Encapsulación y permeabilidad Características de las partículas de plasma polimerizado Hollow

Summary

Hemos utilizado reforzada por plasma deposición de vapor químico para depositar películas delgadas que van desde un pocos nm a 100 nm en varios tamaño nano-partículas de diferentes materiales. Hemos posteriormente grabar el material del núcleo para producir nanocápsulas huecas cuya permeabilidad es controlada por el espesor de la cáscara. Nos caracterizar la permeabilidad de estos revestimientos a los solutos pequeños y demostrar que estas barreras pueden proporcionar una liberación sostenida del material del núcleo durante varios días.

Abstract

En este protocolo, con núcleo y cubierta nanoestructuras son sintetizados por el plasma de deposición de vapor químico mejorada. Nos producir una barrera amorfa por el plasma de polimerización de isopropanol en diversos sustratos sólidos, incluyendo sílice y cloruro de potasio. Esta técnica versátil, se utiliza para tratar las nanopartículas y nanopolvos con tamaños desde 37 nm a 1 micra, mediante el depósito de películas cuyo espesor puede ser desde 1 nm hasta más de 100 nm. Disolución del núcleo nos permite estudiar la tasa de permeación a través de la película. En estos experimentos, se determina el coeficiente de difusión de KCl a través de la película de barrera por nanocristales KCL revestimiento y posteriormente el control de la conductividad iónica de las partículas recubiertas suspendidas en agua. El interés primordial en este proceso es la encapsulación y liberación retardada de solutos. El espesor de la cáscara es una de las variables independientes por el que controlan la velocidad de liberación. Tiene un fuerte efecto sobre la tasade la liberación, lo que aumenta de un comunicado de seis horas (grosor de la cáscara es de 20 nm) con un comunicado de largo plazo de más de 30 días (grosor de la cáscara es de 95 nm). El perfil de liberación muestra un comportamiento característico: una liberación rápida (35% de los materiales finales) durante los primeros cinco minutos después del comienzo de la disolución, y una liberación más lenta hasta que todos los materiales del núcleo salir.

Protocol

1. Preparación de nanopartículas de silicio para la deposición

1. A partir de polvo de sílice seca, preparar la muestra para el revestimiento por primera eliminación de grandes agregados.
2. Lávese las partículas de sílice (diámetro de 200 nm, adquirido de Gel-Tec Corp) con etanol (190 prueba de pureza) y dejar la muestra bajo una campana de extracción hasta que todo se evapore la humedad con etanol.
3. Tamizar las partículas a través de una serie de mallas metálicas (EE.UU. # 100-400) con el fin de romper las aglomeraciones restantes.
4. Colocar las partículas y una pequeña barra agitadora magnética en el reactor tubular, como se muestra en la Figura 1. Las partículas deben ser colocados dentro de la zona de plasma.
5. Sellar el reactor de vidrio mediante la colocación de una junta tórica entre dos bridas, una en el extremo del tubo de vidrio y una en el extremo de la tubería conectada a la bomba.
6. Instale el anillo de acero inoxidable alrededor de sujeción de las bridas y apriete el tornillo alrededor de la abrazadera.

2.Preparación del sistema de vacío

1. Llenar el sifón de nitrógeno líquido, a continuación, permita que la superficie de la trampa de convertirse en frío. Esperar 5 min.
2. Añadir isopropanol en el burbujeador y conectarse al reactor de plasma.
3. Sellar el burbujeador mediante la colocación de un anillo de goma alrededor de la tubería de metal y apriete la tuerca hasta el lugar de la tubería de la conexión se convierte en burbujeador sellado.

