От высокоэнергетических материалов в оборонных технологиях к высокоэнергетическим материалам в наномедицине



страница1/5
Дата12.06.2016
Размер0.59 Mb.
  1   2   3   4   5
IV. НАНОНАУКА И НАНОТЕХНОЛОГИИ

IV. NANOSCIENCE AND NANOTECHNOLOGIES
ОТ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В ОБОРОННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

К ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ МАТЕРИАЛАМ В НАНОМЕДИЦИНЕ

Х. Шмид, A. Koлечко



Институт химической технологии общества им. Фраунгофера,

г. Пфинцталь, Германия
Высокоэнергетические материалы (ВЭМ), нечувствительные и химически устойчивые в нормальных условиях, постоянно вызывают интерес оборонной промышленности.

Однако нитроглицерин (НГЦ) широко применяется и в медицине из-за своего сосудорасширяющего эффекта:



Кроме того, для ВЭМ важна не только химическая природа, но и распределение частиц по размеру, так как они непосредственно влияют на скорость реакции. Это приводит нас к технологии получения наночастиц что, облегчает путь к материалам, широко используемым в наномедицине.

В Институте химической технологии (Германия) разработана нанотехнология получения серебра, суть которой заключается в получении частицы, где активные компоненты имеют размер частиц от 1 до 100 нм (по крайней мере, в одной партии). Нужные свойства в этом случае зависят от размера, а не от химии. Эта технология способствует появлению новых удивительных влияний объёма, поверхности и квантовых эффектов для дополнительной функциональности системы.

Хотя в последние годы многие НИР осуществлялись с точки зрения функциональности и безопасности, до рынка дошли только некоторые из них. Технология получения системы наносеребра может служить таким успешным примером по нескольким причинам.

Часто для применения в различных областях техники и медицины необходима дополнительная противомикробная обработка поверхностей. Стандартные биоциды, подобные тиазолинам, используемые в качестве активных компонентов, токсичны и имеют недостаточную устойчивость к воздействиям.

Системы с наносеребром лишены упомянутых выше недостатков. Их использование экономично, так как требуются малые концентрации препарата. Даже сама схема действия отличается коренным образом: нет появления примесей, только активное вещество появляется на поверхности под действием катализатора.

Кроме того, они борются с образованием плесени, с опасными бактериями, даже очень стойкими, подобными стафилококку Ауреуса. Риск появления устойчивости к ним тем меньше, чем многочисленнее механизмы действия.

Надежность продукта на протяжении срока службы гарантируется комбинацией нано- и полимерных технологий. В результате дипольных взаимодействий наночастицы хемосорбируются в полимере.

В рамках упомянутых выше тем Институт химической технологии им. Фраунгофера работает по тематике: «Получение, стабилизация, исследование и интегрирование системы неорганических наночастиц, особенно переходных металлов и оксидов переходных металлов» [1–14].



Задачи и цели сделать частицы наносеребра доступными и использовать их в качестве противомикробной добавки в полимерных поверхностях. В настоящее время необходимо разработать составы для улучшения гигиены в потребительских товарах, больницах и пищевой промышленности.

Методология

Одни и те же методики и правила необходимо применять, начиная от синтеза наночастицы до получения нанопродуктов.

Первый этап – синтез наночастицы, который можно провести «сверхувниз» или «снизувверх». Экспериментально полученные наночастицы размером около 10 нм наиболее эффективны в наномедицине. В связи с этим следует оптимизировать методы синтеза.

По термодинамическим причинам наночастицы имеют тенденцию к повторному спеканию, что затрудняет достижение конечной цели. Во избежание этого необходима наностабилизация химическими добавками, отмечая получающиеся поверхностные заряды. Нужные добавки отбирают с помощью потенциальных расчетов на основании дифференциального уравнения ПуассонаБольцмана:








+

где U – уменьшенный электростатический потенциал; В – константа в бисферической системе координат.

