НАНОКОНТЕЙНЕР С МОДИФИЦИРОВАННОЙ МАТЕРИАЛАМИ ПОВЕРХНОСТЬЮ И ПЕРФОРИРОВАННОЙ ТОРЦЕВОЙ ЗАГЛУШКОЙ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области нанотехнологии и может быть использована для размещения микроскопических доз различных материалов в канале рулона наноконтейнера, обеспечивающего возможность пролонгированного высвобождения контейнированного материала в окружающую наноконтейнер внешнюю среду.
-7
-5
-8
-7
-7
-7
2
2
3
Из уровня техники известен наноконтейнер [1], который предназначается для размещения в нем разнообразных косметических составов. Эти контейнируемые косметические составы используются для ухода за кожей и представляют собой как ординарные витамины, так и витаминные комплексы в виде соответствующих растворов на водной основе. Упомянутый наноконтейнер-аналог выполнен из трубчатого галлуазита (halloysite nanotube) длиной от 1×10 до 4×10 метра, обладающего внешним диаметром (поверхность которого образована SiO) трубочки (tubule) образующего наноконтейнер рулона в интервале значений от 1×10 до 5×10 метра. При этом диаметр канала упомянутого рулона (поверхность которого представляет собой уже AlO) не превышает величины 2×10 метра и, в основном, составляет размер порядка 4×10 метра.
Недостатком аналога является небольшое (не превышающее 16 часов) время высвобождения (release) упомянутого контейнированного состава из канала рулона рассматриваемого наноконтейнера в окружающую его внешнюю среду.
-9
-9
-8
-6
-9
-7
2
2
3
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является наноконтейнер [2], который выполнен в виде трубчатой многослойной оболочки (в виде рулона) так, что расстояние между слоями лежит в пределах от 0,18×10 до 2,5×10 метра, причем поверхность упомянутого рулона образована SiO, а поверхность его канала представляет собой AlO. Длина наноконтейнера-прототипа лежит в пределах от 6×10 до 9×10 метра, а диаметр канала (диаметр внутренней части трубчатой многослойной оболочки) соответствует интервалу значений в пределах от 5×10 до 2,1×10 метра. Помимо этого рассматриваемый наноконтейнер-прототип характеризуется числом слоев в рулоне, значение которого находится в интервале от 2 до 50.
Недостаток наноконтейнера-прототипа заключается в относительно малом (не превышающем величины 200 часов) времени высвобождения в окружающую его внешнюю среду контейнированного в канале рулона материала.
Задача, на решение которой направлено создание настоящего устройства, состоит в разработке современного средства для контейнирования микроскопических доз материалов, обладающих способностью обеспечивать постепенное высвобождение в окружающую внешнюю среду этих материалов.
Технический результат, ожидаемый от использования заявленного устройства, состоит в пролонгации времени высвобождения контейнированного в нем материала в окружающую внешнюю среду.
2
2
3
2
-9
-9
-8
-6
-9
-7
Заявленный технический результат достигается тем, что наноконтейнер с модифицированной материалами поверхностью и перфорированной торцевой заглушкой характеризуется выполнением в виде рулона, поверхность внешней части которого образована из SiO, а поверхность канала представляет собой AlO, при этом расстояние между образующими рулон слоями находится в пределах от 0,18×10 до 2,5×10 метра, а длина рулона располагается в диапазоне от 6×10 до 9×10 метра, диаметр канала находится в интервале значений от 5×10 до 2,1×10 метра, а число слоев рулона выбирают равным одному из значений диапазона 2-50, причем канал упомянутого рулона вблизи одного из своих торцов снабжен перфорированной пробкой, а поверхность рулона полностью маскирована, по меньшей мере, двумя отличными от SiO материалом.
2
2
3
2
-9
-9
-8
-6
-9
-7
Заявленный технический результат также достигается тем, что наноконтейнер с модифицированной материалами поверхностью и перфорированной торцевой заглушкой характеризуется выполнением в виде рулона, поверхность внешней части которого образована из SiO, а поверхность канала представляет собой AlO, при этом расстояние между образующими рулон слоями находится в пределах от 0,18×10 до 2,5×10 метра, длина рулона располагается в диапазоне от 6,×10 до 9×10 метра, диаметр канала находится в интервале от 5×10 до 2,1×10 метра, а число слоев рулона выбирают равным одному из значений диапазона 2-50, причем канал упомянутого рулона вблизи одного из своих торцов снабжен перфорированной пробкой, а поверхность рулона частично маскирована, по меньшей мере, двумя отличными от SiO материалом.
