Мезопористый кремнезем - Mesoporous silica

Просвечивающая электронная микроскопия (ТЕА, вверху) и сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) изображения мезопористых наночастиц кремнезема.[1]

Мезопористый кремнезем это мезопористый форма кремнезем и недавнее развитие в нанотехнологии. Наиболее распространенные типы мезопористых наночастиц: МСМ-41 и SBA-15.[2] Продолжаются исследования частиц, которые находят применение в катализ, Доставка наркотиков и визуализация.[3]

Соединение, производящее мезопористый диоксид кремния, было запатентовано примерно в 1970 году.[4][5][6] Это прошло почти незамеченным[7] и воспроизведен в 1997 году.[8] Мезопористые наночастицы кремнезема (MSN) были независимо синтезированы в 1990 году исследователями из Японии.[9] Позже они производились также в лабораториях Mobil Corporation.[10] и назвал Мобильный состав материи (или Mobil Crystalline Materials, MCM).[11]

Шесть лет спустя наночастицы кремнезема с гораздо большими порами (от 4,6 до 30 нанометров) были получены на заводе. Калифорнийский университет в Санта-Барбаре.[12] Материал получил название «Санта-Барбара Аморфный материал типа» или SBA-15. Эти частицы также имеют гексагональный массив пор.

Исследователи, которые изобрели эти типы частиц, планировали использовать их в качестве молекулярные сита. Сегодня мезопористые наночастицы кремнезема находят множество применений в лекарство, биосенсоры,[13] накопитель тепловой энергии[14] и изображения.

Синтез

Флаконы мезопористого кремнезема
ПЭМ-изображение мезопористой наночастицы кремнезема

Мезопористые наночастицы кремнезема синтезируются путем взаимодействия тетраэтилортосиликат с шаблоном из мицеллярных стержней. В результате получается совокупность наноразмерных сфер или стержней, заполненных порами правильного расположения. Затем шаблон можно удалить, промывая растворителем, отрегулированным до нужного pH.[3]

Мезопористые частицы также можно синтезировать простым золь-гель методом.[1] такой как Процесс Штёбера, или методом распылительной сушки.[15] Тетраэтилортосиликат также используется с дополнительным полимерным мономером (в качестве шаблона).

Однако TEOS - не самый эффективный прекурсор для синтеза таких частиц; лучшим предшественником является (3-меркаптопропил) триметоксисилан, часто сокращенно MPTMS. Использование этого прекурсора резко снижает вероятность агрегации и обеспечивает получение более однородных сфер.[16][нужна цитата ]

Доставка наркотиков

Большая площадь поверхности пор позволяет заполнить частицы лекарственным средством или веществом. цитотоксин. Как Троянский конь, частицы будут поглощены определенными биологическими клетками через эндоцитоз в зависимости от того, какие химические вещества прикреплены к внешней стороне сфер. Некоторые типы раковых клеток будут поглощать больше частиц, чем здоровые клетки, что дает исследователям надежду на то, что когда-нибудь MCM-41 будет использоваться для лечения определенных типов рака.[3]

Заказанный мезопористый диоксид кремния (например, SBA-15,[17] ТУД-1,[18] HMM-33,[1] и ФСМ-16[19]) также демонстрируют потенциал для ускорения растворения in vitro и in vivo плохо растворимых в воде лекарственных средств. Многие кандидаты в лекарства, появившиеся после открытия новых лекарств, страдают от плохой растворимости в воде. Недостаточное растворение этих гидрофобных препаратов в желудочно-кишечных жидкостях сильно ограничивает пероральную биодоступность. Одним из примеров является итраконазол который является антимикотиком, известным своей плохой растворимостью в воде. При введении композиции итраконазол-на-SBA-15 в моделируемые желудочно-кишечные жидкости получают перенасыщенный раствор, вызывающий усиленный трансэпителиальный кишечный транспорт.[20] Кроме того, эффективное поглощение итраконазола в составе SBA-15 в системный кровоток было продемонстрировано in vivo (кролики и собаки).[21] Этот подход, основанный на SBA-15, дает стабильные рецептуры.[22] и может использоваться для широкого спектра плохо растворимых в воде соединений.[23]

