Maßgeschneiderter Polyvinylalkohol

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 20822 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Hydrogel-verkapselte Katalysatoren sind ein attraktives Werkzeug zur kostengünstigen Intensivierung von (Bio-)Prozessen. Mit Borsäure vernetzte und mit Sulfat nachgehärtete Polyvinylalkohol-Natriumalginat-Hydrogele (PVA-SA-BS) wurden in Bioproduktions- und Wasseraufbereitungsprozessen eingesetzt, der für die Vernetzung erforderliche niedrige pH-Wert kann sich jedoch negativ auf die Funktionalität des Biokatalysators auswirken. Hier untersuchen wir, wie sich der pH-Wert (3, 4 und 5) und die Zeit (1, 2 und 8 Stunden) der Vernetzung auf die physikalisch-chemischen, elastischen und Prozesseigenschaften von PVA-SA-BS-Perlen auswirken. Insgesamt wurden die Perleneigenschaften am stärksten durch den pH-Wert der Vernetzung beeinflusst. Bei pH 3 und 4 hergestellte Perlen waren kleiner und enthielten größere innere Hohlräume, während die optische Kohärenztomographie darauf schließen ließ, dass die Vernetzungsdichte des Polymers höher war. Die optische Kohärenz-Elastographie ergab, dass bei pH 3 und 4 hergestellte PVA-SA-BS-Kügelchen steifer waren als Kügelchen mit pH 5. Die Freisetzung von Dextranblau zeigte, dass mit einem pH-Wert von 3 hergestellte Perlen höhere Diffusionsraten ermöglichten und poröser waren. Schließlich verloren über eine Inkubationszeit von 28 Tagen pH-3- und pH-4-Kügelchen mehr Mikrokügelchen (als Zell-Proxys) als Kügelchen, die bei pH 5 produziert wurden, während letztere mehr Polymermaterial freisetzten. Insgesamt bietet diese Studie einen Weg nach vorne, um die Eigenschaften von PVA-SA-BS-Hydrogelkügelchen auf ein breites Anwendungsspektrum wie chemische, enzymatische und mikrobiell katalysierte (Bio-)Prozesse anzupassen.

Hydrogelkügelchen sind ein leistungsstarkes Werkzeug für die (Bio-)Verfahrenstechnik. Diese hydratisierten Polymermatrizen können so konstruiert werden, dass sie chemische, enzymatische und lebende mikrobielle Katalysatoren einkapseln, um gewünschte chemische Umwandlungen voranzutreiben1,2,3. Während Hydrogele auf ähnliche Weise wie körnige Biofilme (oder körniger Schlamm) eingesetzt werden können, bieten sie in einzigartiger Weise die Möglichkeit, Organismen mit komplementären Stoffwechselmerkmalen zu kombinieren, um gewünschte Funktionalitäten zu erreichen4,5. Darüber hinaus kann die Anpassung der Größe der Hydrogelkügelchen das effektive katalytische Volumen von Bioprozessen optimieren und für bestimmte Populationen von Interesse auswählen6,7. Zusammengenommen macht das Potenzial zur Minimierung des Prozess-Fußabdrucks und der Kapitalinvestitionen8 Hydrogele zu einem attraktiven Ort für die Intensivierung von Bioprozessen9,10.

Die Polymerzusammensetzung und die Vernetzungschemie sind bei der Entwicklung, dem Design und der Anwendung von Hydrogelen von entscheidender Bedeutung. Das ausgewählte Polymer und seine Endkonzentration bestimmen die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Hydrogelen, wie z. B. Diffusionsfähigkeit und viskoelastische Eigenschaften11,12,13,14. Diese Eigenschaften sind entscheidend für die letztendliche Effizienz und Haltbarkeit eines Hydrogel-basierten Prozesses. Darüber hinaus sollten bei der Einbettung mikrobieller Katalysatoren in Hydrogele die Zytotoxizität der Hydrogelmonomere und die Vernetzungschemie berücksichtigt werden, um den Zellverlust zu minimieren15,16. In ähnlicher Weise kann die mikrometergroße Struktur der Hydrogelmatrix Mikroben einschließen, was zu überfüllten Hydrogelen führt, die die phänotypischen Eigenschaften der eingebetteten Zellen verändern und schließlich zum Aufbrechen des Hydrogels führen17. Folglich könnte die Etablierung von Ansätzen zur Anpassung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Hydrogelkügelchen, die aus bekanntermaßen ungiftigen Matrizen bestehen, deren Einsatz in der Bioverfahrenstechnik erheblich verbessern.

Zwei weit verbreitete Hydrogelpolymere zur Einkapselung mikrobieller Katalysatoren sind Natriumalginat (SA) und Polyvinylalkohol (PVA). Alginat ist ein natürliches Kohlenhydratpolymer, das mit Ca2+-Ionen vernetzt werden kann (z. B. in einem CaCl2-Bad), wodurch ein Einkapselungsprozess mit geringer Belastung für mikrobielle Katalysatoren ermöglicht wird18,19. Leider sind diese Hydrogele mechanisch schwach und lösen sich auf, wenn sie hohen Konzentrationen einwertiger Kationen oder Ca-Chelatoren wie Phosphat, Citrat oder EDTA20 ausgesetzt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Kombination der Vernetzung von SA durch Ca2+ mit Borsäure-katalysierter PVA-Vernetzung bei niedrigem pH-Wert zu robusteren Hydrogelkügelchen führt21. PVA ist ein kostengünstiges Polymer, das für mikrobielle Zellen ungiftig ist22 und die erfolgreiche Anwendung dieser hybriden PVA-SA-Hydrogele in Bioprozess- und Umwelttechnikanwendungen ermöglicht10.

Um die Anwendbarkeit dieser PVA-SA-Hydrogele zu verbessern, wurden verschiedene maßgeschneiderte Ansätze entwickelt. Erstens kann die mechanische und chemische Stabilität von PVA-SA-Perlen durch die Verwendung höherer Konzentrationen von PVA und Borsäure während der Vernetzung erhöht werden, allerdings geht dies auf Kosten der Diffusionsfähigkeit der Matrix23,24. Zweitens kann die Nachhärtung der hergestellten Perlen mit Anionen, die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen PVA-Ketten vernetzen oder verstärken können (z. B. Phosphat, Sulfat), die Hydrogeleigenschaften weiter verbessern25,26. Die Nachhärtung mit Sulfat erwies sich als besonders wirksam, um stärkere und stabilere Perlen zu erzeugen25,26. Berichten zufolge enthalten diese PVA-SA-Borsäure-SO42− (PVA-SA-BS)-Hydrogele Poren im Maßstab von 10–100 µm27,28 und weisen sehr hohe Diffusionsraten für kleine Moleküle29,30 auf. Zusammengenommen bieten die physikalisch-chemischen Eigenschaften dieser chemisch maßgeschneiderten PVA-SA-BS Potenzial für Bioprozessanwendungen.

