Определение объёмной фракции наночастиц в оболочке нанокомпозитных микрокапсул
Содержание
Введение
. Создание
композитных микрокапсул
.1 Теоретическая
часть
.2 Алгоритм
создания микрокапсул
.3 Структура
слоёв микрокапсул
. Вычисление объёмной фракции
наночастиц в оболочке микрокапсул
.1
Расчёт толщины оболочек
.2
Определение размера частиц содержащихся в оболочке микрокапсулы
.3
Расчёт объёмной фракции наночастиц в оболочке микрокапсул
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Двадцать первый век по умолчанию считается веком
развития медицины, постоянно ведётся разработка новых лекарств, способов и
методик лечения. Одной из важнейших проблем данной области являются раковые
заболевания. В данный момент разработан ряд препаратов способных справится с
данными заболеваниями, эти лекарственные соединения делятся на два типа:
препараты первого поколения, являющиеся высокотоксичными, и второго поколения
малотоксичные, но дорогостоящие.
В данный момент, постоянно ведется разработка
адресных методов доставки биологически активных веществ и лекарственных
соединений, и уже обнаружено два решения данной задачи.
Первый способ это химическая модификация или
селекция препарата, позволяющая ему останавливаться в очаге заболевания. Но
данная методика имеет несколько недостатков.
. Соединение препарата с другими
химическими структурами может привести к изменению его свойств и снижению
эффективности.
. Такие соединения должны постоянно
тестироваться, и подбираться индивидуально для каждого пациента.
Второй способ это создание нанокомпозитных
микрокапсул. Микрокапсулы позволяют переносить препарат, не изменяя его
химических свойств и эффективности. Микрокапсула обладает постоянным составом и
свойствами, что позволяет наполнять её любым препаратом, не проводя
дополнительных исследований.
Естественным выбором решения данной проблемы
является создание микрокапсул. Данная проблема разделена не несколько этапов.
. Создание устойчивой микрокапсулы и
исследование её свойств и особенностей.
. Способ адресной доставки капсулы к
очагу заболевания.
. Способ вскрытия капсул и высвобождение
её содержимого.
В данной работе будет представлено решение одной
из задач первого этапа. А именно создание нанокомпозитных капсул чувствительных
к переменному магнитному полю и измерение объёмной фракции частиц в оболочке
нанокомпозитных микрокапсул.
Создание нанокомпозитных микрокапсул
чувствительных к переменному магнитному полю, обусловлено решение таких задач
как, адресная доставка препарата к очагу заболевания и высвобождение полезного
содержимого данных капсул.
1. Создание
микрокапсул
.1 Теоретическая
часть
Способы создания микрокапсул известны уже
довольно давно.
Рис. 1. Схема, иллюстрирующая процесс
приготовления полиэлектролитных микрокапсул: а) _ адсорбция первого слоя
полиэлектролита на ядра, б) _ адсорбция полиэлектролита с зарядом
противоположного знака, в)-г) _ формирование оболочки с заданным числом слоев,
д) _ растворение ядра, е) _готовая полиэлектролитная микрокапсула
В 90-х годах прошлого столетия для формирования
организованных полислойных структур был успешно применен метод полиионной
самосборки. Данный подход основан на последовательной адсорбции макромолекул
противоположно заряженных полиэлектролитов из водных растворовна плоскую
поверхность. [3-4] Аналогичным образом подобные полиэлек-тролитные покрытия могут
быть нанесены на поверхность нано- и микроча-стиц. После формирования
полиэлектролитной оболочки ядро может быть удалено с образованием полой
микрокапсулы. Именно с капсулами полученными таким способом, и проводились
дальнейшие работы.
1.2 Алгоритм
создания микрокапсул
. Микрочастицы полистирола залить
раствором соответствующего полиэлектролита до максимального объёма центрифужной
микропробирки.
. Установить микропробирку в ротор
центрифуги-миксера.
. Включить режим перемешивания (амплитуда
- 6 ступень, длительность - 30 мин.).
