مقالة منهجية

إعداد الأغشية ضوء استجابة من قبل التطعيم سطح الجامع وعملية Postmodification

DOI:

10.3791/51680

⸱

مارس 21, 2014

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Laboratory for Protection and Physiology, Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, 2Laboratory of Advanced Fibers, Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, 3Division of Neonatology, University Hospital Zurich

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يوصف إجراء البلمرة التي يسببها البلازما لبلمرة-بدأت على سطح الأغشية البوليمر. ويرد مزيد من postmodification من البوليمر المطعمة بمواد اللونية مع بروتوكول إجراء قياسات نفاذية الأغشية للضوء استجابة.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

من أجل تعديل التوتر السطحي للأغشية التجارية المتاحة البوليمر ذو حدين المسار، ويعرض إجراء البلمرة بمبادرة السطح. هو فعل البلمرة من سطح الغشاء عن طريق العلاج البلازما من الغشاء، تليها رد فعل سطح الغشاء بمحلول المثيلي لميتاكريليت 2 هيدروكسي (HEMA). ويولى اهتمام خاص لمعلمات عملية لعلاج البلازما قبل البلمرة على السطح. على سبيل المثال، يتم دراسة تأثير المعاملة البلازما على أنواع مختلفة من الأغشية (مثل البوليستر والبولي، البولي فينيل الفلوريد). وعلاوة على ذلك، يظهر الاستقرار التي تعتمد على الوقت من الأغشية المطعمة السطح بواسطة قياسات زاوية الاتصال. عندما تطعيم بولي (2 هيدروكسي إيثيل ميتاكريليت) (PHEMA) في هذا السبيل، والسطح يمكن تعديلها عن طريق الأسترة مزيد من شاردة الكحول من البوليمر مع وظيفة حمض الكربوكسيلية للمادة المطلوب.وبالتالي، يمكن أن تستخدم هذه التفاعلات لfunctionalization من سطح الغشاء. على سبيل المثال، التوتر السطحي للغشاء يمكن تغييرها أو وظيفة على النحو المرغوب فيه استجابة للضوء وقدم يمكن إدراجها. ويتجلى ذلك من خلال رد فعل PHEMA مع حمض الكربوكسيلية بين functionalized حدة spirobenzopyran الأمر الذي يؤدي إلى غشاء ضوء استجابة. اختيار المذيبات يلعب دورا رئيسيا في الخطوة postmodification ويتم مناقشتها بمزيد من التفصيل في هذه الورقة. يتم إجراء قياسات النفاذية لهذه الأغشية بين functionalized باستخدام خلية فرانز مع مصدر ضوء خارجي. عن طريق تغيير الطول الموجي للضوء من مرئية للالمدى للأشعة فوق البنفسجية، لوحظ تغيير في نفاذية حلول الكافيين مائي.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

أصبح التعديل البلازما مواد عملية هامة في العديد من المجالات الصناعية. جعلت تنظيف الأسطح وfunctionalization الأسطح دون تغيير الخاصية الأكبر من المواد في العلاج البلازما عملية أساسية في العلوم سطح 1-8.

العلاج البلازما البوليمرات يؤدي إلى انشقاق السندات homolytic. هذا يؤدي إلى متفوقا من المواد البوليمرية وإلى تشكيل الأسطح الغنية الراديكالية. باستخدام البلازما التي تحتوي على جزيئات الأكسجين، ويصبح سطح الغني بالأكسجين وبالتالي أكثر ماء 9-11. ومع ذلك، فإن hydrophilicity من السطوح ليست مستقرة على مر الزمن 12. من أجل تعزيز الاستقرار طويل الأجل، والمعالجة السطحية البلازما يمكن تعديلها كيميائيا بعد أو أثناء عملية البلازما 13-15. يتم تنفيذ هذا العلاج عادة عن طريق إضافة أنواع مونومر رد الفعل إلى مرحلة الغاز أثناء عملية البلازما، وهذه مونومرات ثم بلمرةمن الجذور إنشاؤها من سطح البوليمر. إذا تم إجراء المعالجة الكيميائية مع مونومر غير قلق، وتطعيم البوليمر أن تجري بعد التعديل البلازما. من أجل إجراء التطعيم بعد سيطرة تتشكل الجذور على السطح، ويوصف الإعداد البلازما، والذي يسمح للبلمرة الناجم عن سطح بدأ البلازما من على سطح الأرض في الحل تحت ظروف محكومة 12،16.