2
2
-8
Желательно, чтобы отличными от SiO материалами поверхность SiO внешней части рулона была маскирована в интервале значений от 10% до 98%.
2
2
2
-10
10
Предпочтительно, чтобы отношение площади маскирования поверхности SiO внешней части рулона первым отличным от SiO материалом к площади маскирования той же поверхности вторым отличным от SiO материалом выбирали из интервала значений от 1×10 до 1×10.
Полезная модель иллюстрируется рисунками. На Фиг.1 схематично представлено продольное сечение рулона предлагаемого устройства с указанием на основные геометрические параметры; на Фиг.2 схематично представлено продольное сечение наноконтейнера с перфорированной торцевой заглушкой; на Фиг.3 схематично представлено продольное сечение наноконтейнера с металлическим кластером на поверхности его рулона и перфорированной торцевой заглушкой; на Фиг.4 схематично представлено продольное сечение наноконтейнера с металлическим кластером и дискретным пленочным покрытием на поверхности его рулона, а также перфорированной торцевой заглушкой; на Фиг.5 схематично представлено продольное сечение наноконтейнера, снабженного перфорированной торцевой заглушкой и металлическим кластером на поверхности его рулона, а также пленочным маскирование остальной части указанной поверхности; на Фиг.6 схематично изображено продольное сечение наноконтейнера, снабженного перфорированной торцевой заглушкой, а также модифицированной массивом металлических кластеров поверхностью рулона; на Фиг.7 схематично изображено продольное сечение наноконтейнера, снабженного перфорированной торцевой заглушкой и модифицированной массивом металлических кластеров поверхностью рулона, промежутки между которыми маскированы пленочным покрытием из отличного от диоксида кремния материала.
Перечень позиций.
1. Рулон (трубчатая оболочка) наноконтейнера.
11. Канал рулона.
12. Многослойная оболочка.
13. Диаметр канала рулона.
14. Диаметр рулона.
15. Длина рулона.
2. Перфорированная торцевая заглушка.
3. Кластерное маскирование поверхности рулона наноконтейнера.
31. Одиночный металлический кластер.
32. Массив металлических кластеров.
4. Пленочное маскирование поверхности рулона наноконтейнера.
41. Сплошное пленочное покрытие.
42. Дискретное пленочное покрытие.
-9
-9
-9
-7
-8
-6
Трубчатая многослойная оболочка (рулон) заявленного устройство 1 (Фиг.1-Фиг.7), равно как и наноконтейнер-прототип, производится из минерального глинистого сырья (halloysite) путем первоначального грубого дробления галлуазита на куски, размалывания этих кусков в тонкий помол и последующей промывки рулонов 1 (Фиг.1) в потоке жидкости, например, воды (см. [3] и [4]). Используя методы и приемы, известные из работы [5], приготавливали навески, затем осуществляли их сортировку по геометрическим параметрам. Сортировочными параметрами служили: расстояние (от 0,18×10 до 2,5×10 метра) между слоями рулона 12 (Фиг.1), диаметр (от 5×10 до 2,1×10 метра) канала рулона 13 (Фиг.1), длина (от 6×10 до 9×10 метра) рулона 15 (Фиг.1), а также число слоев в рулоне (интервал значений этого параметра составлял от 2 до 50 слоев) 1 (Фиг.1-Фиг.7).
Пример 1.
-3
-8
-9
-9
В первом примере было использовано 9×10 Кг рулонов из галлуазита, при этом длина рулона составляла 6×10 метра 15 (Фиг.1), расстояние между слоями рулона 12 (Фиг.1) равнялось 2,0×10 метра, а диаметром канала рулона 13 (Фиг.1) имел значение 5,0×10 метра. Трубчатая оболочка рулона 1 (Фиг.1) была образована 25 слоями.