3. Proceso de deposición de plasma

1. Coloque el burbujeador en un baño de agua con la temperatura de 34 ± 2 ° C.
2. Encienda el controlador de flujo de gas argón y entre 6,00 cm ³ como punto de referencia.
3. Gradualmente abrir la válvula de compuerta que conecta el tubo de vidrio a la bomba mientras la bomba está funcionando. Realice este paso con cuidado, ya la disminución brusca de la presión puede causar que las partículas sean arrastrados por la corriente. Espere hasta que la presión llega a 200 mTorr, a continuación, salir de la válvula de compuerta totalmente abierta.
4. Coloque el agitador magnético en el tubo de vidrio y establecer la velocidad a 100 rpm.
5. Conectar el anillo de aluminio alrededor del reactor tubular de vidrio a la frecuencia de radio, RF, generador y conectar la abrazadera de acero inoxidable al suelo.
6. Encienda la red de adaptación (ENI MW-5D) primero y luego cambiar la línea de CA y el poder generador de RF en el. Ajuste la potencia a 30 W para todo el proceso.
7. Después de un período específico de tiempo (10, 20 o 40 minutos) desactivar la red de adaptación, generador de RF, y el de alimentación de CA, respectivamente.
8. Cierre la válvula de retención y luego apague el controlador de flujo de argón. Desconectar el burbujeador de la válvula y aumentar gradualmente la presión del reactor a la atmosférica.
9. Abrir la pinza y transferir las partículas del tubo en un plato de plástico con una espátula metálica.

4. Preparación de partículas huecas por disolución del material del núcleo

1. Colocar la muestra bajo una campana de humos para todo el proceso de adición de ácido fluorhídrico.
2. El ácido fluorhídrico es un muy coácido rrosive y la exposición de los ojos y la piel puede causar daños permanentes. Utilice gafas con una careta y usar una bata de laboratorio al manipular la IC.
3. Se mezclan 10 ml de ácido fluorhídrico (Aldrich 49%) con 10 ml de agua desionizada y añadir a la fuente de plástico que contiene las partículas recubiertas.
4. Coloque el plato de plástico sobre un agitador magnético y permitir que el núcleo para disolver durante 24 horas.
5. Después de un día diluir la muestra con 50 ml de agua desionizada y centrifugar la muestra durante 1 hora. Eliminar la capa de líquido en la parte superior en un recipiente de plástico y transferir la capa inferior que contiene las partículas en una placa Petri de plástico.
6. Añadir 50 ml de agua desionizada y agitar la muestra y centrifugar de nuevo. Deshágase de la capa superior y transferir la capa de partículas en una placa de Petri limpia.
7. Lavar las partículas con etanol, el aire seco de la muestra, y transferir las partículas huecas en un vial con tapón y mantener las partículas en un desecador.

5. Characterization de la permeabilidad (velocidad de liberación del núcleo)

Materiales: cloruro de potasio para materiales de núcleo

1. Preparar 0,001 molar de cloruro de potasio (KCl) por mezcla de 0.0745 gramos KCl con 1 litro de agua desionizada.
2. Llenar la botella de vidrio de modelo constante de salida del atomizador 3076 e instalar la tapa de la botella.
3. Conectar la manguera de aire comprimido a un secador de membrana, que está conectada a la entrada de gas del atomizador. A continuación, conecte un filtro a la manguera de salida con el fin de recoger las nanopartículas de KCl.
4. Poco a poco, abrir la válvula de aire comprimido y dejar que el flujo de aire a través del secador de membrana. Permitir que las partículas se acumulan en el filtro durante 5 horas.
5. Cierre la válvula de aire comprimido y retirar con cuidado el filtro y recoger las partículas. Colocar las partículas en un desecador antes del proceso de recubrimiento.
6. Siga el protocolo 2 y 3 con el fin de obtener partículas KCl uniformemente recubiertos.
7. Mezclar KCl recubierto con 10 ml de WA desionizadater en un vial de vidrio. Para mezclar completamente la muestra, deje caer un agitador magnético en la solución y se deja en un agitador magnético. Incubar la muestra a 25 ° C.
8. Introducir el medidor de conductividad de la sonda (Thermo Orion modelo 105) en el vial y registrar la conductividad más de 30 días.

