Мезопористый кремнезем
 |
Мезопористый кремнезем — это форма кремнезема , которая характеризуется мезопористой структурой, то есть наличием пор диаметром от 2 до 50 нм. Согласно терминологии ИЮПАК , мезопористость находится между микропористым (<2 нм) и макропористым (>50 нм). Мезопористый кремнезем является относительно недавней разработкой в области нанотехнологий . Наиболее распространенными типами мезопористых наночастиц являются MCM-41 и SBA-15. [2] Продолжаются исследования частиц, которые находят применение в катализе , доставке лекарств и визуализации . [3] Также были получены мезопористые упорядоченные пленки кремнезема с различной топологией пор. [4]
Соединение, производящее мезопористый кремнезем, было запатентовано примерно в 1970 году. [5] [6] [7] Это прошло почти незаметно [8] и был воспроизведен в 1997 году. [9] Наночастицы мезопористого кремнезема (MSN) были независимо синтезированы в 1990 году исследователями из Японии. [10] Позже они производились также в лабораториях Mobil Corporation. [11] и назван «Подвижный состав материи» (или «Подвижные кристаллические материалы», MCM). [12]
Шесть лет спустя наночастицы кремнезема с порами гораздо большего размера (от 4,6 до 30 нанометров) были произведены в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре . [13] Материал получил название «Материал аморфного типа Санта-Барбары» или SBA-15. Эти частицы также имеют гексагональную решетку пор.
Исследователи, изобретшие эти типы частиц, планировали использовать их в качестве молекулярных сит . Сегодня наночастицы мезопористого кремнезема находят множество применений в медицине , биосенсорах , [14] хранение тепловой энергии, [15] фильтрация воды/газа [16] и визуализация.
Синтез
[ редактировать ]
Наночастицы мезопористого кремнезема синтезированы путем взаимодействия тетраэтилортосиликата с матрицей из мицеллярных стержней. В результате получается совокупность сфер или стержней наноразмера, заполненных порами регулярного расположения. Затем шаблон можно удалить, промыв растворителем с соответствующим pH . [3]
Мезопористые частицы также можно синтезировать простым золь-гель-методом. [1] например , процесс Штёбера или метод распылительной сушки. [17] Тетраэтилортосиликат также используется с дополнительным полимерным мономером (в качестве матрицы).
Однако ТЭОС не является наиболее эффективным предшественником для синтеза таких частиц; лучшим предшественником является (3-меркаптопропил)триметоксисилан, часто обозначаемый сокращенно MPTMS. Использование этого предшественника резко снижает вероятность агрегации и обеспечивает более однородные сферы. [18]
Доставка лекарств
[ редактировать ]Большая площадь поверхности пор позволяет частицам заполняться лекарственным средством или цитотоксином . Подобно троянскому коню , частицы будут поглощаться определенными биологическими клетками посредством эндоцитоза , 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, что однажды MCM-41 будет использоваться для лечения определенных типов рака. [3] [19] [20]
Упорядоченный мезопористый кремнезем (например, СБА-15, [21] ТУД-1, [22] ХММ-33, [1] и ФСМ-16 [23] ) также демонстрируют потенциал для ускорения растворения плохо растворимых в воде лекарств in vitro и in vivo. Многие кандидаты на лекарства, появившиеся в результате 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 препарата итраконазол-на-SBA-15 в моделируемую желудочно-кишечную жидкость получается перенасыщенный раствор, вызывающий усиленный трансэпителиальный кишечный транспорт. [24] Также было продемонстрировано эффективное попадание в системный кровоток итраконазола, содержащего SBA-15, in vivo (кролики и собаки). [25] Этот подход, основанный на SBA-15, дает стабильные составы. [26] и может быть использован для широкого спектра плохо растворимых в воде соединений. [27]
Биосенсоры
[ редактировать ]Структура этих частиц позволяет наполнить их флуоресцентным красителем, который обычно не может проходить через клеточные стенки. Затем материал MSN закрывается молекулой, совместимой с клетками-мишенями. Когда MSN добавляются в клеточную культуру, они переносят краситель через клеточную мембрану. Эти частицы оптически прозрачны, поэтому краситель можно увидеть сквозь стенки кремнезема. Краситель в частицах не имеет таких проблем с самозатуханием, как краситель в растворе. Типы молекул, привитых к внешней стороне MSN, будут определять, каким типам биомолекул внутри частиц разрешено взаимодействовать с красителем. [28] [29]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Нандиянто, Асеп Баю Дани; Ким, Сун-Гиль; Искандар, Паром; Окуяма, Кикуо (2009). «Синтез наночастиц кремнезема с контролируемыми мезопорами нанометрового размера и внешним диаметром». Микропористые и мезопористые материалы . 120 (3): 447–453. дои : 10.1016/j.micromeso.2008.12.019 .