ويركز العرض على تعديل الأغشية البوليمر ذو حدين المسار 12،17. عن طريق تعديل التوتر السطحي من هذه الأغشية، ومعدل نفاذية يمكن أن تختلف 12. هذه العملية نظيفة وسريعة يسمح لخلق طبقات رقيقة جدا (<5 نانومتر)، والتي تغطي سطح الغشاء بأكمله دون تغيير الخاصية الأكبر من غشاء البوليمر. ويرجع ذلك إلى متفوقا أثناء عملية البلازما، وأقطار المسام من الأغشية ذو حدين المسار زيادة طفيفة 12. معدل متفوقا هو dependiنانوغرام على البوليمر ولها سلوك الخطية.

عند استخدام مونومرات مع المجموعات الوظيفية على رد الفعل، والبوليمرات المطعمة يمكن بين functionalized أخرى. ويتجلى ذلك من خلال postmodification من غشاء المطعمة PHEMA مع حمض الكربوكسيلية بين functionalized spiropyran. هذه النتائج في سطح اللونية، ومن المعروف منذ spiropyran للتحول إلى أنواع merocyanine عندما المشع مع ضوء الأشعة فوق البنفسجية. يمكن إعادة تأسيس شكل spiropyran بواسطة تشعيع شكل merocyanine مع الضوء المرئي (الشكل 1) 18،19. منذ شكل merocyanine هو أكثر القطبية من الدولة spiropyran، التوتر السطحي للطلاء يمكن أن تسبب مع ضوء 20. التغيير في التوتر السطحي يؤثر على مقاومة نفاذية الغشاء نحو المحاليل المائية. مجموعة المتابعة كيفية إجراء اختبارات نفاذية هذه الأغشية للضوء استجابة سيتم عرض وتغيير كبير في مقاومة نفاذية (تقليل طويتجلى ن مقاومة نفاذية بنسبة 97٪). مثل هذا الغشاء يمكن أن تكون متكاملة في الإعداد لتقديم الأدوية أو في أنظمة الاستشعار الذكية.

figure-introduction-1
الشكل 1. الايزوميرة الضوئية من مركب spirobenzopyran 1.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. البلمرة بمبادرة البلازما

  1. إعداد الحل مونومر.
    1. حل HEMA (100 مل؛ 0.718 مول) في 200 مل من الماء وغسل 3X مع الهكسان (100 مل) في قمع فصل. تشبع المرحلة المائية بكلوريد الصوديوم واستخراج HEMA مع ايثر (50 مل). تجفيف المرحلة العضوية على MgSO 4 و إزالة المذيب في الخلاء (100 م بار، 40 ° C). استخلاص HEMA تحت ضغط منخفض (15 م بار؛ 99 ° C).
    2. إعداد محلول 0.62 M المثيلي من HEMA خالية من المانع المنتجة في القسم 1.1.1. صب 30 مل من الحل في قارورة العنق واحدة والقضاء على الأوكسجين من قبل محتدما وصول من خلال الحل لمدة 1 ساعة.
  2. الناجم عن سطح البلمرة.
    1. موقف اثنين من أغشية البولي بجانب بعضها البعض في غرفة البلازما (الشكل 2). وضع الجانب اللامع من الغشاء افتا نحو مرحلة الغاز.
    2. ربط غرفة البلازما لآهفراغ IGH (20 م بار) لمدة 5 دقائق. إغلاق صمام إلى الفراغ وفتح صمام أخرى، وهذا مرتبط إلى الأرجون وغاز الأكسجين وتطهير الغرفة مع هذا الخليط لمدة 2 ساعة مع 15 SCCM الأرجون و 2.5 SCCM الأوكسجين.
    3. الشروع في البلازما وخفض قوة إلى قوة المطلوب (على الغشاء البولي: 12 ث) وعلاج الأغشية لمدة 4 دقائق مع البلازما. ربط حل مونومر مع الغرفة عن طريق فتح صمام المقابلة. إيقاف البلازما وإخلاء القاعة.
    4. ربط حل مونومر مع الغرفة عن طريق فتح صمام المقابلة وتصب الحل في الغرفة. ضمان أن الأغشية مغطاة الحل مونومر. فتح صمام متصلا الأرجون وتخزين خليط التفاعل لمدة 12 ساعة عند 20 ° C (غرفة مكيفة).
    5. إزالة حل مونومر. غسل الأغشية مع الميثانول في حمام بالموجات فوق الصوتية لمدة 5 دقائق. كرر الإجراء مع مياه الغسيل.
    6. يجف الغشاء فيالخلاء أكثر من المناخل الجزيئية لمدة 2 ساعة.

