Encapsulamento e Permeabilidade características das partículas de plasma polimerizados ocas

Summary

Usámos plasma melhorada deposição de vapor químico para depositar películas finas que variam de um nm poucos a vários 100 nm sobre nano-partículas de vários materiais. Nós subsequentemente etch o material do núcleo para produzir nanoshells ocos cuja permeabilidade é controlado pela espessura da casca. Nós caracterizar a permeabilidade destes revestimentos para solutos pequenas e demonstram que estas barreiras podem proporcionar uma libertação sustentada do material do núcleo durante vários dias.

Abstract

Neste protocolo, core-shell nanoestruturas são sintetizados por plasma melhorada deposição de vapor químico. Produzimos um barreira amorfo por plasma de polimerização de isopropanol em vários substratos sólidos, incluindo sílica e cloreto de potássio. Esta técnica versátil é utilizado para tratar as nanopartículas e nanopós com tamanhos que vão desde 37 nm a 1 micron, por depositar películas cuja espessura pode estar em qualquer lugar a partir de 1 nm a para cima de 100 nm. Dissolução do núcleo permite estudar a taxa de permeação através da película. Nestas experiências, nós determinar o coeficiente de difusão de KCl através da película de barreira por nanocristais KCl de revestimento e subsequentemente o controlo da condutividade iónica das partículas revestidas em suspensão na água. O interesse principal neste processo é o encapsulamento e de libertação retardada de solutos. A espessura da casca é uma das variáveis ​​independentes pelo qual controlam a taxa de libertação. Ele tem um forte efeito sobre a taxade lançamento, o que aumenta a partir de uma versão de seis horas (a espessura da casca é de 20 nm) para um lançamento longo prazo mais de 30 dias (a espessura da casca é de 95 nm). O perfil de libertação mostra um comportamento característico: uma libertação rápida (35% dos materiais finais) durante os primeiros cinco minutos após o início da dissolução, e uma libertação mais lenta até todos os materiais do núcleo sair.

Protocol

1. Preparação de sílica nanopartículas para Deposição

1. Começando com pó de sílica seco, preparar a amostra para o revestimento por primeiro eliminando grandes agregados.
2. Lavar partículas de sílica (diâmetro de 200 nm, comprado de Gel-Tec Corp) com etanol (190 prova puro) e deixar a amostra sob uma coifa até que todos os que a umidade evapore com etanol.
3. Peneirar partículas através de uma série de malhas metálicas (EUA # 100-400), a fim de quebrar quaisquer aglomerações restantes.
4. Partículas lugar e uma barra de agitador magnético pequeno no reactor tubular, como mostrado na Figura 1. Partículas deve ser colocado dentro da zona de plasma.
5. Selar o reactor de vidro, colocando um o-ring entre duas flanges, uma no final do tubo de vidro e um na extremidade do tubo ligado à bomba.
6. Instalar o anel de aperto de aço inoxidável em torno do flanges e mão apertar o parafuso de torno do grampo.

2.Preparação do sistema de vácuo

1. Encher a armadilha de azoto líquido, então permitir que a superfície da armadilha para se tornar a frio. Espere 5 min.
2. Adicionar isopropanol no borbulhador e conectar-se ao reator de plasma.
3. Selar o borbulhador pela colocação de um anel de borracha em torno do tubo de metal e apertar a porca até ao local de ligação ao tubo de borbulhador torna-se selado.

