Дисертација. Хемиска и физичка модификација на мембраната на капсулата на нанокапсули базирани на полиалкилцијаноакрилат
Дисертација Хемиска и физичка модификација на капсулната мембрана на нанокапсули базирани на полиалкилцијаноакрилат за да се добие академскиот степен на доктор на природни науки др. рер. нат презентиран од Кристоф Грош-Хајтфелд роден во Келн Институт за физичка хемија на Универзитетот во Дуизбург-Есен 2015 година
Признанија Оваа работа беше спроведена помеѓу октомври 2010 година и март 2015 година под водство на проф. Д-р. рер. нат Кристијан Мајер на Институтот за физичка хемија на Универзитетот во Дуизбург-Есен. Прв рецензент: Втор рецензент: Претседавач: Проф. рер. нат Кристијан Мајер г-дин проф. Д-р. рер. нат Матијас Епл г-дин проф. Д-р. рер. нат Оливер Sch. Шмиц Ден на усно испитување: 16 ноември 2015 година III
Содржина Содржина Признанија. IV Содржина. V Список на кратенки. X 1 Вовед и мотивација. 1 2 Теоретски основи. 3 2.1 Микро и нанокапсули. 3 2.1.1 Општо. 3 2.1.2 Нанокапсули за медицински и технички апликации. 4 2.1.3 Синтези на нанокапсули. 4 2.2 Стабилизација на дисперзиите. 9 2.3 Системот HLB. 14 2.4 Цијаноакрилати. 16 2.4.1 Општо. 16 2.4.2 Синтетички патеки. 17 2.4.3 Анјонска полимеризација. 19 2.5 Хемиско вкрстено поврзување на полимери. 20 2.5.1 Термопластика. 21 2.5.2 Еластомери. 22 2.5.3 Термоелементи. 23 2.6 Алкин-азидна спојка според Хуисген. 24 2.7 Мерења на дифузија на NMR на градиент на пулсирано поле. 25 3 Дел од методите. 28 3.1 Синтези на нанокапсули. 28 3.1.1 Нанокапсули масло во вода. 28 3.1.1.1 Стандардна синтеза на нанокапсули. 29 3.1.1.2 Функционализација од полиетилеинимин. 29 3.1.1.3 Функционализација од триметиламиноетил метакрилат. 29 3.1.1.4 Функционализација преку хемија на клик. 30 В.
Содржина 4.2.2.4 Други фактори на влијание. 70 4.2.2.5 Механизам на формирање на капсули. 73 4.2.3 Стабилност на растворувачот. 74 4.2.3.1 Нанокапсули О/В. 75 4.2.3.2 W/W нанокапсули. 79 4.2.3.3 Влијание на растворувачите врз дистрибуцијата на големината. 81 4.2.4 Механичка стабилност. 84 4.2.4.1 Наноиндентација. 84 4.2.4.2 Стабилност на прскањето. 88 4.2.5 Мерења на пропустливост. 90 4.3 Варијација на количината на мономери. 94 4.3.1 Влијание врз дистрибуцијата на големината. 94 4.3.2 Стабилност на растворувачот. 100 4.3.2.1 Нанокапсули О/В. 100 4.3.2.2 W/W нанокапсули. 103 4.3.3 Механичка стабилност. 105 4.3.3.1 Наноиндентација. 105 4.3.3.2 Стабилност на прскањето. 106 4.4 Хемиско вкрстено поврзување на полимерната обвивка. 107 4.4.1 Доказ за хемиско вкрстено поврзување. 108 4.4.1.1 Термогравиметрија. 108 4.4.1.2 Мерења на дифузија PFG-NMR. 110 4.4.2 Влијание врз дистрибуцијата на големината. 112 4.4.3 Стабилност на растворувачот. 113 4.4.3.1 Нанокапсули О/В. 113 4.4.3.2 W/W нанокапсули. 115 4.4.3.3 Влијание на растворувачите врз дистрибуцијата на големината. 119 4.4.3.4 Споредба на нанокапсули О/Ш и З/З. 122 4.4.4 Механичка стабилност. 130 4.4.4.1 Наноиндентација. 130 4.4.4.2 Стабилност на прскањето. 135 4.4.5 Мерења на пропустливост. 136 4.5 Варијација на страничниот ланец. 143 4.5.1 Мерења на пропустливост. 143 4.6 Катионска површинска функционализација на нанокапсули базирани на PACA . 146 VII
Содржина 7.3.3.4 Пропаргил-2-цијаноакрилат. 218 7.3.4 Синтези на азиди за хемија на кликови. 219 7.3.4.1 3-диметиламинопропил азид. 219 7.3.4.2 3-етилдиметиламониум пропил азид. 220 7.3.5 [Cu (PMDETA)] Br 2. 221 Доверба. 222 публикации. 223 CV. 224 IX
Список на кратенки Список на кратенки nbca d H DCC DMAP Е-коефициент МЦА НК О/Ш ОЦА ПАЦА ПЦА ПЕИ ПнБЦА П (нБЦА-ко-ПЦА) ПОЦА ППЦА стр.-дев. TMAEMA коефициент на еластичност на дициклохексилкарбодиимид н-бутил-2-цијаноакрилат (среден) хидродинамичен дијаметар метил-2-цијаноакрилат нанокапсула (а) нафта-во-вода дисперзија на 2-октацил-прјацил-рацијалцил-прјацилацијал-прјацилацијал-прјацилацијал-прјацилацијал-прјацилацил-рацијалцијал-прјацилат-2-циацилат) 2-цијаноакрилат полиетилеимин поли-n-бутилцијаноакрилат кополимер на n-бутил- и пропаргил-2-цијаноакрилат поли-2-октилцијаноакрилат полипропаргилцијаноакрилат стандардна девијација триметиламиноетил метакрилат терц-анцион-пинк-ансион-pine-pine nBCA 1: 1), функционализиран со терцијарен амин W/O x вода-во-масло (дисперзија) молска фракција, моларен дел X