Биосенсоры

Структура этих частиц позволяет заполнить их флуоресцентным красителем, который обычно не может проходить через стенки клеток. Затем материал MSN закрывается молекулой, совместимой с клетками-мишенями. Когда MSN добавляются к культуре клеток, они переносят краситель через клеточную мембрану. Эти частицы оптически прозрачны, поэтому краситель можно увидеть сквозь кремнеземные стенки. Краситель в частицах не имеет той же проблемы с самозатуханием, как краситель в растворе. Типы молекул, которые привиты к внешней стороне MSN, будут контролировать, какие виды биомолекул могут взаимодействовать внутри частиц с красителем.[24][25]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c Нандианто, Асеп Байу Дани; Ким, Сун-Гил; Искандар, Перегон; Окуяма, Кикуо (2009). «Синтез наночастиц диоксида кремния с нанометровыми мезопорами и внешними диаметрами». Микропористые и мезопористые материалы. 120 (3): 447–453. Дои:10.1016 / j.micromeso.2008.12.019.
  2. ^ Катияр, Амит; Ядав, Сантош; Smirniotis, Panagiotis G .; Пинто, Невилл Г. (июль 2006 г.). «Синтез упорядоченных крупнопористых сферических частиц SBA-15 для адсорбции биомолекул». Журнал хроматографии А. 1122 (1–2): 13–20. Дои:10.1016 / j.chroma.2006.04.055. ISSN  0021-9673. PMID  16716334.
  3. ^ а б c Трюин, Брайан Джи; Нивег, Дженнифер А; Чжао, Яннань; Лин, Виктор С.-Ю. (2007). «Биосовместимые мезопористые наночастицы диоксида кремния различной морфологии для проникновения через мембраны клеток животных». Журнал химической инженерии. 137 (1): 23–29. Дои:10.1016 / j.cej.2007.09.045.
  4. ^ Chiola, V .; Рицко, Дж. Э. и Вандерпул, К. Д. «Процесс производства диоксида кремния с низкой насыпной плотностью». Заявка № US 3556725D A, поданная 26 февраля 1969 г .; Публикация № US 3556725 A, опубликованная 19 января 1971 г.
  5. ^ «Пористые частицы диоксида кремния, содержащие кристаллизованную фазу и способ» Заявка № US 3493341D A, поданная 23 января 1967 г .; Публикация № US 3493341 A, опубликованная 3 февраля 1970 г.
  6. ^ «Процесс производства кремнезема в виде полых сфер»; Заявка № US 342525 A, поданная 4 февраля 1964 г .; Публикация № US 3383172 A, опубликованная 14 мая 1968 г.
  7. ^ Сюй, Рурэн; Пан, Вэньцинь; Ю, Джихонг (2007). Химия цеолитов и родственных пористых материалов: синтез и структура. Wiley-Interscience. п. 472. ISBN  978-0-470-82233-3.
  8. ^ Direnzo, F; Камбон, Н; Дутартр, Р. (1997). «28-летний синтез мезопористого кремнезема с мицеллярными темплатами». Микропористые материалы. 10 (4–6): 283–286. Дои:10.1016 / S0927-6513 (97) 00028-X.
  9. ^ Янагисава, Цунео; Симидзу, Тосио; Курода, Казуюки; Като, Чузо (1990). «Получение комплексов алкилтриметиламмоний-канемит и их превращение в микропористые материалы». Бюллетень химического общества Японии. 63 (4): 988–992. Дои:10.1246 / bcsj.63.988.
  10. ^ Beck, J. S .; Vartuli, J.C .; Roth, W. J .; Леонович, М. Э .; Kresge, C.T .; Schmitt, K. D .; Chu, C. T. W .; Olson, D. H .; Шеппард, Э. У. (1992). «Новое семейство мезопористых молекулярных сит, приготовленных с использованием шаблонов жидких кристаллов». Журнал Американского химического общества. 114 (27): 10834–10843. Дои:10.1021 / ja00053a020.
  11. ^ Trewyn, B.G .; Замедление, I. I .; Гири, S; Chen, H.T .; Лин, В. С. (2007). «Синтез и функционализация мезопористой наночастицы кремнезема на основе золь-гель процесса и применения в контролируемом высвобождении». Отчеты о химических исследованиях. 40 (9): 846–853. Дои:10.1021 / ar600032u. PMID  17645305.
  12. ^ Чжао, Дунъюань; Фэн, Цзянлинь; Хо, Цишэн; Мелош Николай; Фредриксон, Гленн Х.; Чмелка, Брэдли Ф .; Стаки, Гален Д. (1998). «Триблок-сополимерный синтез мезопористого кремнезема с периодическими порами от 50 до 300 ангстрем». Наука. 279 (5350): 548–52. Bibcode:1998Sci ... 279..548Z. Дои:10.1126 / science.279.5350.548. PMID  9438845.
  13. ^ Валенти Дж., Рампаццо Р., Бонакки С., Петрица Л., Маркаччо М., Монтальти М., Проди Л., Паолуччи Ф (2016). «Переменный допинг вызывает обмен механизма в электрогенерированной хемилюминесценции наночастиц диоксида кремния Ru (bpy) 32+ Core-Shell». Варенье. Chem. Soc. 138 (49): 15935–15942. Дои:10.1021 / jacs.6b08239. PMID  27960352.
