Funkcionális szilárd kompozit nanorészecskék és alkalmazásaik

Funkcionális részecskék – Definíció: Minden – az emberiség által használt – anyagnak van valamilyen szerepe, feladata, funkciója (pl. szerkezeti anyagok). Ha ezt vennénk figyelembe, nem lennének megkülönböztethetők az úgynevezett funkcionális anyagok. Ezért ezekre speciális meghatározást kell alkalmaznunk. A funkcionális anyagok valamilyen aktív funkciót töltenek be, vagyis önállóan 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. A definíció alkalmazható a funkcionális részecskékre is („functional”, „smart” particles). Ezek gyakran összetettek: különböző minőségű anyagokból tevődnek össze, és funkciónak megfelelő összetett struktúrájuk, architektúrájuk van. Ezek az ún. társított vagy kompozit funkcionális részecskék. A különleges funkcionális viselkedés alapjai: Az anyagok viselkedésében a felületi tulajdonságok meghatározó szerepet töltenek be. Egy példa a természetből a lótuszvirág. A virág levelének felszínén mikroszkopikus struktúra alakult ki (mikronos és nanométer nagyságú strukturális elemek). Az alapstruktúra 5-10µm, amin belül másodlagos finom struktúra található, akár 10 nm körüli méretek is előfordulnak. Ez a magyarázata annak, hogy a lótuszvirág levelei vízlepergető képességgel bírnak, aminek hatására öntisztító folyamat is végbemegy a leveleken. Ezen természeti jelenségen alapul, az úgynevezett lótusz-hatás: (W. Barthlott 1990-es évek) a nanorészecskék / nanostruktúrák különleges viselkedése és ennek hasznosítása. A hatás vizsgálatára mesterséges struktúrákat hoznak létre. A technika tanult a természetből.

Természetes struktúra

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. Ezen belül különösen a kémiai szelektivitás előnyös változása. A

2

makroszkopikus tulajdonságokban és kölcsönhatásokban is minőségi változások következnek be (felület/térfogat arány) – pl. adszorpciós tulajdonságok. Például gyógyszereknél, amennyiben szilárd anyagokhoz kötjük, fokozatosan fejtik ki hatásukat, lassabban ürülnek ki a szervezetből. A megváltozott biológiai - élettani - tulajdonságoknak köszönhetően, a folyadékokhoz hasonló biztonsággal injektálható szuszpenziók, akár közvetlenül a véráramba is adható szilárd részecskék. Az élek, sarkok, görbületek arányának megváltozása a kémiai reakcióképesség, szubmikroszkópos fizikai-, és biológiai hatásokat befolyásolja. Használható biológiai terrorizmus elleni védekezésre (roncsolás, biológiai membránokra gyakorolt hatás). Az adhéziós erő, nagy nyomás hatására ezek a részecskék pl. az antrax spóráit roncsolják, megsemmisítik összeütközéskor, mivel éleik vannak. Adott térfogatban lévő részecskék (diszkrét fáziselemek) darabszámának drasztikus növekedése az elektronikában és az informatikában a végrehajtható műveletek számának, vagy a tárolható információ mennyiségének több nagyságrenddel történő növekedését okozza. A darabszám növekedésével javulnak az optikai tulajdonságok, és a szín, színhatás is megváltozik. A határfelületi tulajdonságok is megváltozhatnak. Példák a különleges funkcionális viselkedésre: A méretnek a funkcionális tulajdonságokra gyakorolt hatása leginkább a 1-100 nanométer (10-6 – 10-4 mm) tartományban jelentkezik: o Igen jó színezőanyagok állíthatók elő, végtelen számú színárnyalat jöhet létre ill. ezek az

anyagok nem fakulnak, ugyanis a színhatások a részecskék méretének és nem a kémiai összetételnek a következménye (pl. a lepkék ragyogó színárnyalatai és mintázata).

o A környezet megtisztítására alkalmas, igen aktív katalizátorok hozhatók létre. o Smart bombs” („ügyes bombák”) bizonyos rákos sejtek vagy fertőző baktériumok spórák célzott

elpusztítására alkalmazhatók. o Biológiailag vagy kémiailag szennyezett területek megtisztítása. o Kiválóan működnek peptidek, protein és DNA célzott bevitele során. Néhány újabb alkalmazás:

o Felismerés: a lepkék szárnyának ragyogó színárnyalatait nem festékek (színezékek, pigmentek) adják, hanem az a felület (nano)struktúrájának optikai hatásaiból adódik.

