Определение объёмной фракции наночастиц в оболочке нанокомпозитных микрокапсул

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Создание композитных микрокапсул

1.1 Теоретическая часть

1.2 Алгоритм создания микрокапсул

1.3 Структура слоёв микрокапсул

2. Вычисление объёмной фракции наночастиц в оболочке микрокапсул

2.1 Расчёт толщины оболочек

2.2 Определение размера частиц содержащихся в оболочке микрокапсулы

2.3 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.

1. Соединение препарата с другими химическими структурами может привести к изменению его свойств и снижению эффективности.

2. 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.

1. Создание устойчивой микрокапсулы и исследование её свойств и особенностей.

2. Способ адресной доставки капсулы к очагу заболевания.

3. 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

1.1 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

1. Микрочастицы полистирола залить раствором соответствующего полиэлектролита до максимального объёма центрифужной микропробирки.

2. Установить микропробирку в ротор центрифуги-миксера.

3. Включить режим перемешивания (амплитуда - 6 ступень, длительность - 30 мин.).

4. Встряхнуть содержимое микропробирки в течение 10 минут.

5. Центрифугировать полученную суспензию в течение 1 минуты. (режим 6000 об/мин).

6. Отобрать жидкую фазу из пробирки микропипеткой.

7. Заполнить микропробирку с микрочастицами дистиллированной водой до максимального объёма.

8. Взболтать содержимое для ресуспензирования ядер.

9. Отцентрифугировать при тех же параметрах.

10. Повторить операции по п. 5-9 три раза.

11. Согласно п. 1-10 адсорбировать следующий слой противоположно заряженного полиэлектролита с последующей промывкой дистиллированной водой. Нанести, таким образом, 14 слоёв полиионных макромолекул

12. Заполнить микропробирку 0.2 М раствором ЭДТА.

13. Повторить операции по п. 2-3 данной инструкции.

14. Встряхивать содержимое микропробирки в течение 15 мин.

15. Повторить операции по п. 2-3 и 14 инструкции ещё раз.

16. Центрифугировать полученную суспензию микрокапсул в течение 3 минут (7000 об/мин).

17. Отобрать жидкость микропипеткой.

18. Промыть суспензию капсул три раза деионизированной водой (центрифугирование 3 мин при 7000 об/мин). Для этого повторить п. 10.

19. 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

2. PSS

3. PAH

4. PSS

5. PAH

6. F₃3O₄

7. PAH

8. F₃3O₄

9. PAH

10. F₃3O₄

11. PAH

12. F₃3O₄

13. PAH

14. 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 Д=д(N-n)=2*(14-4)=20. В исследуемых микрокапсулах толщина оболочки (d), даваемая наночастицами, равна d-Д. С учётом того, что d<<D можем считать объём оболочки как произведение её площади (4рrІ) на толщину. Таким образом, получаем объёмную фракцию магнетита равную f = (d-Д)/d = 1-Д/d = 1-д(N-n)/n. Объём магнетита получается равен рDІ(d-Д).

2.1 Расчёт толщины оболочек

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.

Средняя толщина оболочки первого образца равна 40.475 нм.

Рис. №4. Атомно-силовое изображение второго образца микрокапсул.

Результаты обработки капсул второго образца.

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.

2.3 Расчёт объёмной фракции наночастиц в оболочке нанокомпозитных микрокапсул

Пользуясь выше описанной моделью и выведенной формулой f = рDІ(d-Д),

Просчитаем объёмную фракцию для первого и второго образцов и получим результаты.

F(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

1. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

9. 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

11. http://readtiger.com/wkp/ru/Просвечивающий_электронный_микроскоп

Размещено на Allbest.ru