Mesoporous Materials: คุณสมบัติและแอปพลิเคชัน

บทนำ

วัสดุที่มีคุณสมบัติรูพรุนสั่งพิเศษในระดับนาโนมีการใช้งานที่สำคัญในเลนส์, เร่งปฏิกิริยา, ระบบการจัดส่งยา, เคลือบ, เครื่องสำอาง, การแยกทางชีวภาพการวินิจฉัยการแยกก๊าซและนาโนเทคโนโลยี  วัสดุนาโนประกอบด้วยกรอบอสัณฐานหรือผลึกที่มีช่องว่างเป็นโมฆะซึ่งอาจเป็นทรงกระบอกหรือกรงชนิด วัสดุนาโนส่วนใหญ่อยู่ภายใต้สามประเภทหลัก: microporous, mesoporous และ macroporous¹

วัสดุที่มีรูพรุนขนาดเล็กเช่น MOF, Zeolites, คาร์บอนและแว่นตาที่ไม่มีรูปร่างจะมีการกระจายขนาดรูพรุนที่แคบมากในช่วง 0.5 – 2 nm² วัสดุเหล่านี้สามารถแสดงความเสถียรทางความร้อนสูงและกิจกรรมตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประโยชน์ในกระบวนการแตกและยังสามารถทำหน้าที่เป็นสื่อแลกเปลี่ยนไอออนสารทำให้แห้งและวัสดุแยกก๊าซ กรอบโลหะอินทรีย์ (MOF) เป็นหนึ่งในชั้นเรียนที่เติบโตอย่างรวดเร็วของของแข็งที่มีรูพรุน³ Zeolites และโมเลกุลผลึกที่เกี่ยวข้องมีขีดจำกัดภายในมิติรูขุมขนและการเข้าถึงเนื่องจากแม่แบบรูขุมขนที่มีอยู่สำหรับการสังเคราะห์ของพวกเขา ในทางตรงกันข้ามวัสดุที่มีรูพรุนขนาดรูขุมขนระหว่าง 50 ถึง 1000 นาโนเมตรเช่นเม็ดโพลิเมอร์ที่มีรูพรุนช่วยให้เข้าถึงรูขุมขนภายในได้ง่ายโดยมีค่าใช้จ่ายในการเลือก ข้อบกพร่องเหล่านี้นำไปสู่การพัฒนา วัสดุ fmesoporous ซึ่งมีช่วงขนาดรูพรุนกลางระหว่าง 2 - 50 นาโนเมตร⁴

วัสดุ Mesoporous มีข้อดีที่สำคัญหลายประการ:

• การกระจายขนาดรูขุมขนแคบและพื้นที่ผิวสูง (> 500 ม.²/g)
• โครงสร้าง/การแทนที่ผนังด้วยออกไซด์โลหะต่างๆ (MO₂) รวมถึงซิลิกาอลูมินาและไททาเนีย
• กลยุทธ์การใช้งานที่เรียบง่ายด้วยสารอินทรีย์
• ความเข้ากันได้ทางชีวภาพและความเป็นพิษต่ำ

คุณสมบัติทางโครงสร้างและลักษณะของวัสดุที่น่าหลงใหล

วัสดุที่ได้รับการสั่งซื้อสามารถจัดประเภทตามขนาดโครงสร้างและรูปทรงรูพรุนเช่นโครงสร้างทรงกระบอกหรือกรงแบบ 2 มิติหรือ 3 มิติ (3 มิติ) โครงสร้างทรงกระบอกเช่น MCM-4, AMS 4841 15 (IAD), MCM-4, SBA-2 และ NFM-350 (หน้า 6 1 มม.) มีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนสม่ำเสมอและแสดงศักยภาพในการใช้งานในการเร่งปฏิกิริยาการดูดซับและเป็นยานพาหนะจัดส่งยา ในทางตรงกันข้ามของแข็งที่มี1รูปร่างคล้ายกรงเช่น FDU-350 (IMM), SBA-3 (PMN) และ AMS 8 (FDM) ประกอบด้วยกรงทรงกลมหรือรูปไข่ที่เชื่อมต่อกัน 1 มิติโดยหน้าต่างที่เชื่อมต่อกรงขนาดเล็กซึ่งสามารถใช้เพื่อควบคุมการถ่ายโอนมวลของสารที่ใช้งานอยู่

