Nanopolimeri
Un nanocompozit polimeric (sau PNC , din engleză nanocompozite polimerice ) este un polimer sau copolimer care are propriile sale nanoparticule dispersate. Acestea pot avea diferite forme (de exemplu: trombocite, fibre, sferoide), dar cel puțin o dimensiune trebuie să fie în intervalul de variabilitate cuprins între 1 și 50 nm .
PNC aparține categoriei multifazelor (MPS, sisteme de sisteme multifazice ) - adică amestecuri , compozite și spume - consumând aproape 95% din producția de materiale plastice. Sistemele multifazice necesită amestecare / combinare controlată, stabilizarea dispersiei realizate, orientarea fazei dispersate și strategiile de compoziție pentru toate MPS, inclusiv PNC, sunt similare.
Trecerea de la micro- la nano-particule duce la modificări ale proprietăților fizice și chiar chimice. Cei doi factori principali sunt creșterea raportului dintre suprafață și volum și mărimea particulei. Raportul suprafață / volum, care crește pe măsură ce particulele devin mai mici, conduce la o dominanță crescândă a comportamentului atomilor de pe suprafața particulelor individuale, precum și a celor din interiorul acestora. Acest lucru afectează proprietățile particulelor atunci când reacționează cu altele. Datorită suprafeței superioare a nano-particulelor, interacțiunea cu celelalte particule din amestec este mai mare, ceea ce crește rezistența, rezistența la căldură etc. schimbând mulți factori ai mixului.
Un exemplu de nanopolimer este nanosfera de siliciu care prezintă caracteristici destul de diferite; dimensiunea sa este de 40–100 nm și este mult mai dură decât siliciu, cu o duritate între safir și diamant.
Nanofibre polimerice bio-hibridizate
Multe aplicații tehnice ale obiectelor biologice (proteine, viruși sau bacterii) precum cromatografia , tehnologia informației optice, detectarea , cataliza și livrarea medicamentelor necesită imobilizarea lor. Nanotuburile de carbon , particulele de aur și polimerii sintetici sunt utilizați în acest scop. Această imobilizare a fost realizată în principal prin absorbție sau prin legare chimică și, într-o măsură mai mică, prin încorporarea acestor obiecte ca gazde în matricele gazdă. În sistemele gazdă , o metodă ideală pentru imobilizarea obiectelor biologice și integrarea lor în arhitecturi ierarhice ar trebui să fie structurată la scară nanometrică pentru a facilita interacțiunile nano-obiectelor biologice cu mediul lor. Datorită numărului mare de polimeri naturali sau sintetici disponibili și a tehnicilor avansate dezvoltate pentru prelucrarea unor astfel de sisteme pentru nanofibre, tije , tuburi etc., polimerii reprezintă o bună platformă pentru imobilizarea obiectelor biologice. [1]
Nanofibre bio-hibridizate prin electrospinning
Fibrele polimerice sunt, în general, produse la scară tehnică prin extrudare, adică un polimer topit sau o soluție de polimer este pompată prin matrici cilindrice și filată / trasă printr-un dispozitiv de înfășurare. Fibrele rezultate au de obicei un diametru de 10 microni sau mai mult. Pentru a scădea diametrul în intervalul a câteva sute de nanometri sau chiar până la câțiva nanometri, electrospinningul este încă principala tehnică disponibilă pentru prelucrarea polimerilor în prezent. Un pic câmp electric puternic de ordinul 103 V / cm se aplică picăturilor soluției de polimer care ies dintr-o matrice cilindrică. Sarcinile electrice, care se acumulează pe suprafața picăturii, provoacă deformarea ei de-a lungul direcției câmpului, chiar dacă tensiunea superficială contrastează evoluția picăturii. În câmpurile electrice supercritice, intensitatea câmpului suprascrie tensiunea superficială și un jet de lichid emană din vârful picăturii. Jetul este accelerat spre contraelectrod. În timpul acestei faze de transport, jetul este supus unor mișcări circulare puternice de îndoire circulare, care determină o alungire puternică și subțierea jetului, o evaporare a solventului până când, în cele din urmă, nanofibrele solide sunt depuse pe contraelectrodul.
