Funkcionális szilárd kompozit részecskék és alkalmazásaik Gyenis János PE MIK MÜKKI – MTA KK AKI Funkcionális Nanorészecskék Kutatólaboratórium
Pannon Egyetem 2006. november 10. 1
Tartalom Funkcionális anyagokról és részecskékről általában A funkcionális viselkedés alapjai, példák Nemzetközi trendek Legfontosabb funkciók Jellemzőik, típusaik, struktúráik Részecskemérnökség (particle engineering) Példák különböző funkcionális (kompozit) nano/mikrogömbökre és alkalmazási lehetőségekre Előállítási módszerek Összefoglalás 2
Funkcionális részecskék - Definició Minden – az emberiség által használt – anyagnak van valamilyen szerepe, feladata, funkciója (pl. szerkezeti anyagok). Ezen az alapon nem lennének megkülönböztethetők az úgynevezett funkcionális anyagok. Ezért ezekre speciális meghatározást kell alkalmaznunk. A funkcionális anyagok valamilyen aktív funkciót töltenek be, vagyis működnek, a feltételektől függően valamilyen hatást gyakorolva a környezetükre. Sok esetben: tulajdonságaik megváltoztatásával megfelelő módon reagálnak is a környezetük megváltozására. Ezeket angolul smart („ügyes”, „okos”) anyagoknak nevezik. (Zrinyi Miklós a BME professzora – „intelligens anyagok”) A definició alkalmazható a funkcionális részecskékre is („functional”, „smart” particles). Utóbbiak gyakran összetettek: különböző minőségű anyagokból tevődnek össze: a funkciónak megfelelő összetett struktúrájuk, architektúrájuk van. Ezek az ú.n. társított vagy kompozit funkcionális részecskék.
3
A különleges funkcionális viselkedés alapjai Az anyagok viselkedésében a felületi tulajdonságok meghatározó szerepet töltenek be. Egy példa a természetből:
A lótusz növény levelei: öntisztuló és vízlepergető képesség: Magyarázat: a levél felszínének mikroszkopikus struktúrája (mikronos és nanométer nagyságú strukturális elemek) Alapstruktúra: 5-10µm Ezek felületén másodlagos finom struktúra: akár 10 nm körüli méretek Az ú.n. lótusz-hatás: (W. Barthlott 1990-es évek) a nanorészecskék/nanostruktúra különleges viselkedése és ennek hasznosítása A technika tanult a természetből.
természetes
mesterséges struktúra 4
A különleges funkcionális viselkedés alapjai Bizonyos funkciók betöltésében a részecskék méretének kitüntetett fontossága van. Ennek okai: Az anyagi részecskék bizonyos határon túli (1-10 nm alá) történő méretcsökkentése már döntő módon befolyásolja a részecskék elektronszerkezetét, erőterét, és morfológiáját. Ez a kémiai (pl. katalitikus) és fizikai tulajdonságok megváltozását, és új, komplex funkcionális tulajdonságok létrejöttét okozza. (Gyulai 2001 Magyar Kémikusok Lapja, Guczi 2003 Magyar Tudomány)
Ezen belül különösen: a kémiai szelektivitás előnyös változása. A makroszkópikus tulajdonságokban és kölcsönhatásokban is minőségi változások következnek be (felület/térfogat arány) – pl. adszorpciós tulajdonságok. Megváltozott biológiai – élettani tulajdonságok - A folyadékokhoz hasonló biztonsággal injektálható szuszpenziók (akár közvetlenül a véráramba is adható szilárd részecskék) 5
A különleges funkcionális viselkedés alapjai Élek, sarkok, görbületek arányának megváltozása - kémiai reakcióképesség, szubmikroszkópos fizikai-, és biológiai hatások Biológiai terrorizmus elleni védekezés (roncsolás, biológiai membránokra gyakorolt hatás) – adhéziós erő - nagy nyomás Elektromos tulajdonságok változása: felületi elektromos potenciál - ζ Adott térfogatban lévő részecskék (diszkrét fáziselemek) darabszámának drasztikus növekedése. Elektronika, informatika: ez a végrehajtható műveletek számának vagy a tárolható információ mennyiségének több nagyságrenddel történő növekedését okozza. Optikai tulajdonságok, szín, színhatás megváltozása. Határfelületi tulajdonságok megváltozása. 6
Példák a különleges funkcionális viselkedésre A méretnek a funkcionális tulajdonságokra gyakorolt hatása leginkább a 1-100 nanométer (10-6 – 10-4 mm) tartományban jelentkezik: Igen jó színezőanyagok állíthatók elő: végtelen számú színárnyalat jöhet létre nem fakulnak: a színhatások a részecskék méretének és nem a kémiai összetételnek a következménye (pl. a lepkék ragyogó színárnyalatai és mintázata)
A környezet megtisztítására alkalmas, igen aktív katalizátorok hozhatók létre. „Smart bombs” („ügyes bombák”) bizonyos rákos sejtek vagy fertőző baktériumok spórák célzott elpusztítására alkalmazhatók, Biológiailag vagy kémiailag szennyezett területek megtisztítása Kiválóan működnek peptidek, protein és DNA célzott bevitele során.