2 Теоретски основи Слика 2.2: Шематски приказ на хидродинамиката во рамките на статорот на роторот. [26] Спонтани процеси на дисперзија, како што се хомогена нуклеација на течна течност-течност (ефект на узо "), се интересни за многу апликации. Употребата на дисперзери не е неопходна тука. Спротивно на тоа, се користи средство за растворање што е растворлив и во двете компоненти. Во зависност од видот на мономер, тој се раствора во континуирана фаза или во фаза што треба да се инкапсулира. [27, 28] Слика 2.3: Шематски приказ на хомогената нуклеација на течно-течна состојба (ефект на узо). хомогена нуклеација на течност-течност. Супстанцата што треба да се инкапсулира се раствора во растворувачот и се додава во континуираната фаза (со стабилизатор) (1). Косолвентот дифундира во континуирана фаза и обратно континуираната фаза се дифундира во капките (2) Супстанцијата што треба да се инкапсулира е презаситена и јадрена за да се формираат мали капки (3). Соодветните амфифилни мономери дифузираат до стабилниот ized интерфејси (4 и 5) и полимеризираат таму (6). Често користен вид мономер се естерите на цијаноакрилна киселина, по можност со радикали на n-бутил, изобутил или октил. 6-ти
2 Теоретски основи Слика 2.5: Шематски приказ на механизмот за формирање на нанокапсули и наносфери според М. Галардо и сор. со примарни (1) и секундарни (2) протоци на мономери. [32] Слика 2.5 го покажува механизмот за формирање Галардо. Систем на изобутил-2-цијаноакрилат/масло/етанол се смета како органска фаза и водена фаза. Поради дифузија на етанол во водена фаза, се јавува примарен проток на дифузија на мономерите молекули со етанолот до интерфејсот помеѓу двете фази (1). Ова доведува до концентрација на мономерот на интерфејсот и до почеток на анјонската полимеризација. Полимерниот филм формира дифузиона преграда за мономерот, така што полимерниот филм може да продолжи да реагира како резултат на транспортот на понатамошните мономерни молекули. Поради амфифилните или површински активните својства на мономерот [33], на интерфејсот се развива градиент на меѓупричински напон, што создава турбуленција (2). Ова пак доведува до ефект на Марангони и на крајот до фрагментација на полимерниот филм на интерфејсот. Во зависност од тоа дали се користи фаза на масло, се создаваат или нано капсули или наносфери. [34] 8
2 Теоретски основи 2.2 Стабилизација на дисперзиите Стабилизацијата е суштински елемент за осигурување на квалитетот на дисперзивните системи. Термодинамичката нестабилност на дисперзијата може да се прикаже со помош на 2-риот закон за термодинамика. Промената на слободната енталпија dg се состои од промената на енталпијата dh и промената на ентропијата ds со температурниот фактор T (Eq. 2,5): dg = dh T ds Eq. 2.5 Ако се разгледаат дисперзивните системи, енталпијата може да се замени како производ на промената на интерфејсот da и напнатоста на интерфејсот γ (Eq. 2.6). dg = da γ T ds Eq. 2.6 Интерфацијалната тензија е дефинирана како работа W што треба да се потроши за да се зголеми интерфејсот А на системот. Бидејќи системот секогаш се стреми да претпостави состојба на најмала енергија, тој се обидува да го минимизира својот интерфејс. Од друга страна, формирањето на што е можно повеќе мали колоидни честички би довело до придобивка од ентропија како резултат на намалувањето на редот во системот. Последново, сепак, работи во спротивна насока од минимизирањето на интерфејсот, бидејќи со зголемување на бројот на капки N K со постојан вкупен волумен, површината на сите капки A tot се зголемува (Eq. 2.7). Тот
N K 1 3 Eq. 2.7 И покрај загубата на ентропија, системот се обидува да формира најмал можен интерфејс, бидејќи ентропската компонента е многу мала. Ова доведува до агрегација, агломерација или спојување. Додека агрегацијата и спојувањето се неповратни процеси, честичките во агломерацијата се присутни само како секундарни честички поради слабите, привлечни интеракции. Тука, оригиналната состојба (дистрибуција на големината) на дисперзијата може да се донесе со употреба на само мала количина на сили на смолкнување. Агрегациите/агломерациите или спојувањето доведуваат до кремирање или таложење како резултат на зголемениот дијаметар на честичките. Брзината на кремирање или седиментација може да се одреди од рамнотежата на силите 9
