WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Парахонский Богдан Владиславович ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОКАПСУЛ МЕТОДАМИ ПОСЛОЙНОЙ АДСОРБЦИИ И ЭЛЕКТРОПОЛИМЕРИЗАЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНТРОЛИРУЕМОГО ВЫСВОБОЖДЕНИЯ ЗАКАПСУЛИРОВАННОГО ВЕЩЕСТВА 01.04.07. – физика конденсированного состояния 02.00.06. – высокомолекулярные соединения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре физики наносистем физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН Михаил Валентинович Ковальчук;

кандидат химических наук Татьяна Владимировна Букреева

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Вера Всеволодовна Клечковская;

доктор физико-математических наук, профессор Алексей Григорьевич Витухновский

Ведущая организация: Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН.

Защита состоится 3 июня 2009 года в 15:30 на заседании диссертационного совета Д.501.002.01 в Московском государственном университете по адресу: 119991, ГСП-1, Москва Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова Дом 1, строение 2, Физический Факультет, ауд. ЮФА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Автореферат разослан: “ ” апреля 2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.002.001 Т.В. Лаптинская 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность Варьирование и комбинирование функциональных компонентов и оптимизация их пространственной организации в полимерном материале открывают широкие возможности для разработки новых материалов с заданными свойствами. Для практического применения представляет интерес формирование композитных материалов из полимеров и металлических наночастиц, в которых полимерная матрица может стабилизировать частицы, предотвращая их агрегацию, и служить защитной оболочкой от воздействия окружающей среды. Помимо объемных материалов и тонких пленок наночастицы металлов могут быть включены в стенки полимерных капсул. Это позволяет обеспечить такие дополнительные возможности как проводимость при использовании капсул в электрических сенсорах, оптическое и микроволновое поглощение для температурного высвобождения содержимого капсул. Проводимость оболочки капсул также может быть обеспечена путем использования соответствующих полимеров, например, полипиррола.

Полипиррол – электропроводящий материал, широко применяемый для создания аккумуляторов нового поколения, солнечных батарей и молекулярных устройств. Получение контейнеров из этого перспективного полимера дает новые возможности для создания функциональных активных покрытий.

Полимерные капсулы способны осуществлять адресную доставку лекарства и затем его активизацию под действием специфического внутреннего или внешнего воздействия. В связи с этим изучение влияния лазерного излучения с различными параметрами на капсулы с нанокомпозитными оболочками представляет большой научный и практический интерес.

Цель исследований – разработка способов получения нанокомпозитных полиэлектролитных микроконтейнеров, чувствительных к воздействию лазерного излучения, и проводящих полипиррольных микроконтейнеров;

изучение свойств полученных систем и возможности контролировать проницаемость оболочек контейнеров.

Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:

1. Обеспечить чувствительность полиэлектролитных микрокапсул к лазерному излучению путем включения в состав их оболочки плазмоннорезонансных наночастиц.

2. При модификации полиэлектролитных капсул с помощью реакции серебряного зеркала исследовать влияние условий проведения реакции на параметры наночастиц серебра.

3. Изучить влияние лазерного излучения различных длин волн на оболочки полиэлектролитных капсул.

4. Исследовать зависимости мощности лазерного излучения, необходимой для разрушения капсулы, от массы плазмонно-резонансных наночастиц в оболочке капсул.

5. При электрохимической полимеризации пиррола на поверхности электрода изучить влияние скорости сканирования потенциала на электроде и диапазона изменения потенциала на свойства полипиррольной пленки.

6. Исследовать возможности создания свободных полипиррольных контейнеров и капсулирования в полипиррольные оболочки и высвобождения закапсулированного вещества.

Научная новизна При получении полимерных контейнеров, чувствительных к лазерному излучению, с использованием реакции серебряного зеркала впервые изучено влияние типа ядра, времени реакции и температуры реакционной смеси на размеры, количество и взаимное расположение наночастиц серебра в оболочке полиэлектролитных нанокомпозитных капсул.

В работе впервые показано, что независимо от способа включения наночастиц золота и серебра в состав оболочки, происходит полное разрушение капсул под воздействием лазерного излучения длиной волны 532 нм и мощностью 100 мВт. При использовании лазера с длиной волны 830 нм при увеличении количества наночастиц для капсул, сформированных на СаСО3, наблюдается более резкое уменьшение мощности лазерного излучения, необходимой для разрушения капсул, чем для капсул, полученных на ядрах из полистирола.

