プラズマ重合中空粒子のカプセル化と透水特性

Summary

我々は、数nmから様々な材料のナノサイズの粒子の数100nmまでの薄膜を蒸着させるためにプラズマ強化化学蒸着を使用しています。透水性シェルの厚さによって制御される中空ナノシェルを生成するために我々は、その後エッチコア材料。私たちは小さな溶質にこれらのコーティングの透過性を特徴づけるこれらの障壁は数日間、コア材料の徐放を提供することができることを示している。

Abstract

このプロトコルでは、コア·シェル型ナノ構造体は、プラズマ強化化学蒸着法により合成される。我々はシリカと塩化カリウムを含む様々な固体基板上にイソプロパノールのプラズマ重合による非晶質バリアを生成します。この汎用性の高い技術は、厚さ1nmから100nmの上方にどこにあってもかまいませんフィルムを堆積させることにより、37 nmから1ミクロンまでのサイズのナノ粒子とナノ粉末を治療するために使用されています。コアの解散は、私たちは、フィルムの透過率を検討することができます。これらの実験では、我々は、コーティングKCLナノ結晶でバリア膜を介してKClの拡散係数を決定し、その後水に懸濁した被覆粒子の​​イオン伝導度を監視します。このプロセスの主要な関心は、カプセル化と溶質の遅延のリリースです。シェルの厚さは、我々の放出速度を制御することにより、独立変数の一つです。それは速度に強い影響を持っているリリースの、その6時間のリリース（シェルの厚さは20nmである）から30日間の長期的なリリース（シェルの厚さは95 nmである）に増加します。解散の開始後最初の5分の間に高速のリリース（最終材料の35％）、およびコア材料のすべてまで遅いリリースが出てくる：放出プロフィールは、特徴的な挙動を示しています。

Protocol

1。蒸着用シリカナノ粒子の調製

1. 乾燥したシリカ粉末で始まる、最初の大きな凝集体を排除することによりコーティングのサンプルを準備します。
2. エタノールを用いてシリカ粒子（ジェルテック（株）から購入した200nmの直径）、（190プルーフ純粋）を洗浄し、エタノールですべての水分が蒸発するまでヒュームフードの下でサンプルのままにしておきます。
3. 残りの集積を壊すために金属製のメッシュ（米国＃100から400）、一連の粒子をふるいにかける。
4. 図1に示すように、場所粒子および管状反応器の小さなマグネチックスターラーバー、。粒子はプラズマゾーン内に配置する必要があります。
5. 二つのガラス管の端に1つ、ポンプに接続されているパイプの端に1つ、フランジ間にOリングを配置することによって、ガラス反応器をシールします。
6. フランジと手がクランプの周りにネジを締め周りのステンレス製クランプリングを取り付けます。

2。真空システムの準備

1. 液体窒素トラップを埋めるし、トラップの表面が冷たくなることができます。 5分待ちます。
2. バブラーにイソプロパノールを追加し、プラ​​ズマ反応器に接続します。
3. 金属パイプの周りにゴム製O-リングを配置することにより、バブラーを密封し、バブラーに接続するパイプのところまでナットを締めて密封することになります。

3。プラズマ成膜プロセス

1. ±2℃に34の温度を水浴中でバブラーを配置
2. アルゴンガス流量制御装置の電源をオンにし、セットポイントとして6.00 SCCMを入力してください。
3. 徐々にポンプが作動している間にポンプにガラス管を接続し、ゲートバルブを開きます。圧力の急激な減少は、粒子は流れによって吹き飛ばされる場合がありますので、慎重にこの手順を実行してください。圧力は200ミリトールに到達するまで待ち、その後、ゲートバルブが完全に開いたままにします。
4. ガラス管の下でマグネチックスターラーを置き、100 rで速度を設定する午後。
5. 無線周波数に管状のガラス反応器、RF、発電機の周りにアルミリングを接続し、グランドにステンレス鋼クランプを接続します。
6. マッチングネットワークをオンにします（ENI MW-5D）最初にして、ACラインとRF信号発生器の電源を入れます。全体のプロセスのために30 Wの電力を設定します。
7. 時間の特定の期間（10、20、または40分）の後にそれぞれマッチングネットワーク、RFジェネレータ、AC電源をオフにします。
8. チェックバルブを閉じ、アルゴン流量コントローラをオフにします。バルブからバブラーを切断し、徐々に大気中に原子炉圧力を増加させます。
9. クランプを開き、金属製のへらを用いてプラスチック皿にチューブから粒子を転送します。

4。コア材料の溶解による中空粒子の調製

1. フッ化水素酸を加えることの全体のプロセスのためのヒュームフードの下にサンプルを置きます。
2. フッ化水素酸は非常に協力です。それに目や皮膚のrrosive酸の暴露は永久的な損傷を引き起こす可能性があります。フェースシールドとゴーグルを使用してHFを取り扱う際には白衣を着用してください。
3. 10ミリリットルの脱イオン水でフッ化水素酸（アルドリッチ49％）10mlを混合し、被覆粒子が含まれているプラ​​スチック製の皿に追加します。
4. マグネチックスターラーでプラスチック製の皿を置き、コアは24時間溶解することができます。
5. 1日後に50ミリリットルの脱イオン水でサンプルを希釈し、1時間のためにサンプルを遠心します。プラスチック容器の上部に液体層を破棄して、プラスチック製のペトリ皿の中で粒子を含む底層に転送します。
6. 50ミリリットルの脱イオン水と渦のサンプルを追加し、再度遠心します。最上層の処分とクリーンなペトリ皿の中で粒子層を転送します。
7. エタノールで粒子を洗浄し、空気は、サンプルを乾燥し、キャップをバイアルに中空粒子を転送し、デシケーター中で粒子を保持します。

