Methodenartikel

Voorbereiding van de Light-responsieve membranen door een gecombineerde oppervlakte-enting en Postmodification Proces

11.4K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/51680

⸱

21 maart 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

In dit artikel

Samenvatting

Een plasma-geïnduceerde polymerisatie werkwijze beschreven voor het oppervlakte-geïnitieerde polymerisatie van polymeermembranen. Verdere postmodification van de geënte polymeer met meekleurende stoffen wordt gepresenteerd met een protocol van het uitvoeren permeabiliteitsmetingen van licht-responsieve membranen.

Samenvatting

Om de oppervlaktespanning van commercieel beschikbare baan randen polymeermembranen wijzigen, wordt een procedure van oppervlakte geïnitieerde polymerisatie gepresenteerd. De polymerisatie van het membraanoppervlak wordt geïnduceerd door plasmabehandeling van het membraan, gevolgd door reactie van het membraanoppervlak met een methanolische oplossing van 2-hydroxyethylmethacrylaat (HEMA). Bijzondere aandacht wordt besteed aan de procesparameters voor de plasmabehandeling voor de polymerisatie op het oppervlak. Zo wordt de invloed van het plasma-behandeling bij verschillende membranen (bijvoorbeeld polyester, polycarbonaat, polyvinylideenfluoride) onderzocht. Verder wordt de tijdsafhankelijke stabiliteit van het oppervlak geënte membranen getoond door contacthoekmetingen. Bij veredeling poly (2-hydroxyethylmethacrylaat) (PHEMA) op deze manier kan het oppervlak nog worden gemodificeerd door verestering van de alcoholgroep van het polymeer met een carbonzuurgroep van de gewenste substantie.Deze reacties kunnen dus gebruikt worden voor de functionalisering van het membraanoppervlak. Bijvoorbeeld, kan de oppervlaktespanning van het membraan worden veranderd of een gewenste functionaliteit als de gepresenteerde licht-reactiviteit kan worden ingebracht. Dit wordt aangetoond door het laten reageren PHEMA met een carbonzuur gefunctionaliseerde spirobenzopyran eenheid die leidt tot een licht reagerende membraan. De keuze van het oplosmiddel speelt een belangrijke rol in de postmodification stap en wordt in meer detail in dit document. De permeabiliteitsmetingen van dergelijke gefunctionaliseerde membranen worden uitgevoerd met een Franz cel met een externe lichtbron. Door de golflengte van het licht van het zichtbare naar het UV-bereik, een verandering van permeabiliteit van waterige oplossingen cafeïne waargenomen.

Inleiding

Plasma modificatie van materialen is een belangrijk proces in tal van industriële gebieden. Oppervlaktereiniging en functionalisering van oppervlakken zonder de grootste eigenschap van het materiaal de plasmabehandeling een essentieel proces in oppervlaktewetenschap 1-8 gemaakt.

Plasma behandeling van polymeren resulteert in homolytische bindingssplitsing. Dit leidt tot een rand van het polymere materiaal en de vorming van radicalen rijke oppervlakken. Door plasma dat zuurstofmoleculen, het oppervlak zuurstofrijke en dus hydrofiele 9-11. De hydrofiliciteit van het oppervlak is niet stabiel in de tijd 12. Om de stabiliteit op lange termijn te verbeteren, kan het plasma behandelde oppervlak chemisch worden gemodificeerd na of tijdens het plasmaproces 13-15. Deze behandeling wordt gewoonlijk uitgevoerd door toevoeging van een reactief monomeer soorten in de gasfase tijdens het plasmaproces, deze monomeren vervolgens polymeriserenvan de gecreëerde groepen van het polymeer oppervlak. Wanneer de chemische behandeling wordt uitgevoerd met een vluchtig monomeer, de polymeerenting moet plaatsvinden nadat het plasma modificatie. Om een gecontroleerde enten uitgevoerd nadat de radicalen op het oppervlak, wordt een plasma-installatie beschreven die het oppervlak geïnduceerde plasma-geïnitieerde polymerisatie van het oppervlak in oplossing onder gecontroleerde omstandigheden 12,16 toelaat.

De presentatie richt zich op de modificatie van-spoor edged polymeer membranen 12,17. Door aanpassing van de oppervlaktespanning van deze membranen kan de permeabiliteit worden gevarieerd 12. Dit schone en snelle werkwijze maakt het mogelijk zeer dunne lagen (<5 nm), waarbij het gehele membraanoppervlak bedekken zonder dat het grootste eigenschap van het polymeer membraan. Vanwege de randen tijdens het plasma proces, de diameter van de poriën van de track edged membranen vergroten lichtjes 12. De rand bedraagt ​​depending van het polymeer en heeft een lineair gedrag.