วิธีการกำหนดลักษณะรวมถึงผง X-ray diffraction, N 2 การดูดซับ/desorption, การสแกนกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (SEM) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนส่ง (TEM) จะใช้เป็นประจำเพื่อ elucidate คุณสมบัติโครงสร้างและพื้นผิวของวัสดุที่มีเสน่ห์เช่นซิลิกา (รูปที่ 1)

รูปที่ 1 การสแกนภาพอิเล็กตรอนไมโครสโคปของวัสดุซิลิกาที่น่าหลงใหลทั่วไป

การกระจายรังสีเอกซ์แบบผง (XRD) มักใช้เพื่อระบุความสมมาตรของผลึกของเฟสวัสดุทั้งนาโนและเมโซสเกล การระบุเฟสสำหรับวัสดุที่น่าหลงใหลจากการกระจายรังสีเอกซ์ผงอาจเป็นเรื่องยากเพราะยอดส่วนใหญ่ปรากฏที่มุมต่ำและอาจทับซ้อนกันเนื่องจากการสั่งซื้อระยะสั้นที่คล้ายกัน รูปที่ 2 แสดงผลโดยทั่วไปของสัณฐานวิทยาและลำดับโครงสร้างของรูขุมขนภายในซิลิกาที่น่าหลงใหล  การวิเคราะห์รายละเอียดของการสั่งซื้อรูขุมขนและสมมาตรที่ mesoscale สามารถทำได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนส่งความละเอียดสูง (HRTEM) การกำหนดลักษณะของ HRTEM เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการดึงข้อมูลโดยละเอียดที่ระดับความยาวเหล่านี้

การดูดซับก๊าซเป็นวิธีการเสริมที่ใช้เพื่อให้ได้ลักษณะที่ครอบคลุมของวัสดุที่มีรูพรุน การดูดซับก๊าซที่ความดันสัมพัทธ์ต่างๆบนของแข็งที่มีรูพรุนให้ข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติรวมถึงพื้นที่ผิวปริมาณรูพรุนและขนาดรูพรุน รูปที่ 3 แสดงไอโซอุณหภูมิการดูดซับก๊าซทั่วไป

 

รูปที่ 2 การกระจายรังสีเอ็กซเรย์ของวัสดุซิลิกาที่มีลักษณะเหมือนลูกบาศก์ทั่วไป

รูปที่ 3 ตัวแทนลักษณะของอนุภาคนาโนซิลิกา mesoporous โดย N2-isotherm สอดคล้องกับพื้นที่ผิว 850 m2/g ที่มีขนาดรูขุมขน 3.8nM

ซิลิกาที่น่าหลงใหล

หนึ่งในชั้นเรียนที่หลากหลายที่สุดของวัสดุที่น่าหลงใหลคือซิลิกาที่มีรูพรุนซึ่งรวมขนาดรูพรุนที่กำหนดไว้อย่างดีกับความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่รู้จักกันดีของซิลิกาในช่วงของการใช้งาน คุณสมบัติที่สำคัญของวัสดุซิลิกาที่มีรูพรุนคือความสามารถในการรวมสารอินทรีย์ (R) ที่ใช้งานได้บนผนังซิลิกา ซิลิกาที่มีรูพรุนมีความหนาแน่นสูงของซิลิกอนพื้นผิว (≡Si-OH) กลุ่มหลังจากการเผา ปฏิกิริยาของ silanols เหล่านี้กับ spresane varou กลุ่มการทำงานที่แตกต่างกัน (≡Si-R) บนกรอบซิลิกาซึ่งสามารถนำมาใช้ในการ conjugate โมเลกุลของความสนใจ⁵