рел Вредности 4 Резултати и дискусија Слика 4.37: Лекување на етил 2-цијаноакрилат. Мерено со IR спектроскопија. [108] Нивото на стврднување по 2 минути е приближно 80%, што корелира со добро приближување со нашата сопствена NMR истрага, во која релативната концентрација на мономер е 28%, што одговара на стврднување од 72%. Како резултат, стапката на формирање на капсули на нанокапсулите синтетизирани според стандардниот пристап (Поглавје 3.1.1.1) може да се толкува како доволно голема што стабилизираната емулзија може да послужи како прелиминарна фаза. За таа цел, се мери стабилноста на емулзијата (Миглиол 812 во вода) како функција на времето. За таа цел, емулзијата беше испитана веднаш по производството (Поглавје 3.1.1.1, без мономер). Релативниот број на капки (подвижни објекти) е исцртан во однос на времето и ја покажува динамиката на стабилноста на емулзијата. Покрај тоа, полимеризацијата на nbca во D 2 O како функција на времето е измерена со временски разрешен 1 H-NMR (Дел 3.8.1). 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Број на капки масло стврднување nbca 0 3 6 9 12 Време [h] Слика 4.38: Временска динамика на бројот на капки во емулзија О/В (фаза на масло: Миглиол 812), проценети само подвижни честички и динамика на стврднување на мономерот n-бутил -2-цијаноакрилат (nbca). 98
d H [nm] рел. Број 4 Резултати и дискусија 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00 1 мол% вкрстена врска O/WW/W 0 3 6 9 12 15 18 21 24 Време [d] Слика 4.54: Мерење на стабилноста на W/W и O/Дисперзии на нанокапсули W со содржина на вкрстена врска од 1 mol% во 40% по волумен ацетон како функција на времето. Оценето со автоматско броење на мобилните капсули. Разликата помеѓу видовите на капсули може да се види во мерењата на стабилноста (Слика 4.54). Додека релативниот број на мобилни нанокапсули W/W останува релативно константен, бројот на нанокапсули O/W по додавањето на ацетон се намалува на 20% од оригиналната вредност по 4 дена и останува на оваа вредност до крајот на мерењето по 23 дена . Средните, хидродинамички дијаметри на нанокапсулите О/Ш и Ш/З со содржина на вкрстена врска од 5 mol% се прикажани на Слика 4.55 како функција на времето. 600 500 5 mol% вкрстена врска O/WW/W 400 300 200 100 0 3 6 9 12 15 18 21 24 време [d] Слика 4.55: Просечен хидродинамички дијаметар на дисперзии на нанокапсули W/W и O/W со содржина на вкрстена врска 5 mol% во 40 вол. -% ацетон во функција на времето. Мерењето е извршено со помош на следење на честички. 120
рел Број рел. Број 4 Резултати и дискусија 4.4.3.4 Споредба на нанокапсули О/Ш и З/З Различните видови на нанокапсули О/В и З/З покажуваат значително различна динамика на деградација како резултат на додавање на растворувачи како што е ацетон, во зависност од степенот на вкрстено поврзување на полимерната обвивка. Само мобилните капсули се разгледуваат во оваа сумирана споредба на нанокапсулите О/Ш и З/З. 1,0 0,8 0,6 О/З 60% ацетон 5.0 мол% 1.0 мол% 0,5 мол% 0 мол% 0,4 0,2 0,0 0 3 6 9 12 15 18 21 24 време [ч] 1,0 W/W 60% ацетон 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0,0,0,0 mol% 1,0 mol% 0,5 mol% 0 mol% 0 3 6 9 12 15 18 21 24 време [h] Слика 4.57: Споредба на кривите на деградација на нанокапсули O/W (погоре) и W/W (подолу) со различна јачина вкрстено полимерна обвивка во 60 вол. -% ацетон, проценет со автоматско броење на мобилните капсули. На слика 4.57 е прикажано резиме на кривите на деградација на нанокапсулите О/Ш и З/З со различни пропорции на агенси за вкрстено поврзување во полимерната обвивка во 60% по волумен на ацетон. Овие мерења добро ги претставуваат јасните разлики во стабилноста и влијанието на хемиското вкрстено поврзување врз истите. Додека нанокапсулите О/В побрзо се распаѓаат со зголемениот процент на вкрстено поврзување, нанокапсулите W/W покажуваат 122