- ^ Катияр, Амит; Ядав, Сантош; Смирниотис, Панайотис Г.; Пинто, Невилл Г. (июль 2006 г.). «Синтез упорядоченных крупнопористых сферических частиц СБА-15 для адсорбции биомолекул». Журнал хроматографии А. 1122 (1–2): 13–20. дои : 10.1016/j.chroma.2006.04.055 . ISSN 0021-9673 . ПМИД 16716334 .
- ^ Перейти обратно: а б с Трюин, Брайан Дж; Ньюег, Дженнифер А; Чжао, Яннан; Лин, Виктор С.-Ю. (2007). «Биосовместимые наночастицы мезопористого кремнезема с различной морфологией для проникновения в мембраны клеток животных». Химико-технологический журнал . 137 (1): 23–29. doi : 10.1016/j.cej.2007.09.045 .
- ^ Инноченци, Плинио (2022). Мезопористые упорядоченные пленки кремнезема. От самостоятельной сборки до заказа . Достижения в области золь-гель-материалов и технологий. Спрингер. дои : 10.1007/978-3-030-89536-5 . ISBN 978-3-030-89535-8 . S2CID 245147740 .
- ^ Чиола, В.; Рицко, Дж. Э. и Вандерпул, К. Д. «Процесс производства кремнезема с низкой объемной плотностью». Заявка № US 3556725D A, поданная 26 февраля 1969 г.; Публикация № US 3556725 A, опубликованная 19 января 1971 г.
- ^ «Частицы пористого кремнезема, содержащие кристаллическую фазу, и способ» Заявка № US 3493341D A, поданная 23 января 1967 г.; Публикация № US 3493341 A, опубликованная 3 февраля 1970 г.
- ^ «Процесс производства кремнезема в форме полых сфер» ; Заявка № US 342525 А, поданная 4 февраля 1964 г.; Публикация № US 3383172 A, опубликованная 14 мая 1968 г.
- ^ Сюй, Рурен; Пан, Вэньцинь; Ю, Цзихун (2007). Химия цеолитов и родственных им пористых материалов: синтез и строение . Уайли-Интерсайенс. п. 472. ИСБН 978-0-470-82233-3 .
- ^ Диренцо, Ф; Камбон, Х; Дютартр, Р. (1997). «28-летний синтез мезопористого кремнезема с мицеллярной матрицей». Микропористые материалы . 10 (4–6): 283–286. дои : 10.1016/S0927-6513(97)00028-X .
- ^ Янагисава, Цунео; Симидзу, Тосио; Курода, Казуюки; Като, Чузо (1990). «Получение алкилтриметиламмоний-канемитовых комплексов и их преобразование в микропористые материалы» . Бюллетень Химического общества Японии . 63 (4): 988–992. дои : 10.1246/bcsj.63.988 .
- ^ Бек, Дж. С.; Вартули, Дж. К.; Рот, WJ; Леонович, МЭ; Кресге, Коннектикут; Шмитт, К.Д.; Чу, CTW; Олсон, Д.Х.; Шеппард, EW (1992). «Новое семейство мезопористых молекулярных сит, приготовленных с использованием жидкокристаллических шаблонов». Журнал Американского химического общества . 114 (27): 10834–10843. дои : 10.1021/ja00053a020 .
- ^ Трюин, Б.Г.; Замедление, II; Гири, С; Чен, ХТ; Лин, В.С. (2007). «Синтез и функционализация мезопористых наночастиц кремнезема на основе золь-гель-процесса и их применение в контролируемом высвобождении» . Отчеты о химических исследованиях . 40 (9): 846–853. дои : 10.1021/ar600032u . ПМИД 17645305 .