Ein kritisches Problem bei aktuellen Verfahren zur PVA-SA-BS-Hydrogelproduktion besteht darin, dass der niedrige pH-Wert (~ 3) von gesättigtem Bor schädlich für die Zellen ist und oft wochenlange Erholungszeiten nach der Hydrogelproduktion erfordert29,31. Die Produktion von PVA-SA-BS-Hydrogelen bei pH-Werten, die näher am Neutralpunkt liegen, könnte die Überlebensrate von Biokatalysatoren erhöhen und die Prozessstartzeiten verkürzen. Es ist jedoch unklar, welchen Einfluss ein höherer pH-Wert auf den säurekatalysierten Vernetzungsmechanismus hat. In ähnlicher Weise kann eine Verkürzung der Borsäure-Einwirkungszeit auch den Zellstress verringern27, kann sich jedoch auf kritische Eigenschaften der hergestellten Perlen auswirken. Bisher wurde in keiner Studie umfassend untersucht, wie sich der pH-Wert und die Dauer der Vernetzung auf die Eigenschaften der resultierenden PVA-SA-BS-Hydrogelkügelchen auswirken. Darüber hinaus fehlen in der Literatur auch vielfältige Analysen der physikalischen, mechanischen, chemischen und Prozesseigenschaften von PVA-SA-BS-Hydrogelkügelchen, trotz ihrer gegenseitigen Abhängigkeit und der Notwendigkeit zu verstehen, wie sich ändernde Produktionsparameter zu Kompromissen bei gewünschten Eigenschaften führen können. Hier untersuchen wir, ob die Vernetzung bei pH-Wert (3, 4 und 5) und Zeit (1, 2 und 8 Stunden) die Eigenschaften von PVA-SA-BS-Hydrogelkügelchen verändert, mit der Absicht, einfache Verfahren zu entwickeln, um diese vielseitigen Kügelchen vorhersehbar anzupassen , biokompatible Hydrogele.

Der Einfluss unterschiedlicher Perlenherstellungsverfahren (z. B. Vernetzungs-pH und -Zeit) auf die physikalischen Eigenschaften der Perlen wurde bewertet, wobei der Schwerpunkt auf der Perlengröße, den inneren Hohlräumen in den Perlen (Abb. 1A) und der Polymervernetzungsdichte in den Perlen lag.

Physikalische Eigenschaften von Hydrogelen, die bei drei verschiedenen pH-Werten (pH 3, 4 und 5) und drei verschiedenen Vernetzungszeiten (1, 2 und 8 Stunden) hergestellt wurden. (A) zeigt zusammengesetzte licht- und grüne Fluoreszenzmikroskopbilder repräsentativer Hydrogelschnitte für Perlen, die bei pH 3, 4 und 5 hergestellt wurden. (B–D) stellen jeweils die Perlendurchmesserverteilung, die innere Hohlraumfläche aus Schnittbildern und den optischen Zerfallskoeffizienten dar abgeleitet aus Messungen der optischen Kohärenztomographie. Violindiagramme werden unter allen Bedingungen auf gleiche Breiten normalisiert.

Die Perlengrößen reichten von 1 mm bis über 10 mm (Abb. 1B), wobei die mittleren Perlengrößen bei verschiedenen Produktionsbedingungen zwischen 3,6 und 4,18 mm lagen. Die nichtparametrische Anova zeigte, dass der Vernetzungs-pH-Wert die stärkste Determinante für die Perlengrößenränge war (R2 = 0,062, p = 0,001). Auch die Vernetzungszeit hatte einen signifikanten, aber geringeren Einfluss (R2 = 0,014, p = 0,004). Paarweise Wilcox-Rangtests bestätigten, dass bei pH 5 hergestellte Perlen (dmedian = 3,99–4,17 mm) signifikant größere mittlere Perlengrößen aufwiesen als alle bei pH 4 hergestellten Perlen (dmedian = 3,61–3,71 mm, p < 0,001) und dass die Perlen für 2 polymerisierten oder 8 h bei pH 3 (dmedian = 3,60–3,62 mm, p < 0,001).

Die mikroskopische Visualisierung von Kryoschnitten aus Hydrogelkügelchen ergab, dass einige Kügelchen innere Hohlräume enthielten (Abb. 1A). Der Flächenanteil dieser Hohlräume innerhalb eines Abschnitts zeigte große Schwankungen je nach Produktionsbedingungen und reichte von keinen beobachteten Hohlräumen bis zu 15 % der gesamten Abschnittsfläche (Abb. 1C). Bei pH 4 hergestellte Perlen hatten die größten mittleren Hohlraumflächenanteile (1 h, 4,0 %; 2 h, 2,6 %, 8 h, 2,4 %), gefolgt von pH 3 (1 h, 0,9 %; 2 h, 0,7 %; 8). h, 1,1 %) und pH 5 (1, 2 und 8 h, 0,0 %). Die einzigen signifikanten Unterschiede in den mittleren Hohlraumflächen wurden zwischen Perlen beobachtet, die bei pH 5 und denen, die bei pH 3 oder 4 hergestellt wurden, obwohl diese Unterschiede nicht bei allen paarweisen Vergleichen einheitlich waren (Tabelle S.2).

Optische Zerfallskoeffizienten wurden aus OCT-Messungen abgeleitet und spiegeln die Trübung der Kügelchen und die Vernetzungsdichte in Hydrogelkügelchen wider. Sowohl die Vernetzungszeit als auch der pH-Wert beeinflussten die optischen Zerfallskoeffizienten (p < 0,001), wobei der pH-Wert den größten Einfluss hatte (R2 = 0,82), während die Zeit einen geringeren Einfluss hatte (R2 = 0,04). Bei pH 5 hergestellte Perlen hatten deutlich niedrigere Zerfallskoeffizienten als bei pH 3 und 4 hergestellte Perlen (p < 0,001 bei allen paarweisen Vergleichen, Tabelle S.3), was bedeutet, dass Perlen bei pH 5 durchscheinender und weniger dicht vernetzt waren. Die Zerfallskoeffizienten in Perlen, die bei pH 3 und 4 hergestellt wurden, waren ähnlicher, wobei nur Perlen, die 8 Stunden lang bei pH 3 polymerisierten, höher waren als andere Perlen mit pH 3 und auch höher als Perlen, die 1 Stunde lang bei pH 4 polymerisierten (p < 0,01). Tabelle S.3).