és nanostruktúrájuk pikkelyek

o Hasznosítás: pigmentek (színezés) nélküli kozmetikai termékek, amelyek mégis ragyogó színeket adnak. Egyéb hasznos tulajdonságok (pl. tartós illatleadás, adszorpciós tulajdonságok, stb.) is elérhetők.

3

Fél szilárd készítmények, púder Nano-részecskéket tartalmazó szájrúzs

További példák funkcionális részecskékre: o A legrégebbi funkcionális mikro- és nanorészecskék: maguk az élő sejtek és azok összetevői.

Ezek a funkcionális részecskéknek felfogható „mikro-tartályok”, 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.

o Mesterséges funkcionális részecskék: értékes gyógyszer-hatóanyagokat tartalmazó, szabályozott leadású részecskék.

o „Funkcionális textiliák”: az újfajta textíliákban alkalmazott ún. nanokapszulák antimikrobiális (fizikai) anyagok leadása révén megakadályozzák a baktériumok elszaporodását.

o Textiliák kikészítéséhez sok esetben plazma technikával előállított kerámia nanoporokat alkalmaznak (lángállóság, baktericid hatás, öntisztuló képesség stb.)

o Struktúrájuk és felületi tulajdonságaik révén meggátolják a szennyező anyagok megtapadását, ugyanakkor megkötik a kellemetlen szagokat.

Nemzetközi trendek: A téma fontosságát az is mutatja, hogy külön folyóiratok, internetes fórumok foglalkoznak vele. A nanotechnológiai témákon dolgozó kutatók száma az USA-ban 20 000 fő (Magyarországon összesen ennyi kutató dolgozik különböző területeken). A témakörben sok rangos nemzetközi konferenciát is szerveznek: PACIFICHEM 2005, USA, Honolulu. 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 Fontosabb témakörök: - Nanorészecskék tervezése - Nanorészecskék felületi hatásai veszélyes kémiai anyagok megsemmisítésében - Nanomérnökség gyógyszerleadó rendszerek létrehozásában.

4

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 - mikro-kapszulázás (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 műszálgyártás, elektrokémiai termékek, portechnológia, nyomdaipar, nanorészecskék gyártása. Legfontosabb funkciók:

Immunizáció (vakcinák, antigének)

Biokatalizátorok (enzim) hordozói

Antivirális szerek

Finomvegyszerek, reagensek

Hormon bevitel Katalizátorok

Gyógyszer hordozó részecskék általában

(injekciók, implantátumok,

aeroszolok, szilárd & félszilárd formák) Receptor blokkolók Kerámiai anyagok

Rákellenes gyógyszerek Antibiotikumok Adszorbensek

Protein (interferon, inzulin) hordozók

Allergiaellenes gyógyszerek

Elektronikai anyagok Szenzorok

DNS és gén terápia

Vitaminok, enzimek, enzim inhibitorok

Anyagmérnökség Porkohászat

Élő sejtek (őssejtek)

Növekedési faktorok és vázanyag bevitel (csontátültetés)

Ioncserélők, kromatográfiai anyagok

5

Kompozit mikro/nanorészecskék struktúráinak főbb típusai:

felületi struktúra funkcionális elemek funkcionális felületi struktúrája nyúlványokkal (pl. rögzített enzimek)

réteges felépítés réteges (mag/köpeny vékony felületi film

védőbevonattal (gyógyszer hatóanyag bezárása)

„shell/core”) felépítés

dendrites struktúra mátrix struktúra (gyógyszer leadás)

Nano és mikrorészecskék struktúráinak összefoglalása :