Bij gebruik van monomeren met reactieve functionele groepen, kan de geënte polymeren verder worden gefunctionaliseerd. Dit blijkt uit de postmodification van een PHEMA geënt membraan met een carbonzuur gefunctionaliseerd spiropyranverbinding. Dit resulteert in een fotochrome oppervlak, aangezien spiropyran is bekend om te zetten in een merocyanine species bij bestraling met UV-licht. De spiropyran formulier kan worden hersteld door het bestralen van de merocyanine formulier met zichtbaar licht (figuur 1) 18,19. Aangezien de merocyanine vorm is polair dan de spiropyranverbinding staat, kan de oppervlaktespanning van de bekleding worden geactiveerd met licht 20. De verandering in oppervlaktespanning beïnvloedt de permeabiliteit weerstand van het membraan naar waterige oplossingen. De set-up hoe permeabiliteitproeven van deze licht-responsieve membranen te voeren zal worden getoond en de significante verandering in de permeabiliteit weerstand (verlagen in permeabiliteit weerstand met 97%) is aangetoond. Een dergelijk membraan kan worden geïntegreerd in een geneesmiddelafgifte setup of slimme detectiesystemen.

figure-introduction-1
Figuur 1. Isomerisatie van spirobenzopyran verbinding 1.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Plasma-geïnitieerde polymerisatie

  1. Het voorbereiden van monomeer oplossing.
    1. Los HEMA (100 ml, 0,718 mol) in 200 ml water en 3x wassen met hexaan (100 ml) in een scheitrechter. Verzadig de waterfase met natriumchloride en extraheer de HEMA met diethylether (50 ml). Droog de ​​organische fase boven MgSO4 en verwijder het oplosmiddel onder vacuüm (100 mbar, 40 ° C). Distilleer de HEMA onder verminderde druk (15 mbar, 99 ° C).
    2. Bereid een 0,62 M methanol oplossing van de-remmer gratis HEMA geproduceerd in paragraaf 1.1.1. Giet 30 ml van de oplossing in een een-halskolf en elimineren zuurstof door doorleiden Ar door de oplossing gedurende 1 uur.
  2. -Oppervlak geïnduceerde polymerisatie.
    1. Plaats twee polycarbonaatmembranen naast elkaar in de plasmakamer (figuur 2). Plaats de glanzende zijde van het membraan die naar de gasfase.
    2. Sluit het plasma kamer naar ahIGH vacuüm (20 mbar) gedurende 5 minuten. Sluit de klep om het vacuüm en open de andere klep, die verbonden is met argon en zuurstof gas en spoel de kamer met dit mengsel gedurende 2 uur bij 15 sccm argon en zuurstof 2,5 sccm.
    3. Start de plasma en vermindering van de macht om het gewenste vermogen (voor polycarbonaatmembraan: 12 W) en de behandeling van de membranen voor 4 min met het plasma. Sluit de monomeeroplossing met de kamer door het openen van de overeenkomstige klep. Schakel het plasma en evacueren de kamer.
    4. Sluit de monomeer-oplossing met de kamer door het openen van de overeenkomstige klep en giet de oplossing in de kamer. Zorg ervoor dat de membranen zijn bedekt met het monomeer oplossing. Open de klep verbonden met argon en het reactiemengsel slaan voor 12 uur bij 20 ° C (geconditioneerde ruimte).
    5. Verwijder de monomeeroplossing. Was de membranen met methanol in een ultrasoon bad gedurende 5 minuten. Herhaal het wassen met water.
    6. Droog de ​​membraanvacuo over moleculaire zeven voor 2 uur.

2. Postmodification van Coated Membranen

  1. Bereid een oplossing van spirobenzopyran 1 (Figuur 1) (100 mg, 0,27 mmol), N, N-dicyclohexylcarbodiimide (DCC) (55 mg, 0,27 mmol) en dimethylaminopyridine (DMAP) (33 mg, 0,27 mmol) in tert-butylmetylether (TBME) (12 ml).
  2. Plaats een beschermende roerstaaf en een beschermende rooster in een rondbodemkolf. Droog de kolf en overspoelen de kolf met argon.
  3. Giet de oplossing in de kolf, gevolgd door de gecoate membraan.
  4. Roer bij kamertemperatuur gedurende 12 uur.
  5. Verwijder de oplossing en was het membraan met tert-butylmetylether in een ultrasoon bad gedurende 5 minuten. Herhaal het wassen met ethanol en water.
  6. Droog het membraan in vacuo over moleculaire zeven voor 2 uur.

3. Surface Tension Metingen

  1. Bevestig de membraan met een standaard band op een metalen O-ring. Plaats een druppel nanozuiver water (3,3 pl) op dat gedeelte van het membraan oppervlak dat niet in contact met de O-ring. Meet de contacthoek (CA) op 5 verschillende plaatsen van het membraan.
  2. Voor het testen van de stabiliteit op lange termijn van de monsters, meet de contacthoeken op drie verschillende plaatsen van de membranen na 0, 1, 2, 3, 7, 14 en 21 dagen.

