1

Funkcionális szilárd kompozitrészecskék és alkalmazásaik

Gyenis János

PE MIK MÜKKI – MTA KK AKI Funkcionális Nanorészecskék Kutatólaboratórium

Pannon Egyetem2006. november 10.

2

TartalomFunkcionális anyagokról és részecskékről általábanA funkcionális viselkedés alapjai, példákNemzetközi trendekLegfontosabb funkciók

Jellemzőik, típusaik, struktúráik

Részecskemérnökség (particle engineering)

Példák különböző funkcionális (kompozit) nano/mikrogömbökre és alkalmazási lehetőségekre

Előállítási módszerek

Összefoglalás

3

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, vagyisműködnek, 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.

4

A különleges funkcionális viselkedés alapjaiAz anyagok viselkedésében a felületi tulajdonságok meghatározószerepet töltenek be. Egy példa a természetből:

A lótusz növény levelei: öntisztuló és vízlepergetőképesség:Magyarázat: a levél felszínének mikroszkopikus struktúrája (mikronos és nanométer nagyságústrukturális elemek)Alapstruktúra: 5-10µm Ezek felületén másodlagos finom struktúra: akár 10 nm körüli méretek

természetes

mesterségesstruktúra

Az ú.n. lótusz-hatás: (W. Barthlott 1990-es évek)a nanorészecskék/nanostruktúra különleges viselkedése és ennek hasznosításaA technika tanult a természetből.

5

A különleges funkcionális viselkedés alapjaiBizonyos funkciók betöltésében a részecskék méretének kitüntetett fontossága van. Ennek okai:

Az anyagi részecskék bizonyos határon túli (1-10 nm alá) történőméretcsökkentése 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)

6

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 számánakvagy a tárolható információ mennyiségének több nagyságrenddel történő növekedését okozza.

Optikai tulajdonságok, szín, színhatás megváltozása.

Határfelületi tulajdonságok megváltozása.

7

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 létrenem fakulnak: a színhatások a részecskék méretének és nem a kémiai összetételnek a következménye (pl. a lepkék ragyogószínárnyalatai és mintázata)

A környezet megtisztítására alkalmas, igen aktív katalizátorokhozhatók létre.

„Smart bombs” („ügyes bombák”) bizonyos rákos sejtek vagy fertőzőbaktériumok spórák célzott elpusztítására alkalmazhatók,

Biológiailag vagy kémiailag szennyezett területek megtisztítása

Kiválóan működnek peptidek, protein és DNA célzott bevitele során.

8

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.

www.wired.com/news/medtech/0,1286,68683,00.html

FélszilárdKészítmények,púder Nano-

részecskéket tartalmazószájrúzs

9

További példák funkcionális részecskékreA legrégebbi funkcionális mikro- és nanorészecskék: maguk az élősejtek 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 gyógyszer-hatóanyagokat 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.

10

Nemzetközi trendekFontosságát mutatja: külön folyóiratok, internetes fórumok.A témakörben sok rangos nemzetközi konferenciát szerveznekPACIFICHEM 2005, USA, Honolulu - külön szekció:Functional Polymer Particles and Particle Assemblies

PARTICLES 2005, USA, San Francisco August 13-16, 2005

Elvi megállapítások:A funkcionális részecskék új korszakot nyitottak a nano- és mikrorészecskék felfedezésében és alkalmazásuk területén …„„A funkcionalitás elsősorban a részecskék méretéből, az összetevőkomponensek anyagából, azok arányaiból, a felületi textúrából, a részecskék morfológiájából és a felépítési sorrendből következik.”

Fontosabb témakörök:Nanorészecskék tervezése (Nanoparticle design)

Nanorészecskék felületi hatásai veszélyes kémiai anyagok megsemmisítésében (Chemical detoxification)

Nanomérnökség (Nanoengineering) gyógyszerleadó rendszerek (Drug delivery systems) létrehozásában.

11

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, NémetországWISA projekt: 3 intézet összefogása mikrostruktúrával rendelkezőkompozit részecskék előállítására és alkalmazásáramikrokapszulázás (FG IAP), kompozit részecskék előállítása szuperkritikus oldószerből (FG ICT), megtervezett funkciójúrészecskék előállítása (FG UMSICHT)

University of New Mexico, USA – NSF projekt: NanostructuralEngineering of Complex Functional Particles - nanomérnökségNFM (Nano Functional Materials) Industrial Companies, Izrael: 13 innovativ vállalat konzorciuma funkcionális nanorészecskékkutatására, fejlesztésére és gyártásáraTerületek: 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 (!!!)

