Определение объёмной фракции наночастиц в оболочке нанокомпозитных микрокапсул

Алгоритм создания композитных микрокапсул и структура их слоев. Вычисление объёмной фракции наночастиц в оболочке микрокапсул. Расчёт толщины оболочек и определение размера частиц, содержащихся в них методом просвечивающей электронной микроскопии.

Рубрика Химия
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 20.05.2014
Размер файла 1,6 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

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.

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

84,9

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

Height17

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.

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


Подобные документы

  • Общая характеристика нанокомпозитных материалов: анализ метафизических свойств, основные сферы применения. Рассмотрение особенностей метаматериалов, способы создания. Знакомство с физическими, электронными и фотофизическими свойствами наночастиц.

    реферат [1,1 M], добавлен 27.09.2013

  • Подбор оптимального метода количественного определения железа (III) в магнетитсодержащих контейнерах для направленной доставки лекарств. Характеристики полиэлектролитных микрокапсул и магнитоуправляемых липосом, содержащих наночастицы магнетита.

    дипломная работа [887,1 K], добавлен 13.07.2015

  • Влияние избытка поверхностной энергии на адгезионное взаимодействие наночастиц. Адсорбционный монослой ПАВ. Локальная концентрация и образование островковой наноразмерной структуры. Влияние ПАВ на поверхностные силы и устойчивость лиофобных наносистем.

    контрольная работа [284,0 K], добавлен 17.02.2011

  • Общие сведения о методах получения наночастиц. Основные процессы криохимической нанотехнологии. Приготовление и диспергирование растворов. Биохимические методы получения наноматериалов. Замораживание жидких капель. Сверхзвуковое истечение газов из сопла.

    курсовая работа [2,9 M], добавлен 21.11.2010

  • Свойства и классификация наночастиц: нанокластеры и собственно наночастицы. Культуры клеток, используемые для изучения токсичности in vitro: карциномы легкого, амниона и лимфоцитов человека, кардиомиоцитов крыс. Изучение цитотоксичности наноматериалов.

    курсовая работа [889,7 K], добавлен 14.05.2014

  • Поли-3,4-этилендиокситиофен: синтез и электрохимические свойства. Структура и электрохимические свойства композитных пленок с включениями частиц золота. Получение композитных материалов на основе пленок PEDOT с включениями частиц дисперсного золота.

    дипломная работа [6,0 M], добавлен 10.11.2011

  • Характеристика наночастиц серебра. Влияние их на жизнеспособность лимфоцитов человека по результатам МТТ-теста. Культуры клеток, используемые для изучения токсичности in vitro. Изучение цитотоксичности наноматериалов в культурах клеток млекопитающих.

    курсовая работа [1,0 M], добавлен 04.05.2014

  • Закономерности формирования нанофазы в растворе. Методика приготовления катализаторов. Методика приготовления наночастиц палладия, стабилизированных в ультратонких слоях хитозана, нанесенных на окись алюминия. Физико-химические свойства нанокомпозитов.

    дипломная работа [2,9 M], добавлен 04.12.2014

  • Особенности получения наночастиц серебра методом химического восстановления в растворах. Принцип радиационно-химического восстановления ионов металлов в водных растворах. Образование золей металла. Изучение влияния рН на величину плазмонного пика.

    курсовая работа [270,7 K], добавлен 11.12.2008

  • Устойчивые дисперсии металлических наночастиц. Получение наноразмерных частиц серебра в изопропаноле с использованием в качестве стабилизатора разветвлённого полиэфира Лапрол-5003. Фотостимулированная агрегация, коагуляция золя под действием электролитов.

    дипломная работа [659,0 K], добавлен 24.09.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.