Hierarchical build-up of bio-based nanofibrous materials with tunable metal–organic framework biofunctionality

材料科学 气凝胶 多孔性 金属有机骨架 纳米技术 比表面积 混合材料 化学工程 水溶液 碳纳米管 复合材料 化学 吸附 有机化学 工程类 催化作用
作者
Jowan Rostami,Korneliya Gordeyeva,Tobias Benselfelt,Ekeram Lahchaichi,Stephen A. Hall,Anastasia V. Riazanova,Per A. Larsson,Göksu Çınar,Lars Wågberg
出处
期刊:Materials Today [Elsevier]
卷期号:48: 47-58 被引量:46
标识
DOI:10.1016/j.mattod.2021.04.013
摘要

Multifunctional, light-weight, responsive materials show promise in a range of applications including soft robotics, therapeutic delivery, advanced diagnostics and charge storage. This paper presents a novel, scalable, efficient and sustainable approach for the preparation of cellulose nanofibril-based aerogels via a facile ice-templating, solvent exchange and air-drying procedure, which could replace existing inefficient drying processes. These ambient-dried aerogels (∼99% porosity) exhibit a high specific compressive modulus (26.8 ± 6.1 kPa m3 kg−1, approaching equivalence of carbon-nanotube-reinforced aerogels), wet stability and shape recovery (80–90%), favorable specific surface area (90 m2 g−1) and tunable densities (2–20 kg m−3). The aerogels provide an ideal nanofibrillar substrate for in-situ growth of metal–organic frameworks (MOFs), via co-assembly of MOF precursors with proteins in aqueous solutions. The resulting hybrid aerogels show a nine-fold increase in surface area (810 m2g−1), with preserved wet stability and additional protein biofunctionality. The hybrid aerogels facilitate a pH-controlled release of immobilized proteins, following a concomitant disassembly of the surface grown MOFs, demonstrating their use in controlled delivery systems. The colorimetric protein binding assay of the biofunctionalized hybrid aerogel also demonstrates the potential of the material as a novel 3D bioassay platform, which could potentially be an alternative to plate-based enzyme-linked immunosorbent assay.
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