В качестве контейнируемого материала для заполнения канала рулона 11 (Фиг.1) использовали benzotriazole (разработанный как антикоррозионный ингибитор).
-3
-3
-7
Сначала 50 мл воды с рН7 и температурой 30°С при атмосферном давлении 1011,25 гПа наливали в ультразвуковую ванну. Туда же помещали 9×10 Кг рулонов из галлуазита и затем добавляли 20×10 Кг коротких углеродных нанотрубок с внешним диаметром 4,5×10 метра [6]. Включали источник ультразвуковых колебаний, которым оборудована упомянутая ванна, и определяли резонансную частоту (поиск производился в интервале от 20 до 50 КГц) по методике, раскрытой в [7]. В соответствии с рекомендациями, изложенными в упомянутом выше источнике информации, форму ультразвукового сигнала задавали или прямоугольную, или синусоидальную или пилообразную. После 15 минут ультразвуковой обработки смеси, которая находилась в ультразвуковой ванне, на выявленной резонансной частоте (т.е. экспериментально установленной длительности ультразвукового воздействия на упомянутую смесь, гарантирующего закупорку короткой углеродной нанотрубкой одного из торцов рулона 1 (Фиг.1) и приводящей к образованию перфорированной торцевой заглушки 2 (Фиг.2)), рулоны 1 (Фиг.2) извлекали и ополаскивали в течение 5 минут в потоке воды с рН7 (расход которой составлял 2,5 л/мин, а температура которой имела значение 24°С). Далее производили вакуумную сушку упомянутых рулонов 1 (Фиг.2), снабженных перфорированной торцевой заглушкой 2 (Фиг.2), при давлении 500 гПа в течение 20 минут.
-8
После этого поверхность рулонов 1 (Фиг.3) по методике, раскрытой в работе [8], модифицировали наночастицами золота (gold nanoparticle) до образования маскирующего поверхность одиночного металлического кластера 31 (Фиг.3), занимающего площадь 10% относительно всей площади поверхности рулона 1 (Фиг.3), образованной диоксидом кремния.
Затем на свободной от одиночного металлического кластера 31 (Фиг.3) поверхности рулонов 1 (Фиг.5) из диоксида кремния методом адсорбции каталазы (белковой молекулы-фермента) по технологии, раскрытой в источнике [9], избирательно формировали пленку 41 (Фиг.5), которая маскировала вместе с одиночным металлическим (золотым) кластером 31 (Фиг.3) 98% площади всей поверхности рулона 1 (Фиг.5).
После проведения указанных выше процедур, 35 мл 2% раствора benzotriazole в ацетоне помещали в ультразвуковую ванну при температуре 18°С и нормальном атмосферном давлении 1013,25 гПа. В указанный раствор добавляли рулоны 1 (Фиг.5).
Затем включали источник ультразвуковых колебаний и в течение 3 минут обрабатывали раствор с помещенными в него рулонами 1 (Фиг.5) на частоте 4,3 КГц. Заполненные контейнируемым материалом рулоны 1 (Фиг.5) извлекали и ополаскивали в течение 45 секунд в проточной воде с рН7, расход которой составлял 3,0 л/мин, а температура поддерживалась около значения 22°С.
После этого рулоны 1 (Фиг.5) с заполнены benzotriazole каналами 11 (Фиг.1) помещали в новую емкость с водой (рН7), термостабилизированной при температуре 23°С (атмосферное давление при этом было равно 980 гПа).
В этой новой емкости происходило постепенное высвобождение контейнированного материала из рулонов 1 (фиг.5) в окружающую наноконтейнеры внешнюю водную среду.
Контроль динамики изменения концентрации benzotriazole во внешней водной среде производили методами UV-фотометрии посредством использования спектрального прибора Specord M40, обладающего точностью 0,1%.
Результаты сопоставительного с устройством-прототипом измерения изменения концентрации вещества benzotriazole в окружающей внешней среде приведены в Таблице 1.
Таблица 1
Временные точки контроля (час.)
50
100
115
130
145
260
Количество освобожденного benzotriazole (%) из устройства-прототипа
38
77
93,2
94,4
-
Количество освобожденного benzotriazole (%) из наноконтейнера, снабженного перфорированной торцевой заглушкой и модифицированной двумя материалами поверхностью
22
65
81
89
93
94,6
Как следует из Таблицы 1, предложенное устройство обеспечивает (относительно устройства-прототипа) увеличение времени выделения benzotriazole.
