플라즈마 Polymerized 빈 입자의 캡슐화 및 투과율 특성

본 실험의 전반적인 목표는 나노입자, 나노 분말 또는 약물 입자를 플라스마 폴리머로 코팅하여 코어 물질의 방출을 제어하는 것입니다. 먼저 증착을 위해 실리콘 나노입자 또는 염화칼슘 나노 분말을 준비하고 모든 응집물을 제거합니다. 그 다음, 입자들을 플라스마 반응기에 넣고 플라스마 강화 화학 기상 증착법을 이용한 이소프로판올의 플라스마 중합으로 나노입자를 코팅합니다.

다음으로, 증착된 쉘의 투과성을 결정하기 위해 적절한 용매로 코어 물질을 용해시키면서 농도를 모니터링하며, 결과물은 물에 분산된 코팅 입자 현탁액의 이온 전도도 측정값을 기반으로 코어 물질의 투과성을 보여줍니다. 이 방법의 아이디어는 박막 증착 문헌에서 얻었습니다. 평평한 기판 위로의 박막 플라스마 증착에 대해서는 많은 연구가 이루어졌으나, 입자에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았습니다.

따라서 코팅 방법을 입자에 적용함으로써 새로운 나노 물질의 가능성을 열 수 있습니다. 다양한 단계들이 저압 플라즈마 환경에서의 작업을 포함하고 있어 학습하기 어렵기 때문에, 이 방법의 시각적 시연이 매우 중요합니다. 저희 실험실의 대학원생인 Anam Shavan이 지금부터 이 절차를 시연하겠습니다.

먼저, 건조된 실리카 입자를 순수 에탄올로 세척하십시오. 수분을 증발시키기 위해 시료를 흄 후드 안에 둡니다. 다음으로, 일련의 금속 메쉬를 통해 입자를 체질하십시오.

남아 있는 응집체를 분해하기 위해, 입자들을 소형 마그네틱 바와 함께 관형 반응기의 플라스마 구역으로 옮깁니다. 이제 유리관 끝에 O-링 하나를, 펌프에 연결된 파이프 끝에 또 다른 O-링 하나를 배치하여 유리 반응기를 밀봉합니다. F 플랜지 주변에 스테인리스 스틸 클램프를 설치하고 클램프 주변의 나사를 손으로 조입니다.

액체 질소 트랩을 채웁니다. 트랩의 표면이 차가워지면, 버블러에 이소프로판올을 넣고 플라스마 반응기에 연결합니다.

다음으로, 금속 파이프 주위에 고무 O-링을 끼우고 너트를 조여 파이프와 버블러 연결 부위를 밀봉합니다. 버블러를 34 °C 항온수조에 넣습니다. Argonne 가스 유량 제어기를 켜고 펌프를 작동시킨 상태에서 설정값을 6 SCCM으로 입력합니다.

유리관과 펌프를 연결하는 게이트 밸브를 서서히 엽니다. 압력이 갑자기 증가하면 흐름에 의해 입자가 휩쓸려 나갈 수 있으므로 이 단계를 주의 깊게 수행하십시오. 압력이 200 milli에 도달하면 게이트 밸브를 완전히 열고, 유리관 아래에 마그네틱 스터러를 배치한 뒤 속도를 100 RPM으로 설정하십시오.

다음으로, 관형 유리 반응기 주변의 알루미늄 링을 무선 주파수 발생기에 연결하고 스테인리스 스틸 클램프를 접지에 연결합니다. 매칭 네트워크를 켭니다. 이어서 AC 라인과 RF 전원 발생기를 켭니다.

전 과정 동안 전력을 30 watts로 설정하십시오. 정해진 시간이 지나면 매칭 네트워크 RF 제너레이터와 AC 전원을 각각 끕니다. 체크 밸브를 닫은 후 아르곤 유량 컨트롤러를 끕니다.

밸브에서 버블러를 분리하고 반응기 압력을 대기압까지 서서히 높입니다. 이제 클램프를 열고 금속 스패튤라를 사용하여 튜브 속의 입자를 플라스틱 접시로 옮깁니다. 불산은 부식성이 매우 강한 산입니다.

이를 눈이나 피부에 노출할 경우 영구적인 손상을 입을 수 있습니다. 따라서 고글과 안면 보호구를 착용하고 실험복을 입으십시오. 불산(hydrofluoric acid)을 첨가하는 모든 과정 동안 샘플을 흄 후드 내에 두십시오.

