Dizertačná práca. Chemická a fyzikálna modifikácia membrány kapsuly nanokapsúl na báze polyalkylkyanoakrylátu
Dizertačná práca Chemická a fyzikálna úprava kapsulovej membrány nanokapsúl na báze polyalkylkyanoakrylátu za účelom získania akademického titulu doktor prírodných vied Dr. rer. nat. predstavil Christoph Groß-Heitfeld narodený v Kolíne nad Rýnom pre fyzikálnu chémiu na univerzite v Duisburgu - Essene 2015
Poďakovanie Táto práca sa uskutočnila v období od októbra 2010 do marca 2015 pod vedením prof. Dr. rer. nat. Christian Mayer z Inštitútu pre fyzikálnu chémiu na univerzite v Duisburgu - Essene. Prvý recenzent: Druhý recenzent: Predseda: Prof. Dr. rer. nat. Christian Mayer pán prof. Dr. rer. nat. Matthias Epple pán prof. Dr. rer. nat. Oliver J. Schmitz Deň ústnej skúšky: 16. novembra 2015 III
Obsah Obsah Poďakovanie. IV Obsah. V Zoznam skratiek. X 1 Úvod a motivácia. 1 2 Teoretické základy. 3 2.1 Mikrokapsuly a nanokapsuly. 3 2.1.1 Všeobecne. 3 2.1.2 Nanokapsuly pre lekárske a technické aplikácie. 4 2.1.3 Syntéza nanokapsúl. 4 2.2 Stabilizácia disperzií. 9 2.3 Systém HLB. 14 2.4 Kyanoakryláty. 16 2.4.1 Všeobecne. 16 2.4.2 Syntetické dráhy. 17 2.4.3 Aniónová polymerizácia. 19 2.5 Chemické zosieťovanie polymérov. 20 2.5.1 Termoplasty. 21 2.5.2 Elastoméry. 22 2.5.3 Termosety. 23 2.6 Alinka-azidová väzba podľa Huisgena. 24 2.7 Difúzne merania NMR s pulzným poľom. 25 3 Metódy časť. 28 3.1 Syntézy nanokapsúl. 28 3.1.1 Nanokapsuly typu olej vo vode. 28 3.1.1.1 Štandardná syntéza nanokapsúl. 29 3.1.1.2 Funkcionalizácia polyetylénimínom. 29 3.1.1.3 Funkcionalizácia trimetylaminoetylmetakrylátom. 29 3.1.1.4 Funkcionalizácia pomocou chémie kliknutí. 30 V
Obsah 4.2.2.4 Ostatné ovplyvňujúce faktory. 70 4.2.2.5 Mechanizmus tvorby kapsúl. 73 4.2.3 Stabilita rozpúšťadla. 74 4.2.3.1 Nanokapsuly O/W. 75 4.2.3.2 W/W nanokapsuly. 79 4.2.3.3 Vplyv rozpúšťadiel na distribúciu veľkostí. 81 4.2.4 Mechanická stabilita. 84 4.2.4.1 Nanoindentácia. 84 4.2.4.2 Stabilita pri striekaní. 88 4.2.5 Merania permeácie. 90 4.3 Zmeny v množstve monomérov. 93 4.3.1 Vplyv na distribúciu veľkostí. 4.3.2 Stabilita rozpúšťadla. 100 4.3.2.1 Nanokapsuly O/W. 100 4.3.2.2 W/W nanokapsuly. 103 4.3.3 Mechanická stabilita. 4.3.3.1 Nanoindentácia. 4.3.3.2 Stabilita rozprašovania. 106 4.4 Chemické zosieťovanie polymérneho obalu. 107 4.4.1 Dôkazy o chemickom zosieťovaní. 108 4.4.1.1 Termogravimetria. 4.4.1.2 Difúzne merania PFG-NMR. 110 4.4.2 Vplyv na distribúciu veľkostí. 4.4.3 Stabilita rozpúšťadla. 113 4.4.3.1 Nanokapsuly O/W. 113 4.4.3.2 W/W nanokapsuly. 114 4.4.3.3 Vplyv rozpúšťadiel na distribúciu veľkostí. 119 4.4.3.4 Porovnanie nanokapsúl O/W a W/W. 122 4.4.4 Mechanická stabilita. 4.4.4.1 Nanoindentácia. 130 4.4.4.2 Stabilita rozprašovania. 135 4.4.5 Merania permeácie. 136 4.5 Variácia bočného reťazca. 143 4.5.1 Merania permeácie. 143 4.6 Katiónová povrchová funkcionalizácia nanokapsúl na báze PACA . 146 VII