Пример 2
-3
-6
-9
-7
Во втором примере было использовано 16×10 Кг рулонов из галлуазита, при этом длина рулона составляла 9×10 метра 15 (Фиг.1), расстояние между слоями рулона 12 (Фиг.1) равнялось 0,18×10 метра, а диаметром канала рулона 13 (Фиг.1) имел значение 2,1×10 метра. Трубчатая оболочка рулона 1 (Фиг.1) была образована 50 слоями.
В качестве контейнируемого материала для заполнения рулона 1(Фиг.1) использовали камфору (кетон терпенового ряда), используемую в медицине как для наружного применения, так и для подкожных инъекций.
-3
-3
-7
60 мл воды с рН7 и температурой 25°С при атмосферном давлении 1042,85 гПа залили в ультразвуковую ванну. Туда же поместили 16×10 Кг рулонов из галлуазита и затем 23×10 Кг коротких углеродных нанотрубок с внешним диаметром 2,0×10 метра [6].
После включения источника ультразвуковых колебаний, которым оборудована упомянутая ванна, определяли резонансную частоту (поиск производился в интервале от 20 до 50 КГц) по методике, раскрытой в [7]. В соответствии с рекомендациями, изложенными в указанном ранее источнике информации, форму ультразвукового сигнала задавали или прямоугольную, или синусоидальную или пилообразную.
После 16,5 минут ультразвуковой обработки смеси, находящегося в ультразвуковой ванне, на выявленной резонансной частоте (т.е. экспериментально установленной длительности ультразвукового воздействия на упомянутую смесь, гарантирующей закупорку короткой углеродной нанотрубкой одного из торцов рулона 1 (Фиг.1), приводящей к образованию перфорированной торцевой заглушки 2 (Фиг.2)), рулоны 1 (Фиг.2) извлекали и ополаскивали в течение 6 минут в потоке воды с рН6,8 (расход которой составлял 1,1 л/мин, а температура которой имела значение 21°С).
Далее производили вакуумную сушку упомянутых рулонов 1 (Фиг.2), снабженных перфорированной торцевой заглушкой 2 (Фиг.2), при давлении 350 гПа в течение 14 минут.
-8
2
2
Как и в предыдущем примере, поверхность рулонов 1 (Фиг.4) по методике, раскрытой в работе [8], модифицировали наночастицами золота (gold nanoparticle) до образования маскирующего поверхность в виде одиночного металлического кластера 31 (Фиг.4), занимающего площадь около 0,5×10% относительно всей площади поверхности SiO рулона 1 (Фиг.4). Затем свободную от одиночного металлического (золотого) кластера 31 (Фиг.4) поверхность SiO рулона 1 (Фиг.4) гидрофобизировали по технологии, раскрытой в работе [9].
-8
-8
2
Воздействием на полученные структуры лазером на алюмо-иттриевом гранате с неодимовым легированием в течение 15 секунд (при мощности лазерного излучения 0,9 Вт) вокруг одиночных металлических кластеров 31 (Фиг.4) на поверхности рулона 1 (Фиг.4) сформировали гидрофильные зоны. В этих зонах избирательной адсорбцией каталазы (белковой молекулы-фермента) по технологии, раскрытой в источнике [10] формировали дискретное пленочное покрытие 42 (Фиг.4) со степенью маскирования поверхности диоксида кремния рулона 1 (Фиг.4) 0,5×10%. Суммарная степень маскирования обоими материалами поверхности SiO рулона 1 (Фиг.4) составила 1×10%.
Затем 25 мл 12% раствора камфоры в этиловом спирте помещали в ультразвуковую ванну при температуре 18°С и нормальном атмосферном давлении 1013,25 гПа. В указанный раствор добавляли рулоны 1 (Фиг.4) подготовленные вышеописанными операциями. В течение 4 минут обрабатывали раствор с помещенными в него рулонами 1 (Фиг.4) ультразвуком на частоте 6,0 КГц. Далее заполненные контейнируемым материалом рулоны 1 (Фиг.4) извлекали и ополаскивали в течение 40 секунд в проточной воде с рН7, расход которой составлял 2,8 л/мин, а температура поддерживалась около значения 15°С.
