Hydrogel-komposit udviklet til at hjælpe beskyttelsesudstyr med hurtigt at nedbryde giftige nervestoffer

Forskere ved Northwestern University i Evanston, Illinois har udviklet en hydrogel integreret med zirconium-baserede robuste metal-organiske rammer (MOF'er), der hurtigt nedbryder organophosphat-baserede nervemidler, der bruges i kemisk krigsførelse. I modsætning til eksisterende pulveriserede MOF-adsorbenter, denne hydrogel-komposit kræver ikke tilsat vand og kan let skaleres op til brug i beskyttelsesmasker eller -beklædning. Værket vises 14. juli i bladet Kemisk katalyse .

"Organophosphat-baserede nervemidler er blandt de mest giftige kemikalier, som menneskeheden kender, " siger seniorforfatter Omar Farha, professor i kemi ved Northwestern University. "Deres brug i de seneste globale konflikter afspejler det presserende behov for personlige værnemidler, samt massedestruktion af kemiske våbenlagre. I dette arbejde, vi integrerer MOF'er og aminholdig tværbundet hydrogel i klud for at opbygge et ordentligt mikromiljø for at lette den hurtige nedbrydning af nervestoffer og levere realtidsbeskyttelse."

Mens MOF'er tidligere har demonstreret en usædvanlig hurtig evne til at nedbryde organophosphor-midler og kemikalier, der simulerer dem i laboratoriet, disse pulveriserede adsorbenter har vist sig at være vanskelige at integrere direkte i beskyttelsesklude. Når nervemidlerne binder til deres zirconium-6 klynger, de deaktiverer ofte pulver- og fibrøse kompositkatalysatorer. Denne faldgrube kræver brug af alkaliske opløsninger til at regenerere MOF'ernes katalytiske steder - et krav, der ikke forhindrer sådanne MOF'er i at blive brugt til at eliminere oplagrede kemiske våben, men som hindrer deres brug i bærbart beskyttelsesudstyr.

For at overkomme denne udfordring, Farha og kolleger designede et MOF-baseret tekstilkompositsystem, der bruger vand i en aminbaseret hydrogel til at nedbryde nervestoffer. Materialet virker ved at samle tre nøglekomponenter til de hydrolysereaktioner, der demonterer de giftige organofosformidler. MOF'ens zirconiumknude giver et Lewis-syrested, der aktiverer fosforcentret (den aktive del af nervemidlet), mens hydrogelporer fanger det nødvendige vand. Basiske amingrupper i hydrogel-rygraden genererer hydroxylgrupper for at lette det nukleofile angreb på organophosphorsubstratet og efterfølgende forskydning af hydrolyseproduktet på zirconiumcentret (dvs. katalytisk omsætning).

Forskerne integrerede denne hydrogel-komposit med bomuldsfibre og testede den ved at påføre en lille alikvot af enten en simulant eller et egentligt nervemiddel (testet i samarbejde med US Army Lab) på overfladen. Næste, de analyserede produktet og substratet ved hjælp af kernemagnetisk resonansspektroskopi. De fandt ud af, at kompositten kemisk omdannede 99% af midlet inden for blot 10 minutter, opretholdelse af dette høje niveau af katalytisk aktivitet, selv efter at det blev opbevaret i et forseglet hætteglas i 3 måneder.

"Kompositmaterialet, der er udviklet her, repræsenterer en betydelig forbedring i forhold til, hvad vi tidligere udviklede, " siger Farha. "Det er også vigtigt at bemærke, at de her rapporterede reaktiviteter med kompositten i dets faste tilstand er sammenlignelige med dem, der opnås i alkaliske vandige opløsninger."

Da forfatterne forestiller sig, at den nye hydrogel-komposit bliver brugt som et reaktivt lag i dragter og masker, de bemærker, at yderligere teknik og test vil være nødvendigt for at integrere det i disse eksisterende produkter. Imidlertid, da metoden, der bruges til at fremstille kompositten, er enkel og let skalerbar, Farha foreslår, at storskalaproduktion af MOF-baserede masker og dragter kan være mulig i fremtiden.

"Vi er i gang med at optimere kompositmaterialet, så det passer til virkelige forhold, " siger Farha. "Vi håber i fremtiden, at disse materialer vil blive kommercialiseret og brugt til at beskytte menneskeliv."