. Встряхнуть содержимое микропробирки в
течение 10 минут.
. Центрифугировать полученную суспензию в
течение 1 минуты. (режим 6000 об/мин).
. Отобрать жидкую фазу из пробирки
микропипеткой.
. Заполнить микропробирку с микрочастицами
дистиллированной водой до максимального объёма.
. Взболтать содержимое для
ресуспензирования ядер.
. Отцентрифугировать при тех же
параметрах.
. Повторить операции по п. 5-9 три раза.
. Согласно п. 1-10 адсорбировать
следующий слой противоположно заряженного полиэлектролита с последующей
промывкой дистиллированной водой. Нанести, таким образом, 14 слоёв полиионных
макромолекул
. Заполнить микропробирку 0.2 М раствором
ЭДТА.
. Повторить операции по п. 2-3 данной
инструкции.
. Встряхивать содержимое микропробирки в
течение 15 мин.
. Повторить операции по п. 2-3 и 14
инструкции ещё раз.
. Центрифугировать полученную суспензию
микрокапсул в течение 3 минут (7000 об/мин).
. Отобрать жидкость микропипеткой.
. Промыть суспензию капсул три раза
деионизированной водой (центрифугирование 3 мин при 7000 об/мин). Для этого
повторить п. 10.
. Нанести микропипеткой каплю полученной
суспензии на предметное стекло и исследовать полученные микрочастицы под
микроскопом. Оценить концентрацию, форму, размер и степень Агрегации.
1.3 Структура
слоёв микрокапсул
В данной работе рассматривалось два вида капсул,
их главное отличие в размерах частиц содержащихся в растворе магнетита. Другие
компоненты: полистерольные ядра, полиаллиламин гидрохлорид (PAH),
полистиролсульфат натрия (PSS),
дистиллированная вода.
Данные микрокапсулы состоят из 14 различных
слоёв:
1. PAH
. PSS
. PAH
. PSS
. PAH
. F33O4
. PAH
. F33O4
. PAH
. F33O4
. PAH
. F33O4
13. PAH
. PSS.
2. Вычисление
объёмной фракции наночастиц в оболочке нанокомпозитных микрокапсул
Была разработана модель, позволяющая просчитать
объёмную фракцию магнетита в микрокапсулах. Для этого рассчитаем толщину
оболочки (d) и диаметр ядер (D).
Учтём, что для микрокапсул диаметром 5, 10 и 20 нм, адсорбированных поверх
полиэлектролита толщина слоя равна 2 нм. Слоёв у нас всего N=14, из них n=4
слоёв оксида железа (F33O4).
Из выше перечисленного следует, что вклад толщины полимера равен Δ=δ(N-n)=2*(14-4)=20.
В исследуемых микрокапсулах толщина оболочки (d),
даваемая наночастицами, равна d-Δ. С
учётом того, что d<<D можем считать объём оболочки как произведение её
площади (4πr²) на толщину. Таким
образом, получаем объёмную фракцию магнетита равную f
= (d-Δ)/d = 1-Δ/d = 1-δ(N-n)/n. Объём
магнетита получается равен πD²(d-Δ).
Решение этой задачи делится на два этапа:
получение изображений методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) и обработка
полученных изображений.
