Нанокомпозиты ПВА-силикатов кальция и люминофоры

Введение

Центральная тема работы охватывает изучение и разработка нанокомпозитов с участием полимеров и керамики для биомедицинских целей. В терминах биоматериалов, анализ структуры ткани, составляющие человеческое тело, позволяют показать, что они, как правило, композиты. Влияние органической среды на материал (коррозия, деградация) и влияние материала на организм-это явления, которые необходимо изучать с особой тщательностью, поскольку с ними связана так называемая “биосовместимость”. Среди них два последних аспекта, взаимодействие живых тканей с биоматериалом, связанное с типом реакции организма на присутствие материала – это самый сложный момент в развитии биоматериалов. Типы взаимодействия между тканью и имплантации в основном зависят от тип материала и могут быть объединены в следующие группы [1]: токсичные, нетоксичные (часто называемые биоинертными), биоактивные и биоразлагаемые.  Спирт поливинил является водорастворимым полимером (и поэтому в окружающей среде) и предполагается использовать в качестве искусственной крови и матрицы для системы доставки химических веществ в организм.  Возможность сочетание органических и неорганических объектов на нанометровом и молекулярном уровнях в органико - неорганический гибриды дает возможность открытости серия новых возможностей для композитов с контролируемые свойства и структура [2-5]. Такого рода структурная организация в синтетических материалах он в значительной степени напоминает структуру, присутствующую в некоторых живых тканях, таких как кость, где неорганический компонент (газированный гидроксиапатит) и органические вещества, такие как коллаген, если взаимодействуют в мельчайшем масштабе, образуя нанофазы связаны друг с другом первыми химическими связями приказ [6]. В этой работе предполагается развивать биологически активные гибридные композиты (неорганическо-органические гибриды), биологическая активность которых, то есть степень взаимодействие материала с живыми тканями, будь то контролируется путем манипулирования химическими и структурными характеристиками материалов. 

Экспериментальная часть

Следующие реагенты были использованы вовремя синтеза материалов: деионизированная вода, спирт поливинил, растворители (ТГФ, бензол, толуол, этанол), тетраметоксисилан (TMOS), нитрат кальция и триэтилфосфат. Гибриды были получены путем растворения поливиниловый спирт в воде и добавление TMOS к решение. Затем были определены заранее определенные количества нитрата кальция и триэтилфосфата вводится в раствор. Образцы были выделены на предметных. Замораживание происходило в среднем в течение трех часов при комнатной температуре. Относительное соотношение фаз композитов поливиниловый спирт / силикат был изменен с помощью изменение количества BMT, добавленного к полимеру. Состав неорганической фазы также варьировался от введения различных количеств реагентов. Составы подготовленные гибриды показаны в Таблице 1. Полученные пленки подвергали термообработке при 60°С в течение 24 и 50 часов. Плотность поперечных связей была определена методом набухания, где материалы подвергаются растворителям и фракции растворителя удерживается в решетке используется в теории Флори для определение доли поперечных связей. В этой работе полученные материалы вводили на 1 час в колбу с деионизированной водой в температура 25°C. Микроанализ EDS в сочетании с сканирующий электронный микроскоп (JEOL JSM 5410) использовался для полуколичественной оценки химического состава образцов. Образцы были металлизированный сплавом Au-Pd для анализа.  Спектроскопия в инфракрасной области преобразование Фурье (FTIR) было использовано в химическая характеристика материалов (PerkinElmer, Paragon 1000). Была использована техника ослабленное полное отражение (ATR) в структурной оценке пленок. В этом случае полученные пленки прижимались к поверхности Кристалл Знсе. Спектры были получены между 4000 и 700 см-1 за 64 сканирования. 

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 показаны спектры EDS для нанокомпозитов ПВА-силикатов кальция и люминофоры для образцов с разным соотношением фракций неорганическое и процентное содержание оксидов (или гидроксидов) кальция и фосфора. Отношения между интенсивностями пики относительно кремния (Si) и углерода (C) могут быть использованы для демонстрации способности метод подготовки, разработанный для получения составов, разработанных в рамках спектра возможностей, связанных с относительными количествами фаз (неорганических и органических). 

Таблица 1. Многокомпонентные гибриды ПВА-силикаты кальция и фосфора

* Соотношение между исходными реагентами (алкоксиды/ПВА);

** Рассчитывается при условии полного гидролиза предшественников.

Рисунок 1. EDS анализ образцов A3 и C3 (Таблица 1).

Таким образом, спектр образца C3 имеет соотношение больше неорганической фазы, чем образец А3. А3. отношения между интенсивностями пиков друг к другу и СА позволяет констатировать мастерство разработанного метода синтеза при приготовлении неорганических фаз с заранее оговоренными составами. Сверх кроме того, наличие близких значений для соотношений пиков Si/Ca, наблюдаемых в спектрах из рисунка 1 он сертифицирует производство различных образцов (A3 и C3) с неорганическими фазами с аналогичным составом.

Инфракрасная спектроскопия (FTIR) была используется в данной работе для предоставления информации, касающейся влияние добавления предшественников кальция и фосфора на структуру неорганической фазы. Спектры на рисунке 2 относятся к три образца с одинаковым соотношением фаз (неорганические с неорганическими фазами, имеющими различный состав (C1, C2, C3). Все три спектра на рисунке 2 имеют ряд сходств, вытекающих именно из факта из которых производятся с одинаковой фазовой долей неорганический. Следовательно, FTIR-спектры в основном имеют пики, связанные с поливиниловым спиртом, среди которых отмечается присутствие пиков относительно неорганической фазы. Такие пики неорганической фазы наиболее заметны в областях между 1100-1000, 950-900 и 800-700 см -1, где соответственно характеризуются области поглощение связей Si-O-Si (режим растяжения асимметричный), связи Si-OH (режим растяжения) и связи Si-O-Si (симметричный режим растяжения). Спектр FTIR в верхней части рисунка 2 был получен из спектрального вычитания где вклад, относящийся к чистому PVA, был вычтен из спектров 2-b и 2-c. Результат вычитания свидетельствует о наличии характерных пиков диоксида кремния, а также позволяет обсудить форму организации трехмерной решетки из этого материала в отношении добавления элементов предшественники кальция и фосфора.