Der pH-Wert der Vernetzung beeinflusste die physikalischen Eigenschaften der PVA-SA-BS-Hydrogelkügelchen erheblich, was darauf hindeutet, dass der pH-Wert die PVA-SA-Vernetzungschemie verändern könnte. Darüber hinaus deutet der geringe Einfluss der Zeit darauf hin, dass die anfänglichen Phasen der Vernetzung die letztendliche Morphologie bestimmen. Bei der Hydrogelherstellung wird ein PVA-SA-Tropfen in das Vernetzungsbad (5 % Borsäure und 0,7 % Ca2+) getropft. Diese Vernetzer wirken zunächst an der Peripherie des Tröpfchens und erzeugen eine dünne Hydrogelhülle. Diese Hülle kann dann die Diffusion des Vernetzers13 begrenzen und so die nachfolgende Vernetzung verlangsamen. Bei Perlen mit höheren Vernetzungsdichten (z. B. Perlen mit pH 3 und 4, Abb. 1D) könnten solche Diffusionseinschränkungen die weitere Vernetzung stark behindert haben, was zu den beobachteten inneren Hohlräumen geführt hat (Abb. 1A, C). Folglich hängen die physikalischen Eigenschaften der Hydrogelkügelchen von den Geschwindigkeiten und der Chemie der Vernetzung ab. Die Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften von der Vernetzungschemie wird durch die Paarung von Opazitäts- und Perlengrößendaten weiter veranschaulicht (Abb. 1B, D). Perlen bei pH 5 hatten deutlich niedrigere optische Zerfallskoeffizienten und zeigten weniger Hohlräume, was auf eine veränderte Polymerchemie schließen lässt. Diese veränderte Polymerchemie könnte auf eine verringerte Ca-Vernetzung von Alginat bei niedrigem pH-Wert zurückzuführen sein. Die Ca-Vernetzung von Alginat beruht auf der anionischen Spezies, während Schätzungen des pKa für Alginsäure zwischen 2,84 und 4,3632,33 liegen. Ein höherer pH-Wert kann daher die Alginatvernetzung verstärken, die Zusammensetzung des Hydrogel-Polymers verändern und das Potenzial für eine vollständigere Vernetzung im gesamten Hydrogel erhöhen. Es hat sich gezeigt, dass Änderungen der Polymerzusammensetzung und der Polymerisationsbedingungen (z. B. Borsäurekonzentration, Nachhärtung usw.) das Quellverhalten von Hydrogelen beeinflussen26,27. Wir vermuten daher, dass die Vernetzung bei unterschiedlichem pH-Wert die Polymerzusammensetzung verändert und die Vernetzungsdichte (d. h. Opazität, Abb. 1D) sowie das Quellverhalten (d. h. beobachtete Größe, Abb. 1B) moduliert.

Diese Daten zeigen, dass der Vernetzungs-pH-Wert ein wesentlicher Faktor für die physikalischen Eigenschaften von PVA-SA-BS-Hydrogelkügelchen ist, was mit Verschiebungen in den Vernetzungsprozessen während der Anfangsstadien der Perlenbildung verbunden sein kann.

Der Elastizitätsmodul (E) wurde mit optischer Kohärenzelastographie (OCE) als Maß für die Kügelchenelastizität während der elastischen Verformung bestimmt (Abb. 2). Sowohl der pH-Wert als auch die Zeit der Vernetzung wirkten sich signifikant auf die Young-Module aus (p < 0,001), wobei der pH-Wert den größten Einfluss hatte (R2 = 0,77), während die Vernetzungszeit die Young-Module weniger stark beeinflusste (R2 = 0,09). Bei pH 5 hergestellte Perlen waren unter allen Bedingungen die weichsten, mit deutlich niedrigeren E-Werten (ca. 60 % Abnahme) als bei pH 4 hergestellte Perlen (Abb. 2B). Darüber hinaus waren Perlen mit einem pH-Wert von 5 auch deutlich weicher als Perlen, die 2 oder 8 Stunden lang bei pH 3 polymerisiert wurden (p < 0,001, Tabelle S.4). Bemerkenswerterweise wurden Perlen, die bei pH 3 hergestellt wurden, mit längeren Vernetzungszeiten deutlich steifer (p < 0,01, Tabelle S.4), aber bei Perlen, die bei pH 4 und 5 hergestellt wurden, konnte kein so signifikanter Trend beobachtet werden. Im Vergleich zu anderen Materialien PVA-SA -BS-Hydrogele hatten drei Größenordnungen höhere E-Werte als natürliche Biofilme (40–100 Pa34,35,36) und zwei- bis sechsmal höhere E-Werte als körnige Biofilme (12 kPa37), was bestätigt, dass diese Hydrogele robuste Materialien für Bioprozessanwendungen sind (Tabelle 1). Der Vergleich der E-Werte von PVA-SA-BS-Hydrogelen mit den Gelbestandteilen (z. B. Alginat oder PVA) ergab aufgrund des großen Einflusses der Polymerkonzentration und der Vernetzungsmethode keine klaren Muster. Allerdings können sowohl reine PVA- als auch reine SA-Hydrogele viel steifer sein als die hier hergestellten PVA-SA-BS-Hydrogele13,38. Dies unterstreicht, dass sich das durch die PVA-SA-BS-Hydrogelproduktion erhaltene interpenetrierende Netzwerk aus PVA- und SA-Polymeren anders verhält als die einzeln vernetzten Polymere39. Schließlich waren die Young-Module von PVA-SA-BS-Hydrogelen um eine Größenordnung höher als in Literaturberichten für EPS-abgeleitete Hydrogele, ähnelten denen von Carrageenan-Gelen und waren um eine Größenordnung niedriger als bei verfestigtem Agar (Tabelle 1). Es wurde zuvor gezeigt, dass die hier gleichmäßig auf alle Perlen angewendete Sulfatbehandlung die Prozesshaltbarkeit von PVA-SA-BS-Hydrogelen, die bei einem pH-Wert von 329 hergestellt wurden, deutlich verbessert. Insgesamt sind PVA-SA-BS-Hydrogele, die bei einem pH-Wert zwischen 3 und 5 hergestellt werden, robuste Materialien mit ähnlichen Eigenschaften zu vielen vorhandenen natürlichen und synthetischen hydrogelähnlichen Materialien. Darüber hinaus kann die Steuerung des pH-Werts und der Vernetzungszeit die Anpassung der viskoelastischen Eigenschaften von PVA-SA-BS-Perlen an verschiedene Bioprozessanwendungen ermöglichen.