- ^ Чжао, Дунъюань; Фэн, Цзянлинь; Хо, Цишэн; Мелош, Николас; Фредриксон, Гленн Х .; Чмелка, Брэдли Ф.; Стаки, Гален Д. (1998). «Синтез триблок-сополимера мезопористого кремнезема с периодическими порами от 50 до 300 ангстрем». Наука . 279 (5350): 548–52. Бибкод : 1998Sci...279..548Z . дои : 10.1126/science.279.5350.548 . ПМИД 9438845 .
- ^ Валенти Дж., Рампаццо Р., Бонакки С., Петрицца Л., Маркаччо М., Монтальти М., Проди Л., Паолуччи Ф (2016). «Переменное легирование вызывает смену механизма в электрогенерированной хемилюминесценции кремнеземных наночастиц Ru(bpy)32+ ядро-оболочка». Дж. Ам. хим. Соц . 138 (49): 15935–15942. дои : 10.1021/jacs.6b08239 . hdl : 11585/583548 . ПМИД 27960352 .
- ^ Митран, Рауль-Огюстен; Бергер, Даниэла; Мунтяну, Корнел; Матей, Кристиан (2015). «Оценка различных подложек из мезопористого кремнезема для хранения энергии в материалах с фазовым переходом, стабилизированных по форме, с двойной термической реакцией». Журнал физической химии C. 119 (27): 15177–15184. дои : 10.1021/acs.jpcc.5b02608 .
- ^ Гаджери, Фарназ; Топалян, Заре; Таска, Андреа; Джафри, Сайед Хасан Муджтаба; Лейфер, Клаус; Норберг, Питер; Сьёстрем, Кристер (01 августа 2018 г.). «Пример зеленого нанопористого материала от синтеза до коммерциализации: Кварцен®» . Текущее мнение о зеленой и устойчивой химии . 12 : 101–109. дои : 10.1016/j.cogsc.2018.07.003 . ISSN 2452-2236 . S2CID 139146490 .
- ^ Нандиянто, Абхазия; Искандар Ф. и Окуяма К. (2008). «Приготовление частиц мезопористого кремнезема с использованием наноразмерных полимерных частиц методом распыления». Химические письма . 37 (10): 1040–1041. дои : 10.1246/кл.2008.1040 .
- ^ Шиванандини, М.; Дхами, Сухдип С.; Пабла, бакалавр наук; Гупта, МК (январь 2014 г.). «Влияние 3-меркаптопропилтриметоксисилана на качество поверхности и скорость удаления материала при химико-механической полировке» . Procedia Материаловедение . 6 : 528–537. дои : 10.1016/j.mspro.2014.07.067 .
- ^ Роджерс, Роберт; Канвинде, Шрей; Бунсит, Сутида; Упицкий, Давид (01 октября 2014 г.). «Практичность использования наночастиц мезопористого кремнезема в качестве средств доставки лекарств и прогресс в достижении этой цели» . AAPS PharmSciTech . 15 (5): 1163–1171. дои : 10.1208/s12249-014-0142-7 . ISSN 1530-9932 . ПМК 4179667 . ПМИД 24871552 .
- ^ Вани, Амит; Савитра, Галбокка Х. Лаян; Абьяд, Аят; Канвинде, Шрей; Ли, Цзин; Брок, Стефани; Упицкий, Давид (23 мая 2017 г.). «Поверхностное ПЭГилирование мезопористых кремнеземных наностержней (MSNR): влияние на загрузку, высвобождение и доставку митоксантрона в гипоксические раковые клетки» . Научные отчеты . 7 (1): 2274. doi : 10.1038/s41598-017-02531-4 . ISSN 2045-2322 . ПМК 5442097 . ПМИД 28536462 .
- ^ Меллаертс, Рэнди; Аэртс, Кэролайн А.; Хамбек, Ян Ван; Огюстейнс, Патрик; Ден Мутер, Гай Ван; Мартенс, Йохан А. (2007). «Увеличенное высвобождение итраконазола из упорядоченных мезопористых кремнеземных материалов SBA-15». Химические коммуникации (13): 1375–7. дои : 10.1039/b616746b . ПМИД 17377687 .
