等离子体聚合空心颗粒的封装和渗透特征
2012年8月16日
我们已经用等离子体增强化学气相沉积存入范围从几纳米到几100对各种材料的纳米粒子的纳米薄膜。我们随后蚀刻的核心原料生产空心球壳，其渗透壳的厚度控制。我们描述了这些涂料的透气性小分子，并证明这些障碍可以提供数天的核心材料的缓释。
该实验的总体目标是用等离子体聚合物涂覆纳米颗粒、纳米粉末或药物颗粒，以控制核心材料的释放。首先制备硅纳米颗粒或氯化钙纳米粉末，用于沉积打破任何团聚。然后将颗粒放入等离子体反应器中，并使用等离子体增强化学气相沉积法对异丙醇进行等离子体聚合，从而包被纳米颗粒。
接下来，为了确定沉积物的渗透性，壳将芯材溶解在适当的溶剂中，同时根据对水中涂层颗粒悬浮液中的离子电导率的测量获得的浓度结果显示芯材的渗透性。这种方法的想法来自电影沉积文献。在薄膜和平面衬底的等离子体沉积方面已经做了大量工作，但没有在颗粒方面做过工作。
因此，通过使涂层方法适应颗粒，我们为新的纳米材料开辟了可能性。这种方法的视觉演示至关重要，因为各个步骤都很难学习，因为它们涉及在低压等离子体环境中工作。Anam Shavan 是我实验室的研究生，她现在将演示这个程序。
首先，用纯乙醇洗涤干燥的二氧化硅颗粒。将样品放在通风橱下以蒸发水分。接下来，通过一系列金属网格筛选颗粒。
为了打破任何残留的团聚物，用一个小的磁力搅拌棒将颗粒一起转移到管式反应器的等离子体区。现在将一个 O 形圈放在玻璃管的末端，另一个放在连接到泵的管道末端并密封玻璃反应器。将不锈钢夹具安装在 F 法兰周围，然后用手拧紧夹具周围的螺钉。
填充液氮捕集阱。当冲浪者们的陷阱很冷的时候。在起泡器中加入异丙醇并连接到等离子体反应器。
接下来，在金属管周围放置一个橡胶 O 形圈并拧紧螺母以密封管道以使连接起泡。将起泡器放入 34 摄氏度的水浴中。打开 Argonne 气体流量控制器，并在泵打开的情况下输入 6 SCCM 的设定值。
逐渐打开将玻璃管连接到泵的闸阀。请小心执行此步骤，因为压力的突然增加可能会导致颗粒被水流吹走。当压力达到 200 毫以使闸阀完全打开时，在玻璃管下放置磁力搅拌并将速度设置为 100 RPM。
接下来，将管式玻璃反应器周围的铝环连接到射频发生器，并将不锈钢夹子接地。打开匹配网络。接下来，打开交流线路和射频发电机。
将整个过程的功率设置为 30 瓦。经过一段时间后，分别关闭匹配的网络射频发生器和交流电源。关闭止回阀，然后关闭氩气流量控制器。
断开起泡器与阀门的连接，逐渐将反应器压力增加到大气压。现在打开夹子，用金属刮刀将颗粒从管中转移到塑料盘中。氢氟酸是一种腐蚀性很强的酸。
将其暴露在眼睛和皮肤上可能会造成永久性损伤。所以戴上护目镜、面罩和穿实验服。将样品置于通风橱下，完成添加氢氟酸的整个过程。
首先，用 10 毫升去离子水稀释 10 毫升氢氟酸。然后将酸溶液加入包被的颗粒中。磁力搅拌 24 小时以溶解核心。
一天后，用 50 毫升去离子水稀释样品并离心。将顶部液体层丢弃到塑料容器中，并将底部颗粒层转移到塑料培养皿中。用乙醇洗涤颗粒，然后空气干燥将空心颗粒转移到带盖的小瓶中，并将样品储存在干燥瓶中。
在恒输出雾化器的玻璃瓶中装满 1 毫摩尔氯化钾，并安装瓶盖。将压缩空气软管连接到膜式干燥器，该膜式干燥器连接到雾化器的进气口。然后将过滤器连接到出口软管上，以收集氯化钾纳米颗粒。
逐渐打开膜式干燥器的压缩空气阀。让颗粒在过滤器中积聚 5 小时。关闭压缩空气阀。
小心地取下过滤器并收集颗粒。将样品置于干燥液中，通过准备真空系统均匀地涂布氯化钾颗粒，并按照等离子体沉积过程进行，如前所述。在玻璃样品瓶中，向包被的氯化钾中加入 10 毫升去离子水，并在磁力搅拌下混合。
在 25 摄氏度下孵育样品。将电导率仪探头插入样品瓶中。记录 30 天内的电导率。
该工艺可应用于各种芯材，包括氧化物、盐和金属。这些图像通过透射电子显微镜获得，薄膜的径向均匀性并测量其厚度的涂层颗粒直径范围为 37 纳米至 200 纳米。等离子体聚合电池是一种可渗透的屏障，在二氧化硅芯去除完成后，可以通过蚀刻或溶解去除芯材这一事实证明了这一点。
薄膜的径向均匀性和厚度相当高，用于评估通过这些薄膜的渗透性。氯化钾芯材允许通过测量溶液的离子电导率来监测氯化钾的溶解。在本实验中，将包被的氯化钾颗粒悬浮在水中，并跟踪溶液的电导率 30 天。
对照样品中未包被的氯化钾颗粒在大约 1 分钟的极短时间内溶解。相比之下，包衣氯化钾的释放速率明显较慢。涂层颗粒的释放曲线的特点是在第一个小时内发生初始爆裂，然后根据薄膜的厚度，释放速度要慢得多，需要几天才能完成。
看完这个视频，你应该对如何将纳米粒子封装在等离子体姿势涂层中有一个很好的了解，一旦掌握了厚度，这项技术可以在大约一个小时内完成。如果作得当，请记住小心处理反应器，以避免压力泄漏，从而阻止等离子体在显影后正常运行。我们希望这项技术能为材料科学领域的研究人员铺平道路。
进一步的体内实验可以回答其他问题，例如，什么是有效药物释放的最佳涂层材料和厚度？
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概述
本研究侧重于用等离子体聚合物涂覆纳米粒子，以控制核心材料的释放。使用等离子体增强化学气相沉积，薄膜被沉积在纳米级颗粒上，然后被蚀刻以创建空心纳米壳。这些涂层的渗透性被表征，展示了它们在持续释放应用中的潜力。
关键研究组成部分
科学领域
- 纳米技术
- 材料科学
- 药物输送系统
背景
- 等离子体聚合是一种用于涂覆表面的技术。
- 薄膜可以沉积在各种基底上，包括纳米粒子。
- 控制渗透性对于药物释放应用至关重要。
- 之前的工作主要集中在平面基底而非粒子上。
研究目的
- 开发一种用等离子体聚合物涂覆纳米粒子的方法。
- 控制这些涂层中核心材料的释放。
- 表征涂层对小溶质的渗透性。
使用的方法
- 硅纳米粒子或氯化钙纳米粉的制备。
- 使用等离子体增强化学气相沉积对纳米粒子进行涂覆。
- 蚀刻核心材料以产生空心纳米壳。
- 测量离子导电性以评估渗透性。
主要结果
- 成功地在纳米级颗粒上沉积薄膜。
- 创建具有控制渗透性的空心纳米壳。
- 展示了核心材料在数天内的持续释放。
- 基于离子导电性测量对渗透性进行表征。
结论
- 该方法允许对材料释放进行精确控制。
- 空心纳米壳可以为特定的药物输送应用进行定制。
- 这种方法扩展了等离子体沉积技术到纳米粒子的应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
This protocol enables precise control over solute release kinetics through tunable plasma polymer shell thickness, directly supporting mechanistic de-risking in early-stage drug delivery formulation. By quantifying permeability via ionic conductivity measurements, it provides predictive confidence for sustained release profiles, informing go/no-go decisions in preclinical candidate selection. The approach addresses a key translational gap: adapting flat-substrate thin-film deposition to particulate systems for reproducible nanomaterial synthesis.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of release mechanisms by isolating shell thickness as an independent variable to modulate diffusion coefficients.