2. Postmodification من الأغشية المغلفة

  1. يعد حل spirobenzopyran 1 (الشكل 1) (100 ملغ؛ 0.27 ملمول)، N، N-dicyclohexylcarbodiimide (DCC) (55 ملغ؛ 0.27 ملمول) وثنائي ميثيل امينوبيرين (DMAP) (33 ملغ، 0.27 ملمول) في ثالثي butylmetylether (TBME) (12 مل).
  2. وضع شريط النمام حماية وشبكة حماية في قارورة جولة القاع. تجف القارورة وإغراق قارورة مع الأرجون.
  3. صب المحلول في قارورة، تليها غشاء المغلفة.
  4. يحرك برفق في درجة حرارة الغرفة لمدة 12 ساعة.
  5. إزالة حل ويغسل الغشاء مع ثالثي butylmetylether في حمام بالموجات فوق الصوتية لمدة 5 دقائق. كرر الإجراء الغسيل مع الايثانول والماء.
  6. يجف الغشاء في الخلاء أكثر من المناخل الجزيئية لمدة 2 ساعة.

3. التوتر السطحي القياسات

    إصلاح الغشاء مع شريط القياسية على معدن يا الدائري. ضع قطرة ماء nanopure (3.3 ميكرولتر) في ذلك الجزء من سطح الغشاء، وهي ليست على اتصال مع يا الدائري. قياس زاوية الاتصال (CA) في 5 مناطق مختلفة من الغشاء.
  1. لاختبار الاستقرار على المدى الطويل من العينات، قياس الزوايا الاتصال في ثلاث مناطق مختلفة من الأغشية بعد 0، 1، 2، 3، 7، 14، و 21 يوما.

4. اختبارات نفاذية الأغشية اللونية

  1. ملء الغرفة مستقبلات الخلية نشر فرانز بالماء (12 مل).
  2. إصلاح غشاء الخلية في نشر فرانز. تأكد من أن الغشاء هو على اتصال مع الماء للغرفة مستقبلات. ملء الغرفة المانحة (الغرفة على رأس الغشاء) مع محلول مائي الكافيين (20 ملم؛ 3.0 مل). أشرق الغشاء من أعلى الغرفة المانحة مع الأبيض الخفيف (الشكل 3). جمع عينات (200 ميكرولتر) من خلية مستقبلة؛ FOص ذو حدين المسار أغشية البولي مع قطر المسام من 200 نانومتر، وجمع عينات كل 10 دقيقة.
  3. تكرار التجربة كما هو موضح في الخطوة 4.2. ولكن أشرق الغشاء مع ضوء الأشعة فوق البنفسجية (366 نانومتر، 80 واط / م 2) خلال اختبار نفاذية بأكمله.
  4. تحديد تركيزات الكافيين من العينات التي تم جمعها.
    1. رسم منحنى المعايرة مع 15 تركيزات مختلفة من الكافيين (ما بين 0.05 ملغ / مل و 1.5 ملم / لتر) باستخدام الأشعة فوق البنفسجية / فيس مطياف. معايرة في 293 نانومتر.
    2. تحديد تركيز كل من العينات التي تم جمعها باستخدام منحنى المعايرة.
    3. رسم تركيز تحدد مباراة. الوقت من العينات التي تم جمعها. جعل نوبة خطي من خلال النقاط وتحديد Δc من المنحدر.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يمكن اتباعها معدل وزنها عن طريق حفر الغشاء بعد فترات مختلفة من الزمن. كما يمكن أن يرى من الشكل 4، يتبع معدل حفر لالبوليستر، والبولي فينيل الفلوريد، والبولي الأغشية معدل حفر الخطية، والذي يمكن تحديده من المنحدر من علاقة خطية من الوقت مقابل خسارة حفر الشامل. كما هو مبين في الشكل (4)، وتظهر أغشية البولي أدنى معدل حفر جميع الأغشية البوليمر الثلاث. واحد نتيجة لالنقش هو التغيير في قطر المسام. قطر المسام بعد الزيادات العلاج البلازما بحوالي 20٪ <...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