คุณสมบัติและการใช้งานที่เป็นไปได้ของวัสดุที่ใช้งานได้

• การห่อหุ้มยาโปรตีนและโมเลกุลทางชีวภาพอื่นๆ
• ดูดซับก๊าซไอออนและโมเลกุล
• การโหลดเว็บไซต์ที่ใช้งานสำหรับการเร่งปฏิกิริยา
• โหลดอนุภาคนาโนรวมทั้งเหล็กออกไซด์ทองฯลฯ

เรามี nanoporous Si ดัดแปลงด้วยกลุ่มการทำงานที่แตกต่างกันสามกลุ่ม: Propylamino) Propylcarboxylic Acid และ Propylthiol Groups (ตารางที่ 1) 

การประยุกต์ใช้วัสดุนาโนในการวิจัยและอุตสาหกรรม

Drug Delivery Systems

ความท้าทายหลักในการพัฒนาระบบการจัดส่งยา (DDS) คือประสิทธิภาพของยาลดลงก่อนที่จะถึงเป้าหมายเนื่องจากการขับถ่ายของยาจากร่างกาย นอกจากนี้ยา Carrie rsust จะต้องไม่เป็นพิษและเฉื่อยในช่วงระยะเวลาการรักษา  เนื่องจากโมเลกุลทางชีวภาพและยาส่วนใหญ่อยู่ในลำดับของนาโนเมตรไม่กี่ซิลิกานาโนที่มีรูพรุนขนาด 2 - 30 นาโนเมตรมีความเกี่ยวข้องกันอย่างมากสำหรับการใช้งานวิทยาศาสตร์ชีวภาพดังกล่าว⁶

การเร่งปฏิกิริยา

ในการเร่งปฏิกิริยาวัสดุพื้นผิวสูงที่มีคุณสมบัตินาโนสเกลจะถูกนำมาใช้ในการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่คัดสรรมาอย่างดีซึ่งจะช่วยลดการใช้พลังงานและการสร้างของเสีย/มลพิษในการใช้งานในอุตสาหกรรม⁷ วัสดุที่มีรูพรุนเช่นซีโอไลต์ (ของแข็งที่มีรูพรุน) มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวเร่งปฏิกิริยาสนับสนุน อย่างไรก็ตามเมื่อโมเลกุลขนาดใหญ่มีส่วนเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนมวลจะจำกัดความเหมาะสมของโครงสร้างซีโอไลต์ ความพยายามในการปรับปรุงการแพร่กระจายของสารลดแรงตึงผิวไปยังเว็บไซต์ตัวเร่งปฏิกิริยาได้รับการแก้ไขโดยการขยายขนาดรูขุมขนไปยังช่วง meso⁸ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่คัดสรรมาเป็นพิเศษเหล่านี้สามารถลดต้นทุนได้อย่างมากในหลายอุตสาหกรรม

การวินิจฉัย

วัสดุที่น่าหลงใหลเหมาะสำหรับการใช้งานด้านการวินิจฉัยเนื่องจากความเปรียบต่างของภาพที่เพิ่มขึ้นและความเสถียรทางเคมี ยิ่งไปกว่านั้น moieties การทำงานที่สามารถรวมกันภายในรูขุมขนช่วยให้ความเป็นไปได้ใหม่สำหรับการวัดและการตรวจจับที่หลากหลาย เนื่องจากความเป็นพิษต่ำของวัสดุที่มีรูพรุนซิลิกาและความสามารถในการโฮสต์เครื่องหมายเรืองแสงที่หลากหลายสีย้อมและยาเสพติดสามารถใช้ในการติดตามตำแหน่งของตัวแทนการรักษาและกิจกรรมของพวกเขา