Elastizität von Hydrogelkügelchen. (A) zeigt repräsentative Bilder der optischen Kohärenz-Elastographie (OCE), die bei 4,0 kHz für jede der Bedingungen erhalten wurden. Der piezoelektrische Wandler befand sich links im Bild. (B) zeigt den bei verschiedenen Frequenzen gemessenen Young-Modul (2–6 kHz, graue Punkte) und die Datenverteilungen (Boxplots).

Die Diffusion von Dextranblau aus Hydrogelen wurde als Ersatz für die Diffusion makromolekularer Komplexe (z. B. Enzyme) in Hydrogelen verwendet (Abb. 3). Insbesondere können wir die Gesamtmenge an Dextranblau, die von einem Hydrogel nach der Sättigung freigesetzt wird, als Proxy für den Porenraum interpretieren43. In ähnlicher Weise sind die Diffusionsraten von Dextranblau das Ergebnis sowohl des Polymeraufbaus (d. h. der Diffusionsraten durch das Polymer selbst) als auch von Porenarchitekturfaktoren wie Porengröße43 und Porenkonnektivität.

Diffusion von Dextranblau aus Hydrogelkügelchen, die bei unterschiedlichen pH-Werten und Vernetzungszeiten hergestellt wurden. Die Dextranblau-Konzentration wurde als OD600 in Glasröhrchen gemessen. (A) stellt Dextranblau-Konzentrationsprofile über die Zeit für jeden Perlentyp dar; (B) stellt die Diffusionsrate von Dextranblau aus jedem Perlentyp dar, bestimmt als Steigung des Konzentrationsprofils über die letzten 100 Minuten.

Das am Ende des Tests freigesetzte Gesamt-Dextranblau nahm mit zunehmendem Vernetzungs-pH ab, was darauf hindeutet, dass bei einem niedrigeren pH-Wert hergestellte Perlen möglicherweise größere innere Porenräume aufweisen (Abb. 3A). Bei einem pH-Wert von 3 hergestellte Perlen setzten durchweg deutlich mehr Dextranblau frei als diejenigen, die bei einem pH-Wert von 5 hergestellt wurden, sowie Perlen, die bei einem pH-Wert von 4 mit einer Vernetzungszeit von 8 Stunden hergestellt wurden (p < 0,01, Tabelle S.5). Darüber hinaus setzten Perlen, die eine Stunde lang bei pH 3 polymerisierten, mehr Dextranblau frei als jeder andere Perlentyp (p < 0,05), was darauf hindeutet, dass diese Perlen möglicherweise Porenarchitekturen hatten, die höhere Diffusionsraten makromolekularer Strukturen begünstigen.

Die Diffusionsraten von Dextranblau in den letzten 100 Minuten des Diffusionstests zeigten ähnliche Trends über den pH-Wert und die Zeiten der Vernetzung hinweg (Abb. 3B). Perlen bei pH 3 wiesen die höchsten Diffusionsraten von Dextranblau auf, mit durchweg deutlich höheren Werten als Perlen bei pH 5, und Perlen polymerisierten bei pH 4 für 1 und 8 Stunden (p < 0,05, Tabelle S.6). Auch hier zeigten Perlen, die 1 Stunde lang bei pH 3 hergestellt wurden, die höchste Dextranblau-Diffusionsrate, mit deutlich höheren Werten als alle anderen Perlen, mit Ausnahme derjenigen, die 2 Stunden lang bei pH 3 polymerisiert wurden (p < 0,01).

Hydrogel-Polymernetzwerke erlegen Diffusionsbeschränkungen für Chemikalien auf, die aus der wässrigen Hauptphase in das Hydrogel oder aus dem Hydrogel nach außen diffundieren. Bei technischen Anwendungen ist das Gleichgewicht zwischen Diffusionsraten und Reaktionsraten entscheidend, um das effektive katalytische Volumen des Systems (dh den Thiele-Modul) zu maximieren. Darüber hinaus ermöglichen solche Diffusionsbeschränkungen bei Anwendungen, die Mikroben und komplexe mikrobielle Gemeinschaften nutzen, die Unterstützung gewünschter Funktionalitäten in den Hydrogelen4. Während diese Anwendungen von der Festlegung absoluter Diffusionskoeffizienten (D) profitieren, ist die Bestimmung von D durch (i) die sphärische Natur der Hydrogele und (ii) die heterogene innere Struktur der Hydrogele (dh Hohlräume) begrenzt. Für ersteres Problem wurden Lösungen vorgeschlagen23, letzteres würde jedoch eine bessere Charakterisierung der Porenarchitektur (d. h. Porenraum, Größe und Konnektivität) sowie der Diffusionseigenschaften der in den inneren Hohlräumen enthaltenen Flüssigkeit erfordern. Andererseits würde die Bestimmung von D in flachen Schichten von PVA-SA-BS-Hydrogelen29 den Einfluss der Tröpfchenvernetzung auf die Hydrogelmorphologie übersehen. Letztendlich verändert der vernetzende pH-Wert die Diffusionseigenschaften von PVA-SA-BS-Hydrogelen stark, ein entscheidender Designfaktor für (Bio-)Prozesse.

In einem simulierten Hydrogel-Bead-Prozess wurde der Verlust fluoreszierender Mikrokügelchen (d = 1 µm) als Indikator für die Zellretention sowie der Verlust von Hydrogel-Bausteinen überwacht, um zu untersuchen, wie sich unterschiedliche Hydrogel-Produktionsbedingungen auf das Prozessverhalten von Beads auswirken (Abb . 4).

Verlust mikrobieller Zellproxies und Hydrogelbausteine ​​während einer 30-tägigen Inkubation. (A) und (B) zeigen den täglichen bzw. vollständigen Verlust fluoreszierender Mikrokügelchen aus Hydrogelkügelchen. (C) und (D) zeigen den täglichen und Gesamtverlust an PVA aus Hydrogelen, und (E) und (F) zeigen den täglichen und Gesamtverlust an Polymer (ausgedrückt als chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)) aus Hydrogelen.