Впервые для модификации полиэлектролитных оболочек были использованы золотые наностержни в качестве поглощающего элемента оболочки. Показана перспективность использования таких систем в качестве средств доставки лекарств с дистанционным контролем за высвобождением содержимого капсул.

Разработан новый оригинальный способ получения проводящих полимерных микроконтейнеров – метод электрополимеризации пиррола на поверхности стального электрода. Изучена возможность капсулирования веществ в полипиррольные оболочки и высвобождения закапсулированного вещества.

Практическая значимость работы Разработка методов микрокапсулирования веществ с помощью различных физико-химических подходов имеет важное прикладное значение, связанное с созданием новых химических и биомедицинских технологий, основанных на использовании микрокапсул в качестве реакторов, контейнеров, дозаторов, сенсоров и зондов. Полученные в работе полиэлектролитные капсулы, модифицированные плазмонно-резонансными наночастицами, представляют собой новые композитные материалы с регулируемыми физикохимическими характеристиками. Такие системы перспективны в качестве контейнеров адресной доставки лекарственных веществ с дистанционным контролем за высвобождением содержимого капсул с помощью лазерного излучения. Избирательное воздействие лекарственных препаратов уменьшает развития побочных эффектов, позволяют уменьшить дозу лекарства.

Полученные в работе полипиррольные пленки с микроконтейнерами могут иметь потенциальное применение, например, как емкостной сенсор при создании высокотехнологичных микроэлектронных приборов. Метод электрополимеризации позволяет быстро и дешево получать полиэлектролитные контейнеры. Контроль проницаемости капсул методом изменения pH среды дает возможность использовать их в качестве сенсорных систем, а также допантов защитных антикоррозионных покрытий, обеспечивающих самозалечивание повреждений благодаря контролируемому высвобождению закапсулированного ингибитора коррозии.

Положения, выносимые на защиту Способ управления размерами, количеством и взаимным расположением наночастиц серебра в оболочке полиэлектролитных нанокомпозитных капсул.

Результаты воздействия лазерного излучения на полиэлектролитные нанокомпозитные микрокапсулы в зависимости от типа ядра, типа и количества наночастиц, длины волны и мощности лазерного излучения.

Оригинальный способ получения полипиррольных микроконтейнеров – электрополимеризация пиррола на поверхности стального электрода в присутствии поверхностно активного вещества; капсулирование вещества в полипиррольные оболочки и высвобождение закапсулированного вещества с помощью изменения pH среды.

Апробация результатов диссертации Результаты исследований докладывались на следующих научных конференциях: XIII Всероссийская конференция “Структура и динамика молекулярных систем” (Йошкар-Ола, Россия, 2006); Малый полимерный конгресс 2005 (Москва, Россия, 2005); Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов 2006" (Москва, Россия, 2006); X, XI Международные школы для студентов и молодых ученых по оптике, лазерной физике и биофизике (Саратов, Россия, 2006, 2007); Saint-Petersburg International Workshop on NanoBiotechnologies (Санкт-Петербург, Россия, 2007); X Международная школа молодых ученых по твердотельной электронике "Физика и технология микро и наносистем" (Санкт- Петербург, Россия, 2007);

16th, 17th Annual Student Conferences: "Week of Doctoral Students 2007", "Week of Doctoral Students 2008" (Prague, Czech Republic); III Международная конференция по коллоидной химии и физико-химической механике (Москва, Россия, 2008).

Опубликованность результатов диссертационной работы Результаты выполненного исследования изложены в 3 статьях в рецензируемых научных журналах, в 3 статьях в рецензируемых сборниках научных трудов и в 7 материалах и тезисах конференций.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, а также списка литературы, включающего источников. Диссертация изложена на 129 страницах, включая 37 рисунков и таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, сформулирована цель и определены основные задачи исследования, кратко изложена научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава содержит обзор литературы по получению и свойствам полимерных капсул. В первой части рассмотрены существующие методы создания капсул, особое внимание уделено электрохимическому способу получения капсул из полипиррола и свойствам полипиррольных пленок.