12

Legfontosabb funkciókImmunizáció(vakcinák, antigének)

Biokatalizátorok(enzim) hordozói

Antivirális szerek Finomvegyszerek,reagensek

Hormon bevitel

Receptor blokkolók

Katalizátorok

Kerámiai anyagokRákellenes gyógyszerek

Antibiotikumok Adszorbensek

Protein (interferon, inzulin) hordozók

Allergiaellenesgyógyszerek

Elektronikai anyagokSzenzorok

DNS és gén terápia Vitaminok, enzimek, enzim inhibitorok

AnyagmérnökségPorkohászat

Élő sejtek(őssejtek)

Növekedési faktorokés vázanyag bevitel (csontátültetés)

Ioncserélők,kromatográfiai anyagok

Gyógyszer hordozórészecskék általában (injekciók, implantátumok, aeroszolok, szilárd & félszilárdformák)

13

Kompozit mikro/nanorészecskék struktúráinak főbb típusai

felületi struktúra funkcionális nyúlványokkal (pl. rögzített enzimek)

funkcionális elemekfelületi struktúrája

réteges (mag/köpeny„shell/core”) felépítés

réteges felépítésvékony felületi filmvédőbevonattal

dendrites struktúramátrix struktúra

14

Nano és mikrorészecskék struktúráinak összefoglalása

Homogén (anyagukban egynemű)nano/mikrogömbök

Mag/köpeny szerkezetűkompozit nano/mikrogömbök

Porózus nano/mikrogömbökKisebb részecskékkel borított mikrogömbök

Felületmódosított nano/mikrogömbök

Üreges mikrogömbök (porózus / nem porózus)

Filmbevonatú nano/mikrogömbökVázszerkezetbe beültetettnano/mikrogömbök

Mátrix struktúrájú nano/mikrogömbök (zárványok)

Agglomerált nano/mikrogömbök(szférikus agglomerátumok)

Poliéderek (vagy whisker-ek):szabályos vagy szabálytalan alakúnano / mikrorészecskék

Agglomerált soklapú nano/mikrorészecskék együttesei(szférikus agglomerátumok)

15

Kompozit nano/mikrorészecskék felépítéseA 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)

16

A leggyakrabban alkalmazott hordozó és bevonó anyagokAlbumin (fehérje) lipidek PLA - politejsavalginát származékok laktóz PLGA poli(tejsav-glikolsav)

avidin (fehérje) PEG - polietilénglikol PMM polimetidilén-malonát

bovin szérum albumin kollagén, zselatin PMMA - polimetakrilátokciklodextrin származékok inulin poli-ortoésztercellulóz származékok PA - polianhidrid PS - polisztirolcukor polikaprolaktám PS/divinilbenzoldextrán származékok fémek PSA - polisebacic-acidKitozán (term. polimer) fémoxidok PVA/poliakrilsavkeményítő kerámia PEEP - polietilénfoszfáthumán szérum albumin viasz szilikon gyantahyaluronan PVB - polivinilbenzol szilikagél, aerosil

poli-karboxi-fenoxi-hexán

polietilénglikol-polilaktid (PELA)

17

Működési kinetika – a hatóanyag leadás sebességeHatóanyag 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 távozóhatóanyag

külső hatásra változó (inzulin) nem jellemző vagy nem ismert

Működési vagy hatóanyag leadási mechanizmusMechanizmus

a részecske teljes feloldódása a hatóanyag deszorpciójaa részecske degradációja és leoldódás

degradáció és kioldódás -diffúzió

leadás a mátrixból vagy pórusokból való diffúzióval(kioldódás /deszorpció)

rögzített hatóanyag vagy aktívanyag (immobilizált enzim, katalizátor, fotokatalizátor)

18

Fontosabb mérettartományok

Részecskeméretalsó nanométer tartomány(néhány nanométertől néhány tíz nanométerig)

alsó mikrométer tartomány(1 mikrontól néhány tíz mikronig)

közepes nanométer tartomány(kb. 100 nm – kb. 500 nm)

közepes mikrométer tartomány(kb. 300-500 mikronig)

felső nanométer tartomány(500 – 1000 nanométer)

felső mikrométer és makro-tartomány (500 mikron felett)

19

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)hőmérsékleteKolloid szintézisnél pl. a túltelítés mértéke és térbeli eloszlása

Gázfázisú szintézisnél a turbulencia, túltelítés, hőmérséklet eloszlás, gáz és prekurzor összetétel

20

A funkcionális tulajdonságok biztosítása: megfelelő struktúra, megfelelő anyagi rendszer és megfelelő előállítási módszer alkalmazásával történhet.A részecskemérnökség általános összefüggései

Előállítási módszerek

és paraméterek

Funkcionális tulajdonságok

Strukturális jellemzők

& morfológia

Anyagok

R E L Á C I Ó K

A relációk megismerése segíthet a megfelelő módszer megtalálásában.