Der Mikrosphärenverlust war in den ersten Flüssigkeitsaustauschschritten (Tage 0–7) am höchsten, sank jedoch in diesem Zeitraum schnell um zwei Größenordnungen (Abb. 4A). Nach dieser ersten Woche nahmen die Mikrosphärenkonzentrationen weiter ab, wenn auch langsamer. Während des gesamten Experiments enthielt der Überstand von Perlen mit einem pH-Wert von 5 typischerweise eine Größenordnung weniger Mikrokügelchen als Perlen, die bei einem pH-Wert von 3 oder 4 hergestellt wurden (Abb. 4A). Infolgedessen war der Gesamtverlust an Mikrokügelchen während der gesamten Inkubation (Abb. 4B) bei Perlen, die bei pH 5 hergestellt wurden, deutlich geringer als bei Perlen, die bei pH 4 hergestellt wurden (p < 0,001; Tabelle S.7) und bei Perlen, die bei pH 3 polymerisierten für 2 und 8 Stunden (p < 0,05 bzw. p < 0,01). Größere und stärker verbundene Mikroporen ermöglichen einen schnelleren Austausch zwischen dem Intra-Hydrogel und der wässrigen Hauptphase sowohl für Dextranblau (2000 kDa) als auch für fluoreszierende Mikrokügelchen, die als Zell-Proxies fungieren (1 μm). Diese Interpretation liefert den Kontext für die Beobachtung, dass Hydrogele, die bei pH 5 hergestellt wurden, die wenigsten Zellen verloren und die niedrigsten Diffusionsraten aufwiesen, was darauf hindeutet, dass die Matrix möglicherweise gleichmäßiger und gelartiger ist und Alginat-Hydrogelen ähnelt44. Andererseits wurde beobachtet, dass bei pH 3 vernetzte PVA-SA-BS-Hydrogele eher schwammartig sind und Poren im 10–100-µm-Maßstab aufweisen27, was ihre höheren Raten der Dextranblau-Diffusion und des Mikrosphärenverlusts erklärt. Es ist zu beachten, dass auch andere Prozesse den Zellverlust kontrollieren können. Perlen, die 1 Stunde lang bei pH 3 polymerisiert wurden, hatten höhere Diffusionsfähigkeiten (Abb. 3) und einen geringeren Mikrosphärenverlust im Vergleich zu Perlen, die bei pH 4 hergestellt wurden (p < 0,05), was darauf hindeutet, dass die Beziehung zwischen Zellverlust und Dextranblau-Diffusionsraten möglicherweise nicht vollständig linear ist. Darüber hinaus fungierten fluoreszierende Mikrokügelchen als Stellvertreter für Zellen, können jedoch nur den passiven Zellverlust und nicht das aktive Wachstum mikrobieller Zellen aus der Hydrogelmatrix nachahmen. Dies kann durch mögliche Unterschiede in der Oberflächenchemie und Partikelladung dieser Mikrokügelchen im Vergleich zu mikrobiellen Zellen verschärft werden, die sich auch auf abiotische Wechselwirkungen mit der Hydrogelmatrix auswirken könnten. Unabhängig davon deuten die beobachteten Trends darauf hin, dass der pH-Wert der Vernetzung die Porenarchitektur von PVA-SA-BS-Hydrogelmatrizen im Mikrometerbereich steuert und deren Fähigkeit, mikrobielle Zellen zurückzuhalten, verändert.

In der Anfangsphase wurden auch Hydrogelbausteine ​​aus den Hydrogelen freigesetzt. Ähnlich wie beim Zellverlust wurden in den ersten 7 Tagen der Inkubation die höchsten Konzentrationen an Hydrogelmonomeren freigesetzt, wobei Hydrogele, die bei einem höheren pH-Wert hergestellt wurden, mehr Polymer freisetzten (Abb. 4C, E). Die anfänglichen PVA-Konzentrationen im Abwasser lagen zwischen 604 ± 324 mg PVA L−1 (pH 3–1 h) und 2,46 ± 0,07 g PVA L−1 (pH 5–8 h), während das gesamte Hydrogelmonomer (gemessen als CSB) reichte von 760 ± 7 mg CSB L−1 (pH 3–1 h) bis 3,31 ± 0,02 g CSB L−1 (pH 5–8 h). Unter allen Bedingungen enthielt das anfängliche Abwasser viel höhere CSB-Belastungen als die meisten häuslichen Abwässer45, was bedeutet, dass Abwässer aus Anlaufphasen von (groß angelegten) Hydrogelprozessen separat behandelt werden sollten. Die Trends sowohl für den PVA- als auch für den gesamten Hydrogelmonomerverlust über die gesamte Inkubation sind ähnlich (Abb. 4D, F), wobei der PVA-Verlust mit zunehmendem Vernetzungs-pH-Wert deutlich zunimmt (p < 0,01; Tabelle S.8), während sich die Trends beim gesamten Polymerverlust zeigen (als CSB) waren über den gesamten Vernetzungs-pH-Wert hinweg weniger konsistent (Tabelle S.9). Frühere Untersuchungen ergaben, dass bei pH 3 hergestellte PVA-SA-BS-Hydrogelkügelchen über eine 5-wöchige Schüttelinkubation ohne Flüssigkeitsaustausch 0,026–0,073 % ihrer Masse verloren29, ähnlich den hier beobachteten gesamten PVA-Verlusten (0,03–0,09 %, Abb. 1D).

Unterschiedliche Vernetzungs-pH-Werte führten zu einem deutlichen Kompromiss bei den Prozesseigenschaften, da Perlen, die Zellen besser zurückhielten, in den Anfangsphasen des Prozesses mehr Polymer verloren. Die Abbildung solcher Kompromisse ist entscheidend, um PVA-SA-BS-Hydrogelkügelchen an verschiedene Prozessanwendungen anzupassen.

PVA-SA-(BS)-Hydrogele sind aufgrund der geringen Toxizität des Vernetzungsprozesses4,46 und der Bildung einer Matrix, die hohe Diffusionsraten und mikrobielles Wachstum ermöglicht27,29, für Bioprozessanwendungen mit lebenden Zellen und reinen Enzymen attraktiv. Hier präsentieren wir die erste Studie, die den Einfluss des Vernetzungs-pH-Werts und der Vernetzungszeit auf eine Reihe physikalisch-chemischer, elastischer und Prozesseigenschaften von PVA-SA-BS-Hydrogelkügelchen quantifiziert. Dieser einzigartige Ansatz ermöglicht nicht nur die Identifizierung idealer Hydrogel-Produktionsbedingungen, sondern identifiziert auch Kompromisse bei den gewünschten Hydrogel-Eigenschaften, die das Ergebnis von Änderungen in der Vernetzung und Hydrogel-Chemie unter verschiedenen Produktionsbedingungen sein können. Insgesamt war der pH-Wert der größte bestimmende Faktor für die Morphologie, Rheologie und das Prozessverhalten der Perlen, was mit Veränderungen in der Vernetzungschemie von PVA und/oder SA in Zusammenhang stehen könnte. Obwohl diese chemischen Mechanismen auf der Grundlage der hier präsentierten Daten nicht bestätigt werden können, gibt es eindeutige Konsequenzen dieser Veränderungen für die Anwendung dieser Hydrogele in (umwelt-)technischen Umgebungen (Abb. 5).

Maßgeschneiderte physikalische und funktionelle Eigenschaften von PVA-SA-BS-Hydrogelen durch Abstimmung des Vernetzungs-pH.