Рисунок 2. Спектры FTIR: (а) образец C1; (б) образец C2; (с)

образец C3 (Таблица 1). Верхняя часть: спектральный результат вычитания

между спектром чистого PVA и спектрами (b) и (c).

С этой целью изучено соотношение интенсивности пиков, соответствующих связи Si-O-Si (1050 см-1) и связи Si-OH. (950 см-1) дает информацию об эффективности введение предшественников кальция и фосфора в трехмерной решетке кремнезема. Присутствие более низкие соотношения между Si-O-Si и SiOH для образцов, рассчитанных на более высокое содержание кремнезема (образец С3, спектр 2-в), чем образцы более богатый Ca и P (A3), демонстрирует существование неорганических фаз с более высокими концентрациями связей Si-OH для образца C3 (Спектр 2-c). Такой Результат доказывает включение большего числа связей Ca-O в решетки кремнезема образец А3, так как этот тип связи заменяет связи Si-OH, образуя многокомпонентные связи Si-O-Ca. Таким образом, результаты FTIR продемонстрировали возможность разработанного метода синтеза получать нанокомпозиты с фазы, богатые силикатами, содержащими кальций и фосфор. На рисунках 3 и 4 показана степень набухания гибриды, полученные и подвергнутые термообработке при разных температурах и времени. Важный результат, показанный на этих рисунках, касается способности гибридов растворяться (представленной на графиках значениями степени набухания, стремящимися к бесконечности) в зависимости от их состава и структуры. Таким образом, можно подготовить гибриды исследуемой системы, способные вести себя в присутствии растворителя различно: от быстрорастворимых (время менее 1 часа) до стабильных с высокой степенью набухания. (гидрогели).

Рисунок 3. Степень набухания гибридов с неорганическими/

ПВС = 1,5 термообработанный при 30°С и 60°С в течение времени

много разных.

Рисунок 4. Степень набухания в зависимости от изменения пропорции

между неорганической и органической фазами обработанных гибридов

термически при 30°С и 60°С в разное время.

Растворение полученных многокомпонентных гибридов можно объяснить следующим образом: (1) структура полученного гибрида представлена частями водорастворимого полимера, связанные между собой нанометрические неорганические фазы; (2) введение кальция и фосфора в фазах, богатых кремнеземом неорганическая решетка, заставляющая производить более открытые неорганические фазы; (3) когда такие гибриды помещают в водную среду, гидролитическая атака на связи Si-O-Ca с разрывом этих связей; (4) с растворением фазы неорганические, происходит высвобождение цепей ПВС в также раствориться. На рисунке 3 состав неорганической фазы по степени набухание и растворение материалов показано для гибридов с высокой фазовой долей неорганические (образцы: С1, С2 и С3 – табл. I). Результаты показали, что гибриды, полученные и хранящиеся при температуре 30°C, обладают огромной способностью поглощать воду и растворяться. К повысить стабильность образцов, термообработка гибридов при 60°С в течение 24 часов или 50 часов. Термическая обработка оказалась эффективной для повышения стабильности образцов, как показано на рисунках 3 и 4. Образцы обработка при более высоких температурах присутствует более плотная неорганическая решетка из-за обработка реакций конденсации между Группы Si-OH не встречаются в процессе производства материалов. Анализируя кривые, представленные на рисунке 3, видно, что гибриды, термообработанные на 24 и 50 часов, по водопоглощению очень похожи. В обоих случаях процент кальция, примерно 36% молярный, содержится в каково водопоглощение (степень набухания) максимум. Для процентов больше или меньше чем это, наблюдается снижение поглощения. Гибриды с фронтом растворителя снова связаны с типом неорганической сшивки. Небольшие концентрации кальция в гибридах означает более жесткие и трехмерные сетки кремнезема. С увеличением концентрации кальция происходит постепенная замена тетраэдрических связей SiO-Si линейными связями Ca-O-Si, что в конечном итоге приводит к создание более открытых решеток. Для неорганических фаз с высоким содержанием кальция происходит образование из регионов, богатых гидроксидами кальция, которые в конечном итоге обогащают неорганическую сеть. На рисунке 4 влияние пропорции фаз (полимерный или неорганический) исследуется на предмет гибриды с неорганическими фазами, богатыми кремнеземом (образцы А3, В3 и С3). Из этого рисунка понятно, чем гибриды с более высокими неорганическими фракциями имеют большую устойчивость к растворителю. 

Заключение

В данной работе гибриды ПВС-силикат, содержащие многокомпонентные неорганические фазы в системе кремнезем-кальций-фосфор, были получены в виде прозрачных и гибких пленок. Такие пленки по-разному ведут себя по отношению к растворителю (воде): от растворимых до гидрогелей. Это поведение можно изменить с помощью переменных процесса (таких как температура термообработки), а также с помощью состава системы. Гибриды, обработанные при более высоких температурах, были более стабильны в отношении растворения. В то же время гибриды с неорганическими фазами с составами, богатыми кремнеземом или кальцием, также оказались более устойчивыми к растворению, имея меньшую степень набухания. Гибриды с более высоким содержанием неорганической фазы также демонстрировали меньшую степень набухания.