Funkcionális szilárd kompozit részecskék és alkalmazásaik

Átírás

1 Funkcionális szilárd kompozit részecskék és alkalmazásaik Gyenis János PE MIK MÜKKI MTA KK AKI Funkcionális Nanorészecskék Kutatólaboratórium Pannon Egyetem november 10. 1

2 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

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, 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

4 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

5 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

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 számának vagy a tárolható információ mennyiségének több nagyságrenddel történő növekedését okozza. Optikai tulajdonságok, szín, színhatás megváltozása. Határfelületi tulajdonságok megváltozása. 6

7 Példák a különleges funkcionális viselkedésre A méretnek a funkcionális tulajdonságokra gyakorolt hatása leginkább a nanométer ( 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

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. Félszilárd Készítmények, púder Nanorészecskéket tartalmazó szájrúzs 8

9 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, 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

10 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

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, 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: fő (!!!) 11

12 Gyógyszer hordozó részecskék általában (injekciók, implantátumok, aeroszolok, szilárd & félszilárd formák) Rákellenes gyógyszerek Protein (interferon, inzulin) hordozók DNS és gén terápia Élő sejtek (őssejtek) Legfontosabb funkciók Immunizáció (vakcinák, antigének) Antivirális szerek Hormon bevitel Receptor blokkolók Antibiotikumok Allergiaellenes gyógyszerek Vitaminok, enzimek, enzim inhibitorok Növekedési faktorok és vázanyag bevitel (csontátültetés) Biokatalizátorok (enzim) hordozói Finomvegyszerek, reagensek Katalizátorok Kerámiai anyagok Adszorbensek Elektronikai anyagok Szenzorok Anyagmérnökség Porkohászat Ioncserélők, kromatográfiai anyagok 12

13 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

14 Nano és mikrorészecskék struktúráinak összefoglalása Homogén (anyagukban egynemű) nano/mikrogömbök Porózus nano/mikrogömbök Felületmódosított nano/ mikrogömbök Filmbevonatú nano/mikrogömbök Mátrix struktúrájú nano/ mikrogömbök (zárványok) Poliéderek (vagy whisker-ek): szabályos vagy szabálytalan alakú nano / mikrorészecskék Mag/köpeny szerkezetű kompozit nano/mikrogömbök Kisebb részecskékkel borított mikrogömbök Üreges mikrogömbök (porózus / nem porózus) Vázszerkezetbe beültetett nano/mikrogömbök Agglomerált nano/mikrogömbök (szférikus agglomerátumok) Agglomerált soklapú nano/ mikrorészecskék együttesei (szférikus agglomerátumok) 14

15 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) Szerves (pl. polimer, laktóz) Szerves (pl. polimer, laktóz) Szervetlen (pl. Al 2 O 3, SiO 2 ) Aktív v. funkciót hordozó anyag Szerves (pl. gyógyszer, enzim) Szervetlen (aerosil) Szerves (pl. sejtek) Szervetlen (pl. Al 2 O 3, SiO 2 ) Szervetlen (pl. TiO 2 ) Összetett (kerámia/polimer) Szerves (enzim) 15

16 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

17 Működési kinetika a hatóanyag leadás sebessége rövid leadási idejű (néhány óra - 1 nap) hosszú leadási idejű (több hét, több hónap, év) külső hatásra változó (inzulin) Hatóanyag leadás közepes leadási idejű (néhány nap - egy hét) rögzített (fix), nem távozó hatóanyag nem jellemző vagy nem ismert Működési vagy hatóanyag leadási mechanizmus a részecske teljes feloldódása a részecske degradációja és leoldódás leadás a mátrixból vagy pórusokból való diffúzióval (kioldódás /deszorpció) Mechanizmus a hatóanyag deszorpciója degradáció és kioldódás - diffúzió rögzített hatóanyag vagy aktív anyag (immobilizált enzim, katalizátor, fotokatalizátor) 17

18 Fontosabb mérettartományok alsó nanométer tartomány (néhány nanométertől néhány tíz nanométerig) közepes nanométer tartomány (kb. 100 nm kb. 500 nm) felső nanométer tartomány ( nanométer) Részecskeméret alsó mikrométer tartomány (1 mikrontól néhány tíz mikronig) közepes mikrométer tartomány (kb mikronig) felső mikrométer és makrotartomány (500 mikron felett) 18