Nanotuburi polimerice bio-hibridizate prin umectare
Metodele de electrospinning, electrospinning și co-template (șablon) bazate pe nanofibre produc nano-obiecte care sunt, în principiu, infinit de lungi. Pentru o gamă largă de aplicații, inclusiv cataliza , ingineria țesuturilor și modificarea suprafeței protezelor dentare, această lungime infinită este avantajoasă. Dar în unele aplicații, cum ar fi terapia prin inhalare sau administrarea sistemică a medicamentelor, este necesară o lungime bine definită. Modelul de formă descris mai jos are un astfel de avantaj încât permite prepararea nanotuburilor și nano-tijelor cu o precizie foarte mare. Metoda se bazează pe utilizarea unor forme poroase bine definite, din aluminiu sau siliciu poros. Conceptul de bază al acestei metode este de a exploata procesele de umectare . Un polimer topit sau soluție este adus în contact cu porii situați în materialele caracterizate prin suprafețe cu energie ridicată din aluminiu sau siliciu. Umectarea începe prin acoperirea pereților porilor cu o peliculă subțire de ordinul a câteva zeci de nanometri grosime. Gravitația nu joacă un rol, așa cum reiese din faptul că umectarea are loc indiferent de orientarea porilor față de direcția gravitației. Procesul exact nu este încă teoretic înțeles în detaliu, dar se poate observa din experimente că sistemele cu masă molară redusă tind să umple porii complet, în timp ce polimerii cu o lungime suficientă a lanțului abia acoperă pereții. Acest proces are loc în mod normal într-un minut pentru temperaturi de aproximativ 50 K peste temperatura de topire sau temperatura de tranziție a sticlei , chiar și pentru polimeri foarte vâscoși, cum ar fi, de exemplu, politetrafluoretilenă și acest lucru se aplică și porilor cu un raport de aspect d ' ( raport de aspect) de până la 10.000. Umplerea completă, pe de altă parte, durează zile. Pentru a obține nanotuburi, sistemul polimer / șablon este răcit la temperatura camerei sau solventul este evaporat, rezultând pori acoperiți cu straturi solide. Tuburile rezultate (până la 10 microni în lungime) pot fi îndepărtate prin forțe mecanice, adică pur și simplu trăgându-le din pori sau dizolvând selectiv șablonul. Puteți verifica diametrul nanotuburilor, distribuția diametrului, omogenitatea de-a lungul tuburilor și lungimea.
Aplicații
Nanofibrele, carierele de nanofibre, nanofibrele core-shell (core-shell) și nanobastoni (nanorods) sau nanotuburile de produse au un potențial mare pentru o gamă largă de aplicații, inclusiv cataliză omogenă și eterogenă, sistemul senzorilor , aplicațiile filtrelor și optoelectronică . Aici ne vom limita la luarea în considerare a unui set limitat de întrebări legate de științele vieții.
Ingineria țesuturilor
Se referă în principal la înlocuirea țesuturilor (piele, oase, cartilaj, vase de sânge și chiar organe) care au fost distruse de boli sau accidente sau prin alte mijloace artificiale. Această tehnică constă în furnizarea unui eșafod pe care se adaugă celule care găsesc condiții favorabile pentru creșterea lor. S-a demonstrat că nanofibrele oferă condiții excelente pentru creșterea unor astfel de celule, fiind printre altele alcătuite din structuri fibrilare care pot fi găsite pe multe țesuturi și care permit celulelor să se atașeze pentru a crește forțat cu ele.
Distribuirea compartimentată a nanotuburilor
Nanotuburile sunt, de asemenea, utilizate pentru administrarea medicamentelor în terapia generală și în special în terapia cancerului. Rolul lor este de a proteja medicamentele de distrugerea fluxului sanguin, de a controla livrarea cu o cinetică de eliberare bine definită și, în cazuri ideale, de a oferi proprietăți vector-țintă sau de a elibera mecanismul prin stimuli externi sau interni.
Similar cu bastoanele sau tuburile, mai degrabă decât cu forma aproape sferică, nano-purtătorii pot oferi avantaje suplimentare în ceea ce privește sistemele de livrare a medicamentelor. Astfel de particule purtătoare de medicament se caracterizează printr-o alegere suplimentară a raportului axial , a curburii și a rotației în raport cu hidrodinamica " completă " și foarte selectiv pot fi modificate chimic în suprafața interioară, în suprafața exterioară și în cele din urmă în planuri. Nanotuburile preparat cu un polimer reactiv atașat la tubul de deschidere permit controlul accesului și eliberarea din tub. În plus, nanotuburile pot fi, de asemenea, pregătite pentru a arăta un gradient în compoziția lor chimică pe toată lungimea lor.
Sistemele de livrare a medicamentelor compartimentate au fost pregătite pe bază de nanotuburi sau nanofibre. Aceste nanotuburi și nanofibre, de exemplu, care conțin albumină fluorescentă cu izotiocianat de fluoresceină au fost preparate ca un medicament model, precum și nanoparticule super-paramagnetice compuse din oxid de fier sau ferită de nichel. Prezența nanoparticulelor magnetice permite, în primul rând, ghidarea nanotuburilor către poziții specifice ale corpului prin intermediul câmpurilor magnetice externe. Se știe că particulele super paramagnetice prezintă interacțiuni puternice cu câmpurile magnetice externe, ducând la magnetizări mari de saturație. În plus, prin utilizarea câmpurilor magnetice variabile periodic, nanoparticulele sunt încălzite pentru a furniza, astfel, un declanșator (declanșator) pentru eliberarea medicamentului. Prezența medicamentului model a fost stabilită prin spectroscopie de fluorescență și același lucru este valabil și pentru analiza medicamentului model eliberat de nanotuburi.