Особую важность представляет константа В, которая коррелируется с константой Hamaker в Вандервальсовском взаимодействии. Используются только такие добавки, которые могут уменьшать эти взаимодействия.

Следующий этап – исследование частиц с помощью отобранных нано-аналитических методов: растровой электронной микроскопии (РЭМ), рентгеновской флуоресценции, рентгеновской дифракции, фотонно-корреляционной спектроскопии (ФКС) и атомно-эмиссионной спектроскопии (АЭС). Применение последнего метода особенно важно для нанобезопасности (рисунок 1).



Рисунок 1 – Обзор использованных для исследования наноаналитических методов

Для обеспечения возможности применения системы в различных областях (рисунок 2) необходимо объединить нанотехнологии с полимерной технологией, при этом особое внимание должно уделяться биосовместимым полимерам. Таким образом, получают устойчивые наносуспензии, готовые к использованию.



Рисунок 2 – Основные этапы получения нанопродуктов из наночастиц

Результаты и обсуждения

Как упоминалось ранее, для синтеза наночастиц можно использовать методы «сверху–вниз» и «снизу–вверх», в результате чего получаются промежуточные соединения со средним размером частицы ~ 50 нм, например, образцы наносеребра. На изображениях, полученных с помощью РЭМ (рисунок 3), отчетливо видны распределения частиц по размерам, морфология и топография. Наилучший эффект противомикробного действия достигается при среднем размере частиц 10 нм, в этом случае требуется последующая обработка, оптимизация параметров которой приводит к одностадийному синтезу. Эти методы химической технологии хорошо проявили себя при синтезе неорганических наночастиц, обеспечивая высокие скорости получения и менее затратное управление процессом. Поэтому метод синтеза непосредственно в жидкости предпочтительней, так как обеспечивает громадное преимущество с точки зрения безопасности, благодаря чему облегчается получение наносуспензии, служащей областью взаимодействия полимера и комплексированной системы.





_____________________________

Рисунок 3 – РЭМ-запись частиц наносеребра. Устойчивую суспензию наносили на алюминиевую пластину и исследовали после сушки. Размер частицы ~ 50 нм

______________________


Далее требовалось установить распределение частиц по размеру в суспензии с помощью ФКС, основываясь на измерении броуновского движения частиц. На схеме (рисунок 4) виден максимум функции распределения при диаметре частицы 12,1 нм.

Эта величина будет более достоверной, если будет подтверждена полностью независимым методом, например, рентгеновской дифракцией, хорошо подходящей для оценки первичных размеров частиц исходных материалов.

Полученный с помощью этого метода результат (рисунок 5) показывает средний размер частицы 10 нм, что можно рассматривать как усовершенствованную корреляцию.



Рисунок 4 – Результаты распределения частиц по размеру, полученные с помощью ФКС-анализа наносеребра, 1 % об. суспензии в H2O(CAg00103)
С помощью этого метода температурного разрешения можно дополнительно определить, до какой степени работает наностабилизация. В нашем случае мы наблюдаем тенденцию к повторному спеканию, начиная от T=300 °С, но это только при необходимости и, к счастью, нетипично.



Рисунок 5 – Рентгеновская дифракция с температурным разрешением для определения

среднего размера частиц образца наносеребра

В зависимости от применения качество покрытия должно особенно тщательно проверяться в целях получения однородного распределения активных компонентов. Значительно повысить их эффективность можно, например, объединив методы. Комбинации РЭМ и EDX (энергодисперсионное рентгеновское излучение) обеспечивают оценку морфологии, а также количественный химический анализ (рисунок 6).





Рисунок 6 – Количественный анализ серебра в образце ВAg00105, выполненный

с помощью рентгеновской флуоресценции
Далее необходимо описать принцип работы механизма в нашей системе нанесения покрытия. В отличие от стандартных биоцидов мы нацелены не на выделение наносеребра, а на поверхностный катализ. Это преимущество связано с устойчивостью, безопасностью и отсутствием воздействия на окружающую среду. Короче говоря, часть заряда наносеребра из кристаллической решетки взаимодействует с протеинами стенок клетки и убивает микроорганизм.