7
Különleges viselkedés: néhány újabb alkalmazás: Felismerés: a lepkék szárnyának ragyogó színárnyalatait nem festékek (színezékek, pigmentek) adják, hanem az a felület (nano)struktúrájának optikai hatásaiból adódik
pikkelyek
és nanostruktúrájuk
Hasznosítás: pigmentek (színezés) nélküli kozmetikai termékek, amelyek mégis ragyogó színeket adnak. Egyéb hasznos tulajdonságok (pl. tartós illatleadás, adszorpciós tulajdonságok, stb.) is elérhetők. Félszilárd Készítmények, Nanopúder részecskéket tartalmazó szájrúzs 8 www.wired.com/news/medtech/0,1286,68683,00.html
További példák funkcionális részecskékre A legrégebbi funkcionális mikro- és nanorészecskék: maguk az élő sejtek és azok összetevői. Structure and Dynamics of Membranes – from Cells to Vesicles. (Eds. Lipowsky, Sackman) Elsevier, Amsterdam, 1995.
Ezek a funkcionális részecskéknek felfogható „mikrotartályok”, és az azokat határoló biológiai membránok az első élő sejt megjelenése óta léteznek, és nélkülözhetetlen szerepet töltenek be az anyagok biológiai beépülésében, a tápanyagok mozgásában, a DNS megőrzésében, védelmében. Mesterséges funkcionális részecskék: értékes gyógyszerhatóanyagokat tartalmazó, szabályozott leadású részecskék. „Funkcionális textiliák”: az újfajta textíliákban alkalmazott ú.n. nanokapszulák antimikrobiális (fizikai) anyagok leadása révén megakadályozzák a baktériumok elszaporodását. Textiliák kikészítéséhez sok esetben plazma technikával előállított kerámia nanoporokat alkalmaznak (lángállóság, baktericid hatás, öntisztuló képesség stb.) Struktúrájuk és felületi tulajdonságaik révén meggátolják a szennyező anyagok megtapadását, ugyanakkor megkötik a kellemetlen szagokat.
9
Nemzetközi trendek Fontosságát mutatja: külön folyóiratok, internetes fórumok. A témakörben sok rangos nemzetközi konferenciát szerveznek PACIFICHEM 2005, USA, Honolulu - külön szekció:
Functional Polymer Particles and Particle Assemblies Elvi megállapítások: A funkcionális részecskék új korszakot nyitottak a nano- és mikrorészecskék felfedezésében és alkalmazásuk területén …„ „A funkcionalitás elsősorban a részecskék méretéből, az összetevő komponensek anyagából, azok arányaiból, a felületi textúrából, a részecskék morfológiájából és a felépítési sorrendből következik.” PARTICLES 2005, USA, San Francisco August 13-16, 2005
Fontosabb témakörök: Nanorészecskék tervezése (Nanoparticle design) Nanorészecskék felületi hatásai veszélyes kémiai anyagok megsemmisítésében (Chemical detoxification) Nanomérnökség (Nanoengineering) gyógyszerleadó rendszerek (Drug delivery systems) létrehozásában.
10
Nemzetközi trendek – aktuális kutatások, teamek ETH Zürich, Functional Material Laboratory nanorészecskék hatása az élő sejtekre (ma már a PTE-n is!) funkcionális nanorészecskék előállítása orvosi alkalmazások céljára
Fraunhofer intézetek, Németország WISA projekt: 3 intézet összefogása mikrostruktúrával rendelkező kompozit részecskék előállítására és alkalmazására mikrokapszulázás (FG IAP), kompozit részecskék előállítása szuperkritikus oldószerből (FG ICT), megtervezett funkciójú részecskék előállítása (FG UMSICHT)
University of New Mexico, USA – NSF projekt: Nanostructural Engineering of Complex Functional Particles - nanomérnökség NFM (Nano Functional Materials) Industrial Companies, Izrael: 13 innovativ vállalat konzorciuma funkcionális nanorészecskék kutatására, fejlesztésére és gyártására Területek: kozmetikai-, gyógyszeripar, finomvegyszerek, agrokémiai termékek, polimer-, textil és műszál gyártás, elektrokémiai termékek, portechnológia, nyomdaipar, nanorészecskék gyártása. A nanotechnológiai témákon dolgozó kutatók száma az USA-ban: 20 000 fő (!!!)