После выполнения этой операции, рулоны 1 (Фиг.4) с заполнеными раствором камфоры каналами 11 (Фиг.1) помещали в новую емкость с метиловым спиртом, термостабилизированную при температуре 15°С. Атмосферное давление при этом было равно 1032,25 гПа. В указанной емкости с метиловым спиртом происходило постепенное высвобождение контейнированного материала из рулонов 1 (Фиг.4) в окружающую наноконтейнеры внешнюю среду.
Контроль динамики изменения концентрации камфоры во внешней среде производили методами UV-фотометрии посредством использования спектрального прибора Specord М40, обладающего точностью 0,1%.
Результаты сопоставительного (с устройством-прототипом) измерения динамики выделения камфоры из предлагаемого наноконтейнера в окружающую внешнюю среду приведены в Таблице 2.
Таблица 2
Временные точки контроля (час.)
50
100
150
180
210
250
Количество освобожденного камфоры (%) из устройства-прототипа
35
66
95
-
Количество освобожденного камфоры (%) из наноконтейнера, снабженного перфорированной торцевой заглушкой и модифицированной двумя материалами поверхностью рулона
17
32
53
70
86
95,1
Как следует из Таблицы 2, предложенное устройство обеспечивает (относительно устройства-прототипа) увеличение времени выделения камфоры.
Пример 3.
-3
-7
-9
-8
В данном примере было использовано 10×10 Кг рулонов из галлуазита, при этом длина рулона составляла 1×10 метра 15 (Фиг.1), расстояние между слоями рулона 12 (Фиг.1) равнялось 2,5×10 метра, а диаметром канала рулона 13 (Фиг.1) имел значение 6,5×10 метра. Трубчатая оболочка рулона 1 (Фиг.1) была образована 2 слоями.
В качестве контейнируемого материала для заполнения рулона 1 (Фиг.7) использовали раствор инсулина (представляющего собой медицинский препарат для купирования проявлений болезни «диабет»).
-3
-3
-8
Сначала 48 мл воды с рН6,9 и температурой 24°С при атмосферном давлении 1005,25 гПа наливали в ультразвуковую ванну. Туда же помещали 10×10 Кг рулонов из галлуазита и добавляли 18×10 Кг коротких углеродных нанотрубок с внешним диаметром 6,1×10 метра [6]. Включали источник ультразвуковых колебаний, которым оборудована упомянутая ванна, и определяли резонансную частоту (поиск производился в интервале от 20 до 50 КГц) по методике, раскрытой в [7].
В соответствии с рекомендациями, изложенными в упомянутом выше источнике информации, форму ультразвукового сигнала задавали или прямоугольную, или синусоидальную или пилообразную. После 16 минут ультразвуковой обработки смеси, находящегося в ультразвуковой ванне, на выявленной резонансной частоте (т.е. экспериментально установленной длительности ультразвукового процессинга упомянутой смеси, гарантирующей закупорку короткой углеродной нанотрубкой одного из торцов рулона 1 (Фиг.1), приводящей к образованию перфорированной торцевой заглушки 2 (Фиг.6-Фиг.7)), рулоны 1 (Фиг.2) извлекали и ополаскивали в течение 4 минут в потоке воды с рН7 (расход которой составлял 2,2 л/мин, а температура которой имела значение 20°С).
2
Далее производили вакуумную сушку упомянутых рулонов 1 (Фиг.2), снабженных перфорированной торцевой заглушкой 2 (Фиг.6-Фиг.7)), при давлении 400 гПа в течение 18 минут. После этого поверхность SiO рулонов 1 (Фиг.6) по методике, раскрытой в работе [8], модифицировали наночастицами золота (gold nanoparticle) до образования маскирующего указанную поверхность массива металлических кластеров 32 (Фиг.6).
