RU2701030C1

RU2701030C1 - Method of producing hollow silica nanocapsules

Info

Publication number: RU2701030C1
Application number: RU2018147588A
Authority: RU
Inventors: Азиз Мансурович Музафаров; Александра Александровна Калинина; Валентина Васильевна Казакова; Александра Валерьевна Быстрова; Кирилл Михайлович Борисов
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2019-09-24

Abstract

FIELD: nanotechnology; manufacturing technology.

SUBSTANCE: invention relates to production of nanocapsules which can be used for controlled release of various encapsulated agents. Disclosed is a method of producing hollow silica nanocapsules. While stirring, an aqueous emulsion is prepared, which contains a dispersed phase selected from toluene, hexane or octamethylcyclotetrasiloxane, a silicasol solution is added to the stirred emulsion in an organic solvent selected from tetrahydrofuran, monoglyme, acetonitrile, ethyl acetate or acetone, before polycondensation of the silicasol. Formed precipitate is separated and dried.

EFFECT: invention enables to obtain nanocapsules at room temperature in neutral medium for up to 5 minutes.

1 cl, 1 dwg, 1 tbl, 6 ex

Description

Изобретение относится к технологии нано- и микрокапсулирования различных низко- и высокомолекулярных соединений, в частности, к способу получения полых кремнеземных капсул, или коллоидосом. Наиболее важным свойством и главным назначением нано- и микрокапсул является контролируемое высвобождение инкапсулированного агента, на котором базируется создание лекарств, косметических и фармацевтических препаратов пролонгированного действия. Принципы инкапсулирования положены в основу создания самозалечивающихся материалов, антифрикционных и антикоррозионных покрытий и т.п.The invention relates to the technology of nano- and microencapsulation of various low and high molecular weight compounds, in particular, to a method for producing hollow silica capsules, or colloidosomes. The most important property and main purpose of nano- and microcapsules is the controlled release of the encapsulated agent, on which the creation of drugs, cosmetic and pharmaceutical preparations of prolonged action is based. Encapsulation principles are the basis for the creation of self-healing materials, anti-friction and anti-corrosion coatings, etc.

Для создания микрокапсул на основе кремнийорганических соединений наибольшее распространение получил способ самоорганизации частиц на границе раздела фаз (получение эмульсий Пикеринга). В большинстве работ при создании коллоидосом в качестве стабилизатора дисперсной фазы используют модифицированный кремнезем, полученный по методу Штобера [

W., Fink A., Bohn Е. Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range // Journal of colloid and interface science. - 1968. - T. 26. - №1. - C. 62-69].To create microcapsules based on organosilicon compounds, the method of self-organization of particles at the phase boundary (obtaining Pickering emulsions) was most widely used. In most studies, when creating colloidosomes, modified silica obtained by the Stober method [

W., Fink A., Bohn E. Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range // Journal of colloid and interface science. - 1968. - T. 26. - No. 1. - C. 62-69].

Например, известен способ получения микрокапсул путем стабилизации эмульсии кремнеземными частицами, поверхность которых модифицирована дифильными щетками. [Liu М. et al. Tunable Pickering Emulsions with Environmentally Responsive Hairy Silica Nanoparticles // ACS applied materials & interfaces. - 2016. - T. 8. - №. 47. - C. 32250-32258]. Гидрофильной частью таких щеток является полиэтиленоксидная цепь, а роль гидрофобной части играет полистирольная цепь. Диаметр полученных микрокапсул составляет больше 50 мкм, а их образование занимает несколько минут. Недостатком способа является необходимость сшивания полученных частиц на границе раздела фаз для выделения микрокапсул в сухом виде, что достигается путем образования интерполимерных комплексов с участием полиэтиленоксидной цепи.For example, a method is known for producing microcapsules by stabilizing an emulsion with silica particles, the surface of which is modified with diphilic brushes. [Liu M. et al. Tunable Pickering Emulsions with Environmentally Responsive Hairy Silica Nanoparticles // ACS applied materials & interfaces. - 2016. - T. 8. - No. 47. - C. 32250-32258]. The hydrophilic part of such brushes is the polyethylene oxide chain, and the role of the hydrophobic part is played by the polystyrene chain. The diameter of the obtained microcapsules is more than 50 microns, and their formation takes several minutes. The disadvantage of this method is the need for crosslinking of the obtained particles at the phase boundary to isolate the microcapsules in dry form, which is achieved by the formation of interpolymer complexes involving a polyethylene oxide chain.