عملية البلازما تنتج الغاز الأرجواني، والذي كان سببه الأرجون المتأين. فإن وجود اللون البرتقالي تشير إلى وجود النيتروجين غير مرغوب فيها من تسرب. لا تشكل عملية البلازما فقط المتطرفين على السطح ولكن أيضا يحفر الغشاء 7،12. الكثير من الحفر يمكن تغيير قطر المسام بشكل ملحوظ، والتي من شأنها أن تؤثر على نفاذية الغشاء. ظروف التفاعل رقابة من الإعداد قدمت تسمح تعزيز استنساخ لعملية ترقيع بمبادرة البلازما. ومع ذلك، فإن الموضع الدقيق للأغشية البلازما في غرفة لا تزال تؤثر على كثافة الجذ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

والكتاب ليس لديهم ما يكشف.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وأيد هذا العمل ماليا من قبل مؤسسة العلوم الوطنية السويسرية (المفدال 62 - المواد الذكية). واعترف أيضا هو دعم B. هانسلمان، K. كيهل، U. شوتس وباء LEUTHOLD.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
2-هيدروكسي إيثيل ميثاكريلات ، 97٪سيجما ألدريتش128635
الهكسان 99٪كبريتات المغنيسيوم Biosolve
(MgSO4< / sub> ، اللامائية)سيجما ألدريتشM7506
ميثانول ، 99٪   ؛سيجما ألدريتش14262مجفف فوق المناخل الجزيئية
N ، N-Dicylcohexylcarbodiimide ، 99٪Sigma-AldrichD8002
ثنائي ميثيل أمينوبيريدين ، 99٪سيجما ألدريتش107700
Tert-butylmethylether ، 98٪غشاء بولي كربوناتFluka 306975
Whatmanنانوبور المسار المحفور (TE) (1.0 & mu; م ، 0.2 مو ؛ م ، 0.1 مو ؛ م ، 50 نانومتر ، 30 نانومتر ، و 15 نانومتر قطر المسام ؛ قطر الغشاء 47 مم أو 25 مم)
الكافيين (كاشف زائد) خليةSigma-AldrichC0750
Franz (12 مل)SES-Analysesysteme6C01001515 مم خلية فرانز غير الجاشية ، حجم المستقبلات 12 مل ، أرض مسطحة ، زجاج شفاف ، قضيب التحريك والمشبك
الأشعة فوق البنفسجية مصباحالأشعة فوق البنفسجية (366 نانومتر ، 15 واط / م < سوب >2< / sup>)
مصباحضوء أبيضتشعيع الضوء الأبيض (لمبة 500 واط)
الطيف الضوئي للأشعة فوق البنفسجية / فيسفاريان 50Bio / 50MPR
أغشية بوليسترSterlitechPET0225100مرشحات غشاء بوليستر ، 0.2 & م قطر المسام ، قطر 25 مم
أغشية فلوريد البولي فينيلدين أغشيةMilliporePVDF Durapore (0.22 & mu ؛ م قطر المسام قطر غشاء 47 مم)
الأرجون (99.9995٪)Alphagaz
Dressler Cesar RF مولدإعداد غرفة البلازما
MKS Multi Gas Controller 647Cإعداد غرفة البلازما
MKS وحدات التحكمالشامل إعداد غرفة البلازما
Vacuubrand RE 2.5 مضخة تفريغدوارة غرفة البلازما إعداد
جهاز قياس زاوية الاتصالKrü موازين ssG10
Mettler ToledoAB204-S و Mettler ME30
انتشار مقياس الطاقة في التدفق دوارة