Homogén (anyagukban egynemű) nano/mikrogömbök

Mag/köpeny szerkezetű kompozit nano/mikrogömbök

Kisebb részecskékkel borított mikrogömbök

Porózus nano/mikrogömbök

Felületmódosított nano/ mikrogömbök

Üreges mikrogömbök (porózus / nem porózus)

Vázszerkezetbe beültetett nano/mikrogömbök

Filmbevonatú nano/mikrogömbök

Mátrix struktúrájú nano/ mikrogömbök (zárványok)

Agglomerált nano/mikrogömbök (szférikus agglomerátumok)

Agglomerált soklapú nano/ mikrorészecskék együttesei (szférikus agglomerátumok)

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

6

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) 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) A leggyakrabban alkalmazott hordozó és bevonó anyagok: A leginkább használt anyagok a PLA – politejsav és a PLGA poli(tejsav-glikolsav), mivel természetes anyagok. További példák: lipidek, PEG – polietilénglikol, bovin szérum albumin, ciklodextrin származékok, Kitozán (term. polimer), fémoxidok, kerámia, PMMA – polimetakrilátok, PS – polisztirol, szilikagél, aerosil. Működési kinetika – a hatóanyag leadás sebessége:

o Rövid leadási idejű (néhány óra - 1 nap) o Közepes leadási idejű (néhány nap - egy hét) o Hosszú leadási idejű (több hét, több hónap, év) o Rögzített (fix), nem távozó hatóanyag o Külső hatásra változó (inzulin): automatikussá teszi a kezelést, mivel csak bizonyos

vércukorszint alatt engedi ki a hatóanyagot. o Nem jellemző vagy nem ismert

Működési vagy hatóanyag leadási mechanizmus:

o A részecske teljes feloldódása o A hatóanyag deszorpciója o A részecske degradációja és leoldódás o Degradáció és kioldódás - diffúzió o Leadás a mátrixból vagy pórusokból való diffúzióval (kioldódás /deszorpció) o Rögzített hatóanyag vagy aktív anyag (immobilizált enzim, katalizátor, fotokatalizátor)

7

Fontosabb mérettartományok: Alsó nanométer tartomány: néhány nanométertől néhány tíz nanométerig Közepes nanométer tartomány: 100 nm – kb. 500 nm Felső nanométer tartomány: 500 nm – 1000 nm Alsó mikrométer tartomány: 1 mikrontól néhány tíz mikronig Közepes mikrométer tartomány: 300 -500 mikronig Felső mikrométer és makro- tartomány: 500 mikron felett 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):

o Alapanyagok megválasztása (azok kémiai összetétele, mennyisége, mennyiségi arányai), a segédanyagok (pl. oldószerek és felületaktív anyagok, stabilizátorok) megválasztása.

o A diszpergálás módja (mechanikus keverés, statikus keverés, ultrahangos kezelés), a diszpergáló eszköz (keverő vagy fúvóka) geometriája, a bevezetett energia mennyisége (keverés intenzitása és időtartama)

o Hőmérséklete o Kolloid szintézisnél pl. a túltelítés mértéke és térbeli eloszlása o Gázfázisú szintézisnél a turbulencia, túltelítés, hőmérséklet eloszlás, gáz és prekurzor

összetétel A funkcionális tulajdonságok biztosítása megfelelő struktúra, megfelelő anyagi rendszer és megfelelő előállítási módszer alkalmazásával történhet. A részecskemérnökség általános összefüggései: A relációk megismerése segíthet a megfelelő módszer megtalálásában.