Der pH-Wert der Vernetzung führt zu Kompromissen zwischen dem Verlust von Mikrokügelchen und der Lebensfähigkeit des (Bio-)Katalysators einerseits (besser bei pH 5) und Diffusionsraten und Perlenfestigkeit andererseits (besser bei pH 3/4). Diese Kompromisse können die Auswahl des optimalen pH-Werts für die PVA-SA-BS-Hydrogelproduktion leiten. Bei Anwendungen, bei denen Ganzzell-Mikrobenkatalysatoren zum Einsatz kommen, können bei einem pH-Wert von 5 hergestellte Kügelchen eine attraktive Option sein. Der Zellverlust kann erheblich geringer sein als bei PVA-SA-BS-Perlen, die bei einem niedrigeren pH-Wert hergestellt werden, was dazu beiträgt, (i) die Biomassedichte im System zu maximieren und (ii) den nachgeschalteten Filtrationsbedarf zu minimieren. Gleichzeitig könnte die Vernetzung bei pH 5 – abhängig vom betrachteten Katalysator – zu weniger Zellstress führen, was die Startzeit verkürzt und die katalytischen Reaktionsraten verbessert29,31. Abhängig von der Chemie des angestrebten Prozesses können niedrigere Diffusionsgeschwindigkeiten von pH-5-Perlen jedoch die Reaktionsgeschwindigkeiten begrenzen, was den notwendigen Prozess-Footprint und die Kapitalinvestitionen erhöht und diese Perlen für einige Anwendungen weniger wünschenswert macht. Darüber hinaus können sich die weicheren Perlen auch schneller verschlechtern, so dass ein häufigerer Austausch erforderlich ist. Schließlich ist unklar, welchen Einfluss innere Hohlräume, die bei einem niedrigeren Vernetzungs-pH-Wert entstehen, auf mikrobielle Katalysatoren haben. Es kann sein, dass solche Hohlräume Mikroben Raum zum Wachstum geben, ohne die Zellretention zu verlieren, obwohl spezifische Experimente zur Untersuchung solcher Fragen erforderlich wären, um dies zu bestätigen.

Bei Anwendungen, die chemische Katalysatoren im Mikrometermaßstab nutzen, ist ein niedriger Vernetzungs-pH-Wert möglicherweise weniger problematisch als bei mikrobiellen Katalysatoren. Folglich hängt die Wahl des Vernetzungs-pH-Werts vom Kompromiss zwischen Katalysatorretention, Diffusionsfähigkeit und Perlenabbau ab. Abhängig vom enthaltenen chemischen Katalysator kann die Katalysatorretention bei chemischen Katalysatoren von größerer Bedeutung sein, da sie sich nicht wie mikrobielle Katalysatoren selbst replizieren können. Ein kürzlich veröffentlichter Bericht zeigte auch die Kombination von mikrobiellem und chemischem Katalysator in einem einzigen Hydrogelkügelchen für die tragbare Urinbehandlung47, was außerdem die Berücksichtigung von Kompromissen zwischen Katalysatorretention und Diffusionsraten erforderte.

Schließlich könnten sich diese Kompromisse bei Anwendungen, die enzymatische Katalysatoren nutzen, weiter verschieben. Katalytische Enzyme verhalten sich möglicherweise ähnlicher wie Dextranblau mit einer Größe von 2000 kDa, was darauf hindeutet, dass ihre Retention in PVA-SA-BS-Hydrogelen mit pH 5 verbessert sein könnte, obwohl dies experimentell bestätigt werden müsste. Darüber hinaus kann die Retention von Enzymen in Hydrogelen auch chemisch verändert werden, beispielsweise durch Glutaraldehyd-Vernetzung, was die Tür zu Möglichkeiten öffnet, die hohe Diffusion und Katalysatorretention kombinieren48.

Insgesamt zeigen wir, dass die pH-Vernetzung ein wirksamer Ansatz ist, um die Eigenschaften von PVA-SA-BS-Hydrogelen anzupassen, die für die Optimierung von (Bio-)Prozessen und Umwelttechnologien von entscheidender Bedeutung sind. Die Kompromisse zwischen Zellretention, Diffusionsraten und Perlenfestigkeit sind besonders kritische Faktoren für die Maximierung der Prozesseffizienz und Haltbarkeit.

PVA-SA-BS-Hydrogele sind vielversprechende Materialien zur Intensivierung der (Bio-)Verfahrenstechnik in einer Reihe von Anwendungen. Hier untersuchen wir den Einfluss des Vernetzungs-pH-Werts und der Vernetzungszeit auf ein breites Spektrum relevanter Eigenschaften dieser Hydrogele, einschließlich physikalischer, physikalisch-chemischer, elastischer und Prozesseigenschaften. Dieser Ansatz verdeutlichte, dass der pH-Wert der kritischste Faktor war, der die Eigenschaften des Hydrogels beeinflusst, was möglicherweise damit zusammenhängt, dass die Vernetzungsraten von PVA und SA umgekehrt vom pH-Wert beeinflusst werden. Dies hatte bei allen gemessenen Eigenschaften signifikante Ergebnisse. Bei niedrigerem pH-Wert hergestellte Perlen zeigten einzigartige innere Hohlräume, eine höhere Matrixopazität und kleinere Perlengrößen, was möglicherweise mit einer Diffusionsbeschränkung der Vernetzungsreaktanten während der Hydrogelperlenproduktion verbunden ist. Perlen mit niedrigem pH-Wert waren auch fester – gemessen mit OCE – was darauf hindeutet, dass eine stärkere PVA-Vernetzung möglicherweise zur Robustheit des Hydrogels beigetragen hat. Diese eher gelartigen Perlen, die bei hohem pH-Wert (mehr Alginat, geringere Opazität) hergestellt wurden, zeigten auch (i) einen kleineren inneren Porenraum, (ii) geringere Diffusionsraten von Dextranblau, was die Mikroporenarchitektur widerspiegelt, (iii) eine verbesserte Zellretention und ( iv) höhere Polymerfreisetzung während der ersten Prozessphasen. Diese Erkenntnisse bieten hervorragende Möglichkeiten, die Eigenschaften der Kügelchen auf einfache, aber effektive Weise anzupassen, um den Anwendungsbereich von PVA-SA-BS-Hydrogelkügelchen zur Einkapselung chemischer, enzymatischer und/oder mikrobieller Katalysatoren in der Bioverfahrenstechnik zu erweitern.

