Projekti / Programi
Novi porozni kovinsko-organski adsorbenti kot nosilci za pline in zdravilne učinkovine
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.03 |
Naravoslovje |
Kemija |
Anorganska kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P360 |
Naravoslovno-matematične vede |
Anorganska kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
kovinski karboksilati, porozni materiali, adsorpcija plinov, ločevanje plinov, transport zdravilnih učinkovin
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
25023 |
dr. Matjaž Mazaj |
Kemija |
Vodja |
2011 - 2013 |
285 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.957 |
Povzetek
Kovinsko-organski porozni materiali (koordinacijski polimeri) so nova vrsta kristaliničnih materialov, kjer ogrodje sestavljajo kovinske enote, ki so preko organskih gradnikov (ligandov) povezane z močnimi kovalentnimi vezmi v tridimenzionalno porozno strukturo. Zaradi visoke specifične površine (do 6000 m2/g) imajo ti materiali izjemne adsorptivne lastnosti, ki jim omogočajo uporabnost pri shranjevanju in selektivnem ločevanju plinov (odstranjevanje škodljivih plinov iz atmosfere). Zaradi preprostosti sintetskih postopkov in možnost načrtovanja nastanka kristalinične porozne ogrodne strukture z neškodljivimi kovinskimi gradniki pa predstavljajo kovinsko-organski porozni materiali tudi velik potencial za uporabnost pri transportu in kontroliranem sproščanju zdravilnih učinkovin ter pri heterogenih katalitskih procesih.
Predlagane raziskave bodo zavzemale razvoj novih poroznih magnezijevih in kalcijevih polikarboksilatov na alifatski ali aromatski osnovi za shranjevanje vodika, adsorpcijo in selektivno ločevanje toplogrednih plinov (CO2, CH4) iz atmosfere ter transport in kontrolirano sproščanje zdravilnih učinkovin. Razvoj magnezijevih in kalcijevih poroznih polikarboksilatov bo potekal s hidrotermalno ali solvotermalno sintezo z uporabo magnezijevih in kalcijevih soli ter polikarboksilnih aromatskih ali alifatskih kislin. S sistematskim optimiziranjem sinteznih parametrov (temperatura in čas kristalizacije, izbira topila, pH reakcijske zmesi) bomo poizkušali sintetizirati termično stabilne materiale z dostopnimi mikroporami ( dimenzije por od 0.3 do 2 nm) ali mezoporami (dimenzije por nad 2 nm) in veliko specifično površino (do 7000 m2/g) in kontrolirati njihove hidrofilne lastnosti.
Nove magnezijeve in kalcijeve polikarboksilate bomo strukturno karakterizirali s številnimi metodami. Čistost in morfologijo kristaliničnih faz bomo raziskovali z vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM). Kristalno strukturo bomo določili z rentgensko praškovno difrakcijo (XRD - Rietvaldova metoda) ali rentgensko difrakcijo na monokristalu. Pri reševanju kristalne strukture se bomo opirali še na dodatne karakterizacijske metode, kot so elementna analiza (ICP, EDAX), termogravimetrija (TG), infra-rdeča spektroskopija (IR) in rentgenska absorpcijska spektroskopija (XAS). Adsorptivne lastnosti materialov bomo najprej testirali z dušikovo sorpcijsko analizo in nadalje z adsorpcijo drugih plinov (CO2, CH4, H2) v nizkotlačnem (do 1 bar) in visokotlačnem območju (do 100 bar) pri različnih temperaturah. Prav tako bodo na materialih potekali testi adsorpcije in kontroliranega sproščanja izbranih modelnih zdravilnih učinkovin (ibubrofen, indometacin, itd.).
Raziskav na področju kovinsko-organskih poroznih materialov, kot potencialnih, okolju prijaznih adsorbentov, v Sloveniji še ni. Prav tako so v svetovnem merilu, med številnimi publikacijami, ki zavzemajo raziskave na teh materialih, magnezijevi in kalcijevi polikarboksilati slabo poznani. Mg- in Ca-soli ter alifatske in aromatske polikarboksilne kisline, kot izhodiščni reaktanti, so cenovno ugodni in ne predstavljajo nevarnosti za okolje in organizme. Relativno nizka teža magnezija in kalcija in posledično nizke gostote teh materialov pa omogoča večjo kapaciteto adsorpcije gostujočih molekul na material v primerjavi s sedaj poznanimi polikarboskilati prehodnih kovin. Naštete lastnosti so pomebna izhodišča pri uporabnosti za adsorpcijo plinov in transport zdravilnih učinkovin. Uporaba cenovno ugodnih in netoksičnih izhodiščnih spojin ter nezahtevnost sintetskih postopkov (relativno nizke temperature in kratki časi kristalizacije) pri sintezah magnezijevih in kalcijevih polikarboksilatov so v skladu z ekološkimi trendi zmanjšanja porabe energije in obrementve okolja.