Следующая часть содержит подробное описание свойств капсул, полученных методом послойной адсорбции полиэлектролитов. Третья часть посвящена наночастицам металлов – описаны оптические свойства плазмоннорезонансных наночастиц и их агрегатов; рассмотрены методы включения таких частиц в оболочку капсул. Также в этой части обсуждается изменение проницаемости оболочки нанокомпозитных капсул методом лазерного воздействия.

Во второй главе перечислены использованные в работе материалы и физико-химические методы исследования. Описываются метод получения микросферолитов CaCO3, способы создания полимерных контейнеров:

послойная адсорбция полиэлектролитов и электрополимеризация пиррола;

способы модификации оболочек полиэлектролитных капсул наночастицами.

В работе были использованы наночастицы четырех типов:

• сферические наночастицы золота, средний диаметр 18 нм (Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН);

• золотые наностержни, средняя ширина 15-20 нм, осевое соотношение (Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН) • наночастицы золота ядро-оболочка – смесь наночастиц золота диаметром 10 нм и наночастиц диаметром 40 нм с ядром из сульфида золота и золотой оболочкой (Центр нанонауки Мюнхенского университета Людвига Максимилиана, Германия);

• наночастицы серебра диаметром 4-18 нм (химический факультет Белорусского государственного университета).

Для воздействия лазерного излучения на полиэлектролитные капсулы была собрана лабораторная установка, схема которой представлена на рис.1.

Фокусировка объектива на исследуемом объекте происходит одновременно с фокусировкой пучка лазера. Процессы, происходящие с капсулами, фиксируются на видеокамеру и обрабатываются компьютером; высвобождение закапсулированного люминесцентного красителя под действием лазерного излучения контролируется оптическим микроскопом с флуоресцентной приставкой.

Рисунок 1. Схема установки дистанционного разрушения полиэликтролитных микрокапсул.

1) полупроводниковый лазер; 2) линза;

3) дихроическое зеркало; 4) объектив;

5) предметный столик; 6) источник белого света; 7) конденсер; 8) камера; 9) компьютер.

Третья глава посвящена получению и исследованию полиэлектролитных капсул, модифицированных плазмонно-резонансными наночастицами, и изучению дистанционного вскрытия оболочек воздействием лазерного излучения.

Полиэлектролитные капсулы Исследование полиэлектролитных капсул, модифицированных с помощью реакции серебряного зеркала Восстановление металлических ионов на полиэлектролитной оболочке капсулы является простым и эффективным способом включения наночастиц металлов в стенки капсул. При проведении реакции серебряного зеркала в присутствии полиэлектролитных капсул обнаружено, что оболочки, полученные на полистирольных (ПС) и СаCO3-ядрах, существенно отличаются.

Методом АСМ показано, что оболочка, сформированная на ПС-ядре, на воздухе представляет собой пленку, в которой просматриваются наночастицы серебра. Диаметр высохшей капсулы соответствует диаметру полистирольного ядра. Капсула, полученная на ядре СаCO3, в высохшем виде по диаметру примерно вдвое меньше диаметра соответствующего ядра, высота ее составляет 170-200 нм, изображение морфологии поверхности не позволяет визуализировать отдельные наночастицы.

Наблюдаемые отличия можно объяснить следующим образом. При проведении реакции серебряного зеркала в присутствии капсул происходит адсорбция ионов серебра и формирование наночастиц на поверхности оболочки капсул, а также образование наночастиц в объеме раствора с последующей адсорбцией их на капсулах. Микросферолиты СаCO3 имеют большое количество пор диаметром 20-70 нм, и адсорбция ионов серебра и образовавшихся в растворе наночастиц происходит не только на поверхности сферы, но и в объемах пор. Поэтому после растворения ядра оболочка напоминает рыхлую полимерную губку, в структуру которой включены наночастицы металла. При высыхании капсулы оболочка усаживается, а наночастицы серебра погружаются внутрь полимерной матрицы. В отличие от частиц карбоната кальция, ПС-ядра имеют достаточно гладкую поверхность, на которой формируется плотный слой полиэлектролитов. Благодаря этому образование и адсорбция из раствора наночастиц серебра происходит на поверхности оболочки. Плотность оболочки настолько велика, что усадки полой капсулы на воздухе практически не наблюдается.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»