สารดูดซับ

พื้นที่ผิวสูงของวัสดุนาโนช่วยให้สามารถใช้เป็นตัวดูดซับก๊าซของเหลวและโลหะหนักที่เป็นพิษได้ The uptake of these substances can be increased significantly based on the surface properties (hydrophobicity, hydrophilicity, or functionality), of the mesoporous silica materials. การใช้งานหลายอย่างเช่นการกำจัดสารมลพิษจากน้ำการจัดเก็บก๊าซ (เช่น CO₂H₂O₂CH₄H₂S) การแยกไซลีนดูดซับและการแยกสารประกอบทางชีวภาพและยาได้รับการแก้ไขผ่านการใช้วัสดุที่มีเสน่ห์เป็นตัวดูดซับ

โครมาโทกราฟี

ปริมาณรูขุมขนขนาดใหญ่พื้นที่ผิวและการกระจายขนาดรูขุมขนแคบของซิลิกาที่น่าหลงใหลทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการแยกสีโครมาโตกราฟีขนาด วัสดุเหล่านี้ได้รับการเสนอให้เป็นขั้นตอนการสนับสนุนหรือแบบคงที่สำหรับโครมาโตกราฟียกเว้นขนาดโครมาโตกราฟีก๊าซเส้นเลือดฝอยการแยกโปรตีโอมิกโครมาโตกราฟีเหลวแรงดันสูง (HPLC) แบบปกติรวมถึง HPLC แบบเลือกได้

วัสดุที่น่าหลงใหลของเรา

เรามีวัสดุที่มีรูพรุนหลากหลายชนิดรวมถึงซิลิกานาโนอะลูมินาโนคาร์บอนที่มีรูพรุนและวัสดุซิลิกานาโนที่ใช้งานได้ นอกจากนี้ยังมีอนุภาคซิลิกาที่ติดฉลากด้วยแสงฟลูออเรสเซนต์ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการวินิจฉัยและการใช้งานด้านเภสัชกรรม

ข้อมูลอ้างอิง

1. Wan Y, Zhao. 2007. On the Controllable Soft-Templating Approach to Mesoporous Silicates. Chem. Rev.. 107(7):2821-2860. https://doi.org/10.1021/cr068020s

2. 2008. Microporous framework solids. Focus on Catalysts. 2008(6):8. https://doi.org/10.1016/s1351-4180(08)70292-7

3. Yaghi OM, Li G, Li H. 1995. Selective binding and removal of guests in a microporous metal?organic framework. Nature. 378(6558):703-706. https://doi.org/10.1038/378703a0

4. Beck JS, Vartuli JC, Roth WJ, Leonowicz ME, Kresge CT, Schmitt KD, Chu CTW, Olson DH, Sheppard EW, McCullen SB, et al. 1992. A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates. J. Am. Chem. Soc.. 114(27):10834-10843. https://doi.org/10.1021/ja00053a020

5. Doadrio JC, Sousa EMB, Izquierdo-Barba I, Doadrio AL, Perez-Pariente J, Vallet-Regí M. Functionalization of mesoporous materials with long alkyl chains as a strategy for controlling drug delivery pattern. J. Mater. Chem.. 16(5):462-466. https://doi.org/10.1039/b510101h

6. Vallet-Regí M, Balas F, Arcos D. 2007. Mesoporous Materials for Drug Delivery. Angew. Chem. Int. Ed.. 46(40):7548-7558. https://doi.org/10.1002/anie.200604488

7. Taguchi A, Schüth F. 2005. Ordered mesoporous materials in catalysis. Microporous and Mesoporous Materials. 77(1):1-45. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2004.06.030

8. Sayari A. 1996. Catalysis by Crystalline Mesoporous Molecular Sieves. Chem. Mater.. 8(8):1840-1852. https://doi.org/10.1021/cm950585+