Этот доминирующий реакционный механизм сопровождается другими рабочими аспектами, так что риск сопротивления не повышается.

После получения образца эффективность противомикробного воздействия должна быть доказана. Ниже приведены немецкие и международные стандарты:

 Direktbeschickung, Pharm. Eu. 1997;

 (Konservierungs-) Belastungstest;

 Quantitativer Suspensionsversuch;

 Suspensionstest, EN 1275, 1997;

 Beschichtungstest;

 Test der Oberflächenwirksamkeit, JIS Z 2801;

 ASTM E2180-01;

 VdL-RL 06 / Nov. 1998, Beständigkeit gegen Pilzbefall.

Характерен для этих методов результат (рисунок 7), подчеркивающий противомикробную направленность.





а б

Рисунок 7 – Пример использования наносеребра для противомикробной обработки: а – необработанный образец с колонией стафилококка (Staphylococcus Aureus); бкремний-полимер, покрытый наносеребром. Коэффициент уменьшения 100 раз по содержанию наносеребра (наносится распылителем)
При использовании этих систем наносеребра получают противомикробные поверхности, широко применяющиеся в медицине (рисунки 8, 9). В настоящее время наиболее востребованы дисперсные краски, которые могут убивать такие опасные бактерии, как стафилококк, используются для улучшения гигиены в больницах.


Рисунок 8 – Больница Al Wasl в Дубае, ОАЭ, где применялось покрытие из наносеребра



Рисунок 9 – Больница в ОАЭ, где использовался метод, разработанный в Институте

химической технологии (Германия)
Это прекрасный результат, учитывая, что каждый год большое количество людей умирает от больничных инфекций, например, в 2005 г. в США – 19000, в Германии – 1500 человек.

Кроме того, области применения наносеребра весьма широки: от обработки в пищевой промышленности, стабилизации строительных материалов, нефтехимических продуктов, систем биотехнологии до обработки загрязненных поверхностей кораблей.



Выводы

1. Зачастую в технике и медицине требуется дополнительная антимикробная обработка поверхностей [14]. Используемые в настоящее время в качестве активных компонентов стандартные биоциды, подобные тиазолину, токсичны и имеют недосточную устойчивость к воздействию. Новый метод лишен упомянутых недостатков, так как в качестве активного вещества используется наносеребро.

2. Применение этой технологии позволит получить экономический эффект, так как требуются небольшие концентрации лекарственного препарата. Помимо этого, имеются и другие преимущества: нет необходимости выделять препарат, требуется только активное вещество на поверхности под действием катализатора.

3. Использование системы с серебром в технике дает возможность предотвратить образование плесени, в медицине  уничтожить опасные бактерии, даже стойкие ко многим препаратам, например, стафилококк. Это приводит к общему улучшению гигиены. Риск сопротивления тем меньше, чем многочисленнее механизмы действия.

4. Безопасность продукта на протяжении срока службы обеспечивается нанотехнологией и технологией полимера. Через дипольные взаимодействия наночастицы хемосорбируются в полимер.

Перспективы:

новые технические нанопродукты появятся на рынке;

в стадии разработки находятся многие перспективные системы;

наномедицина отождествляется с перспективной областью дальнейших применений.

Признавая общую выгоду, имеет смысл осуществлять инвестиции в эту технологию. Поэтому Fraunhofer-ICT предлагает международное сотрудничество.

Список литературы

1. Schmid H. Nano-Technologies, From Basics to Selected Applications in Buildings, ICT-Presentation by Invitation of Ministry of Construction Dubai, 27.09.2005.

2. Schmid H. Schutz vor mikrobieller Materialzerstörung durch biozid wirksame Ag-Nano-Partikel, ICT-Presentation by Invitation of DECHEMA Working Group «Mikrobielle Materialzerstörung und Materialschutz», Frankfurt a.M., 31.01.2006.