21

Összefüggések az előállítás, a strukturális jellemzők, a funkció, működési kinetika stb. között (szuperstruktúra)

Funkció Anyagi rendszer

Struktúra Méret Működési kinetika

Előállítási módszer

Funkció

Anyagi rendszerStruktúra

Méret

Működési kinetikaElőállítási módszer

al-mátrixok az egyes tulajdonságosztályok elemei közötti kapcsolatokra

22

A leggyakrabban alkalmazott előállítási módszerek

MódszerekSESE - szimpla emulzió/ szolvens evaporáció

DESE - dupla emulzió/ szolvens evaporáció gázfázisú szintézis

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/olajszuszpenzió

szuperkritikus oldószeres módszerek (előállítás, bevonás)

szuszpenzióspolimerizáció

porlasztva szárítás SZB - száraz (mechanikus) bevonás

antiszolvens precipitáció porlasztva fagyasztás plazmareaktor

szférikus agglomeráció extrudálás

23

Az előállítási módszerek tárgyalása előtt nézzünk meg néhány jellemző készítményt

Képgaléria

24

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 mérettelD – sima felületi morfológia (léptékvonal: 150 nm)

R. Kumar et al., Biomaterials 25 (2004) 1771–1777

25

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 módszerLéptékvonal: 20 µm

K. D. Newman et al., Biomaterials 25 (2004) 5763–5771

26

Peptid-gyógyszer tartamú PLGA mikrogömbök felületi és belsőarchitektúrája, 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

27

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 technikaLéptékvonal: 15 µm

P. Elamanchili et al. / Vaccine 22 (2004) 2406 - 2412

28

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

29

Protein gyógyszer bevitelére alkalmas PLA/PLGA mikrogömb

Baloldali ábra: a BSA modelfehérje a magbanJobboldali ábra: a BSA modell fehérje a köpenyben

Előállítás: porlasztva szárításLéptékvonal: 150 µm

N.A. Rahman, E. Mathiowitz, Journal of Controlled Release 94 (2004) 163–175

30

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

31

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

32

Theofillin gyógyszer tartalmú bioadhezív mikrogömbök vízzel történő1 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

33

Szabályozott hatóanyag leadású, riboflavin tartalmú mikroballonokmorfológiája, mely hosszabb ideig is képes a gyomorban maradni:úszik a folyadék felszínén.

Hordozó: hidroxi-metil-cellulóz

Előállítás: o/w emulziós – szolvent diffúziós módszerLéptékvonal: 100 µm

Y. Sato, Journal of Controlled Release 93 (2003) 39 – 47

34

Belül üreges POE/PLGA mikrogömbökszabályozott 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

35

Szférikus agglomerátumok szilikagélnanogömbökből, hierarchikus, átjárhatóporozitással.

Előállítás: porlasztva szárítással

Léptékvonal: 5 µm, elemi nanogömbök: 350 nm

A. Lind et al., Microporous and MesoporousMaterials 66 (2003) 219–227

36

Poli(vinil-acetát - divinil benzol) kopolimer mikrogömbökfelületi 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

Jobboldalt: a magnetit méreteloszlása

37

Célzott gyógyszerhatóanyag(DO-FUdR) bevitelére alkalmasszilárd lipid nanogömbök

A központi idegrendszerre hatógyógyszerrel a nanogömbökképesek 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 Biopharmaceutics54 (2002) 285–290

38

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

39

Dupla emulziós – szolvent evaporációs módszerrel előállított, mátrix szerkezetű PLGA/BSA mikrocseppek / mikrogömbökPannon Egyetem MIK MÜKKI - MTA KK AKI Funkcionális Nanorészecskék Kutatólaboratórium

Méret: 10 - 20 µm

40

PLGA mikrogömbök szabályozott fehérje hatóanyag leadáshoz, különböző struktúrákkal Előállítás: dupla emulzió – szolvent evaporáció

Particle Size Distribution

0.01 0.1 1 10 100 1000 3000 Particle Size (µm)