11
Legfontosabb funkciók Gyógyszer hordozó részecskék általában (injekciók, implantátumok, aeroszolok, szilárd & félszilárd formák) Rákellenes gyógyszerek
Immunizáció (vakcinák, antigének)
Biokatalizátorok (enzim) hordozói
Antivirális szerek
Finomvegyszerek, reagensek
Hormon bevitel
Katalizátorok
Receptor blokkolók
Kerámiai anyagok
Antibiotikumok
Adszorbensek
Protein (interferon, inzulin) hordozók
Allergiaellenes gyógyszerek
Elektronikai anyagok Szenzorok
DNS és gén terápia
Vitaminok, enzimek, enzim inhibitorok
Anyagmérnökség Porkohászat
Élő sejtek (őssejtek)
Növekedési faktorok és vázanyag bevitel (csontátültetés)
Ioncserélők, kromatográfiai anyagok 12
Kompozit mikro/nanorészecskék struktúráinak főbb típusai funkcionális elemek felületi struktúrája
felületi struktúra funkcionális nyúlványokkal (pl. rögzített enzimek)
réteges (mag/köpeny „shell/core”) felépítés
réteges felépítés vékony felületi film védőbevonattal
mátrix struktúra
dendrites struktúra
13
Nano és mikrorészecskék struktúráinak összefoglalása Homogén (anyagukban egynemű) nano/mikrogömbök
Mag/köpeny szerkezetű kompozit nano/mikrogömbök
Porózus nano/mikrogömbök
Kisebb részecskékkel borított mikrogömbök
Felületmódosított nano/ mikrogömbök
Üreges mikrogömbök (porózus / nem porózus)
Filmbevonatú nano/mikrogömbök
Vázszerkezetbe beültetett nano/mikrogömbök
Mátrix struktúrájú nano/ mikrogömbök (zárványok)
Agglomerált nano/mikrogömbök (szférikus agglomerátumok)
Poliéderek (vagy whisker-ek): Agglomerált soklapú nano/ szabályos vagy szabálytalan alakú mikrorészecskék együttesei nano / mikrorészecskék (szférikus agglomerátumok) 14
Kompozit nano/mikrorészecskék felépítése A részecskeméret kb. 10 nanométertől több száz mikronig terjed (adott célokra sok esetben milliméteres részecskéket is használnak) Adott részecskén belül az építőelemek (felületi struktúra, bevonat, zárványok) mérete általában egy nagyságrenddel kisebb: általában 1 nm-től néhány 100 nanométerig, vagy 1-2 mikronig terjed
A kompozit részecskék anyagai: Hordozó v. töltőanyag (fő fázis)
Aktív v. funkciót hordozó anyag
Szerves (pl. polimer, laktóz)
Szerves (pl. gyógyszer, enzim)
Szerves (pl. polimer, laktóz)
Szervetlen (aerosil)
Szervetlen (pl. Al2O3, SiO2)
Szerves (pl. sejtek)
Szervetlen (pl. Al2O3, SiO2)
Szervetlen (pl. TiO2)
Összetett (kerámia/polimer)
Szerves (enzim) 15
A leggyakrabban alkalmazott hordozó és bevonó anyagok Albumin (fehérje)
lipidek
PLA - politejsav
alginát származékok
laktóz
PLGA poli(tejsav-glikolsav)
avidin (fehérje)
PEG - polietilénglikol
PMM polimetidilén-malonát
bovin szérum albumin
kollagén, zselatin
PMMA - polimetakrilátok
ciklodextrin származékok
inulin
poli-ortoészter
cellulóz származékok
PA - polianhidrid
PS - polisztirol
cukor
polikaprolaktám
PS/divinilbenzol
dextrán származékok
fémek
PSA - polisebacic-acid
Kitozán (term. polimer)
fémoxidok
PVA/poliakrilsav
keményítő
kerámia
PEEP - polietilénfoszfát
humán szérum albumin
viasz
szilikon gyanta
hyaluronan
PVB - polivinilbenzol
szilikagél, aerosil
poli-karboxi-fenoxihexán
polietilénglikol-polilaktid (PELA) 16
Működési kinetika – a hatóanyag leadás sebessége Hatóanyag leadás rövid leadási idejű (néhány óra - 1 nap)
közepes leadási idejű (néhány nap - egy hét)
hosszú leadási idejű (több hét, több hónap, év)
rögzített (fix), nem távozó hatóanyag
külső hatásra változó (inzulin)
nem jellemző vagy nem ismert
Működési vagy hatóanyag leadási mechanizmus Mechanizmus a részecske teljes feloldódása
a hatóanyag deszorpciója
a részecske degradációja és leoldódás
degradáció és kioldódás diffúzió
leadás a mátrixból vagy pórusokból való diffúzióval (kioldódás /deszorpció)