- ^ Хейккила, Т; Салонен, Дж; Туура, Дж; Хамди, М; Мул, Г; Кумар, Н; Салми, Т; Мурзин, Д; и др. (2007). «Мезопористый кремнеземный материал ТУД-1 как система доставки лекарств». Международный фармацевтический журнал . 331 (1): 133–8. doi : 10.1016/j.ijpharm.2006.09.019 . ПМИД 17046183 .
- ^ Тозука, Юичи; Вонгмекиат, Арпансири; Кимура, Кёко; Морибе, Куниказу; Ямамура, Сигео; Ямамото, Кейджи (2005). «Влияние размера пор FSM-16 на захват флурбипрофена в мезопористых структурах» . Химический и фармацевтический вестник . 53 (8): 974–977. дои : 10.1248/cpb.53.974 . ПМИД 16079530 .
- ^ Меллаертс, Рэнди; Молс, Раф; Кайерт, Питерян; Аннаерт, Питер; Ван Хамбек, Ян; Ван Ден Мутер, Гай; Мартенс, Йохан А.; Августейнс, Патрик (2008). «Упорядоченный мезопористый кремнезем вызывает независимое от pH перенасыщение основного малорастворимого соединения итраконазола, что приводит к усилению трансэпителиального транспорта». Международный фармацевтический журнал . 357 (1–2): 169–79. doi : 10.1016/j.ijpharm.2008.01.049 . PMID 18325700 .
- ^ Меллаертс, Рэнди; Молс, Раф; Джаммер, Джаспер АГ; Аэртс, Кэролайн А.; Аннаерт, Питер; Ван Хамбек, Ян; Ван Ден Мутер, Гай; Огюстейнс, Патрик; Мартенс, Йохан А. (2008). «Повышение пероральной биодоступности плохо растворимого в воде препарата итраконазола с помощью упорядоченного мезопористого кремнезема». Европейский журнал фармацевтики и биофармацевтики . 69 (1): 223–30. дои : 10.1016/j.ejpb.2007.11.006 . ПМИД 18164930 .
- ^ Меллаертс, Рэнди; Хаутхофд, Кристоф; Элен, Кен; Чен, Хун; Ван Спейбрук, Мишель; Ван Хамбек, Ян; Огюстейнс, Патрик; Малленс, Жюль; Ван Ден Мутер, Гай; Мартенс, Йохан А. (2010). «Поведение фармацевтических составов итраконазола при старении на упорядоченном мезопористом кремнеземном носителе SBA-15». Микропористые и мезопористые материалы . 130 (1–3): 154–161. дои : 10.1016/j.micromeso.2009.10.026 .
- ^ Ван Спейбрук, Мишель; Барильяро, Валери; Ти, Тао До; Меллаертс, Рэнди; Мартенс, Йохан; Ван Хамбек, Ян; Вермант, Ян; Аннаерт, Питер; и др. (2009). «Упорядоченный мезопористый диоксид кремния SBA-15: платформа для разработки плохо растворимых лекарств широкого спектра действия». Журнал фармацевтических наук . 98 (8): 2648–58. дои : 10.1002/jps.21638 . ПМИД 19072861 .
- ^ Трюин, Брайан Дж; Супратим, Гири; Медля, Игорь I; Лин, Виктор С.-Ю. (2007). «Контролируемое высвобождение, доставка лекарств и биосенсорные системы на основе мезопористых наночастиц кремнезема». Химические коммуникации (31): 3236–3245. дои : 10.1039/b701744h . ПМИД 17668088 .
- ^ Раду, Даниэла Р; Лай, Чэнь-Ю; Джефтиния, Ксения; Роу, Эрик В.; Джефтиния, Срдия и Лин, Виктор С.-Ю. (2004). «Реагент для трансфекции генов на основе мезопористого кремнезема на основе наносфер, покрытый полиамидоаминовым дендримером». Журнал Американского химического общества . 126 (41): 13216–13217. дои : 10.1021/ja046275m . ПМИД 15479063 .
