

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地球上で最も豊富な生体高分子であるセルロースは、入手しやすさ、毒性、生分解性により広く注目されています。 水酸化ナトリウムと尿素を用いた溶解アプローチを使用して、ホテイアオイ抽出セルロースから環境に優しいヒドロゲルを調製することに成功し、四ホウ酸ナトリウム十水和物（ホウ砂）を使用してセルロース鎖のヒドロキシル基間の架橋を生成しました。 ホウ砂を組み込むと、セルロースヒドロゲルに超吸収性の機能が提供される可能性があります。 未架橋セルロースヒドロゲルの膨潤率は 325% でしたが、架橋ヒドロゲルの膨潤率は約 900% に達しました。 ホウ砂濃度が増加すると、架橋ヒドロゲルのゲル分率が大幅に増加しました。 また、ホウ砂はセルロース表面に炭化物を形成し、火炎と直接接触すると水を生成し、火炎の点火と伝播の遅延を引き起こします。 さらに、架橋セルロースベースのヒドロゲルは、グラム陽性菌 (黄色ブドウ球菌) に対して抗菌活性を示しました。 この研究で調製された超吸収性架橋セルロースベースのヒドロゲルは、創傷被覆材、農業用、難燃性コーティング用途に使用できる可能性があります。

ヒドロゲルは、大量の水を吸収して保持する能力と溶解耐性を備えた親水性ポリマーから作られた高分子材料の三次元多孔質架橋ネットワークであり、食品、医療、製薬、農業、化粧品などの多くの分野で広く使用されています。 、センサー、廃棄物処理。 セルロース、ヒアルロン酸、アルギン酸、デンプン、ゼラチン、キチン、キトサンなどの天然資源に由来するバイオベースのハイドロゲルは、その生分解性、生体適合性、環境持続可能性により、最近大きな注目を集めています1、2、3。 これらの天然資源の中でもセルロースは非常に高い収率を示し、主に豊富に存在し自然に補給できる植物に由来しています4,5。

ホテイアオイ (Eichhornia crasspies) は、非常に速い成長速度、水の流れの阻害、蒸発散による多大な水の損失、水路の遮断により環境に悪影響を及ぼし、魚などの水中生物の邪魔をする水生雑草です。およびその他の植物6、7、8。 ホテイアオイは、その多孔質構造と他の植物に比べてリグニン含有量が低い（約 5 ～ 9 wt%）ため、セルロース抽出の代替材料となるでしょう 7,8。

セルロースはその構造上に豊富な反応性ヒドロキシル基 (-OH 基) で構成されており、分子内および分子間で強力な水素を生成するため、ヒドロゲルを形成する前に、セルロースを特定の溶媒または条件に溶解して溶液を形成する必要があります。結合が高度に結晶性のドメインを形成します。 この研究では、毒性が低く、溶解時間が短く、コストが低いため、ホテイアオイから抽出したセルロースを低温で溶解するために、NaOH/尿素の混合溶液が選択されました5,9。 セルロース分子上に豊富にある反応性水酸基（-OH基）により、高い吸水性が得られ、架橋構造が生成されます。 ヒドロゲルの架橋は、物理的方法、化学的方法、放射線法という 3 つの主な方法によって生成できます。 各方法の長所と短所を表 110、11、12、13、14 に示します。

安定性と強度が高いため、この研究ではセルロースヒドロゲルを調製するために化学架橋法が選択されました。 しかし、この方法の主な欠点は、残留架橋剤の毒性です。 したがって、カルボジイミド 15、ホウ砂 12、16、17、トリメタリン酸ナトリウム 18、19、N,N'-メチレンビスアクリルアミド 20、ポリカルボン酸 21、22、23 などの低毒性架橋剤を使用するための多くの努力が行われています。