rögzített hatóanyag vagy aktív anyag (immobilizált enzim, katalizátor, fotokatalizátor) 17
Fontosabb mérettartományok Részecskeméret alsó nanométer tartomány (néhány nanométertől néhány tíz nanométerig)
alsó mikrométer tartomány (1 mikrontól néhány tíz mikronig)
közepes nanométer tartomány közepes mikrométer tartomány (kb. 100 nm – kb. 500 nm) (kb. 300-500 mikronig) felső nanométer tartomány (500 – 1000 nanométer)
felső mikrométer és makrotartomány (500 mikron felett)
18
Részecskemérnökség (Particle Engineering): avagy hogyan
készítsünk a célnak megfelelő, iparszerűen is előállítható funkcionális részecskéket? Cél: a megfelelő méret, a struktúra, és a felületi tulajdonságok létrehozása, optimális funkcionális tulajdonságok eléréséhez Eszközök (például a részecske méretét befolyásoló tényezők): Alapanyagok megválasztása (azok kémiai összetétele, mennyisége, mennyiségi arányai), a segédanyagok (pl. oldószerek és felületaktív anyagok, stabilizátorok) megválasztása A diszpergálás módja (mechanikus keverés, statikus keverés, ultrahangos kezelés), a diszpergáló eszköz (keverő vagy fúvóka) geometriája, a bevezetett energia mennyisége (keverés intenzitása és időtartama) hőmérséklete Kolloid szintézisnél pl. a túltelítés mértéke és térbeli eloszlása Gázfázisú szintézisnél a turbulencia, túltelítés, hőmérséklet eloszlás, gáz és prekurzor összetétel 19
A funkcionális tulajdonságok biztosítása: megfelelő struktúra, megfelelő anyagi rendszer és megfelelő előállítási módszer alkalmazásával történhet. A részecskemérnökség általános összefüggései Előállítási módszerek és paraméterek
Anyagok
R E L ÁCIÓK Strukturális jellemzők & morfológia
Funkcionális tulajdonságok
A relációk megismerése segíthet a megfelelő módszer megtalálásában.
20
Összefüggések az előállítás, a strukturális jellemzők, a funkció, működési kinetika stb. között (szuperstruktúra) Funkció
Anyagi rendszer
Struktúra
Méret
Működési kinetika
Előállítási módszer
Funkció Anyagi rendszer Struktúra
al-mátrixok az egyes tulajdonságosztályok elemei közötti kapcsolatokra
Méret Működési kinetika Előállítási módszer 21
A leggyakrabban alkalmazott előállítási módszerek Módszerek SESE - szimpla emulzió / szolvens evaporáció
DESE - dupla emulzió gázfázisú szintézis / szolvens evaporáció
SESX - szimpla emulzió / szolvens extrakció
DESX - dupla emulzió / szolvens extrakció
injektálásos diszpergálás
SESD - szimpla emulzió / szolvens diffúzió
DESD - dupla emulzió / szolvens diffúzió
fluidágyas agglomeráció, bevonás
fázis szeparáció, koacerváció
SOO - szilárd/olaj/olaj szuszpenzió
szuperkritikus oldószeres módszerek (előállítás, bevonás)
szuszpenziós polimerizáció
porlasztva szárítás
SZB - száraz (mechanikus) bevonás
antiszolvens precipitáció porlasztva fagyasztás szférikus agglomeráció
plazmareaktor
extrudálás 22
Az előállítási módszerek tárgyalása előtt nézzünk meg néhány jellemző készítményt
Képgaléria
23
Nem virális DNS bevitelre alkalmazható, kationos PLGA nanogömbök Előállítás: o/w emulziós-diffúziós-oldószer elpárologtatásos technika. Stabilizáló és bevonó anyag: PVA-kitozán keverék C – nanogömbök,187 nm átlagos mérettel D – sima felületi morfológia (léptékvonal: 150 nm) R. Kumar et al., Biomaterials 25 (2004) 1771–1777
24
Őssejtek bevitelére alkalmas PLGA mikrogömbök felületi morfológiája. A porózus felületi textúra elősegíti a sejtek megtapadását és növekedését. Előállítás w/o/w dupla emulziós – szolvent evaporációs módszer Léptékvonal: 20 µm K. D. Newman et al., Biomaterials 25 (2004) 5763–5771 25
Peptid-gyógyszer tartamú PLGA mikrogömbök felületi és belső architektúrája, a hatóanyag kioldódása után. Réteges (héj/mag) felépítés, és belül porózus nanostruktúra. Előállítás: w/o/w dupla emulziós - szolvent evaporációs technika Részecskeméret: 70-160 µm. Pórusméret: 3 – 1000 nm Wang et al., Biomaterials 25 (2004) 1919–1927