Атомно-силовая микроскопия - один из видов
сканирующей зондовой микроскопии, основанный на ван-дер-ваальсовских
взаимодействиях зонда с поверхностью образца. Принцип действия атомного
силового микроскопа (АСМ) основан на использовании сил атомных связей,
действующих между атомами вещества. На малых расстояниях между двумя атомами
действуют силы отталкивания, а на больших - силы притяжения. Совершенно
аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В сканирующем
атомном силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и
скользящее над нею острие. Обычно в приборе в качестве зонда используется игла
с площадью острия в один или несколько атомов, закрепленная на кантилевере,
который плавно скользит над поверхностью образца. На выступающем конце
кантилевера (над шипом) расположена зеркальная площадка, на которую падает и от
которой отражается луч лазера. Когда зонд опускается и поднимается на
неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение
регистрируется фотодетектором, а сила, с которой шип притягивается к
близлежащим атомам - пьезодатчиком. Данные фотодетектора и пьезодатчика
используются в системе обратной связи, которая может обеспечивать, например,
постоянную величину силу взаимодействия между микрозондом и поверхностью
образца. В результате, можно строить объёмный рельеф поверхности образца в
режиме реального времени. Разрешающая способность данного метода составляет
примерно 0,1-1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали. [9]
Рис. №2. Схема работы
атомно-силового микроскопа.[10]
На атомно-силовом микроскопе фирмы NTRGRA
. Был получен ряд изображений, в последствие обработанный методом цветового
контраста и получены данные результаты. Обсчёт производится по трем точкам, в
последствие выводится среднее арифметическое значение. Так же следует
учитывать, что полученную величину следует делить пополам, так как АСМ
изображение удваивает толщину.
Рис. №3. Атомно-силовое изображение
первого образца микрокапсул.
Результаты обработки капсул первого образца.
Height2
|
78,5
|
50,3
|
55,8
|
58
|
60,65
|
Height3
|
56,7
|
61,3
|
58,7
|
68
|
61,175
|
Height5
|
76,9
|
77,5
|
66,9
|
60,8
|
70,525
|
Height9
|
60,5
|
88,3
|
125,2
|
59,3
|
83,325
|
Height11
|
50,6
|
69,4
|
66,5
|
95,5
|
70,5
|
Height15
|
60,1
|
56,4
|
110
|
59,4
|
71,475
|
Height17
|
60,7
|
73,2
|
65,6
|
98,8
|
74,575
|
Height19
|
60,8
|
70,2
|
77,2
|
110,9
|
79,775
|
Height21
|
56,3
|
67,2
|
92,7
|
64,1
|
70,075
|
Height23
|
81,4
|
83,3
|
105,3
|
56,3
|
81,575
|
Height27
|
89,4
|
76,4
|
76,9
|
81,9
|
Height31
|
83
|
87
|
86
|
100
|
89
|
Height37
|
103
|
66
|
83,5
|
95,9
|
87,1
|
Height39
|
63,8
|
68,5
|
83,9
|
71,4
|
71,9
|
Height41
|
119
|
114,4
|
106,3
|
96,5
|
109,05
|
Height45
|
73,5
|
109,1
|
82,1
|
70
|
83,675
|
Height47
|
123
|
86
|
104,7
|
83,6
|
99,325
|
Height49
|
109
|
99,3
|
98,4
|
95,3
|
100,5
|
Height51
|
90,7
|
98,3
|
100,8
|
77,3
|
91,775
|
Средняя толщина оболочки первого образца равна
40.475 нм.
Рис. №4. Атомно-силовое изображение
второго образца микрокапсул.
Результаты обработки капсул второго образца.
Height3
|
59,2
|
61,9
|
|
|
60,55
|
Height9
|
85,7
|
85
|
65,5
|
|
78,7333333
|
Height15
|
91,3
|
95,4
|
82,5
|
83
|
88,05
|
82,3
|
76
|
76,5
|
67,2
|
75,5
|
Height21
|
94,2
|
92,3
|
88
|
94,1
|
92,15
|
Height29
|
95
|
80
|
98
|
90
|
90,75
|
Height37
|
99,5
|
93,5
|
90,6
|
94,4
|
94,5
|
Height51
|
106
|
122
|
140
|
94
|
115,5
|
Средняя толщина оболочки второго образца равна
44,983 нм.