Előállítási módszerek Anyagok

és paraméterek

Funkcionális tulajdonságok

Strukturális jellemzők

& morfológia

R E L Á C I Ó K

8

Szuperstruktúra, összefüggések az előállítás, a strukturális jellemzők, a funkció, működési kinetika stb. között:

Anyagi rendszer

Struktúra Méret Működési kinetika

Előállítási módszer

Az egyes tulajdonságosztályok elemei közötti kapcsolatokra al-mátrixokat használunk. Az al-mátrixok elemei 0-k illetve 1-k lehetnek, annak függvényében, hogy megengedi-e az adott funkció a struktúra működését ill. nem engedélyezi. A leggyakrabban alkalmazott előállítási módszerek:

SESE - 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/olaj

szuszpenzió

szuperkritikus oldószeres módszerek (előállítás, bevonás)

szuszpenziós polimerizáció porlasztva szárítás

SZB - száraz (mechanikus) bevonás

antiszolvens precipitáció porlasztva fagyasztás plazmareaktor

szférikus agglomeráció extrudálás

Előállítási módszer

Működési kinetika

Méret

Struktúra

Anyagi rendszer

Funkció

Funkció

9

Az előállítási módszerek tárgyalása előtt nézzünk meg néhány jellemző készítményt

Képgaléria Nem virális DNS bevitelre alkalmazható, kationos PLGA nanogömbök

Előállításuk o/w emulziós-diffúziós-oldószer elpárologtatásos technikával történik. A stabilizáló és bevonó anyag PVA-kitozán keverék. A C képen nanogömbök,187 nm átlagos mérettel láthatók, míg a D képen sima felületi morfológia (léptékvonal: 150 nm) látható. A PLGA tartalmazza a DNS-t. 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 segítségével. A léptékvonal jelen esetben 20 nm.

10

Peptid-gyógyszer tartamú PLGA mikrogömbök felületi és belső architektúrája, a hatóanyag kioldódása után.

Jellemző a réteges (héj/mag) felépítés, és belül a porózus nanostruktúra. Előállítás w/o/w dupla emulziós-szolvent evaporációs technika segítségével. Részecskeméret kb 70-160 nm körüli, a pórusméret: 3 – 1000 nm. Dendrites sejtek antigénnel történő kezelésére alkalmas PLGA nanogömbök (200-650 nm), amint körülveszik a dendrites sejteket.

A képen a nanogömbök fluoreszkáló anyaggal vannak megjelölve, a jobb láthatóság érdekében. Előállítás szimpla emulziós-szolvent evaporációs technika segítségével. A léptékvonal 15 nm.

11

Szuper-paramágneses Fe3O4 - sziliciumdioxid nanogömbök.

Jellemző rá a mágneses mag (8-10 nm Fe3O4), SiO2 mátrix, és szerves (amino-szilán) héj struktúra. A méret 100-200 nm körüli. Alkalmazási területei az enzim immobilizálás, rákterápia, antitest- és protein bevitel, elválasztástechnika. Előállítás koprecipitáció, bevonás: precipitáció + szilanizálás technológiával. Mivel a 200nm-t nagyon nehéz lenne a pórusoktól elválasztani, célzottan egy külső mágneses erővel a kívánt helyre lehet juttatni a testben. Protein gyógyszer bevitelére alkalmas PLA/PLGA mikrogömb

A baloldali ábra a BSA modell fehérje a magban, a jobboldali ábra: a BSA modell fehérje a köpenyben. Fontos, hogy megfelelő előállítási technikával a részecske köpenyében legyen a gyógyszer hatóanyaga, vagy esetleg a belsejében. Céltól függően lehet ezt befolyásolni. Az előállítás porlasztva szárítással történik, a léptékvonal 150 nm.

12

Diftéria vakcina bevitelére alkalmas mikrogömbök

A képen a peritoneális sejt 4 órával az immunizáció után. Mérete 0,5 - 10 nm, a sejtben ez jörülbelül 500 nm. Az előállítás porlasztva szárítással történik. Fehérje gyógyszer tartalmú mikrogömbök mátrix jellegű nanostruktúrával, lineáris (egyenletes) leadási kinetikával.

Az átlagméret 14-15mm, a modell protein BSA. A hatóanyagrészecskék mérete kb. 4-500 nm). Hordozó: PLA/PEEP (polietilén-foszfát). Léptékvonal: 20 nm.