26
Dendrites sejtek antigénnel történő kezelésére alkalmas PLGA nanogömbök (200-650 nm), amint körülveszik a dendrites sejteket. A nanogömbök fluoreszkáló anyaggal jelölve. Előállítás: szimpla emulziós – szolvent evaporációs technika Léptékvonal: 15 µm P. Elamanchili et al. / Vaccine 22 (2004) 2406 - 2412
27
Szuper-paramágneses Fe3O4 - sziliciumdioxid nanogömbök. Mágneses mag (8-10 nm Fe3O4), SiO2 mátrix, és szerves (amino-szilán) héj struktúra. Méret: 100-200 nm. Alkalmazás: enzim immobilizálás, rákterápia, antitest- és protein bevitel, elválasztástechnika. Előállítás: koprecipitáció, bevonás: precipitáció + szilanizálás X. Liu, et al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials 270 (2004) 1–6 28
Protein gyógyszer bevitelére alkalmas PLA/PLGA mikrogömb Baloldali ábra: a BSA modelfehérje a magban Jobboldali ábra: a BSA modell fehérje a köpenyben Előállítás: porlasztva szárítás Léptékvonal: 150 µm N.A. Rahman, E. Mathiowitz, Journal of Controlled Release 94 (2004) 163–175
29
Diftéria vakcina bevitelére alkalmas mikrogömbök Peritoneális sejt 4 órával az immunizáció után Méret: 0,5 - 10 µm (a sejtben kb. 500 nm) Előállítás: porlasztva szárítással
M. Peyre et al., Vaccine 22 (2004) 2430–2437 30
Fehérje gyógyszer (modell protein: BSA) tartalmú mikrogömbök (14-15 µm átlagméret) mátrix jellegű nanostruktúrával, lineáris (egyenletes) leadási kinetikával. A hatóanyagrészecskék mérete kb. 4-500 nm) Hordozó: PLA/PEEP (polietilén-foszfát) Léptékvonal: 20 µm J .Wen et al., Journal of Controlled Release 92 (2003) 39–48 31
Theofillin gyógyszer tartalmú bioadhezív mikrogömbök vízzel történő 1 és 5 perces érintkezés után. Hosszú ideig megtapad a gyomor és vékonybél nyálkahártyáján. Hordozó: CAB – cellulóz-acetát-butirát Előállítás: w/o emulziós – szolvent evaporációs módszer Léptékvonal: 200 µm Y. Miyazaki et al., International Journal of Pharmaceutics 258 (2003) 21–29
32
Szabályozott hatóanyag leadású, riboflavin tartalmú mikroballonok morfológiája, mely hosszabb ideig is képes a gyomorban maradni: úszik a folyadék felszínén. Hordozó: hidroxi-metil-cellulóz Előállítás: o/w emulziós – szolvent diffúziós módszer Léptékvonal: 100 µm Y. Sato, Journal of Controlled Release 93 (2003) 39 – 47
33
Belül üreges POE/PLGA mikrogömbök szabályozott protein gyógyszer (modell: BSA) bevitelre. Jobboldali kép: A hatóanyag eloszlása a mikrogömbben – nanostruktúra. Előállítás w/o/w emulziós – szolvent evaporációs módszer Átlagos méret: 50-70 µm M . Shi et al . / Journal of Controlled Release 89 (2003) 167–177 34
Szférikus agglomerátumok szilikagél nanogömbökből, hierarchikus, átjárható porozitással. Előállítás: porlasztva szárítással Léptékvonal: 5 µm, elemi nanogömbök: 350 nm A. Lind et al., Microporous and Mesoporous Materials 66 (2003) 219–227
35
Poli(vinil-acetát - divinil benzol) Jobboldalt: a magnetit méreteloszlása kopolimer mikrogömbök felületi nanostruktúrával, mágneses maggal, enzim immobilizálására. Előállítás: koprecipitáció, illetve szuszpenziós polimerizáció Léptékvonal: 5 µm Z. Guo et al., Enzyme and Microbial Technology 32 (2003) 776–782
36
Célzott gyógyszerhatóanyag (DO-FUdR) bevitelére alkalmas szilárd lipid nanogömbök A központi idegrendszerre ható gyógyszerrel a nanogömbök képesek átlépni az vér-agy gátat
Előállítás: ultrahangos diszpergálás és emulziós precipitáció Átlagos részecskeméret: 76 nanométer Jian-Xin Wang et al., European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 54 (2002) 285–290 37
Felületi nanostruktúra!