4. Permeabiliteit Tests van de Fotochrome Membranen

  1. Vul het receptor kamer van de Franz diffusie cel met water (12 ml).
  2. Bevestig de membraan in een Franz diffusiecel. Zorg ervoor dat het membraan in contact is met het water van de receptor kamer. Vul het donor kamer (de ruimte boven het membraan) met een waterige oplossing van cafeïne (20 mM, 3.0 ml). Bestralen het membraan vanaf de bovenkant van de donorkamer met wit licht (Figuur 3). Verzamel monsters (200 ul) van de receptor cel; for-spoor randen polycarbonaat membranen met een poriediameter van 200 nm, verzamel monsters per 10 minuten.
  3. Herhaal het experiment zoals beschreven in stap 4.2. maar bestralen het membraan met UV-licht (366 nm, 80 W / m 2) gedurende de gehele permeabiliteit test.
  4. Bepaling van de cafeïne concentraties van de verzamelde monsters.
    1. Teken de ijkcurve met 15 verschillende concentraties cafeïne (tussen 0,05 mg / ml en 1,5 mmol / L) met behulp van een UV / Vis spectrometer. Kalibreren bij 293 nm.
    2. Bepaal de concentratie van elk van de verzamelde monsters met de kalibratiecurve.
    3. Teken de vastgestelde concentratie vs. het tijdstip van de verzamelde monsters. Maak een lineaire fit door de punten en bepaal Δc uit de helling.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

De etssnelheid kan worden gevolgd door weging van het membraan na verschillende perioden. Zoals blijkt uit figuur 4, de etssnelheid volgt voor polyester, polyvinylideenfluoride, en polycarbonaat membranen lineair etssnelheid, die kan worden bepaald uit de helling van de lineaire correlatie van de etstijd versus massaverlies. Zoals getoond in figuur 4, het polycarbonaat membranen vertonen de laagste etssnelheid van de drie polymeermembranen. Een gevolg van het etsen is de verand...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Het plasma produceert een paarse gas, die wordt veroorzaakt door geïoniseerd argon. Een oranje kleur zou de aanwezigheid van ongewenste stikstof uit een lek geven. Het plasma proces niet alleen vormt radicalen op het oppervlak, maar ook etsen het membraan 7,12. Teveel etsen kan de poriediameter aanzienlijke wijziging, die de permeabiliteit van het membraan zou beïnvloeden. De gecontroleerde reactiecondities van het aanwezige installatie mogelijk verbeteren van de reproduceerbaarheid van het plasma ingeleid en...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd financieel ondersteund door de Zwitserse National Science Foundation (NRP 62 - Smart Materials). Ook erkend is de steun van B. Hanselmann, K. Kehl, U. Schütz en B. Leuthold.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
2-Hydroxyethyl methacrylate, 97%Sigma-Aldrich128635
Hexane 99%Biosolve
Magnesium sulfate (MgSO4, anhydrous)Sigma-AldrichM7506
Methanol, 99% Sigma-Aldrich14262gedroogd over moleculaire zeef
N,N-Dicylcohexylcarbodiimide, 99%Sigma-AldrichD8002
Dimethyl aminopyridine, 99%Sigma-Aldrich107700
Tert-butylmethylether, 98%Fluka306975
Polycarbonate membraanWhatmanNanopore Track Etched (TE) (1.0 μm, 0.2 μm, 0.1 μm, 50 nm, 30 nm en 15 nm poriediameter; 47 mm of 25 mm membraandiameter)
Caffeïne (reagent plus)Sigma-AldrichC0750
Franz diffusiecel (12 ml)SES-Analysesysteme6C01001515 mm onbewerkte Franz Cel, 12 ml receptorvolumen, Plat vlak, helder glas, roerstaaf en klem
UV-LampUV-bestraling (366 nm, 15 W/m2)
Witte lichtlampWitte lichtbestraling (500 W lamp)
UV/Vis spectrofotometerVarian 50Bio/50MPR
Polyester membranenSterlitechPET0225100Polyester Membraanfilters, 0.2 μm poriediameter, 25 mm diameter
Polyvinylideenfluoride membranenMilliporePVDF Membranen Durapore (0.22 μm poriediameter; 47 mm membraandiameter)
Argon (99,9995%)Alphagaz
Dressler Cesar RF-stroomgeneratorPlasmakameropstelling
MKS Multi Gas Controller 647CPlasmakameropstelling
MKS Mass-Flow controllersPlasmakameropstelling
Vacuubrand RE 2.5 roterende klepvacuümpompPlasmakameropstelling
ContacthoekmeetapparaatKrüssG10
WeegschalenMettler ToledoAB204-S en Mettler ME30

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

PlasmabehandelingPolymerisatieprocesPermeabiliteitsmetingenContacthoekanalyseFranz diffusiecelUV lichtblootstellingMembraanfunctionaliseringFotochrome Moleculen

Gerelateerde artikelen