Nach Landreau et al.29 wurden mit Borsäure vernetztes PVA und mit Sulfat nachgehärtete Calcium-vernetzte Alginat-Hydrogele hergestellt. Kurz gesagt wurde eine Lösung hergestellt, die 100 g L-1 PVA (89–98 kDa, Sigma-Aldrich, USA), 10 g L-1 SA (BioReagent-Qualität aus Braunalgen, Sigma-Aldrich, USA) und gelbgrünes Fluoreszenzmittel enthielt Carboxylat-modifizierte Polystyrol-Mikrokügelchen mit einer Größe von 1 µm (FluoSpheres™, ThermoFisher Scientific, USA), die als Ersatz für mikrobielle Zellen in einer Konzentration von 1,41·107 Mikrokügelchen·ml−1 fungieren. Diese Mischung wurde zu einem selbstgebauten Perlentropfgerät gepumpt, das aus Öffnungen mit 24G-Nadeln bestand, die Polymertröpfchen in eine Vernetzungslösung tropfen ließen, die 50 g H3BO3 L−1 und 26,5 g CaCl2⋅2H2O L−1 enthielt und mit einem Überkopfrührer gerührt wurde. Das Verhältnis von Gesamtpolymer zu Vernetzungslösung wurde über alle Bedingungen hinweg auf 1:10 festgelegt. Um den Einfluss des pH-Werts auf die Hydrogelbildung zu untersuchen, wurde der anfängliche pH-Wert der Vernetzungslösung auf 3, 4 oder 5 eingestellt. Um den Einfluss der Vernetzungszeit auf die Hydrogelbildung zu untersuchen, wurden bei jedem pH-Wert produzierte Perlen 1, 2 und geerntet 8 Stunden nach dem Fallenlassen. Nach der Ernte wurden die Perlen auf einem 600-µm-Sieb gesiebt, gründlich mit entionisiertem Wasser gewaschen, um die Vernetzungslösung zu entfernen, und über Nacht in einer Lösung von 73 g Na2SO4 L−1 inkubiert. Anschließend wurde auf einem 1-mm-Sieb abgesiebt, mit entionisiertem Wasser gewaschen, die Perlen 8 Stunden lang in entionisiertem Wasser inkubiert, damit das Sulfat ausdiffundieren konnte, und es folgte ein weiterer Sieb- und Waschschritt. Nach dem zweiten Waschschritt wurden die Kügelchen in einem Medium gelagert, das an frühere Laborstudien für Abwassertechnologien angepasst wurde49 und so modifiziert wurde, dass Kohlenstoff und Stickstoff ausgeschlossen wurden, um das Bakterienwachstum zu minimieren, sowie Phosphat, um den Zerfall der Kügelchen durch Kalziumauswaschung zu reduzieren. Konkret enthielt das Medium pro Liter: 43,4 mg MgSO4⋅7H2O, 35,0 mg KCl, 368,2 mg NaCl und 1 ml Spurenelementlösung50. Die Perlen wurden bis zum Beginn des Experiments im Dunkeln bei Raumtemperatur gelagert.

Die Größe der Hydrogelkügelchen wurde analysiert, indem die Kügelchen in einer Petrischale verteilt und mit einer Sony Alpha 7C-Kamera abgebildet wurden. Partikelgrößenverteilungen von mindestens 57 Körnern pro Produktionsbedingung wurden mithilfe der Funktionen „Farbschwelle“ und „Partikel analysieren“ in Fidschi51 berechnet.

Innere Hohlräume in der Perle wurden durch Kryoschnitte und mikroskopische Visualisierung analysiert. Gesiebte und kurz getrocknete Perlen wurden über Nacht in Neg-50-Schnittmedium (Richard-Allan Scientific, Kalamazoo, USA) bei 4 °C inkubiert und anschließend bei –20 °C eingefroren. Einzelne Perlen wurden mit einem CryoStar NX50-Kryotom in 5-µm-Schnitte geschnitten. Epifluoreszenzmikroskopie wurde verwendet, um sowohl lichtmikroskopische Bilder der Perle als auch grüne Fluoreszenzbilder der eingekapselten fluoreszierenden Mikrokügelchen aufzunehmen. Die gesamten Schnittflächen und inneren Hohlraumflächen wurden durch manuelles Einkreisen der interessierenden Bereiche mit einem digitalen Stift auf einem iPad Pro-Tablet in ImageJ.JS, einer Online-Version von ImageJ52, gemessen.

Die elastischen Eigenschaften von Hydrogelkügelchen wurden durch eine dynamische OCE-Methode charakterisiert53,54,55. Mit einem harmonisch modulierten piezoelektrischen Wandler wurden in der Probe elastische Wellen erzeugt, und die durch die sich ausbreitenden elastischen Wellen erzeugte lokale stationäre Verschiebung der Probe wurde mit einem optischen Kohärenztomographie-Mikroskop (OCT) überwacht. Die Wellengeschwindigkeiten wurden als Verhältnis der Anregungsfrequenz (2–6 kHz) und der mit OCT gemessenen Wellenlänge der elastischen Welle bestimmt. Mithilfe von Wellengeschwindigkeitsmessungen über Frequenzen hinweg wurden dann Phasengeschwindigkeitsdispersionskurven für Perlen erstellt, die bei jeder Kombination aus Vernetzungszeiten und pH-Wert (n = 6–10) hergestellt wurden. Für jede Frequenz wurde die durchschnittliche Wellengeschwindigkeit bei jeder Anregungsfrequenz für jede Vernetzungsbedingung verwendet, um den von der Probenfrequenz abhängigen Young-Modul mit einem auf finiten Elementen basierenden stationären elastodynamischen Wellenmodell zu schätzen55. Da die Wellengeschwindigkeiten unabhängig von der Frequenz waren, wurden die Young-Module (E)-Schätzungen über den Bereich der Anregungsfrequenzen verwendet, um den Mittelwert E und die Standardabweichungen abzuschätzen. Weitere Einzelheiten zur OCE-Messtechnik und zum Finite-Elemente-Modell finden Sie in den Zusatzinformationen (Ergänzende Informationen, S.1.1).

Wir haben auch den scheinbaren optischen Schwächungskoeffizienten für jede Probenkategorie anhand der strukturellen OCT-Daten geschätzt. Die OCT-Daten stellen die lokale Lichtstreuintensität dar. Dies bedeutet, dass der räumliche Kontrast in den Daten auf lokale Änderungen des Brechungsindex hinweist, der wiederum mit der lokalen Polymerdichte in der Probe korreliert53. Wir haben die Variation des durchschnittlichen Schwächungskoeffizienten mit der Vernetzungszeit und dem pH-Wert verfolgt, wobei wir davon ausgegangen sind, dass die Lichtintensität von einem Spitzenwert an der Probenoberfläche auf eine minimale nachweisbare Grenze in einiger Entfernung unter der Oberfläche abnimmt. Konkret wurde die durchschnittliche Pixelintensität im OCT-Bild zunächst in der Nähe der Probenoberfläche aufgezeichnet und diese Messung entlang eines Schnitts von 100 Pixeln (92,1 μm) unter der Probenoberfläche wiederholt. Entlang dieses Transekts nahm die durchschnittliche Intensität linear mit der Entfernung unter der Oberfläche ab. Die Steigung der abnehmenden Intensität, die wir den optischen Zerfallskoeffizienten nennen, wird für die verschiedenen Vernetzungszeiten und pH-Werte verglichen.