Plazmid DNS tartalmú PLA/PEG nanogömb w/o/w dupla emulziós – szolvent evaporációs technikával előállítva C. Perez et al., Journal of Controlled Release 75 (2001) 211– 224
38
Dupla emulziós – szolvent evaporációs módszerrel előállított, mátrix szerkezetű PLGA/BSA mikrocseppek / mikrogömbök Pannon Egyetem MIK MÜKKI - MTA KK AKI Funkcionális Nanorészecskék Kutatólaboratórium
Méret: 10 - 20 µm
39
PLGA mikrogömbök szabályozott fehérje hatóanyag leadáshoz, különböző struktúrákkal Előállítás: dupla emulzió – szolvent evaporáció Particle Size Distribution
12 Volume (%)
10 8 6 4 2 0 0.01
0.1
1
10
100
1000
3000
Particle Size (µm) 16/14g, 2006. március 24. 13:29:51
Szivacsos szerkezetű részecskék Mátrix szerkezetű részecskék Pannon Egyetem MIK MÜKKI - MTA KK AKI Funkcionális Nanorészecskék Kutatólaboratórium
40
PLGA nanogömbök szabályozott fehérje hatóanyag leadáshoz Előállítás: dupla emulzió – szolvent evaporáció Particle Size Distribution
Volume (%)
12 10 8 6 4 2 0 0.01
0.1
1
10
100
1000
3000
Particle Size (µm) 19/45g, 2006. március 24. 13:04:13
Átlagos méret: ~180 nm
Agglomerált részecskék Pannon Egyetem MIK MÜKKI - MTA KK AKI Funkcionális Nanorészecskék Kutatólaboratórium
41
Termikus plazmában előállított Al2O3 mikrogömbök MTA Kémiai Kutatóközpont AKI
100 µm 10 µm
42
Mágneses cink-ferrit nanogömbök ZnO felületi réteggel Előállítása: termikus plazmában
ZnO 0.15 nm
MTA Kémiai Kutatóközpont AKI
ZnFe2O4 100 nm
ZnO 1.2 nm
42 nm
Zn0.4Fe2.6O4 43
Karbon nanogömbök felületi nanostruktúrával Előállítás: etilén katalitikus pirolízise és gőz kondenzáció: gázfázisú szintézis Léptékvonal: 20 µm Jian-Ying Miao et al., Carbon 42 (2004) 813–822
44
Informatikai és elektronikai vonatkozások A nano- és mikron méretű részecskék előállítása szoros kapcsolatban lehet az ú.n. molekuláris elektronikával (Molecular electronics). Ez az irányzat abból az ötletből fakadt, hogy „… állítsunk elő olyan teljesen működőképes (funkcionális) elektronikus eszközöket, amelyeknek a mérete megegyezik egy molekula méretével,” „… és probáljuk meg elérni ezeknél a mai mikroelektronikai elemeknél jóval kisebb eszközöknek sorozatgyártásra alkalmas technikai megvalósítását.” Alkalmazás célok: Az egyik cél az lehet, hogy igen nagy mennyiségű adatot tárolhassunk egy nagyon kis méretű eszközben. Egy másik ilyen cél: fejlesszünk ki szerves anyagokból álló tranzisztorokat. A funkcionális nanorészecskék előállítása felülről közelíti meg ezt a célt. 45
Fém fotonikus nanokristályok, nanogömbök Az ú.n. quantum dot v. qdot (kvantum pont?) egy félvezető struktúra ami az elektronok mozgását a tér három irányában szabályozhatja (megengedi v. korlátozza). Ezek általában 2 - 10 nanométer méretűek (10 - 50 atomnyi átmérő) A képen egy köpeny-mag szerkezetű félvezető nanokristály látható (anyaga pl. CdSe mag, ZnS köpeny) Alkalmazások: Telekommunicáció, optikai csatolások, szenzorok és félvezető eszközök Zhang,Sun, Friend: Metallic Photonic Crystals Based on Solution-Processible Gold Nanoparticles. Nano Lett., 6 (4), 651 -655, 2006. 46
Rendezett kvantumpontok N. Seeman és K. Musier-Forsyth 2 nm nagyságú részecskéket rendeztek el egy szilicium rácson. Ennek egyik prototípusa: arany nanorészecskék, melyekkel „egy elektron átmenetű” memoriacella valósítható meg. http://www.ece.umn.edu/users/kiehl/#research-interest