5。キャラ透水性のcterization（コアリリースのレート）

材料：コア材料の塩化カリウム

1. 1リットルの脱イオン水と塩化カリウムの混合0.0745グラム、0.001モルの塩化カリウム（KCl）溶液を調製します。
2. 一定の出力アトマイザーモデル3076のガラスボトルを記入し、ボトルキャップをインストールします。
3. 噴霧器のガス入口に接続されている膜式ドライヤに圧縮空気ホースを接続します。その後のKClナノ粒子を収集するために、出口ホースにフィルターを取り付けます。
4. 徐々に圧縮空気のバルブを開いて、膜式ドライヤを介して空気の流れをみましょう。粒子が5時間のフィルタに蓄積されることができます。
5. 圧縮空気のバルブを閉じて、慎重にフィルタを削除し、粒子を収集します。コー​​ティングプロセスの前に、デシケーター中で粒子を配置します。
6. 均一にコーティングされたのKCl粒子を得るためには、プロトコルバージョン2と3に従ってください。
7. 10ミリリットルの脱イオンWAでコーティングされたKClを混ぜるガラスバイアルにTER。完全にサンプルを混ぜるために、溶液中にマグネチックスターラーをドロップして、マグネチックスターラー上におきます。 25℃でサンプルをインキュベート
8. バイアル中に導電率計プローブ（サーモオリオンモデル105）を挿入し、30日間の導電率を記録します。

6。代表的な結果

我々は図2に示すように、酸化物（シリカ）、塩（塩化カリウム）と金属（Al）を含むコア材料の様々な、このプロセスを適用しました。透過型電子顕微鏡は、膜の半径方向の均一性を確認し、その厚さを測定するために使用されています。我々は、37 nmの直径を200nm（ 図2）に至るまで成功した被覆粒子を持っていますが、この方法によって治療することができる粒子の大きさには根本的な制限はありません。シェルの沈着率は約1nm /分である。このむしろ遅い速度は非常に膜厚を制御することが可能になります正確に堆積時間を経由して。コア材料は、エッチング又は溶解除去ができるという事実によって示されるようにプラズマ重合シェルは、透過性の障壁となっている。 図3は、石英コアが削除された後に残った中空のシェルを示しています。コアの除去は完全であり、フィルムの半径方向の均一性と厚さはかなり高いです。これらのフィルムを介して透過性を評価する目的のために、我々はKClの溶解は、溶液のイオン伝導度を介して非常に簡単に監視することができますので、コア材料としてのKClに切り替えました。 図4は、4つのサンプルのコアからのKClの放出を示しています。異なる厚さを20nm、40nmで、75 nm、および95 nmと、それぞれ。コー​​ティングされたKClの粒子は、水に懸濁し、溶液の導電率は、30日間続いた。 4サンプルに加えて、コーティングされていないのKCl粒子からなる制御もモニターした。コー​​ティングされていないのKCl粒子disso約1分の非常に短い時間内にLVE。対照的に、コーティングされた塩化カリウムはかなり遅い放出速度を示しています。被覆粒子の​​放出プロファイルは、膜の厚さに応じて、完了するまでに数日かかりますはるかに遅いリリースに続いて、第一時間以内に行われる初期バーストによって特徴づけられる。

図1ナノ粒子の調製の模式図、プラズマ蒸着、および中空粒子形成。

図2 TEMコーティングの画像（A）、（B）dとシリカ粒子= 200 nmのは、d = 37 nmと（C）シリカ粒子、dを（d）のアルミ〜100 nm、および（e）はKClの粒子とD = 100nmの

図3。TEM（）エッチング後の中空粒子の画像、（b）は200nmの直径を有するシリカは、コア、および（c）KClのコア。

図4。放出プロファイルのシェル厚さの影響。グラフ内の右上のグラフは、最初の時間の間にリリースを示しています。

Discussion

コーティングナノ粒子における最大の課題の1つは、コーティングと基板^1,2の間に互換性のある化学物質を提供することです。ここで説明した方法論は、それが材料固有ではないという利点があります。プラズマポリマーは、特別な表面改質³を必要とせずに硬い金属（ 図2（c））、シリカ（ 図2（c））、シリコン、または柔らかい材料（例えば、ポリマー）を含む多様な基板上で優れた接着性を示す^、4,5。テクニックは、それがコア粒子のサイズによって制限されないという利点を持っており、ナノ·マイクロメートルの範囲の粒子に容易に適応可能である。コー​​ティングの厚さは、堆積時間によって制御され、簡単に数〜数百nmまで変化させることができます。コントロールの別のレベルは、コーティングを生成するために使用される有機前駆体で提供されています。例えば、塗膜の疎水性は、適切なセレによって変えることができる前駆体⁶のction。さらなる改善の必要性のプロセスの一態様は、コーティングの均一性を達成している。我々はプラズマで治療を受けた粒子の約70％が残りの30％は部分的なコーティングを示すと完全にコーティングされたとなると推定している。設計とエンジニアリングのプラズマが全体のプロセス中にすべての粒子の周りを囲むれる新しい原子炉は、これを改善することができます。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Silica particles	Geltech Inc.
Potassium chloride (crystals)	EMD Chemicals Inc.
Isopropyl alcohol (99.9%)	Sigma-Aldrich
Hydrofluoric acid (48-51%)	VWR
Pipes and flanges	Swagelok		diameter of ¼ and 1 inch
roughing pump	Edwards
liquid nitrogen trap	A&N Corporation