композитный микрокапсула наночастица
оболочка
2.2 Определение
размера частиц содержащихся в оболочке микрокапсулы
Методом просвечивающей электронной микроскопии
получают изображения исследуемых образцов. Просвечивающая (трансмиссионная)
электронная микроскопия (ПЭМ) - это один из видов сканирующей микроскопии, в
которой изображение от ультратонкого образца (толщиной порядка 0,1 мкм)
формируется в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца с
последующим увеличением магнитными линзами (объектив) и регистрацией на
флуоресцентном экране, фотоплёнке или сенсорном приборе с зарядовой связью
(ПЗС-матрице). [11]
Используя полученные изображения и
воспользовавшись программным обеспечением ImageJ,
производится обработка, целью которой является определение среднего размера
частиц содержащихся в каждом образце.
Рис. № 5. Изображение, полученное от
первого образца методом просвечивающей электронной микроскопии.
Для первого образца средний размер частиц равен
7,6859 нм.
Рис. № 6. Изображение, полученное от
первого образца методом просвечивающей электронной микроскопии.
Для второго образца средний размер частиц равен
7.125 нм.
.3 Расчёт
объёмной фракции наночастиц в оболочке нанокомпозитных микрокапсул
Пользуясь выше описанной моделью и выведенной
формулой f = πD²(d-Δ),
Просчитаем объёмную фракцию для первого и
второго образцов и получим результаты.
(первого образца) = 3.14*7.69592*(40.475-20)=3807.7848
F(второго образца) =
3.14*7.1252*(44.982-20)=3982.2323
Заключение
Цель, поставленная изначально достигнута,
разработан алгоритм создания композитных микрокапсул и созданы опытные образцы.
Кроме того создана и опробована модель расчёта объёмной фракции наночастиц в
оболочке нанокомпозитных микрокапсул, произведён расчёт для полученных образцов
и получены результаты.
Список использованной
литературы
. Remote control over guidance
and release properties of composite polyelectrolyte based capsules /M. N.
Antipina , G.B. Sukhorukov // Crown Copyright © 2011 Elsevier B.V. All rights
reserved. 2011. Pp.716-729.
2. Формирование и физико-химические
свойства полиэлектролитных и нанокомпозитных
микрокапсул / О. А. Иноземцева, С. А. Портнов, Т.
А. Колесникова, Д. А. Горин // Российские нанотехнологии. 2007.
Т.
2, № 9-10.С. 68-80.
3. Magnetic/gold nanoparticle
functionalized biocompatible microcapsuleswith sensitivity to laser irradiation
/ D. A. Gorin, S. A. Portnov, O. A. Inozemtseva et al. // Phys. Chem. Chem.
Phys.2008._ Vol. 10. Pp. 6899-6905.
. Ultrathin polymer coatings by
complexation of polyelectrolytes at interfaces: Suitable materials, structure
and properties. feature article. / P. Bertrand, A. Jonas, A. Laschewsky, R.
Legras // Macromol. Rapid Commun. 2000.Vol. 21.Pp. 319-348.
. Stepwise polyelectrolyte
assembly on particle surfaces: a novel approach to colloid design / G. B.
Sukhorukov, E. Donath, S. Davis et al. // Polymers for Advanced Technologies.
1998. Vol. 9. Pp. 759-767.
. M¨ohwald,
H. From langmuir monolayers to nanocapsules / H. MЁohwald
// Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2000.
Vol. 171. Pp. 25-31.
7.Основы сканирующей зондовой
микроскопии / В. Л. Миронов // Российская
академия наук институт физики микроструктур. 2004
г. .
8. Физика-химия наноструктурированных
материалов. / Б.Н. Климов, С.Н. Штыков, Д.а. Горин и др. / Под ред. Б.Н.
Климов, С.Н. Штыков. - Саратов: 2009г.
. http://www.ckpgene.ru/left/atomno-silovaya_mikroskopiya/
10.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%EA%E0%ED%E8%F0%F3%FE%F9%E8%E9_%E0%F2%EE%EC%
ED%EE 11.%F1%E8%EB%EE%E2%EE%E9_%EC%E8%EA%F0%EE%F1%EA%EE%EF
. http://readtiger.com/wkp/ru/Просвечивающий_электронный_микроскоп