3. Plasma processo de deposição

1. Coloque a borbulhador num banho de água com temperatura de 34 ± 2 ° C.
2. Ligue o controlador de fluxo de gás argônio e entre 6,00 sccm como o set point.
3. Gradualmente abrir a válvula de porta que liga o tubo de vidro para a bomba enquanto a bomba está a funcionar. Execute esta etapa com cuidado, pois queda súbita de pressão pode fazer com que as partículas a serem levados pelo fluxo. Espere até que a pressão atinge 200 mTorr, em seguida, deixar a válvula de gaveta totalmente aberta.
4. Colocar o agitador magnético sob o tubo de vidro e ajustar a velocidade de 100 rpm.
5. Ligue o anel de alumínio em torno do reactor de vidro tubular para a frequência de rádio, RF, gerador e ligar o grampo de aço inoxidável para o chão.
6. Ligue a rede correspondente (ENI MW-5D) primeiro e depois mudar a linha AC e do poder gerador de RF. Regule a potência em 30 W para todo o processo.
7. Depois de uma duração de tempo específico (10, 20, ou 40 min) desligar a rede correspondente, o gerador de RF, e à energia de CA, respectivamente.
8. Feche a válvula de retenção e, em seguida, desligar o controlador de fluxo de argônio. Desligue o borbulhador da válvula e aumentar gradualmente a pressão do reactor para atmosférica.
9. Abrir a braçadeira e transferir as partículas a partir do tubo em um prato de plástico usando uma espátula metálica.

4. Preparação de partículas ocas por dissolução de material do núcleo

1. Colocar a amostra sob um exaustor para todo o processo de adição de ácido fluorídrico.
2. Ácido fluorídrico é um extremamente coácido rrosive e exposição dos olhos e pele pode causar danos permanentes. Usar óculos com protetor facial e vestir uma bata de laboratório quando manusear HF.
3. Misturar 10 ml de ácido fluorídrico (Aldrich 49%) com 10 ml de água desionizada e adicionar ao prato de plástico que contém as partículas revestidas.
4. Coloque o prato de plástico sobre um agitador magnético e permitir que o núcleo para dissolver durante 24 horas.
5. Após um dia diluir a amostra com 50 ml de água desionizada e centrifugar a amostra durante 1 hora. Descartar a camada de líquido no topo num recipiente de plástico e transferir a camada inferior que contém as partículas numa placa de Petri de plástico.
6. Adicionar 50 ml de água deionizada e vortex e centrifugar a amostra-lo novamente. Elimine a camada superior e transferir a camada de partículas numa placa de Petri limpa.
7. Lavar as partículas com etanol, o ar seco a amostra, e transferir partículas ocas em um frasco com tampa e manter as partículas num exsicador.

5. Characterization de Permeabilidade (taxa de libertação Core)

Materiais: cloreto de potássio para materiais de núcleo

1. Preparar 0,001 molar de cloreto de potássio solução (KCl) por mistura de 0.0745 gramas de KCl com 1 litro de água desionizada.
2. Encha a garrafa de vidro do modelo constante saída atomizador 3076 e instalar a tampa da garrafa.
3. Ligar a mangueira de ar comprimido para um secador de membrana, que está ligado à entrada de gás do atomizador. Em seguida, anexar um filtro para a mangueira de saída a fim de recolher as nanopartículas de KCl.
4. Aos poucos, abrir a válvula de ar comprimido e deixar o fluxo de ar através do secador de membrana. Permitir que as partículas se acumulam no filtro durante 5 horas.
5. Feche a válvula de ar comprimido e remova cuidadosamente o filtro e recolher as partículas. Colocar as partículas em um exsicador antes do processo de revestimento.
6. Seguir o protocolo 2 e 3, a fim de obter partículas revestidas uniformemente KCl.
7. Misturar KCl revestido com 10 ml desionizada water em um frasco de vidro. Para totalmente misturar a amostra, gota um agitador magnético na solução e deixá-lo sobre um agitador magnético. Incubar a amostra a 25 ° C.
8. Insira a condutividade metros sonda (Thermo Orion modelo 105) dentro do frasco e gravar a condutividade mais de 30 dias.