Известен способ получения микрокапсул из эмульсий вода в масле, стабилизированных гидрофильными частицами кремнезема. [Qu Y. et al. Interfacial polymerization of dopamine in a pickering emulsion: synthesis of cross-linkable colloidosomes and enzyme immobilization at oil/water interfaces //ACS applied materials & interfaces. - 2015. - T. 7. - №. 27. - C. 14954-14964]. Для придания устойчивости таким коллоидосомам используют допамин, который диффундирует к границе раздела фаз и полимеризуется там. Образовавшийся полидопамин сшивает частицы кремнезема за счет водородного связывания с ними. Средний размер получаемых частиц составляет 20-25 мкм, а их образование длится 24 часа. Недостатками данного способа является необходимость проведения полимеризации допамина на границе раздела фаз и небольшая скорость образования микрокапсул.A known method of producing microcapsules from water-in-oil emulsions stabilized by hydrophilic silica particles. [Qu Y. et al. Interfacial polymerization of dopamine in a pickering emulsion: synthesis of cross-linkable colloidosomes and enzyme immobilization at oil / water interfaces // ACS applied materials & interfaces. - 2015. - T. 7. - No. 27. - C. 14954-14964]. To give stability to such colloidosomes, dopamine is used, which diffuses to the phase boundary and polymerizes there. The resulting polydopamine crosslinkes silica particles due to hydrogen bonding with them. The average size of the resulting particles is 20-25 microns, and their formation lasts 24 hours. The disadvantages of this method is the need for polymerization of dopamine at the phase boundary and the low rate of formation of microcapsules.

Известно также, что получение микрокапсул возможно с помощью частиц кремнезема, модифицированных октадецилтриметоксисиланом [Wang Н. et al. All-silica colloidosomes with a particle-bilayer shell // ACS nano. - 2011. - T. 5. - №. 5. - C. 3937-3942], триметилэтоксисиланом. [Zhao Y. et al. Silica nanoparticles catalyse the formation of silica nanocapsules in a surfactant-free emulsion system // Journal of Materials Chemistry A. - 2015. - T. 3. - №. 48. - C. 24428-24436] или гексадецилтриметоксисиланом [Zhao Y. et al. Microencapsulation of hydrophobic liquids in closed all-silica colloidosomes // Langmuir. - 2014. - T. 30. - №. 15. - C. 4253-4261]. Такими частицами стабилизируют эмульсии вода в масле, при этом их сшивку в монослой осуществляют сверхразветвленным полиэтоксисилоксаном, находящимся в масляной фазе, по имеющимся гидроксильным группам на поверхности кремнеземных частиц. В первом и втором случае формирование оболочки длится 3 дня, в третьем - 1 день. Диаметр образующихся при этом капсул варьируется в пределах от 1 до 4 мкм, а в случае кремнеземных частиц, модифицированных триметилэтоксисиланом, минимальный размер образующихся капсул составляет 300 нм.It is also known that the preparation of microcapsules is possible using silica particles modified with octadecyltrimethoxysilane [Wang H. et al. All-silica colloidosomes with a particle-bilayer shell // ACS nano. - 2011. - T. 5. - No. 5. - C. 3937-3942], trimethylethoxysilane. [Zhao Y. et al. Silica nanoparticles catalyse the formation of silica nanocapsules in a surfactant-free emulsion system // Journal of Materials Chemistry A. - 2015. - T. 3. - No. 48. - C. 24428-24436] or hexadecyltrimethoxysilane [Zhao Y. et al. Microencapsulation of hydrophobic liquids in closed all-silica colloidosomes // Langmuir. - 2014. - T. 30. - No. 15. - C. 4253-4261]. Water-in-oil emulsions are stabilized by such particles, while their crosslinking into a monolayer is carried out by hyperbranched polyethoxysiloxane in the oil phase, according to the available hydroxyl groups on the surface of silica particles. In the first and second case, the formation of the shell lasts 3 days, in the third - 1 day. The diameter of the capsules formed in this case varies from 1 to 4 μm, and in the case of silica particles modified with trimethylethoxysilane, the minimum size of the capsules formed is 300 nm.