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) hőmérséklete Kolloid szintézisnél pl. a túltelítés mértéke és térbeli eloszlása Gázfázisú szintézisnél a turbulencia, túltelítés, hőmérséklet eloszlás, gáz és prekurzor összetétel 19

20 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 Á C I Ó K Strukturális jellemzők & morfológia Funkcionális tulajdonságok A relációk megismerése segíthet a megfelelő módszer megtalálásában. 20

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 rendszer Struktúra al-mátrixok az egyes tulajdonságosztályok elemei közötti kapcsolatokra Méret Működési kinetika Előállítási módszer 21

22 A leggyakrabban alkalmazott előállítási módszerek SESE - szimpla emulzió / szolvens evaporáció SESX - szimpla emulzió / szolvens extrakció SESD - szimpla emulzió / szolvens diffúzió fázis szeparáció, koacerváció Módszerek DESE - dupla emulzió / szolvens evaporáció DESX - dupla emulzió / szolvens extrakció DESD - dupla emulzió / szolvens diffúzió SOO - szilárd/olaj/olaj szuszpenzió gázfázisú szintézis injektálásos diszpergálás fluidágyas agglomeráció, bevonás szuperkritikus oldószeres módszerek (előállítás, bevonás) szuszpenziós polimerizáció porlasztva szárítás SZB - száraz (mechanikus) bevonás antiszolvens precipitáció porlasztva fagyasztás plazmareaktor szférikus agglomeráció extrudálás 22

23 Az előállítási módszerek tárgyalása előtt nézzünk meg néhány jellemző készítményt Képgaléria 23

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 mérettel D sima felületi morfológia (léptékvonal: 150 nm) R. Kumar et al., Biomaterials 25 (2004)

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 módszer Léptékvonal: 20 µm K. D. Newman et al., Biomaterials 25 (2004)

26 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: µm. Pórusméret: nm Wang et al., Biomaterials 25 (2004)

27 Dendrites sejtek antigénnel történő kezelésére alkalmas PLGA nanogömbök ( 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)

28 Szuper-paramágneses Fe 3 O 4 - sziliciumdioxid nanogömbök. Mágneses mag (8-10 nm Fe 3 O 4 ), SiO 2 mátrix, és szerves (amino-szilán) héj struktúra. Méret: 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)

29 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)

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)

31 Fehérje gyógyszer (modell protein: BSA) tartalmú mikrogömbök (14-15 µm átlagméret) mátrix jellegű nanostruktúrával, lineáris (egyenletes) leadási kinetikával. A hatóanyagrészecskék mérete kb nm) Hordozó: PLA/PEEP (polietilén-foszfát) Léptékvonal: 20 µm J.Wen et al., Journal of Controlled Release 92 (2003)

32 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)

33 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)

34 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: µm M. Shi et al. / Journal of Controlled Release 89 (2003)

35 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)

36 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)

37 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)

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)

39 Dupla emulziós szolvent evaporációs módszerrel előállított, mátrix szerkezetű PLGA/BSA mikrocseppek / mikrogömbök Pannon Egyetem MIK MÜKKI - MTA KK AKI Funkcionális Nanorészecskék Kutatólaboratórium Méret: µm 39

40 PLGA mikrogömbök szabályozott fehérje hatóanyag leadáshoz, különböző struktúrákkal Előállítás: dupla emulzió szolvent evaporáció Volume (%) Particle Size Distribution Particle Size (µm) 16/14g, március :29:51 Szivacsos szerkezetű részecskék Mátrix szerkezetű részecskék Pannon Egyetem MIK MÜKKI - MTA KK AKI Funkcionális Nanorészecskék Kutatólaboratórium 40

41 PLGA nanogömbök szabályozott fehérje hatóanyag leadáshoz Előállítás: dupla emulzió szolvent evaporáció Volume (%) Particle Size Distribution Particle Size (µm) 19/45g, március :04:13 Átlagos méret: ~180 nm Agglomerált részecskék Pannon Egyetem MIK MÜKKI - MTA KK AKI Funkcionális Nanorészecskék Kutatólaboratórium 41