3. Schmid H. Selected Applications of Nanostructured Materials in Buildings, Materials Science & Technology 2006 Conference & Exhibition, Cincinnati, Convention Center, Ohio, USA, October 1519, 2006.

4. Schmid H. Wirkprinzipien und Sicherheitsaspekte der Nano-Silber-Technologie, ICT-Presentation at German Federal Environmental Agency, Berlin, 1416.05.07.

5. Schmid H. Nano-Analysis as an Important Step of Nano-Product-Development, Lecture at JETRO and Research Park, Tokyo and Kyoto, Japan, 0915.06.07.

6. Schmid H. Selected Applications of Nano-Particles for Health, Safety and Convenience, Lecture at International Conference on Nanomedicine, Porto Carras, Greece, 09–11.09.2007.

7. Schmid H. Nano-Silber zur Schimmelvermeidung und zur Verbesserung der Innenraumhygiene, Lecture at 1. Internationaler Brenntag «Wassertag», Murten-Meyriez, Switzerland, 13.11.2007.

8. Schmid H. Verbesserung der Hygiene mit nicht-humantoxischen Nano-Silber-Systemen, Lecture at Institut für Pharmakologie und Toxikologie der Bundeswehr, München, 05.12.2007.

9. Schmid H. Nano-Particles in Plastics to Reach Antimicrobial Functionality and System Improvements, Lecture at International Conference on Biocides and Plastics, Brussels, Belgium, 2627.02.2008.

10. Schmid H. Synthesis and Characterization of Selected Nanoparticles under Consideration of Medical Applications, Lecture at 1st European Conference for Clinical Nanomedicine, Basel, Switzerland, 1921.05.2008.

11. Schmid H. Improvements on Health, Safety and Functionality by Nano-Particle-Applications, Lecture at Symposium «Nano Coating Days», Zürich, Switzerland, 27.05.2008.

12. Schmid H. Nano-Silber zur Schimmelvermeidung und zur Verbesserung der Innenraumhygiene, Lecture at Architektenkammer NRW, Gelsenkirchen, 0304.11.2008.

13. Schmid H. Antimicrobial Effects of Nano-Silver: Theory, Analysis, Application, Modelling and Safety Aspects, Lecture at Symposium «4. Moskauer Wirtschaftstage», Düsseldorf, 05.11.2008.

14. Schmid H. et al. Antimykotische, antibiotische und flammhemmende Nanofunktionalisierung von Mehrschicht-Monofilamenten für die Anwendung im Wachstumsmarkt Sport- und Freizeitrasen sowie Landscaping, Presentation at WING-nano conference, Ulm, 0103.04.2009.
FROM HIGH ENERGY MATERIALS IN DEFENSE TECHNOLOGY TO HIGH EFFICIeNT MATERIALS IN NANOMEDICINE

H. Schmid, A. Koleczko



Fraunhofer-Institute for Chemical Technology, Pfinztal, Germany
Introduction

High-energy materials, which are simultaneously insensitive and chemically stable under normal conditions have a perpetual interest in military technology.

Especially one component, the nitroglycerin has also been introduced as a high efficient material in medicine because of it´s vasodilator effect.



_______________________________________



Figure 1 – Structural formula of nitroglycerin as a vasodilator drug

__________________________________________________
In addition it is well known that in high-energy materials not only the chemical nature, but additionally the particle size distribution is very importance because the reaction rate is directly influenced.

This leads us to the topic of particle technology and in continuation to nanotechnology.

Based on this common intersection now the road to HEM's in the sense of highly effective materials is paved, which have major applications in nanomedicine.

After a general introduction of nanotechnology – nano-silver system technology – developed at ICT – will be explained in detail.