  14. ^ Митран, Рауль-Огюстен; Бергер, Даниэла; Мунтяну, Корнел; Матей, Кристиан (2015). «Оценка различных опор из мезопористого диоксида кремния для хранения энергии в материалах со стабилизированной фазой с двойным тепловым откликом». Журнал физической химии C. 119 (27): 15177–15184. Дои:10.1021 / acs.jpcc.5b02608.
  15. ^ Nandiyanto, A.B.D .; Искандар Ф. и Окуяма К. (2008). «Наноразмерные полимерные частицы, облегчающие получение мезопористых частиц кремнезема с использованием метода распыления». Письма по химии. 37 (10): 1040–1041. Дои:10.1246 / cl.2008.1040.
  16. ^ Sivanandini, M .; Dhami, Sukhdeep S .; Pabla, B.S .; Гупта, М. (Январь 2014). «Влияние 3-меркаптопропилтриметоксисилана на шероховатость поверхности и скорость удаления материала при химико-механическом полировании». Процедуры материаловедения. 6: 528–537. Дои:10.1016 / j.mspro.2014.07.067.
  17. ^ Меллэртс, Рэнди; Aerts, Caroline A .; Хамбек, Ян Ван; Августийнс, Патрик; Ден Мутер, Гай Ван; Мартенс, Йохан А. (2007). «Повышенное высвобождение итраконазола из заказанных мезопористых материалов кремнезема SBA-15». Химические коммуникации (13): 1375–7. Дои:10.1039 / b616746b. PMID  17377687.
  18. ^ Heikkila, T; Salonen, J; Туура, Дж; Хэмди, М; Mul, G; Кумар, Н; Салми, Т; Мурзин Д; и другие. (2007). «Мезопористый кремнеземный материал ТУД-1 как система доставки лекарств». Международный журнал фармацевтики. 331 (1): 133–8. Дои:10.1016 / j.ijpharm.2006.09.019. PMID  17046183.
  19. ^ Тозука, Юичи; Вонгмекиат, Арпансири; Кимура, Киоко; Морибе, Куниказу; Ямамура, Шигео; Ямамото, Кейджи (2005). «Влияние размера пор FSM-16 на захват флурбипрофена в мезопористых структурах». Химико-фармацевтический бюллетень. 53 (8): 974–977. Дои:10.1248 / cpb.53.974. PMID  16079530.
  20. ^ Меллэртс, Рэнди; Молс, Раф; Kayaert, Pieterjan; Аннаерт, Питер; Ван Хамбек, Ян; Ван Ден Мутер, Гай; Martens, Johan A .; Огюстейнс, Патрик (2008). «Упорядоченный мезопористый диоксид кремния индуцирует pH-независимое перенасыщение основного соединения с низкой растворимостью итраконазола, что приводит к усилению трансэпителиального транспорта». Международный журнал фармацевтики. 357 (1–2): 169–79. Дои:10.1016 / j.ijpharm.2008.01.049. PMID  18325700.
  21. ^ Меллэртс, Рэнди; Молс, Раф; Джаммаер, Джаспер А.Г .; Aerts, Caroline A .; Аннаерт, Питер; Ван Хамбек, Ян; Ван Ден Мутер, Гай; Августийнс, Патрик; Мартенс, Йохан А. (2008). «Повышение пероральной биодоступности плохо растворимого в воде лекарственного препарата итраконазол с упорядоченным мезопористым кремнеземом». Европейский журнал фармацевтики и биофармацевтики. 69 (1): 223–30. Дои:10.1016 / j.ejpb.2007.11.006. PMID  18164930.
  22. ^ Меллэртс, Рэнди; Хаутхуф, Кристоф; Элен, Кен; Чен, Хонг; Ван Спейброк, Михил; Ван Хамбек, Ян; Августийнс, Патрик; Малленс, Жюль; Ван Ден Мутер, Гай; Мартенс, Йохан А. (2010). «Поведение при старении фармацевтических составов итраконазола на материале носителя из заказанного мезопористого диоксида кремния SBA-15». Микропористые и мезопористые материалы. 130 (1–3): 154–161. Дои:10.1016 / j.micromeso.2009.10.026.
  23. ^ Ван Спейброк, Михил; Барилларо, Валери; Тхи, Тао До; Меллэртс, Рэнди; Мартенс, Йохан; Ван Хамбек, Ян; Vermant, Jan; Аннаерт, Питер; и другие. (2009). «Заказанный мезопористый кремнеземный материал SBA-15: платформа широкого спектра действия для малорастворимых лекарств». Журнал фармацевтических наук. 98 (8): 2648–58. Дои:10.1002 / jps.21638. PMID  19072861.
  24. ^ Трюин, Брайан Джи; Супратим, Гири; Замедление, Игорь I; Линь, Виктор С.-Ю. (2007). «Мезопористые наночастицы диоксида кремния на основе контролируемого высвобождения, доставки лекарств и биосенсорных систем». Химические коммуникации (31): 3236–3245. Дои:10.1039 / b701744h. PMID  17668088.
  25. ^ Раду, Даниэла Р.; Лай, Чен-Ю; Ефтиния, Ксения; Роу, Эрик В.; Jeftinija, Srdija & Lin, Victor S.-Y. (2004). «Реагент для трансфекции генов на основе наносферы из мезопористого кремнезема, покрытого полиамидоамином, дендримером». Журнал Американского химического общества. 126 (41): 13216–13217. Дои:10.1021 / ja046275m. PMID  15479063.