Manufacturing and characterization of porous ceramic capillary membranes for enzyme functionalization through click chemistry

Abstract

Capilares porosos feitos de zircônia foram fabricados e caracterizadoscombinando a técnica de moldagem por extrusão e material de sacrifício.Pastas cerâmicas, coloidalmente estáveis, de zircônia estabilizada comítria com dois tamanhos de partículas, decano, hexano, ácido esteárico ecera de abelhas foram preparadas e extrudadas, gerando diferentesporosidades. Para conferir estabilidade mecânica, as amostras foramconduzidas a um tratamento térmico a 1438 K. A superfície dosmicrotubos cerâmicos foi funcionalizada para promover a click chemistrye imobilizar as enzimas funcionalizadas com grupos acetila. Além disso,a ativação hidrotérmica na superfície do cerâmico levou a um efeitobenéfico para posterior deposição de APTES. A porosidade aberta dasamostras variou de 50% a 56% e a permeação de fluxo de água de 140 até388 L/(m2.h.bar). Uma tensão de flexão de até 76 MPa foi medida paraamostras feitas da mistura de pós de zircônia. Uma tendência pode serobservada: ao se diminuir o tamanho das partículas de zircônia, obteveseuma melhora nas propriedades mecânicas dos corpos sinterizados. Poroutro lado, a permeabilidade intrínseca diminuiu. A respeito da atividadeenzimática, capilares feitos com tamanho de partículas maiores levarama resultados melhores. Capilares porosos de zircônia apresentam umfuturo promissor para aplicações onde enzimas imobilizadas em regimede fluxo são empregadas.

Abstract : Porous zirconia capillaries were fabricated and characterized combiningextrusion molding and sacrificial template technique. Colloidally stableceramic pastes made of two yttria-stabilized zirconia particle sizes,decane, hexane, stearic acid and beeswax were prepared and extruded,leading to different porosities. To confer mechanical stability to themonoliths, a thermal treatment was conducted at 1438 K. The surface ofthe ceramic microtubes was functionalized in order to promote clickchemistry and immobilize acetylene functionalized enzymes on it.Furthermore, introducing a hydrothermal activation on the ceramicsurface had a beneficial effect on further deposition of APTES. The openporosity of the samples ranged from 50 to 56% and water permeate fluxfrom 140 up to 388 L/(m2.h.bar). Characteristic flexural strength up to 76MPa was recorded for the samples with the blend of the zirconia powders.Moreover, a trend could be observed, decreasing the zirconia particle sizeenhanced the mechanical strength of the sintered bodies. On the otherhand, the intrinsic permeability has decreased. Regarding to enzymeactivity, capillaries with larger zirconia particle size led to better enzymeactivity results. Porous zirconia capillaries show a promising future forimmobilized enzyme applications under flow regime.