6. Os resultados representativos

Temos aplicado este processo a uma variedade de materiais do núcleo, incluindo óxidos (sílica), sais (KCl) e metais (Al), como mostrado na Figura 2. Microscópio de transmissão de electrões foi usado para confirmar a uniformidade radial dos filmes e para medir a sua espessura. Conseguimos partículas revestidas que variam de 37 nm a 200 nm de diâmetro (Figura 2), mas não há nenhuma limitação fundamental sobre o tamanho das partículas que podem ser tratados por este método. A taxa de deposição de concha é de aproximadamente 1 nm / min. Esta taxa mais lenta torna possível para controlar a espessura dos filmes bastantecom precisão através do tempo de deposição. A concha de plasma-polimerizado é uma barreira permeável, como demonstrado pelo facto de o material do núcleo pode ser removida por ataque químico ou a dissolução. A Figura 3 mostra as conchas ocas que permanecem após o núcleo de sílica é removido. A remoção do núcleo está completa ea uniformidade radial e espessura dos filmes são bastante elevados. Para efeitos de avaliação da permeabilidade através destes filmes, que mudou para KCl como o material do núcleo desde a dissolução de KCl pode ser controlada muito facilmente através da condutividade iónica da solução. Figura 4 mostra a libertação de KCl a partir do núcleo para quatro amostras com espessura diferente, 20 nm, 40 nm, 75 nm, e 95 nm, respectivamente. Partículas revestidas de KCl foram suspensas em água ea condutividade da solução foi seguido por um período de 30 dias. Para além das quatro amostras, um controle que consiste em partículas não revestidas KCl foi também monitorizada. Não revestidos partículas de KCl dissociaçãoLVe dentro de um tempo muito curto de cerca de 1 min. Em contraste, KCl revestido mostra uma taxa de libertação significativamente mais lenta. O perfil de libertação das partículas revestidas é caracterizada por explosão inicial que ocorre dentro do hr primeiro, seguido por uma libertação muito mais lenta que leva vários dias para completar, dependendo da espessura do filme.

Figura 1. Representação esquemática da preparação de nanopartículas, deposição de plasma, e de formação de partículas ocas.

Figura 2. Imagens de TEM de revestimento (a), (b) partículas de sílica com d = 200 nm, (c) de partículas de sílica com d = 37 nm, (d) de alumínio com d ~ 100 nm, e (e) de partículas de KCl com D = 100 nm

Figura 3. TEM imagens de partículas ocas após decapagem (a), o núcleo de sílica (b) com diâmetro de 200 nm, e (c) do núcleo de KCl.

Figura 4. Efeito da espessura da casca sobre o perfil de liberação. O gráfico mostra a inserção de liberação durante o hr primeiro.

Discussion

Um dos maiores desafios em nanopartículas de revestimento é o de proporcionar uma química compatível entre o revestimento eo substrato ^1,2. A metodologia aqui descrita tem a vantagem de que não é o material específico. Polímeros de plasma mostram excelente adesão sobre uma variedade de substratos, incluindo metais duros (Figura 2 (c)), sílica (Figura 2 (c)), silício, ou materiais macios (por exemplo, polímeros) sem a necessidade de qualquer modificação da superfície especial ^{3 , 4,5.} A técnica tem a vantagem adicional de que não é limitado pelo tamanho da partícula de núcleo e é facilmente adaptável a partículas na faixa de nano e micrómetros. A espessura do revestimento é controlada pelo tempo de deposição e pode ser facilmente variou de poucos a várias centenas de nm. Um outro nível de controlo é fornecido pelo precursor orgânico que é utilizado para produzir o revestimento. Por exemplo, o carácter hidrofóbico do revestimento pode ser variada por sele adequadoction do precursor ^6. Um aspecto do processo na necessidade de melhoria adicional é conseguir a uniformidade de revestimento. Estimamos que aproximadamente 70% das partículas tratadas no plasma se tornar totalmente revestido com os restantes 30% a exibir revestimento parcial. Projetando e construindo uma nova usina em que plasma envolve todo em torno das partículas durante o processo todo pode melhorar isso.

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