The main aspect of nanotechnology can be described as a particle technology where the active ingredients are in a size range from 1 to 100 nm (at least in one dimension) and the desired properties are dominated by size and not by chemistry. This technology enables surprising new volume-, surface- and quantum-effects that can be used for additional functionalization of systems.

Although in recent years many research projects in this area in terms of functionality and security have been carried out, only in a few cases successful market transformations of products were possible. Nanosilver-system-technology can be used as an example in which this has been achieved for several reasons.

Antimicrobial additional functionalization of surfaces is desirable and necessary for a lot of technical and medical applications. According to state of the art standard biocides like thiazolinones are used as active ingredients. Disadvantages are toxicity and lack of sustainability of effect.

Nanosilver-system-technology therefore is a new approach, avoiding the mentioned disadvantages. With this technology, cost-effective solutions are possible, because the required drug concentrations can be kept small. Even the concept of action is fundamentally different: There is no drug-release, but only provision of the active substance on the surface in the extended sense of a catalyst.

In technical applications mold-formation can be prevented. In medical applications dangerous bacteria and even multi-resistant germs like MRSA are killed. This leads to a general improvement of hygiene. The risk of resistance formation is the smaller, the more numerous the response mechanisms are.

The product safety throughout the life cycle is guaranteed by a combination of nanotechnology and polymer technology. The nano-particles are chemisorbed in the polymer via dipole-interactions.

Within the above-mentioned topics, Fraunhofer-Institute of Chemical Technology (ICT) is working on the following areas:

 production, stabilization, characterization and system integration of inorganic nanoparticles, especially transition metals and transition metal oxides [114].



Tasks and Objectives

The task is to make theses nano-silver particles available and usable for antimicrobial additive functionalization of polymer surfaces. At current level the aim is to develop products to improve hygiene in consumer applications, hospitals and in the food industry.

Methodology

From nanoparticle synthesis to nanoproducts always the same procedures have to be performed.

First step is nano-particle synthesis which can be done top-down or bottom-up. Derived from experiments, nano-particles in the order of magnitude around 10 nm show the best effectiveness in nanomedicine. The synthetic methods should be optimized in this respect.

For thermodynamic reasons, nano-particles tend to re-agglomerate, which weakens the intended effects. To prevent this, a nano-stabilization by chemical additives is required, imprinting resulting surface charges. The selection of suitable additives is carried out with potential calculations based on Poisson-Boltzmann differential equation (1).





(1)

+

Of importance is constant B, which correlates with Hamaker constant of Van-der-Waals interaction. Only such additives are suitable, capable of minimizing these interactions.

The next step is to characterize the particles with selected nano-analytical-methods e.g. scanning electron microscopy, X-Ray fluorescence, X-Ray diffraction, photon correlation spectroscopy and atomic emission spectroscopy. The application of the last method is essential to ensure nano-safety (Figure 2).



Figure 2 – Overview of the nano-analytical methods used for characterization

To provide an interface to various applications and to enable system-integration (Figure 3), the combination of nanotechnology with polymer technology is needed, with particular emphasis on biocompatible polymers. In this way stable nano-suspensions are available and ready for use.



Figure 3 – Overview of the main steps to get nanoproducts out of nanoparticles

Results and Discussion

As previously mentioned, for nanoparticle synthesis both top-down and bottom-up methods can be used, leading to intermediates that have a mean particle size of approx 50 nm. This is demonstrated by the examples of nano-silver, where the images of Scanning Electron Microscopy (Figure 4) show very clearly particle-size, distribution, morphology and topography. Enabling antimicrobial interaction particles with an average size of about 10 nm show the best effect, in this case a post-processing is required.




__________________________________

Figure 4 – SEM-Record of Nano-Ag-Particles. A stable suspension was applied to an Al-plate and investigated after drying. Particle size is approx 50 nm

__________________________________

Optimization of processing parameters lead to a single-step synthesis. These methods of chemical nanotechnology are particularly suitable for the synthesis of inorganic nanoparticles, enabling high production rates and an economic, cost-effective process control. Even more specifically, we prefer a synthesis method directly in liquid, because the handling of powders is avoided, which means a tremendous safety advantage. Furthermore, the production of nano-suspension, which serves as an interface to polymer combination and system integration, is facilitated.