Obsah 7.3.3.4 Propargyl-2-kyanoakrylát. 218 7.3.4 Syntézy azidov pre chémiu kliknutí. 219 7.3.4.1 3-Dimetylaminopropylazid. 219 7.3.4.2 3-Etyldimetylamóniumpropylazid. 220 7,3,5 [Cu (PMDETA)] Br 2, 221 Čestné vyhlásenie. 222 publikácií. 223 životopisov. 224 IX
Zoznam skratiek Zoznam skratiek nbca d H DCC DMAP E-koeficient MCA NK O/W OCA PACA PCA PEI PnBCA P (nBCA-co-PCA) POCA PPCA std.-dev. TMAEMA n-butyl-2-kyanoakrylát (stredný) hydrodynamický priemer dicyklohexylkarbodiimid p- (dimetylamino) -pyridínový koeficient elasticity metyl-2-kyanoakrylátová nanokapsula (-y) disperzia typu olej vo vode 2-oktyl-2-kyanoakrylát polyalkylkyanoakrylát (s) 2-kyanoakrylát polyetylénimín Poly-n-butylkyanoakrylátový kopolymér n-butyl- a propargyl-2-kyanoakrylátu Poly-2-oktylkyanoakrylát Polypropargylkyanoakrylát štandardná odchýlka trimetylaminoetylmetakrylát-terc-amín-p (nbca-co-pca) nBCA 1: 1), funkcionalizovaný terciárnym amínom W/O x voda v oleji (disperzia) molárna frakcia, molárna frakcia X
2 Teoretické základy Obrázok 2.2: Schematické znázornenie hydrodynamiky vo vnútri statora rotora. [26] Spontánne disperzné procesy, ako je napríklad homogénna kvapalina-kvapalina-nukleacia (ouzo efekt), sú zaujímavé pre mnoho aplikácií. Použitie dispergátorov tu nie je potrebné. Na rozdiel od toho sa používa spolurozpúšťadlo, ktoré je rozpustné v obidvoch zložkách. V závislosti od typu monoméru je buď rozpustený v kontinuálnej fáze alebo vo fáze, ktorá sa má zapuzdriť. [27, 28] Obrázok 2.3: Schematické znázornenie homogénnej nukleácie kvapalina-kvapalina (Ouzov efekt). [29] Obrázok 2.3 zobrazuje proces syntézy kapsúl homogénna nukleácia kvapalina-kvapalina. Látka, ktorá sa má zapuzdriť, sa rozpustí v spolurozpúšťadle a pridá sa do kontinuálnej fázy (so stabilizátorom) (1). Spolurozpúšťadlo difunduje do kontinuálnej fázy a naopak kontinuálna fáza difunduje do kvapôčok (2) Látka, ktorá sa má zapuzdriť, je presýtená a nukleaciou sa vytvárajú malé kvapôčky (3). Vhodné amfifilné monoméry difundujú do stabilnej ized rozhrania (4 a 5) a polymerizovať tam (6). Často používaným typom monomérov sú estery kyseliny kyanoakrylovej, výhodne s n-butylovými, izobutylovými alebo oktylovými zvyškami. 6.