먼저, 불산 10 milliliters를 탈이온수 10 milliliters로 희석합니다. 그런 다음, 이 산 용액을 코팅된 입자에 첨가합니다. 코어를 용해시키기 위해 자성 교반기에 놓고 24시간 동안 교반합니다.

하루 후, 시료에 탈이온수 50 milliliters를 넣어 희석하고 원심분리합니다. 상층액은 플라스틱 용기에 버리고, 하단의 입자 층을 플라스틱 페트리 접시로 옮깁니다. 입자를 에탄올로 세척하고 공기 중에서 건조시킨 후, 중공 입자를 캡이 있는 바이알에 옮겨 데시케이터에 보관합니다.

일정 출력 분무기의 유리병에 1 mM 염화칼륨 용액을 채우고 병 캡을 장착합니다. 압축 공기 호스를 멤브레인 건조기에 연결하고, 건조기를 분무기의 가스 입구에 연결합니다. 그런 다음, 염화칼륨 나노입자를 수집하기 위해 출구 호스에 필터를 부착합니다.

멤브레인 건조기로 연결되는 압축 공기 밸브를 서서히 엽니다. 5시간 동안 필터에 입자가 축적되도록 합니다. 압축 공기 밸브를 닫습니다.

필터를 조심스럽게 제거하고 입자를 수집합니다. 샘플을 데시케이터에 넣고, 앞서 설명한 대로 진공 시스템을 준비하고 플라스마 증착 공정을 수행하여 염화칼륨 입자를 균일하게 코팅합니다. 유리 바이알에 코팅된 염화칼륨과 탈이온수 10 milliliters를 넣고 마그네틱 스터러로 혼합합니다.

시료를 25 °C에서 배양합니다. 전도도 측정기 프로브를 바이알에 삽입합니다. 30일 동안 전도도를 기록합니다.

이 공정은 산화물, 염, 금속을 포함한 다양한 코어 물질에 적용할 수 있습니다. 투과 전자 현미경으로 얻은 이 이미지들은 박막의 방사형 균일성을 보여주며, 코팅된 입자의 두께를 측정한 결과 직경이 37 nanometers에서 200 nanometers 범위인 것으로 나타났습니다. 플라스마 중합된 쉘은 투과성 장벽이며, 이는 실리카 코어의 제거가 완료된 후 식각이나 용해를 통해 코어 물질을 제거할 수 있다는 사실로 입증됩니다.

필름의 방사형 균일성과 두께는 이러한 필름을 통한 투과성을 평가하기 위한 목적에 충분할 만큼 상당히 높습니다. 염화칼륨 코어 물질을 사용하면 용액의 이온 전도도를 측정함으로써 염화칼륨의 용해 과정을 모니터링할 수 있습니다. 본 실험에서는 코팅된 염화칼륨 입자를 물에 현탁시키고 30일 동안 용액의 전도도 변화를 관찰하였습니다.

대조군 샘플의 코팅되지 않은 염화칼륨 입자는 약 1분이라는 매우 짧은 시간 내에 용해되었습니다. 이와 대조적으로, 코팅된 염화칼륨은 현저히 느린 방출 속도를 보입니다. 코팅된 입자의 방출 프로파일은 처음 1시간 이내에 발생하는 초기 급격한 방출(initial burst)이 특징이며, 이후에는 필름의 두께에 따라 완료되기까지 수일이 소요되는 훨씬 느린 방출이 이어집니다.

이 영상을 시청하신 후, 두께가 정밀하게 제어된 플라즈마 중합 코팅 내에 나노입자를 캡슐화하는 방법에 대해 충분히 이해하시게 될 것입니다. 이 기술을 숙달하면 약 1시간 내에 완료할 수 있습니다. 적절하게 수행하되, 플라즈마 생성 후 작동 불능을 초래할 수 있는 압력 누출이 발생하지 않도록 반응기를 주의 깊게 다루시기 바랍니다. 이 기술이 재료 과학 분야의 연구자들에게 새로운 길을 열어주기를 기대합니다.

추가적인 in vivo 실험을 통해 효율적인 약물 방출을 위한 최적의 코팅 재료와 두께는 무엇인지와 같은 추가적인 질문에 답할 수 있습니다.