42 Termikus plazmában előállított Al 2 O 3 mikrogömbök MTA Kémiai Kutatóközpont AKI 100 µm 10 µm 42

43 Mágneses cink-ferrit nanogömbök ZnO felületi réteggel Előállítása: termikus plazmában MTA Kémiai Kutatóközpont AKI ZnO 0.15 nm ZnFe 2 O nm ZnO 1.2 nm 42 nm Zn 0.4 Fe 2.6 O 4 43

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)

45 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

46 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), ,

47 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. A félvezető kvantum pontok sokasága általában kolloid szintézissel állítható elő. (pl. kolloid méretű csapadékképzés, átalakítás) Másik lehetőség: pirolitikus szintézis (például plazma technika) 47

48 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 Richard Kiehl (University of Minnnesota) írta az első olyan cikket, amiben nanodrótok DNS segítségével történő előállítását tárgyalják. 48

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 Engineering Aspects 163 (2000)

50 Nanoszerkezetű kompozit szilikagél/tio 2 mikrogömbök (a) (b) és (c) közeli SEM felvételek a bevonás előtt és TiO 2 réteggel - mikrolézerek, mikroszenzorok, fotonikus kristályok Előállítás: szól-gél reakció Léptékvonal: 2,5 µm M. Haraguchi et al., Surface Science 548 (2004)

51 Előállitási módszerek: SESE, SESD, SESX szimpla emulziós módszerek Polimer oldat (szerves oldószer) + hatóanyag Stabilizátor, emulgeátor vizes oldata o/w emulzió Gyakran: higítás Oldószer eltávolítás a diszperz fázisból diffúzió + elpárologtatás extrakció Elválasztás centrifugálás, mosás, szárítás liofilezés 51

52 Előállitási módszerek: SESE, SESD, SESX szimpla emulziós módszerek oldószer eltávolítás Polimer oldat cseppjei (szerves oldószerben oldott hatóanyag) o/w olaj a vízben emulzió Emulgeátor, stabilizátor vizes oldata 52

53 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 Gyakran: higítás az oldószereltávolítás teljessé tételére w/o/w dupla emulzió, vagy (s/w)/o/w Oldószer eltávolítás a középső diszperz fázisból diffúzió + elpárologtatás extrakció Elválasztás: centrifugálás, mosás, szárítás: liofilezés 53

54 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

55 Példák kompozit nano/mikrogömbök előállítási módszereire Gázporlasztásos technika - különböző struktúrák 55

56 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 vizes fázis diszpergálása a szerves fázisban vagy-vagy A szerves fázis diszpergálása a vizes fázisban w/o emulzió v. s/w/o emulzió vagy-vagy o/w emulzió A fázisok közötti diffúzió következtében az ú.n. koacervátum fázis kiválása a szerves fázisból a diszperz fázis felületén A mikrogömbök megszilárdítása egy második, non-szolvens oldószerrel való higítással Elválasztás centrifugálás, mosás, szárítás liofilezés 56

57 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

58 SPO szuszpenziós polimerizációs és térhálósító módszerek A hatóanyag oldása vagy diszpergálása a polimer prekurzorban, vagy térhálósítandó polimerben (gél v. paszta) Az esetleges kompozitalkotó szilárd részecskék hozzákeverése Diszpergálás (vagy porlasztás, extrúdálás) egy folytonos fázisban Polimerizáció - a polimerizáció beindítása (iniciátor, sugárzás) a diszpergált fázisban vagy-vagy Térhálósítás - a diszpergált fázis érintkeztetése a térhálósító ágenssel Elválasztás centrifugálás, mosás, szárítás liofilezés o/w, s/o/w, o/o emulzió, vagy szuszpenzió Hatóanyag esetleges utólagos rögzítése a mikrogömb mátrixában 58

59 ASP antiszolvens precipitáció A polimer feloldása vizes oldatban és/vagy szerves oldószerben A hatóanyag feloldása vizes oldatban és/vagy szerves oldószerben A két oldat elegyítése egy oldattá Diszpergálás egy nem elegyedő Oldószerben (vagy kicsapószerben) Kicsapószer hozzáadása az emulzióhoz vagy az emulzió hozzáadása a kicsapószerhez Koaguláció és az oldószer eltávolítása Elválasztás centrifugálás, mosás, szárítás liofilezés 59

60 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

61 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