2
2
-8
Затем на свободной от сформированного массивом металлических кластеров 32 (Фиг.6) покрытия (точнее, между отдельными не сомкнувшимися между собой в массив кластерами (gold nanoparticle) поверхности SiO рулонов 1 (Фиг.6) методом адсорбции каталазы (белковой молекулы-фермента) по технологии, раскрытой в источнике [10], избирательно формировали дискретные пленочные покрытия 42 (Фиг.7) суммарной площадью 10%, которые в совокупности вместе с массивом металлических (золотых) кластеров 32 (Фиг.7) маскировали 98% площади всей поверхности SiO рулона 1 (Фиг.7).
После проведения указанных выше действий, 35 мл 8% раствора инсулина в воде помещали в ультразвуковую ванну при температуре 21°С и нормальном атмосферном давлении 1013,25 гПа. В указанный раствор добавлялись подготовленные благодаря проведенным выше операциям рулоны 1 (Фиг.7).
Затем включали источник ультразвуковых колебаний и в течение 55 секунд обрабатывали этот водный раствор инсулина с помещенными в него рулонами 1 (Фиг.7) на частоте 3.0 КГц.
Заполненные контейнируемым материалом рулоны 1 (Фиг.7) извлекали и ополаскивали в течение 30 секунд в проточной воде (с рН7), расход которой составлял 2,9 л/мин, а температура поддерживалась около значения 18°С.
После этого рулоны 1 (Фиг.7) с заполнены инсулином каналами 11 (Фиг.1) помещали в новую емкость с водой (рН7), термостабилизированной при температуре 36,7°С. Атмосферное давление при этом было равно 1000 гПа.
В этой новой емкости происходило постепенное высвобождение контейнированного материала из рулонов 1 (Фиг.7) в окружающую наноконтейнеры внешнюю водную среду.
Контроль динамики изменения концентрации инсулина во внешней водной среде производили методами UV-фотометрии посредством использования спектрального прибора Specord M40, обладающего точностью 0,1%.
Результаты сопоставительного (с устройством-прототипом) измерения динамики выделения инсулина из предлагаемого наноконтейнера в окружающую внешнюю среду приведены в Таблице 3.
Таблица 3
Временные точки контроля (час.)
50
100
150
200
250
300
Количество освобожденного инсулина (%) из устройства-прототипа
26
53
79,7
94,5
-
Количество освобожденного инсулина (%) из наноконтейнера, снабженного перфорированной торцевой заглушкой и модифицированной двумя материалами поверхностью рулона
16
38,5
67
85
91,1
93.9
Как следует из Таблицы 3, предложенное устройство обеспечивает (относительно устройства-прототипа) увеличение времени выделения инсулина в окружающую среду.
Таким образом, полученные экспериментально данные дают основание утверждать о достижении предложенным устройством заявленного технического результата.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Заявка на изобретение США №2007/0202061, МПК: А61К 8/49, «Cosmetic skincare applications employing mineral-derived tubules for controlled release», опуб. 30.08.2007 г.
2. Полезная модель РФ №71543, МПК: А61К 8/28, «Наноконтейнер», опуб. 20.03.2008 г. (прототип)
3. Журнал «Clay Minerals», v.40, р.383-426, статья « Halloysite Clay Minerals», E. Joussein and all., 2005.
4. Журнал «Small (Nano, Micro)», v.1, p.510-513,, статья «Biomimetic Synthesis of Vaterite in the Interior of Clay Nanotubules», D.Shchukin and all., 2005.
5. Изобретение США №7425232, МПК: F17C 11/00, «Hydrogen storage apparatus comprised of halloysite», опуб. 16.09.2008 г.
6. Изобретение РФ №2309118, МПК: С01В 31/02, «Короткие углеродные нанотрубки», опуб. 27.10.2007 г.
7. Изобретение РФ №227784, МПК: С1В 31/02, «Способ экстракции фуллеренов», опуб. 27.03.2006 г.
8. Заявка на изобретение США №2009/0092836, МПК: В32В 5/16 «Gold nanoparticle-halloysite nanotube and methode of forming the same», опуб. 09.04.2009 г.
9. Изобретение РФ №2304995, МПК: A62D 1/00, «Способ получения огнетушащего порошка», опуб. 27.12.2006 г.
10. Заявка на изобретение РФ №200312989, МПК: С12N 11/02, «Водородно-кислородный топливный элемент на основе иммобилизированных ферментов», опуб. 10.02.2005 г.