2 Teoretické základy Obrázok 2.5: Schematické znázornenie mechanizmu formovania nanokapsúl a nanosfér podľa M. Gallarda a kol. s prietokmi primárneho (1) a sekundárneho (2) monoméru. [32] Obrázok 2.5 zobrazuje mechanizmus tvorby Gallarda. Systém izobutyl-2-kyanoakrylát/olej/etanol sa považuje za organickú fázu a vodnú fázu. V dôsledku difúzie etanolu do vodnej fázy dochádza k primárnemu difúznemu toku molekúl monoméru s etanolom na rozhranie medzi týmito dvoma fázami (1). To vedie k koncentrácii monoméru na rozhraní a k začiatku aniónovej polymerizácie. Polymérny film vytvára pre monomér difúznu bariéru, takže polymérny film môže ďalej reagovať v dôsledku transportu ďalších molekúl monoméru. Vďaka amfifilným alebo povrchovo aktívnym vlastnostiam monoméru [33] sa na rozhraní vyvíja gradient medzifázového napätia, ktoré vytvára turbulenciu (2). To zase vedie k Marangoniho efektu a nakoniec k fragmentácii polymérneho filmu na rozhraní. Podľa toho, či sa použije olejová fáza, sa vytvárajú buď nanokapsuly alebo nanosféry. [34] 8
2 Teoretické základy 2.2 Stabilizácia disperzií Stabilizácia je základným prvkom zabezpečenia kvality disperzných systémov. Termodynamickú nestabilitu disperzie je možné preukázať pomocou druhého termodynamického zákona. Zmena voľnej entalpie dg je tvorená zmenou entalpie dh a zmenou entropie ds s teplotným faktorom T (rovnica 2,5): dg = dh T ds rovnica. 2.5 Ak sa uvažuje o disperzných systémoch, môže sa entalpia nahradiť ako produkt zmeny rozhrania da a napätia rozhrania γ (rovnica 2.6). dg = da γ T ds Eq. 2.6 Medzipovrchové napätie je definované ako práca W, ktorá sa musí vynaložiť na zväčšenie rozhrania A systému. Pretože sa systém vždy snaží predpokladať stav s najnižšou energiou, snaží sa minimalizovať svoje rozhranie. Na druhej strane by tvorba čo najväčšieho množstva malých koloidných častíc viedla k entropickému prínosu v dôsledku zníženia poradia v systéme. Posledný menovaný však beží v opačnom smere k minimalizácii rozhrania, pretože so zvyšovaním počtu kvapôčok NK pri konštantnom celkovom objeme sa zväčšuje plocha všetkých kvapôčok A tot (rovnica 2.7). Tot
N K 1 3 ekv. 2.7 Napriek strate entropie sa systém snaží vytvoriť čo najmenšie rozhranie, pretože entropická zložka je veľmi malá. To vedie k agregácii, aglomerácii alebo koalescencii. Aj keď agregácia a koalescencia predstavujú nezvratné procesy, častice v aglomerácii sú kvôli slabým a atraktívnym interakciám prítomné iba ako sekundárne častice. Tu je možné pôvodný stav (distribúciu veľkosti) disperzie už dosiahnuť použitím malého množstva šmykových síl. Agregácie/aglomerácie alebo koalescencia vedú k krémovaniu alebo sedimentácii v dôsledku zväčšujúceho sa priemeru častíc. Rýchlosť krémovania alebo sedimentácie sa dá určiť z rovnováhy síl 9