6. Los resultados representativos

Hemos aplicado este proceso a una variedad de materiales de núcleo, incluyendo óxidos (sílice), sales (KCl) y metales (Al), como se muestra en la Figura 2. Microscopio electrónico de transmisión se ha utilizado para confirmar la uniformidad radial de las películas y para medir su espesor. Tenemos con éxito partículas recubiertas que van desde 37 nm a 200 nm de diámetro (Figura 2), pero no hay ninguna limitación fundamental en el tamaño de las partículas que pueden ser tratados por este método. La tasa de deposición cáscara es de aproximadamente 1 nm / min. Esta tasa más lenta hace que sea posible controlar el espesor de las películas bastanteprecisión a través del tiempo de deposición. La cáscara de plasma polimerizado es una barrera permeable, como se demuestra por el hecho de que el material del núcleo puede eliminar por ataque químico o disolución. La Figura 3 muestra las conchas huecas que permanecen después el núcleo de sílice se elimina. La eliminación del núcleo es completa y la uniformidad radial y espesor de las películas son bastante altos. A los efectos de evaluar la permeabilidad a través de estas películas, se cambió a KCl como el material del núcleo desde la disolución de KCl puede controlarse muy fácilmente a través de la conductividad iónica de la solución. Figura 4 muestra la liberación de KCl desde el núcleo de cuatro muestras con diferentes espesores, 20 nm, 40 nm, 75 nm, y 95 nm, respectivamente. Revestir partículas KCl se suspendieron en agua y la conductividad de la solución fue seguido por un período de 30 días. Además de las cuatro muestras, un control que consta de partículas sin revestir KCl se controló también. Sin recubrir partículas de KCl Dissolve dentro de un tiempo muy corto de aproximadamente 1 min. Por el contrario, KCl recubierto muestra una velocidad de liberación significativamente más lenta. El perfil de liberación de las partículas recubiertas se caracteriza por estallido inicial que tiene lugar dentro de la primera hora, seguido por una liberación mucho más lenta que tarda varios días en completarse, dependiendo del grosor de la película.

Figura 1. Representación esquemática de la preparación de nanopartículas, deposición de plasma, y la formación de partículas huecas.

Figura 2. TEM imágenes de recubrimiento (a), (b) partículas de sílice con d = 200 nm, (c) de partículas de sílice con d = 37 nm, (d) de aluminio con d ~ 100 nm, y (e) de partículas de KCl con d = 100 nm

Figura 3. TEM imágenes de partículas huecas después del grabado del (a), (b) núcleo de sílice con un diámetro de 200 nm, y (c) núcleo KCl.

Figura 4. Efecto del espesor de la cáscara en el perfil de liberación. El gráfico muestra el recuadro de la liberación durante la primera hora.

Discussion

Uno de los mayores retos de las nanopartículas de recubrimiento es proporcionar una química compatibles entre el recubrimiento y el sustrato de ^1,2. La metodología descrita aquí tiene la ventaja de que no es específica del material. Polímeros de plasma muestran una excelente adhesión sobre una variedad de sustratos, incluyendo los metales duros (Figura 2 (c)), sílice (figura 2 (c)), silicio, o materiales blandos (por ejemplo, polímeros) sin la necesidad de ninguna modificación especial de la superficie ^{3 , 4,5.} La técnica tiene la ventaja adicional de que no está limitado por el tamaño de la partícula de núcleo y es fácilmente adaptable a las partículas en el rango nano y micrómetro. El espesor del recubrimiento es controlado por el tiempo de deposición y se puede variar fácilmente a partir de unos pocos a varios cientos de nm. Otro nivel de control es proporcionada por el precursor orgánico que se utiliza para producir el revestimiento. Por ejemplo, el carácter hidrófobo del recubrimiento se puede variar por sele adecuadocción del precursor ^6. Un aspecto del proceso en necesidad de mejora adicional es conseguir la uniformidad de recubrimiento. Estimamos que aproximadamente el 70% de las partículas tratadas en el plasma convertido completamente recubierto con el 30% restante que muestra revestimiento parcial. El diseño y la ingeniería de un nuevo reactor en el que el plasma rodea todo alrededor de las partículas durante todo el proceso puede mejorar esto.

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