For further production it is crucial, to determine the particle size distribution in suspension. This is done using photon correlation spectroscopy (PCS), based on the measurement of Brownian movement of particles. The resulting diagram (Figure 5) shows the maximum of distribution function at a particle diameter of 12,1 nm.


Figure 5 – Particle size distribution results of PCS-Analysis of Nano-Ag, 1 vol.% suspension in H2O (CAg00103)

This value will be more credible if it is possible to achieve the same or a similar result with a completely independent method. In this case X-Ray diffraction is used, which is also very suitable, to estimate the primary particle sizes of starting materials. The result of this method (Figure 6) shows an average particle size of 10 nm, which can be considered as a sophisticated correlation.



Figure 6 – Temperature-resolved X-Ray Diffraction to determine average particle size

of Nano-Ag sample
Applying this method temperature-resolved, the additional interesting question can be answered – to what extend nano stabilization works. In our case we see a trend to re-agglomerate starting from 300 C, but this is for the intended application fortunately without relevance.

Very close to the application the quality of surface coating must be checked especially related to the homogeneous distribution of active ingredients. In this case the combination of methods may increase substantially the power of tools. SEM and EDX combinations allow estimation of morphology as well as a quantitative chemical analysis (Figure 7).





Figure 7 – Quantitative Ag-Analysis in Sample BAg00105 with X-Ray Fluorescence

As a next point it is necessary to describe the principle working mechanism in our coating system. Opposite to known principles of standard biocides we focus not on drug release of nano-silver but on surface catalysis. This is advantageous related to sustainability, safety and environmental effects. In brief – the partial charge of Nano-Ag out of the lattice interacts with structure proteins of cell walls and kills the microorganism.

This dominating reaction mechanism is accompanied by various other working principles, so that the risk of resistance formation is not increased.

After sample preparation efficiency of antimicrobial effect on surface must be proofed. A small selection of German and International Standards is listed below:

 Direktbeschickung, Pharm. Eu. 1997;

 (Konservierungs-) Belastungstest;

 Quantitativer Suspensionsversuch;

 Suspensionstest, EN 1275, 1997;

 Beschichtungstest;

 Test der Oberflächenwirksamkeit, JIS Z 2801;

 ASTM E2180-01;

 VdL-RL 06 / Nov. 1998, Beständigkeit gegen Pilzbefall.

Representative of these methods the result shown in Figure 8 impressively demonstrates effectiveness of antimicrobial activity.



Figure 8  Nano-Ag in addition is very efficient against bacteria. Example of a Nano-Ag-coated Silicon-Polymer (on the right) compared to an untreated sample (on the left) with colonies of Staphylococcus Aureus. A reduction rate of factor 100 was detected based on the applied Nano-Ag-content (Test-setup: Spray-test)
Depending on Nano-Ag-content, reduction rates of 99,999 % (5 log-levels) are possible.

These nano-silver systems are suitable to produce antimicrobial surfaces that have numerous medical applications, e.g. in hospitals (Figures 9, 10), medical devices, implants, etc. Currently the commercially most successful products are dispersion paints for hygiene improvement in hospitals that can kill even dangerous germs like MRSA.





Figure 9 – Al Wasl Hospital, Dubai, UAE, where the nano-silver coating system was applied.


Figure 10 – Another example of a hospital in UAE., using ICT´s technology
This is a remarkable result considering that every year a large number of people die from hospital infections. This can be backed up with concrete numbers (year 2005): USA 19 000, Germany 1 500.

But also technical applications are almost endless, ranging from treatment in food industry, stabilization of construction products, petrochemical components, biotechnology systems up to antifouling coatings of ships.





Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница