From nature to network : harnessing caffeic acid, monolignols, and lignosulfonate in metal-phenolic network assemblies

Abstract

Metall-Phenolische Netzwerke (MPNs) können einfach in einem Selbstanlagerungsprozess gebildet werden, indem Phenol- und Metallionenlösungen kombiniert werden. Sie können benutzt werden, um verschiedenste Materialien zu beschichten und potenzielle Anwendungen von MPNs beinhalten die Erzeugung von Kapseln zum Wirkstofftransport, reversible Beschichtungen von Mikroorganismen, um diese zu schützen oder ihre Teilung zu stoppen, Metall Sequestrierung oder Haare färben. In dieser Arbeit wurden mehrere neue phenolischen Kandidaten für die Bildung von MPN untersucht. Kaffeesäure, Natrium-Ligninsulfonat und die Monolignole Coniferylalkohol, Sinapylalkohol und p-Cumarylalkohol wurden untersucht und mit Tanninsäure als Referenz verglichen. Die Bildung von MPNs war mit der Verwendung von Kaffeesäure und Ligninsulfonat mit Fe3+ als Metallion erfolgreich. Die neuen Materialien wurden charakterisiert und sie wurden benutzt, um dünne Filme zu bilden und damit verschiedenste Substrate, wie Polystyrol und Glas, zu beschichten. Durch Auflösen des Substrates wurden frei-stehende Kapseln geformt. Die dünnen Filme konnten aufgelöst werden, indem der pH-Wert der umgebenden Lösung verändert wurde, oder indem Chelatbildner, wie EDTA, zugegeben wurden. Außerdem wurden die Kaffesäure-Fe3+ und Ligninsulfonat-Fe3+ MPNs verwendet, um menschliches Haar smaragdgrün und strohgelb zu färben.

Metal-phenolic networks (MPNs) can be easily formed in a self-assembly process by combining phenol and metal ion solutions. They can be used to coat various materials and potential applications of MPNs include the formation of capsules for drug delivery, reversible coating of microorganisms for protection or proliferation inhibition, metal sequestration or hair dyeing. In this work, several new phenolic candidates for MPN formation were investigated. Caffeic acid, sodium lignosulfonate and the monolignols coniferyl alcohol, sinapyl alcohol and paracoumaryl alcohol were examined and compared with tannic acid as reference. The formation of MPNs was successful using caffeic acid and lignosulfonate with Fe3+ as metal-ion. The new materials were characterized and used to form thin films on various substrates including polystyrene and glass. By dissolving the substrate, free-standing capsules were formed. The thin films could be disassembled by changing the pH of the surrounding solution or adding a chelating agent such as EDTA. Furthermore, the caffeic acid-Fe3+ and lignosulfonate-Fe3+ MPNs were used to dye human hair in emerald-green or straw-yellow color respectively.