Sartoria alcol polivinilico

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 20822 (2022) Citare questo articolo

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I catalizzatori incapsulati in idrogel sono uno strumento interessante per l'intensificazione a basso costo dei (bio)processi. Gli idrogel di alginato di alcol polivinilico-sodio reticolati con acido borico e post-induriti con solfato (PVA-SA-BS) sono stati applicati nei processi di bioproduzione e di trattamento delle acque, ma il basso pH richiesto per la reticolazione può influire negativamente sulla funzionalità del biocatalizzatore. Qui, indaghiamo su come la reticolazione del pH (3, 4 e 5) e del tempo (1, 2 e 8 h) influenza le proprietà fisico-chimiche, elastiche e di processo delle perle PVA-SA-BS. Nel complesso, le proprietà delle perle sono state maggiormente influenzate dal pH della reticolazione. Le perle prodotte a pH 3 e 4 erano più piccole e contenevano cavità interne più grandi, mentre la tomografia a coerenza ottica suggeriva che la densità di reticolazione del polimero era maggiore. L'elastografia a coerenza ottica ha rivelato che le sfere PVA-SA-BS prodotte a pH 3 e 4 erano più rigide delle sfere a pH 5. Il rilascio di Dextran Blue ha mostrato che le sfere prodotte con pH 3 consentivano velocità di diffusione più elevate ed erano più porose. Infine, nel corso di un'incubazione di 28 giorni, le sfere a pH 3 e 4 hanno perso più microsfere (come proxy cellulari) rispetto alle sfere prodotte a pH 5, mentre queste ultime hanno rilasciato più materiale polimerico. Nel complesso, questo studio fornisce un percorso per adattare le proprietà delle perle di idrogel PVA-SA-BS verso un'ampia gamma di applicazioni, come processi (bio) chimici, enzimatici e catalizzati microbicamente.

Le sfere di idrogel sono un potente strumento per l'ingegneria dei (bio)processi. Queste matrici polimeriche idratate possono essere progettate per incapsulare catalizzatori chimici, enzimatici e microbici vivi per guidare le conversioni chimiche desiderate1,2,3. Sebbene gli idrogel possano essere impiegati in modo simile ai biofilm granulari (o ai fanghi granulari), offrono in modo univoco la possibilità di combinare organismi con tratti metabolici complementari per ottenere le funzionalità desiderate4,5. Inoltre, la personalizzazione delle dimensioni delle perle di idrogel può ottimizzare il volume catalitico efficace dei bioprocessi e selezionare popolazioni specifiche di interesse6,7. Insieme, il potenziale di minimizzare l’impronta del processo e l’investimento di capitale8 rende gli idrogel un luogo attraente per l’intensificazione dei bioprocessi9,10.

La composizione del polimero e la chimica della reticolazione sono fondamentali nello sviluppo, nella progettazione e nell'applicazione degli idrogel. Il polimero selezionato e la sua concentrazione finale governeranno le proprietà fisico-chimiche degli idrogel, come la diffusività e le caratteristiche viscoelastiche11,12,13,14. Queste proprietà sono fondamentali per l’efficienza e la durata finali di un processo basato su idrogel. Inoltre, quando i catalizzatori microbici sono incorporati negli idrogel, è necessario considerare la citotossicità dei monomeri dell'idrogel e la chimica della reticolazione per ridurre al minimo la perdita cellulare15,16. Allo stesso modo, la struttura su scala micrometrica della matrice dell’idrogel può confinare i microbi, dando luogo a idrogel affollati che alterano le proprietà fenotipiche delle cellule incorporate e alla fine provocano la rottura dell’idrogel17. Di conseguenza, la definizione di approcci per personalizzare le proprietà fisico-chimiche delle perle di idrogel costituite da matrici non tossiche note può migliorare significativamente la loro utilità nell'ingegneria dei bioprocessi.

Due polimeri idrogel ampiamente applicati per incapsulare catalizzatori microbici sono l'alginato di sodio (SA) e l'alcol polivinilico (PVA). L'alginato è un polimero di carboidrati naturale che può essere reticolato con ioni Ca2+ (ad esempio, in un bagno CaCl2), fornendo un processo di incapsulamento con basso stress per i catalizzatori microbici18,19. Sfortunatamente, questi idrogel sono meccanicamente deboli e si dissolvono se esposti ad alte concentrazioni di cationi monovalenti o chelanti del calcio come fosfato, citrato o EDTA20. È stato dimostrato che la combinazione della reticolazione dell'SA mediante Ca2+ con la reticolazione del PVA catalizzata da acido borico a basso pH produce perle di idrogel più robuste21. Il PVA è un polimero a basso costo non tossico per le cellule microbiche22, che consente l'applicazione di successo di questi idrogel ibridi PVA-SA in applicazioni di bioprocesso e ingegneria ambientale10.