Pomen za razvoj znanosti
Hitro rastoči svetovni industrijski razvoj je v zadnjih šestdesetih letih povzročil močno povečano porabo fosilnih goriv in emisijo plinov, ki nastajajo tako v industrijskih procesih, kot tudi v gospodinjstvu. Po splošnem prepričanju so ti plini glavni vzrok za klimatske spremembe. Vse večja ozaveščenost svetovne družbe in poznavanje problematike globalnega segrevanja vodi k trendom zmanjševanja emisij toplogrednih plinov. Poleg iskanja alternativnih virov energij, ki bi zadovoljivo nadomestila vsesplošno uporabo fosilnih goriv (npr. vodik), je efektivna adsorpcija toplogrednih plinov na mestu emisije drug pristop, ki lahko prispeva k dosegu Kiotskih ciljev 20% zmanjšanja emisij škodljivih plinov do leta 2020. Poleg tega se z razvojem materialov, ki lahko selektivno adsorbirajo CO2 iz mešanic plinov, odpirajo možnosti izkoriščanja tega plina. Iz izpušnih plinov bi lahko pridobili čisti CO2 za nadaljnjo katalitsko obdelavo v metanol, ki je eden izmed možnih alternativnih ekološko neoporečnih virov energije v prihodnosti. Poleg izzivov okoljske tehnologije je pomemben tudi razvoj v farmacevtiki. Velik izziv še vedno predstavlja razvoj netoksičnih materialov, ki bi efektivno absorbirali zdravilne učinkovine in jih kontrolirano ciljno sproščali v organizmu. S kontroliranim sproščanjem zdravil se izognemo takojšnjemu doziranju, ki lahko povzroča stranske učinke na organizme. Večina do sedaj znanih nosilcev imajo majhne kapacitete absorpcije zdravilnih količin (običajno pod 5 ut.% absorbiranega zdravila na maso nosilca). Le-te so v večini primerov adsorbirane le na površino nosilca, kar ne omogoča pravega kontroliranega sproščanja. Netoksično kovinsko-organski porozni materiali z možnostjo načrtne izgradnje njihovih struktur in poroznosti za boljšo interakcijo in bolj efektivno absorpcijo zdravilnih učinkovin pa predstavlja velik potencial za aplikacijo na tem področju. Z zaključenim projektom, kjer smo se osredotočili na razvoj novih adsorpcijskih materialov, smo s pridobljenimi bazičnimi znanji o pripravi in lastnosti teh materialov prispevali k razvoju znanosti na področjih okoljskih in farmacevtskih tehnologij. Obsežne študije novih adsorbentov prispevajo k razjasnitvi in optimizaciji parametrov, ki odločilno vplivajo na adsorpcijske lastnosti ter prispevajo k lažjem načrtovanju priprav materialov s točno določenimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi.
Pomen za razvoj Slovenije
Razvoj novih poroznih materialov, ki imajo velik pomen pri adsorpcijskih aplikacijah je izrednega pomena za slovensko industrijo in ekonomijo. Razvoj novih učinkovitih adsorbentov za shranjevanje in selektivno ločevanje toplogrednih plinov je namreč v skladu s trendi zmanjševanja količin izpustov škodljivih plinov v Sloveniji. Prav tako je razvoj netoksičnih adsorbentov pomemben na področju farmacije in lahko prispeva k učinkovitejšemu delovanju posameznih zdravilnih učinkovin z manj stranskimi učinki. Temelitejših raziskav na področju kovinsko-organski poroznih materialov v Sloveniji do sedaj še ni bilo, zato je iz tega vidika tematika projekta edinstvena na tem prostoru. S povečanje povpraševanja po novih adsorpcijskih tehnologijah bi lahko imela finančne in razvojne koristi tovarna Silkem iz Kidričevega, ki je naš dolgoletni partner pri razvoju poroznih materialov. Pri razvoju zdravil pa bi lahko imeli razvojne koristi tudi podjetje Krka iz Novega Mesta, s katerim imamo prav tako izpostavljeno dolgoletno sodelovanje. Razvoj sintetskih postopkov in pridoblljena nova znanja o vplivu specifičnih strukturnih karakteristik adsorbentov ima prav tako pozitiven učinek na akademsko sfero.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