0

2

4

6

8

10

12

Vol

ume

(%)

16/14g, 2006. március 24. 13:29:51

Mátrix szerkezetű részecskék

Szivacsos szerkezetűrészecskék

Pannon Egyetem MIK MÜKKI - MTA KK AKI Funkcionális Nanorészecskék Kutatólaboratórium

41

PLGA nanogömbök szabályozott fehérje hatóanyag leadáshoz Előállítás: dupla emulzió – szolvent evaporáció

Átlagos méret: ~180 nm

Particle Size Distribution

0.01 0.1 1 10 100 1000 3000 Particle Size (µm)

0

2

4

6

8

10

12

Vol

ume

(%)

19/45g, 2006. március 24. 13:04:13

Agglomerált részecskék

Pannon Egyetem MIK MÜKKI - MTA KK AKI Funkcionális Nanorészecskék Kutatólaboratórium

42

Termikus plazmában előállított Al2O3mikrogömbök

MTA Kémiai Kutatóközpont AKI

100 µm

10 µm

43

100 nm

ZnO0.15 nm

ZnFe2O4

Mágneses cink-ferrit nanogömbök ZnO felületi réteggel

Előállítása: termikus plazmában

MTA Kémiai Kutatóközpont AKI

42 nm

ZnO1.2 nm

Zn0.4Fe2.6O4

44

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

45

A nano- és mikron méretű részecskék előállítása szoros kapcsolatban lehet az ú.n. molekuláris elektronikával (Molecular electronics).

Informatikai és elektronikai vonatkozások

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 tárolhassunkegy nagyon kis méretű eszközben.

Egy másik ilyen cél: fejlesszünk ki szerves anyagokból állótranzisztorokat.

A funkcionális nanorészecskék előállítása felülről közelíti meg ezt a célt.

46

Fém fotonikus nanokristályok, nanogömbökAz ú.n. quantum dot v. qdot(kvantum pont?) egy félvezetőstruktúra ami az elektronok mozgását a tér három irányában szabályozhatja (megengedi v. korlátozza).

Ezek általában 2 - 10 nanométerméretűek (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 félvezetőeszközök

Zhang,Sun, Friend: Metallic Photonic Crystals Based on Solution-ProcessibleGold Nanoparticles. Nano Lett., 6 (4), 651 -655, 2006.

47

N. Seeman és K. Musier-Forsyth2 nm nagyságú részecskéket rendeztek el egy szilicium rácson.

Ennek egyik prototípusa:arany nanorészecskék, melyekkel „egy elektron átmenetű”memoriacella valósítható meg.

Rendezett kvantumpontok

http://www.ece.umn.edu/users/kiehl/#research-interest

A félvezető „kvantum pontok” sokasága általában kolloid szintézisselállítható elő. (pl. kolloid méretű csapadékképzés, átalakítás)

Másik lehetőség: pirolitikus szintézis (például plazma technika)

48

Újabban: mágneses és félvezető nanodrótok előállítása vírusok segítségével:

Ezeket az objektumokatZnS, CdS, CoPt és FePt nanokristályok lineáris vírusokra történőlecsapatásával állították elő.

Ch. Mao et al: „Virus-Based Toolkit for the Directed Synthesis of Magnetic and SemiconductingNanowires”Science, 303 (5655) 2004, pp. 213 – 217

Richard Kiehl (University of Minnnesota) írta az első olyan cikket, amiben nanodrótok DNS segítségével történő előállítását tárgyalják.

49

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 EngineeringAspects 163 (2000) 39–44

50

Nanoszerkezetű kompozit szilikagél/TiO2mikrogömbök (a)(b) és (c) – közeli SEM felvételek a bevonás előtt és TiO2 réteggel -mikrolézerek, mikroszenzorok, fotonikuskristályok

Előállítás: szól-gél reakció

Léptékvonal: 2,5 µm

M. Haraguchi et al., Surface Science 548 (2004) 59–66

51

Előállitási módszerek: SESE, SESD, SESX szimpla emulziós módszerek

Polimer oldat (szerves oldószer)

+ hatóanyag

Stabilizátor,emulgeátorvizes oldata

o/w emulzió

Oldószer eltávolítás a diszperz fázisból

Gyakran: higítás

Elválasztás centrifugálás,

mosás, szárításliofilezés

diffúzió + elpárologtatás

extrakció

52

Előállitási módszerek: SESE, SESD, SESX szimpla emulziós módszerek

Emulgeátor, stabilizátorvizes oldata

Polimer oldat cseppjei(szerves oldószerben oldott hatóanyag)

oldószer eltávolítás

o/w olaj a vízben emulzió

53

DESE, DESD, DESX dupla emulziós módszerek

Polimer oldat (szerves oldószer)