13

Theofillin gyógyszer tartalmú bioadhezív mikrogömbök vízzel történő 1 és 5 perces érintkezés után

A részecskéket különböző felületi tulajdonságokkal lehet ellátni. Vízzel duzzasztható. Rátapadnak és hosszú ideig megtapadnak a gyomor és vékonybél nyálkahártyáján. Hordozó: CAB – cellulóz-acetát-butirát. Előállítás w/o emulziós-szolvent evaporációs módszer. A léptékvonal: 200 nm. Szabályozott hatóanyag leadású, riboflavin tartalmú mikroballonok morfológiája

Hosszabb ideig is képesek a gyomorban maradni, ezáltal úszik a folyadék felszínén. Hordozó hidroxi-metil-cellulóz, előállítás: o/w emulziós-szolvent diffúziós módszer segítségével. A léptékvonal: 100 nm.

14

Belül üreges POE/PLGA mikrogömbök szabályozott protein gyógyszer bevitelre

A modell: BSA. A jobboldali képen a hatóanyag eloszlása látható a mikrogömbben, ez a nanostruktúra. Előállítás w/o/w emulziós-szolvent evaporációs módszer segítségével. Az átlagos méret: 50-70 nm. Szférikus agglomerátumok szilikagél nanogömbökbőlm hierarchikus, átjárható porozitással.

Előállítás porlasztva szárítással, a léptékvonal: 5 nm. Elemi nanogömbök: 350 nm nagyságúak.

15

Poli(vinil-acetát - divinil benzol) kopolimer mikrogömbök

Poli(vinil-acetát - divinil benzol) kopolimer mikrogömbök felületi nanostruktúrával, mágneses maggal, enzim immobilizálására. Előállítás koprecipitáció, illetve szuszpenziós polimerizációval. Léptékvonal: 5 nm.

Jobboldalt a magnetit méreteloszlása

Célzott gyógyszerhatóanyag (DO-FUdR) bevitelére alkalmas szilárd lipid nanogömbök A központi idegrendszerre ható gyógyszerrel a nanogömbök képesek átlépni az vér-agy gátat, és bárhová eljuttatható a véráram segítségével a gyógyszer. Előállítás: ultrahangos diszpergálás és emulziós precipitáció segítségével. Az átlagos részecskeméret: 76 nanométer. Felületi nanostruktúra Plazmid DNS tartalmú PLA/PEG nanogömb w/o/w dupla emulziós-szolvent evaporációs technikával előállítva.

16

Dupla emulziós – szolvent evaporációs módszerrel előállított, mátrix szerkezetű PLGA/BSA mikrocseppek / mikrogömbök

Méret: 10 - 20 nm

PLGA mikrogömbök szabályozott fehérje hatóanyag leadáshoz, különböző struktúrákkal Előállítás dupla emulzió-szolvent evaporációval. Nagy megkötő kapacitással rendelkeznek. Mérete 10-180nm.

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

Szivacsos szerkezetű részecskék

Mátrix szerkezetű

17

PLGA nanogömbök szabályozott fehérje hatóanyag leadáshoz Előállítás dupla emulzió-szolvent evaporációval. Mérete max 200 nm. Injekciós készítmény céljából készült.

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 Termikus plazmában előállított Al2O3 mikrogömbök Az alumínium-oxid gömböket termikus plazmában állítják elő.

100 nm

10 nm

18

Mágneses cink-ferrit nanogömbök ZnO felületi réteggel Előállítása termikus plazmában.

A képen karbon nanogömbök láthatók felületi nanostruktúrával. Előállítás: etilén katalitikus pirolízise és gőz kondenzáció segítségével (gázfázisú szintézis). Léptékvonal: 20 mm.

100 nm

ZnO 0.15 nm

ZnFe2O4

ZnO 1.2 nm

42 nm Zn0.4Fe2.6O

19

Informatikai és elektronikai vonatkozások A nano- és mikron méretű részecskék előállítása szoros kapcsolatban lehet az ún. molekuláris elektronikával. 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.