A félvezető „kvantum pontok” sokasága általában kolloid szintézissel állítható elő. (pl. kolloid méretű csapadékképzés, átalakítás) Másik lehetőség: pirolitikus szintézis (például plazma technika) 47
Újabban: mágneses és félvezető nanodrótok előállítása vírusok segítségével: Ezeket az objektumokat ZnS, CdS, CoPt és FePt nanokristályok lineáris vírusokra történő lecsapatásával állították elő. Ch. Mao et al: „Virus-Based Toolkit for the Directed Synthesis of Magnetic and Semiconducting Nanowires” Science, 303 (5655) 2004, pp. 213 – 217
Richard Kiehl (University of Minnnesota) írta az első olyan cikket, amiben nanodrótok DNS segítségével történő előállítását tárgyalják. 48
Felvételek informatikai és elektronikai célú nanorészecskékről
Felületi félvezető [CdTe(S)] nanokristály réteggel burkolt, lumineszkáló PS (polisztirol) latex nanogömbök Mag/köpeny architektúra - a nano/mikrogömbökön felületi nanostruktúra figyelhető meg Előállítás: polielektrolitból történő rácsapatás A.S. Susha et al., Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering 49 Aspects 163 (2000) 39–44
Nanoszerkezetű kompozit szilikagél/TiO2 mikrogömbök (a) (b) és (c) – közeli SEM felvételek a bevonás előtt és TiO2 réteggel mikrolézerek, mikroszenzorok, fotonikus kristályok Előállítás: szól-gél reakció Léptékvonal: 2,5 µm M. Haraguchi et al., Surface Science 548 (2004) 59–66
50
Előállitási módszerek: SESE, SESD, SESX szimpla emulziós módszerek Polimer oldat (szerves oldószer) + hatóanyag o/w emulzió
Gyakran: higítás
Stabilizátor, emulgeátor vizes oldata
Oldószer eltávolítás a diszperz fázisból
diffúzió + elpárologtatás extrakció
Elválasztás centrifugálás, mosás, szárítás liofilezés
51
Előállitási módszerek: SESE, SESD, SESX szimpla emulziós módszerek oldószer eltávolítás
Polimer oldat cseppjei (szerves oldószerben oldott hatóanyag) Emulgeátor, stabilizátor vizes oldata o/w olaj a vízben emulzió 52
DESE, DESD, DESX dupla emulziós módszerek Polimer oldat (szerves oldószer)
A hatóanyag vizes oldata, szuszpenziója
Külső vizes fázis, emulgeátor w/o emulzió, vagy s/w/o szuszpenzió
w/o/w dupla emulzió, vagy (s/w)/o/w
Gyakran: higítás az oldószereltávolítás teljessé tételére
Oldószer eltávolítás a középső diszperz fázisból
diffúzió + elpárologtatás extrakció
Elválasztás: centrifugálás, mosás, szárítás: liofilezés
53
DESE, DESD, DESX dupla emulziós módszerek oldószer eltávolítás
Vizes hatóanyag oldat kisebb cseppjeit tartalmazó, szerves oldószerben oldott polimer cseppek Emulgeátor, stabilizátor vizes oldata w/o/w - víz az olajban primer emulzió vízben diszpergálva
54
Példák kompozit nano/mikrogömbök előállítási módszereire Gázporlasztásos technika - különböző struktúrák
55
COAC – koacerváció vagy fázisszeparáció (a SESD szimpla emulziós módszer speciális változata) Polimer hordozó oldat szerves oldószerben (+ hidrofób hatóanyag) Hidrofíl hatóanyag vizes oldata, vagy hidrofíl hatóanyag vizes szuszpenziója
A fázisok közötti diffúzió következtében az ú.n. koacervátum fázis kiválása a szerves fázisból a diszperz fázis felületén