A hatóanyag vizes oldata,

szuszpenziója

w/o emulzió, vagy s/w/o szuszpenzió

Gyakran: higítás azoldószereltávolítás

teljessé tételére

Oldószer eltávolítás a középső

diszperz fázisból

Elválasztás: centrifugálás,

mosás, szárítás:liofilezés

diffúzió + elpárologtatás

extrakció

Külső vizes fázis, emulgeátor w/o/w dupla

emulzió, vagy(s/w)/o/w

54

DESE, DESD, DESX dupla emulziós módszerek

oldószer eltávolítás

Vizes hatóanyag oldat kisebb cseppjeit tartalmazó, szerves oldószerben oldott polimer cseppek

Emulgeátor, stabilizátorvizes oldata

w/o/w - víz az olajban primer emulzió vízben diszpergálva

55

Példák kompozit nano/mikrogömbök előállítási módszereireGázporlasztásos technika - különböző struktúrák

56

COAC – koacerváció vagy fázisszeparáció(a SESD szimpla emulziós módszer speciális változata)

Polimer hordozó oldat szerves oldószerben

(+ hidrofób hatóanyag)

A vizes fázis diszpergálása a szerves fázisban

A fázisok közötti diffúziókövetkeztében az ú.n.

koacervátum fázis kiválásaa szerves fázisból a

diszperz fázis felületén

A mikrogömbökmegszilárdítása

egy második,non-szolvens oldószerrel

való higítással

Elválasztás centrifugálás,

mosás, szárításliofilezés

w/o emulzió v.s/w/o emulzió

Hidrofíl hatóanyag vizes oldata, vagyhidrofíl hatóanyag

vizes szuszpenziója

A szerves fázis diszpergálása a vizes fázisban

vagy-vagy vagy-vagy

o/w emulzió

57

Példák kompozit nano/mikrogömbök előállítási módszereire

Nanorészecskék előállítása a Kawashima-féle módosított SESD (szimpla emulziós – szolvent diffúziós) spontán emulziósmódszerrel

1. PLGA aceton-alkoholos elegyes oldatának diszpergálása vizes PVA oldatban (o/w típusú emulzió)

2. Az alkohol kidiffundálása a külső vizes fázisba3. Az aceton kidiffundálása a külső vizes fázisba, a PVA koacervációja a

részecskék felületén4. A PLGA koacervációja a nanocseppek belsejében5. Teljes megszilárdulás

H. Murakami et al., Powder Technology 107 2000 137–143

58

SPO – szuszpenziós polimerizációs és térhálósító módszerek

A hatóanyag oldása vagy diszpergálása a polimer prekurzorban, vagy tér-hálósítandó polimerben

(gél v. paszta)

Az esetleges kompozitalkotó

szilárd részecskék hozzákeverése

Térhálósítás- a diszpergált fázis

érintkeztetése a térhálósító ágenssel

Polimerizáció- a polimerizáció beindítá-sa (iniciátor, sugárzás) a diszpergált fázisban Elválasztás

centrifugálás, mosás, szárítás

liofilezés

o/w, s/o/w, o/o emulzió, vagyszuszpenzió

Diszpergálás (vagy porlasztás, extrúdálás) egy

folytonos fázisban

vagy-vagy

Hatóanyag esetleges utólagos rögzítése

a mikrogömbmátrixában

59

ASP – antiszolvens precipitáció

A polimer feloldása vizes oldatban és/vagy

szerves oldószerben A két oldat elegyítése egy oldattá

vagy az emulzióhozzáadása a kicsapószerhez

Kicsapószerhozzáadása

az emulzióhoz Elválasztás centrifugálás,

mosás, szárításliofilezés

Diszpergálás egy nem elegyedőOldószerben (vagy

kicsapószerben)A hatóanyag feloldása vizes oldatban és/vagy

szerves oldószerben

Koaguláció és az oldószer eltávolítása

60

Ciklon

Prekurzorok

Vég-gázok

Szál-optika

TEKNA PL-35 torch

Reaktor

Plazma gáz (Ar, He)

TRIAX 550 spektrometer

+

CCD detektor

PC

védőgáz, reeagens

Pilot léptékű RF plazma reaktor nanogömbök előállításához –MTA KK AKI

61

ÖsszefoglalásAz 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.