Um die Diffusionseigenschaften von Perlen zu beurteilen, die unter verschiedenen Vernetzungsbedingungen hergestellt wurden, wurde ein Dextranblau-Diffusionstest entwickelt. Zunächst ließ man 0,5 ml Perlen (gemessen durch Volumenverdrängung) mindestens 24 Stunden lang mit einer 1 %igen Dextranblau-Lösung (ca. 2000 kDa, Sigma-Aldrich, USA) äquilibrieren. Zu Beginn des Diffusionstests wurden 0,5 ml Perlen in 5 ml synthetisches Medium in Klarglas-Balch-Röhrchen gegeben und gut gemischt. Die optische Dichte bei 600 nm (OD600) wurde direkt nach dem Mischen in einem Spektrophotometer gemessen. Anschließend wurden Balch-Röhrchen bei 120 U/min in einem nahezu horizontalen Winkel geschüttelt und der OD600 wurde in der ersten Stunde alle 2 Minuten, in den folgenden 30 Minuten alle 10 Minuten und in der letzten Stunde alle 20 Minuten gemessen. Die Messwerte wurden mit dem anfänglichen OD600-Wert korrigiert. Die Tests wurden für jede Hydrogelformulierung dreifach durchgeführt.

Hydrogelkügelchen wurden in Schüttelkolben unter regelmäßigem Flüssigkeitsaustausch inkubiert, um Kügelchen in einem Bioreaktor zu simulieren. Vor Beginn des Experiments wurden Hydrogelkügelchen mit entionisiertem Wasser gewaschen. In 250-ml-Schüttelkolben wurden 25 ml Hydrogelkügelchen – gemessen durch Volumenverdrängung in einem Messzylinder – und 75 ml Medium gegeben. Schüttelkolben wurden auf einem Schüttler bei 200 U/min in einem temperierten Raum bei 30 °C inkubiert. Alle 2–3 Tage wurden 15 ml Flüssigkeit zur Analyse entnommen, die Perlen abgesiebt und 75 ml frisches Medium hinzugefügt.

Der Verlust fluoreszierender Mikrokügelchen wurde bei jedem Flüssigkeitsaustauschschritt mit einem Guava EasyCyte-Durchflusszytometer (Luminex, Austin, USA) quantifiziert, das mit einem 50-mW-488-nm-Laser ausgestattet war. Die Perlen wurden mithilfe des grünen Fluoreszenzsignals (525-nm-Bandpassfilter) quantifiziert. Der PVA-Verlust aus den Hydrogelkügelchen während der Inkubation wurde mithilfe eines zuvor beschriebenen blauen Jodtests quantifiziert, der auf Mikrotiterplatten56 umgestellt wurde. Kurz gesagt, jede Vertiefung war mit 36,4 µL Probe, 163,3 µL 4 %iger Borsäurelösung und 27,3 µL Jodlösung gefüllt. Die Jodlösung wurde hergestellt, indem 250 mg KI und 127 mg I2 in 10 ml MilliQ-Wasser gelöst und die Lösung über Nacht auf einem Schüttler bei 30 °C aufgelöst wurden. Nach Zugabe der Jodlösung wurde die Well-Platte 20 Minuten lang bei Raumtemperatur inkubiert, bevor die Messung auf einem CLARIOstar Plus-Mikrotiterplatten-Lesegerät (BMG Labtech, Ortenberg, Deutschland) durchgeführt wurde. Jede Mikrotiterplatte wurde intern mit einer PVA-Standardreihe im Bereich von 0 bis 100 mg PVA L−1 kalibriert. Der Verlust an Gesamtpolymer im Überstand wurde mithilfe von CSB-Testkits gemäß der Standardmethode 5220D mit einer unteren Nachweisgrenze von 3 mg CSB L−1 gemessen.

Der Datensatz, der die Schlussfolgerungen dieses Artikels stützt, ist auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor (PC) erhältlich.

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PC dankt dem US-Energieministerium, dem Office of Science und dem Office of Biological & Environmental Research für die Unterstützung (#DE-SC0020356). JF wurde von den National Institutes of Health (1R01DK130815-01) unterstützt. OB und GW bedanken sich für die endgültige Unterstützung durch die National Science Foundation unter den Fördernummern CBET 1937290 und CMMI 2100447. Die Autoren möchten außerdem Buddy Ratner für nützliche Diskussionen und Bowen Xie für die Unterstützung bei der Probenanalyse danken.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Pieter Candry und Bruce J. Godfrey.

Bau- und Umweltingenieurwesen, University of Washington, 201 More Hall, Box 352700, Seattle, WA, 98195-2700, USA

Pieter Candry, Bruce J. Godfrey, Julia Fudge und Mari-Karoliina Henriikka Winkler

Abteilung für Maschinenbau, Northwestern University, Evanston, IL, 60208, USA

Ziwei Wang & Oluwaseyi Balogun

Black & Veatch, New York, NY, USA

Fabrizio Sabba

Programm für theoretische und angewandte Mechanik, Northwestern University, Evanston, IL, 60208, USA

Evan Dieppa

Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen, Northwestern University, Evanston, IL, 60208, USA

Oluwaseyi Balogun & George Wells

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PC und BJG konzipierten die Forschung, konzipierten und führten Experimente durch und verfassten den ursprünglichen Manuskriptentwurf. PC, BJG, ZW, FS, ED und JF entwickelten Analysemethoden und sammelten, analysierten, visualisierten und interpretierten experimentelle Daten. OB, GW und M.-KHW betreuten die Forschung. Alle Autoren haben zur Durchsicht und Bearbeitung des Manuskripts beigetragen.

Korrespondenz mit Pieter Candry.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Candry, P., Godfrey, BJ, Wang, Z. et al. Maßgeschneiderte Hydrogelkügelchen aus Polyvinylalkohol-Natriumalginat (PVA-SA) durch Steuerung des pH-Werts und der Zeit der Vernetzung. Sci Rep 12, 20822 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25111-7

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Eingegangen: 15. September 2022

Angenommen: 24. November 2022

Veröffentlicht: 02. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25111-7

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