- Operational Value: Generates quantitative permeability data from ionic conductivity measurements, supporting hypothesis testing for barrier efficacy.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Produces standardized hollow particles with radial film uniformity, ensuring reproducible dissolution profiles across batches.
- Operational Value: Establishes a QC-compatible readout (solution conductivity) for high-throughput screening of coating formulations.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates thickness-dependent release profiles (6-hour to 30-day), enabling prediction of in vivo performance from in vitro permeability data.
- Operational Value: Provides a platform for evaluating core-shell stability under physiological conditions prior to animal studies.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery-to-preclinical continuum by generating release-characterized nanoshells that inform formulation design before lead optimization.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by correlating shell thickness with solute diffusion rates through quantitative permeability assays.
- Screening: Enables assay-ready particle libraries with controlled permeability for evaluating encapsulation efficiency.
- Analytics: Delivers quantitative dependent variable measurements (ionic conductivity over time) to model release kinetics and compare formulation variables.
- Translational Research: Bridges discovery and preclinical work by providing release data that informs dose regimen design.
- Enterprise Reuse: The plasma deposition process is adaptable to various core materials (oxides, salts, metals), supporting platform technology development.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in release kinetics through direct measurement of permeability coefficients.
- Operational Value: Standardized nanoparticle coating via PECVD ensures batch-to-batch reproducibility in shell thickness and uniformity.
- Strategic Value: Enables risk-adjusted advancement by identifying coating thicknesses that meet target release windows.
- Portfolio Impact: Supports formulation triage by ranking candidates based on sustained release capability.
Implementation Considerations
- Expertise in plasma reactor operation and vacuum systems.
- Instrumentation for PECVD, conductivity monitoring, and particle sizing (TEM/DLS).
- Standardization of core dissolution protocols across material types.
- Adaptation considerations for hydrophilic vs. hydrophobic core materials.
- Practical limitation: HF handling requires specialized safety protocols for core etching.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:37
Preparation of Silica Nanoparticles for Deposition
2:23
Preparation of the Vacuum System
2:47
Plasma Deposition Process
4:27
Preparation of Hollow Particles by Dissolution of Core Material
5:36
Characterization of Permeability (Rate of Core Release)
6:56
Results: Plasma Polymerized Hollow Particles
8:40
Conclusion