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. d'Agostino, R. Basic Approaches to Plasma Production and Control. , Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. (2008).
  2. Liston, E. M., Martinu, L., Wertheimer, M. R. Plasma surface modification of polymers for improved adhesion: a critical review. J. Adh. Sci. Technol. 7 (10), 1091-1127 (1993).
  3. Siow, K. S., Britcher, L., Kumar, S., Griesser, H. J. Plasma Methods for the Generation of Chemically Reactive Surfaces for Biomolecule Immobilization and Cell Colonization - A Review. Process. Polymers. 3 (6-7), 392-418 (2006).
  4. Hossain, M. M., Hegemann, D., Herrmann, A. S., Chabrecek, P. Contact angle determination on plasma-treated poly(ethylene terephthalate) fabrics and foils. Appl. Polymer Sci. 102 (2), 1452-1458 (2006).
  5. Guimond, S., Hanselmann, B., Amberg, M., Hegemann, D. Plasma functionalization of textiles: Specifics and possibilities. Pure Appl. Chem. 82 (6), 1239-1245 (2010).
  6. Lymberopoulos, D. P., Economou, D. J. Modeling and simulation of glow discharge plasma reactors. Journal of Vacuum Sci. Technol. A Vacuum Surf. Films. 12 (4), 1229-1236 (1994).
  7. Hegemann, D., Brunner, H., Oehr, C. Plasma treatment of polymers for surface and adhesion improvement. Nuclear Instr. Methods Phys. Res. B Interact. Atoms. 208 (0), 281-286 (2003).
  8. Øiseth, S. K., Krozer, A., Kasemo, B., Lausmaa, J. Surface modification of spin-coated high-density polyethylene films by argon and oxygen glow discharge plasma treatments. Appl. Surf. Sci. 202 (1-2), 92-103 (2002).
  9. Choi, W. -K., Koh, S. -K., Jung, H. -J. Surface chemical reaction between polycarbonate and kilo-electron-volt energy Ar[sup + ] ion in oxygen environment. J. Vacuum Sci. Technol. A Vacuum Surf. Films. 14 (4), 2366-2371 (1996).
  10. Kitova, S., Minchev, M., Danev, G. RF plasma treatment of polycarbonate substrates. Optoelectron. Adv. Mater. 7 (5), 2607-2612 (2005).
  11. Friedrich, J. F., Mix, R., Schulze, R. D., Meyer-Plath, A., Joshi, R., Wettmarshausen, S. New plasma techniques for polymer surface modification with monotype functional groups. Plasma Process. Polymers. 5 (5), 407-423 (2008).
  12. Baumann, L., et al. Tuning the resistance of polycarbonate membranes by plasma-induced graft surface modification. Appl. Surf. Sci. 268, 450-457 (2013).
  13. Hegemann, D., Hossain, M. M., Balazs, D. J. Nanostructured plasma coatings to obtain multifunctional textile surfaces. Prog. Org. Coatings. 58 (2-3), 237-240 (2007).
  14. Gengenbach, T., Vasic, Z., Li, S., Chatelier, R., Griesser, H. Contributions of restructuring and oxidation to the aging of the surface of plasma polymers containing heteroatoms. Plasmas Polymers. 2 (2), 91-114 (1997).
  15. Gengenbach, T. R., Chatelier, R. C., Griesser, H. J. Characterization of the Ageing of Plasma-deposited Polymer Films: Global Analysis of X-ray Photoelectron Spectroscopy Data. Interface Anal. 24 (4), 271-281 (1996).
  16. Hirotsu, T., Nakajima, S. Water ethanol permseparation by pervaporation throught the plasma graft copolymeric membranes of acrylic acid and acrylamide. Appl. Polymer Sci. 36 (1), 177-189 (1988).
  17. Baumann, L., de Courten, D., Wolf, M., Rossi, R. M., Scherer, L. J. Light-Responsive Caffeine Transfer through Porous Polycarbonate. Appl. Mater. Interf. 5 (13), 5894-5897 (2013).
  18. Minkin, V. I. Photo-, thermo-, solvato-, and electrochromic spiroheterocyclic compounds. Chem. Rev. 104 (5), 2751-2776 (2004).
  19. Berkovic, G., Krongauz, V., Weiss, V. Spiropyrans and spirooxazines for memories and switches. Chem. Rev. 100 (5), 1741-1753 (2000).
  20. Vlassiouk, I., Park, C. -D., Vail, S. A., Gust, D., Smirnov, S. Control of Nanopore Wetting by a Photochromic Spiropyran: A Light-Controlled Valve and Electrical Switch. Lett. 6 (5), 1013-1017 (2006).
  21. Baumann, L., et al. Development of light-responsive porous polycarbonate membranes for controlled caffeine delivery. RSC Adv. 3 (45), 23317-23326 (2013).
  22. Nicoletta, F. P., Cupelli, D., Formoso, P., De Filpo, G., Colella, V., Gugliuzza, A. Light Responsive Polymer Membranes: A Review. Membranes. 2 (1), 134-197 (2012).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة