プラズマ重合中空粒子のカプセル化と透水特性

本実験の全体的な目的は、ナノ粒子、ナノ粉末、または薬物粒子をプラズマポリマーでコーティングし、コア材料の放出を制御することです。まず、凝集を解消しながら、堆積用のシリコンナノ粒子または塩化カルシウムナノ粉末を調製します。次に、粒子をプラズマ反応器に入れ、プラズマ強化化学気相成長法を用いたイソプロパノールのプラズマ重合により、ナノ粒子をコーティングします。

次に、堆積したシェルの透過性を決定するために、適切な溶媒でコア材料を溶解させ、濃度をモニタリングします。得られた結果は、水中のコーティング粒子懸濁液におけるイオン伝導率の測定に基づいた、コア材料の透過性を示しています。この手法のアイデアは、薄膜堆積の文献から得られたものです。平面基板へのプラズマ堆積については多くの研究が行われてきましたが、粒子への適用については行われていませんでした。

このように、コーティング法を粒子に適応させることで、新しいナノ材料への可能性が広がります。低圧プラズマ環境下での作業を含むため、習得が困難な工程がいくつかあり、本手法を視覚的に実演することが極めて重要です。私の研究室の大学院生であるAnam Shavanが、これからこの手順を実演します。

まず、乾燥したシリカ粒子を純エタノールで洗浄します。サンプルをドラフトチャンバー内に置き、水分を蒸発させます。次に、一連の金属メッシュを用いて粒子をふるい分けます。

残っている凝集塊を分散させるため、粒子を小型のマグネチックスターラーと共に管状リアクターのプラズマゾーンに移します。次に、ガラス管の端とポンプに接続されたパイプの端にそれぞれOリングを配置し、ガラスリアクターを密封します。Fフランジの周囲にステンレス製のクランプを取り付け、クランプのネジを手で締め付けます。

液体窒素トラップを満たします。トラップの表面が冷却されたら、バブラーにイソプロパノールを加え、プラズマリアクターに接続します。

次に、金属パイプの周囲にゴム製Oリングを装着し、ナットを締めてパイプとバブラーの接続部を密閉します。バブラーを34 °Cの恒温水槽に入れます。Argonneガス流量コントローラーの電源を入れ、ポンプを起動した状態で、設定値を6 SCCMに設定します。

ガラス管とポンプを接続しているゲートバルブを徐々に開きます。圧力の急激な上昇により粒子が流れで吹き飛ばされる可能性があるため、この操作は慎重に行ってください。圧力が 200 milli に達したらゲートバルブを全開にし、ガラス管の下にマグネチックスターラーを配置して、回転速度を 100 RPM に設定します。

次に、管状ガラスリアクター周囲のアルミニウムリングを高周波発生装置に接続し、ステンレス製クランプを接地します。マッチングネットワークをオンにします。続いて、ACラインとRF電源発生装置のスイッチを入れます。

全工程を通じて、出力を30 wattsに設定します。規定の時間が経過した後、整合器（マッチングネットワーク）、RFジェネレーター、およびAC電源を順にオフにします。チェックバルブを閉じ、その後、アルゴン流量コントローラーをオフにします。

バブラーをバルブから取り外し、リアクターの圧力を徐々に大気圧まで上昇させます。次にクランプを開き、金属製スパチュラを用いて、チューブからプラスチック皿に粒子を移します。フッ化水素酸は非常に腐食性の強い酸です。

眼や皮膚に触れると永久的な損傷を引き起こす可能性があります。そのため、ゴーグル、フェイスシールド、およびラボコートを着用してください。フッ化水素酸を添加する全工程において、サンプルをドラフトチャンバー内に置いてください。

まず、10 millilitersのフッ化水素酸を10 millilitersの脱イオン水で希釈します。次に、この酸溶液をコーティングされた粒子に加えます。マグネチックスターラーに設置して24時間撹拌し、コアを溶解させます。

1日後、試料を50 millilitersの脱イオン水で希釈し、遠心分離を行います。上澄み液をプラスチック容器に廃棄し、底部の粒子層をプラスチック製ペトリ皿に移します。粒子をエタノールで洗浄して風乾させ、中空粒子をキャップ付きバイアルに移し、試料をデシケーター内で保存します。

一定出力アトマイザーのガラスボトルに 1 mM の塩化カリウムを満たし、ボトルキャップを取り付けます。圧縮空気ホースをメンブレンドライヤーに接続し、さらにそれをアトマイザーのガス入口に接続します。次に、塩化カリウムナノ粒子を回収するため、出口ホースにフィルターを取り付けます。

メンブレンドライヤーへの圧縮空気バルブを徐々に開きます。5時間かけてフィルターに粒子を蓄積させます。その後、圧縮空気バルブを閉じます。

フィルターを慎重に取り外し、粒子を回収します。サンプルをデシケーターに入れ、前述のプラズマ蒸着プロセスに従って真空システムを準備し、塩化カリウム粒子を均一にコーティングします。ガラスバイアルの中で、コーティングした塩化カリウムに10 millilitersの脱イオン水を加え、マグネチックスターラーで混合します。

サンプルを25 °Cでインキュベートします。導電率計のプローブをバイアルに挿入します。30日間にわたって導電率を記録します。

このプロセスは、酸化物、塩、金属を含むさまざまなコア材料に適用できます。透過電子顕微鏡で得られたこれらの画像により、膜の半径方向の均一性が確認され、被覆された粒子の厚みを測定すると、直径は37 nanometersから200 nanometersの範囲でした。プラズマ重合されたシェルは透過性障壁であり、これはシリカコアの除去完了後、エッチングまたは溶解によってコア材料を除去できるという事実によって実証されています。

膜の半径方向の均一性と厚さは、これらの膜の透過性を評価する目的において十分に高いレベルにあります。塩化カリウムのコア材を用いることで、溶液のイオン伝導度を測定し、塩化カリウムの溶解状態をモニタリングすることが可能です。本実験では、コーティングされた塩化カリウム粒子を水に懸濁させ、30日間にわたって溶液の伝導度を追跡しました。

対照サンプルの未コーティング塩化カリウム粒子は、約1分という極めて短時間で溶解しました。対照的に、コーティングされた塩化カリウムは、放出速度が著しく遅くなっています。コーティング粒子の放出プロファイルは、最初の1時間以内に起こる初期バーストと、それに続く、膜厚に応じて完了まで数日かかる非常に緩やかな放出によって特徴付けられます。

このビデオを視聴することで、厚みを精密に制御したプラズマポリマーコーティングによるナノ粒子のカプセル化方法について十分に理解できるはずです。この手法を習得すれば、約1時間で完了させることができます。適切に実施する場合、プラズマ生成後に正常に動作しなくなる圧力漏れを防ぐため、リアクターの取り扱いには十分注意してください。この手法が材料科学分野の研究者にとって有用な道を開くことを願っています。

効率的な薬剤放出を実現するための最適なコーティング材料と厚さは何かといった、さらなる疑問を解決するには、追加のin vivo実験が必要です。