A vizes fázis diszpergálása a szerves fázisban
vagy-vagy A szerves fázis diszpergálása a vizes fázisban
A mikrogömbök megszilárdítása egy második, non-szolvens oldószerrel való higítással
w/o emulzió v. s/w/o emulzió
vagy-vagy o/w emulzió
Elválasztás centrifugálás, mosás, szárítás liofilezés 56
Példák kompozit nano/mikrogömbök előállítási módszereire
Nanorészecskék előállítása a Kawashima-féle módosított SESD (szimpla emulziós – szolvent diffúziós) spontán emulziós módszerrel 1. PLGA aceton-alkoholos elegyes oldatának diszpergálása vizes PVA oldatban (o/w típusú emulzió) 2. Az alkohol kidiffundálása a külső vizes fázisba 3. Az aceton kidiffundálása a külső vizes fázisba, a PVA koacervációja a részecskék felületén 4. A PLGA koacervációja a nanocseppek belsejében 5. Teljes megszilárdulás H. Murakami et al., Powder Technology 107 2000 137–143
57
SPO – szuszpenziós polimerizációs és térhálósító módszerek A hatóanyag oldása vagy diszpergálása a polimer prekurzorban, vagy térhálósítandó polimerben (gél v. paszta)
Polimerizáció - a polimerizáció beindítása (iniciátor, sugárzás) a diszpergált fázisban
vagy-vagy Térhálósítás - a diszpergált fázis érintkeztetése a térhálósító ágenssel
Az esetleges kompozitalkotó szilárd részecskék hozzákeverése
Diszpergálás (vagy porlasztás, extrúdálás) egy folytonos fázisban o/w, s/o/w, o/o emulzió, vagy szuszpenzió
Elválasztás centrifugálás, mosás, szárítás liofilezés
Hatóanyag esetleges utólagos rögzítése a mikrogömb mátrixában
58
ASP – antiszolvens precipitáció A polimer feloldása vizes oldatban és/vagy szerves oldószerben A hatóanyag feloldása vizes oldatban és/vagy szerves oldószerben
Kicsapószer hozzáadása az emulzióhoz
vagy az emulzió hozzáadása a kicsapószerhez
A két oldat elegyítése egy oldattá
Koaguláció és az oldószer eltávolítása
Diszpergálás egy nem elegyedő Oldószerben (vagy kicsapószerben)
Elválasztás centrifugálás, mosás, szárítás liofilezés
59
Pilot léptékű RF plazma reaktor nanogömbök előállításához – MTA KK AKI Plazma gáz (Ar, He)
Prekurzorok
védőgáz, reeagens
Véggázok
TEKNA PL-35 torch TRIAX 550 spektrometer +
Száloptika
CCD detektor
Reaktor
PC
Ciklon
60
Összefoglalás Az anyag definíciót és áttekintést adott a funkcionális részecskékről. Vázoltuk az ezzel kapcsolatos nemzetközi trendeket. Ismertettük az elsősorban a részecskék méretéből és struktúráiból adódó különleges funkcionális viselkedés alapjait, a részecskék fontosabb jellemzőit, főbb típusait. Példákat mutattunk be a funkcionális mikro- és nanorészecskékre (funkcionális kompozit mikro- és nanogömbök). Legsokoldalúbb alkalmazási terület: gyógyszerészet és orvosbiológia, de kiemelkedő szerep jut az elektronikai alkalmazásoknak is. Utaltunk arra, hogy összefüggések állanak fenn a funkcionális tulajdonságok, a részecskék anyaga, struktúrája és az előállítás módszerei között. Kitértünk a részecskemérnökség (particle engineering) szerepére a részecskék megtervezésében és létrehozásában. Bemutattunk néhány fontos előállítási módszert. Mindezekkel azt kívántuk érzékeltetni, hogy ez a szakterület egyre fontosabb szerepet fog betölteni a technológia fejlődésében és eredményeinek alkalmazásában.
61