rel. Hodnoty 4 Výsledky a diskusia Obrázok 4.37: Vytvrdzovanie etyl-2-kyanoakrylátu. Merané IR spektroskopiou. [108] Úroveň vytvrdnutia po 2 minútach je približne 80%, čo zodpovedá dobrej aproximácii s našim vlastným NMR vyšetrením, pri ktorom je relatívna koncentrácia monoméru 28%, čo zodpovedá vytvrdzovaniu 72%. Vo výsledku možno rýchlosť tvorby kapsúl nanokapsúl syntetizovaných podľa štandardného prístupu (kapitola 3.1.1.1) interpretovať ako dostatočne veľkú na to, aby stabilizovaná emulzia mohla slúžiť ako predbežná fáza. Na tento účel sa stálosť emulzie (Miglyol 812 vo vode) merala ako funkcia času. Za týmto účelom bola emulzia skúmaná ihneď po výrobe (kapitola 3.1.1.1, bez monoméru). Relatívny počet kvapiek (mobilné objekty) sa vynesie proti času a ukazuje dynamiku stability emulzie. Okrem toho sa polymerizácia nbca v D20 ako funkcia času merala pomocou časovo rozlíšenej1H-NMR (časť 3.8.1). 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Počet kalení olejových kvapiek nbca 0 3 6 9 12 Čas [h] Obrázok 4.38: Časová dynamika počtu kvapiek v emulzii O/W (olejová fáza: Miglyol 812), hodnotené boli iba pohyblivé častice a dynamika kalenia monoméru n-butyl -2-kyanoakrylát (nbca). 98
dH [nm] rel. Číslo 4 Výsledky a diskusia 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00 1 mol% zosieťovacieho prostriedku O/WW/W 0 3 6 9 12 15 18 21 24 Čas [d] Obrázok 4.54: Meranie stability W/W a O/W nanokapsulové disperzie s obsahom sieťovacieho činidla 1 mol.% V 40% obj. Acetónu ako funkcia času. Vyhodnocované automatickým počítaním mobilných kapsúl. Rozdiel medzi typmi kapsúl možno vidieť na meraniach stability (obrázok 4.54). Zatiaľ čo relatívny počet mobilných W/W nanokapsúl zostáva relatívne konštantný, počet O/W nanokapsúl po pridaní acetónu klesá na 20% pôvodnej hodnoty po 4 dňoch a zostáva na tejto hodnote až do konca merania po 23 dňoch. . Priemerné hydrodynamické priemery nanokapsúl O/W a W/W s obsahom sieťovacieho činidla 5% mol. Sú znázornené na obrázku 4.55 ako funkcia času. 600 500 5 mol% zosieťovacieho prostriedku O/WW/W 400 300 200 100 0 3 6 9 12 15 18 21 24 čas [d] Obrázok 4.55: Priemerný hydrodynamický priemer disperzií nanokapsúl W/W a O/W s obsahom sieťovacieho činidla 5 % mol. v 40% obj. acetónu ako funkcia času. Meranie sa uskutočňovalo pomocou sledovania častíc. 120
rel. Počet rel. Číslo 4 Výsledky a diskusia 4.4.3.4 Porovnanie nanokapsúl O/W a W/W Rôzne typy nanokapsúl O/W a W/W vykazujú významne odlišnú dynamiku degradácie v dôsledku pridania rozpúšťadiel, ako je acetón, v závislosti od stupňa zosieťovania polymérneho obalu. V tomto súhrnnom porovnaní O/W a W/W nanokapsúl sa berú do úvahy iba mobilné kapsuly. 1,0 0,8 0,6 O/W 60% acetón 5,0 mol% 1,0 mol% 0,5 mol% 0 mol% 0,4 0,2 0,0 0 3 6 9 12 15 18 21 24 čas [h] 1,0 W/W 60% acetón 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 5,0 mol% 1,0 mol% 0,5 mol% 0 mol% 0 3 6 9 12 15 18 21 24 čas [h] Obrázok 4.57: Porovnanie degradačných kriviek O/W (hore) a W/W nanokapsúl (dole) s rôznymi silami zosieťovaný polymérny obal v 60 obj.% acetónu, vyhodnotené automatickým počítaním mobilných kapsúl. Obrázok 4.57 zobrazuje súhrn degradačných kriviek O/W a W/W nanokapsúl s rôznymi podielmi sieťovacieho činidla v polymérnom obale v 60% objemových acetónu. Tieto merania dobre reprezentujú jasné rozdiely v stabilite a vplyve chemického sieťovania na ne. Zatiaľ čo O/W nanokapsuly sa rozkladajú rýchlejšie so zvyšujúcim sa podielom sieťovacích látok, W/W nanokapsuly vykazujú 122