Imobilizarea proteinelor
Fibrele core-shell (core shell) ale nanoparticulelor cu nuclee fluide și solide pot fi utilizate pentru a prinde obiecte biologice precum proteine, viruși sau bacterii în condiții ca să nu le afecteze funcțiile. Acest efect poate fi folosit, printre altele, pentru aplicații cu biosenzori. De exemplu, proteina fluorescentă verde este imobilizată în fibre nanostructurate care asigură suprafețe mari și distanțe scurte pentru analitul care se apropie de proteina senzorului.
În ceea ce privește utilizarea unor astfel de fibre pentru aplicațiile senzorilor , se constată că fluorescența fibrelor miez-coajă se descompune rapid, deoarece fibrele sunt scufundate într-o soluție care conține uree, pătrunzând prin perete în miez unde provoacă denaturarea GFP. Acest experiment simplu demonstrează că fibrele miez-coajă sunt promițătoare pentru realizarea de produse pentru prepararea biosenzorilor pe bază de obiecte biologice.
Fibrele polimerice nano-structurate, fibrele miezului, fibrele goale și nano-tije și nanotuburi oferă o platformă pentru o gamă largă de aplicații atât în știința materialelor, cât și în știința vieții. Obiectele biologice de complexitate diferită și obiectele sintetice care poartă anumite funcții pot fi integrate în sisteme polimerice nanostructurate, menținându-și funcțiile vitale specifice. Biosenzorii, ingineria țesuturilor, eliberarea medicamentelor sau cataliza enzimatică sunt doar câteva dintre posibilele exemple. Incorporarea virușilor și a bacteriilor în microorganisme nu ar trebui să fie cu adevărat o problemă, iar aplicațiile din astfel de sisteme bio-hibride trebuie să fie extraordinare. [2]
Efectele presiunii și dimensiunii asupra nanopolimerilor
Temperaturile de tranziție a sticlei dependente de presiune și temperaturile filmelor independente sau ale filmelor susținute care au interacțiuni slabe, cum ar fi substraturile, scad odată cu creșterea presiunii și a dimensiunii. Cu toate acestea, temperatura de tranziție sticloasă a filmului susținut care are o interacțiune puternică cu substraturile crește odată cu presiunea pe măsură ce dimensiunea scade. Diferite modele , cum ar fi modelul cu două straturi, modelul cu trei straturi, T g (D, 0) a 1 / D și alte câteva modele referitoare la căldura specifică, densitatea și dilatare termică sunt utilizate pentru a obține rezultate experimentale pe nanopolymers și de asemenea , unele observații, cum ar fi înghețarea filmelor datorită efectelor de memorie în modelele lor proprii vâsco-elastice și efectele finite ale unei molecule mici de sticlă. Pentru a descrie mai general funcția T g (D, 0) din polimeri, un simplu și modelul unificat bazat pe temperatura de topire , în funcție de dimensiunea cristalelor și criteriul Lindemann este recent furnizat.
- T g (D, 0) / T g (∞, 0) ∝ σ g 2 (∞, 0) / σ g 2 (D, 0)
unde σ g este rădăcina deplasării medii pătrate a suprafeței și a moleculelor de sticlă din interiorul T g (D, 0), α = σ s 2 (D, 0) / σ v 2 (D, 0) cu indicele s și v care indică suprafața și respectiv volumul. Pentru o nanoparticulă, D are sensul comun de diametru; pentru un nanofir, D este luat ca diametru; în timp ce pentru un film subțire, D denotă grosimea acestuia. D 0 denotă un diametru critic în care toate moleculele unei sticle mici sunt situate pe suprafața sa. [3]
Notă
- ^ (EN) A. Greiner, JH Wendorff; AL Yarin; E. Zussman ,, Nanosisteme biohibride cu nanofibre polimerice și nanotuburi [ link rupt ] , în Microbiologie aplicată și biotehnologie , vol. 71, nr. 4, Springer Berlin / Heidelberg, 06-06-2006, pp. 387-393, DOI : 10.1007 / s00253-006-0356-z , ISSN 175-7598 (Tipărire), ISSN 1432-0614 (Online). Adus 21/04/2010 .
- ^ (EN) DY Godovsky, Device Applications of Polymer-Nanocomposites [ link rupt ] , în Advances in Polymer science , vol. 153, Springer Berlin / Heidelberg, 28-08-2000, pp. 165-205, DOI : 10.1007 / 3-540-46414-X , ISBN 978-3-540-67313-2 , ISSN 0065-3195 (tipărit), 1436-5030 (online). Adus 21/04/2010 .
- ^ (EN) X. Lang, Zhang, G.; Lian, J.; Jiang, Q., Mărimea și efectele presiunii asupra temperaturii de tranziție a sticlei a filmelor subțiri din poli (metacrilat de metil) , vol. 497, nr. 1-2, 21-02-2006, pp. 333-337, DOI : 10.1016 / j.tsf.2005.10.001 . Adus 21/04/2010 .