20

Fém fotonikus nanokristályok, nanogömbök Az ún. quantum dot v. qdot egy félvezető struktúra, ami az elektronok mozgását a tér három irányában szabályozhatja, megengedi vagy 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 területei a telekommunicáció, optikai csatolások, szenzorok és félvezető eszközök. 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) Egy másik lehetőség a pirolitikus szintézis (például plazma technika). Újabban: mágneses és félvezető nanodrótok előállítása vírusok segítségével: Ezeket az objektumokat ZnS, CdS, CoPt és FePt nanokristályok lineáris vírusokra történő lecsapatásával állították elő. Richard Kiehl írta az első olyan cikket, amiben nanodrótok DNS segítségével történő előállítását tárgyalják.

21

Felvételek informatikai és elektronikai célú nanorészecskékről

Felületi félvezető [CdTe(S)] nanokristály réteggel burkolt, lumineszkáló PS (polisztirol) latex nanogömbök. Jellemzője a mag/köpeny architektúra, a nano/mikrogömbökön felületi nanostruktúra figyelhető meg. Előállítás polielektrolitból történő rácsapatással valósul meg. Nanoszerkezetű kompozit szilikagél/TiO2 mikrogömbök Az (a) (b) és (c) ábrákon közeli SEM felvételek láthatók a bevonás előtt és TiO2 réteggel - mikrolézerek, mikroszenzorok, fotonikus kristályok. Előállítás: szól-gél reakcióval. Léptékvonal: 2,5 nm.

22

Előállitási módszerek: SESE, SESD, SESX szimpla emulziós módszerek

Polimer oldat (szerves oldószer)

o/w emulzió Gyakran: higítás

Stabilizátor, emulgeátor vizes oldata

Oldószer eltávolítás a diszperz

diffúzió + elpárologtatás Elválasztás

centrifugálás, mosás, szárítás

liofilezés extrakció

23

DESE, DESD, DESX dupla emulziós módszerek

Polimer oldat

(szerves oldószer)

A hatóanyag vizes oldata,

szuszpenziója

w/o emulzió, vagy

Gyakran: higítás

az

Oldószer eltávolítás a középső

diszperz fázisból

Elválasztás: centrifugálás,

mosás, szárítás: liofilezés

diffúzió + elpárologtatás

extrakció

Külső vizes fázis,

w/o/w dupla emulzió, vagy

(s/w)/o/w

24

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

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

Polimer hordozó oldat

A vizes fázis

szerves oldószerben

diszpergálása a szerves

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

w/o emulzió v. s/w/o emulzió

vagy-vagy

liofilezés

Hidrofíl hatóanyag vizes oldata, vagy hidrofíl hatóanyag

vizes szuszpenziója

A szerves fázis diszpergálása a vizes fázisban

vagy-vagy

o/w emulzió

25

Példák kompozit nano/mikrogömbök előállítási módszereire

Nanorészecskék előállítása a Kawashima-féle módosított SESD (szimpla emulziós-szolvent diffúziós) spontán emulziós módszerrel. A módszer lépései: 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.

26

SPO – szuszpenziós polimerizációs és térhálósító módszerek

A hatóanyag oldása vagy

ASP – antiszolvens precipitáció

A polimer feloldása vizes oldatban és/vagy szerves oldószerben

A két oldat elegyítése egy oldattá

vagy az emulzió hozzáadása a

kicsapószerhez

Kicsapószer hozzáadása

az emulzióhoz Elválasztás centrifugálás,

mosás, szárítás liofilezés

Diszpergálás egy nem elegyedő

Oldószerben A hatóanyag feloldása vizes oldatban és/vagy szerves oldószerben

Koaguláció és az oldószer eltávolítása

diszpergálása a polimer prekurzorban, vagy tér- hálósítandó polimerben

( él t )

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

Diszpergálás (vagy

porlasztás, extrúdálás) egy

o/w, s/o/w, o/o emulzió, vagy szuszpenzió

vagy-vagy

Hatóanyag esetleges

utólagos rögzítése a mikrogömb mátrixában

27

A következő képeken Pilot léptékű RF plazma reaktor látható nanogömbök előállításához:

28