В целом, основными недостатками всех способов получения микрокапсул путем стабилизации эмульсий кремнеземными частицами являются необходимость предварительной модификации кремнеземных частиц, использования сшивающего агента для образования монолитной оболочки капсул, а также длительное время ее формирования. Отличительной чертой таких способов является проведение процесса в кислых или щелочных условиях в зависимости от типа эмульсии: масло в воде или вода в масле. Кроме того, образующиеся при этом капсулы характеризуются микронными размерами.In general, the main disadvantages of all methods for producing microcapsules by stabilizing emulsions with silica particles are the need for preliminary modification of silica particles, the use of a crosslinking agent to form a monolithic capsule shell, as well as the long formation time thereof. A distinctive feature of such methods is the process in acidic or alkaline conditions, depending on the type of emulsion: oil in water or water in oil. In addition, the resulting capsules are characterized by micron sizes.

Известен способ получения капсул, в том числе нанометрового размера, заключающийся в стабилизации эмульсий сверхразветвленным полиэтоксисилоксаном или полиалкилалкоксисилоксаном с последующим его гидролизом и поликонденсацией на границе раздела фаз и образованием кремнеземной оболочки [ЕР 3124112 A1; Zhao Y. et al. A facile one-step approach toward polymer@ SiO2 core-shell nanoparticles via a surfactant-free miniemulsion polymerization technique // Macromolecules. - 2016. - T. 49. - №. 5. - C. 1552-1562; Zhao Y. et al. Hybrid nanostructured particles via surfactant-free double miniemulsion polymerization //Nature communications. - 2018. - T. 9. - №. 1. - C. 1918]. Такой способ позволяет получать капсулы размером от 0.01 мкм до 100 мкм с ядром из полистирола, полиметилметакрилата, полидиметилсилоксана, а также капсулы сложной структуры при стабилизации двойных эмульсий. При этом возможность получения капсул с размером 0.01 мкм вызывает сомнения, так как минимальный размер капсул, описанный в приведенных примерах, составляет 100 нм. Главным недостатком данного способа является необходимость проведения инкапсулирования при повышенной температуре в течение длительного времени (не менее одного дня), а в некоторых случаях требуется или кислая, или щелочная среда в зависимости от капсулянта. Данный способ как наиболее близкий к заявляемому по технической сущности, был выбран в качестве прототипа.A known method of producing capsules, including nanometer size, consisting in the stabilization of emulsions by hyperbranched polyethoxysiloxane or polyalkylalkoxysiloxane followed by hydrolysis and polycondensation at the phase boundary and the formation of a silica shell [EP 3124112 A1; Zhao Y. et al. A facile one-step approach toward polymer @ SiO2 core-shell nanoparticles via a surfactant-free miniemulsion polymerization technique // Macromolecules. - 2016. - T. 49. - No. 5. - C. 1552-1562; Zhao Y. et al. Hybrid nanostructured particles via surfactant-free double miniemulsion polymerization // Nature communications. - 2018. - T. 9. - No. 1. - C. 1918]. This method allows to obtain capsules with sizes from 0.01 μm to 100 μm with a core of polystyrene, polymethylmethacrylate, polydimethylsiloxane, as well as capsules of complex structure with stabilization of double emulsions. Moreover, the possibility of obtaining capsules with a size of 0.01 μm is doubtful, since the minimum size of the capsules described in the above examples is 100 nm. The main disadvantage of this method is the need for encapsulation at elevated temperature for a long time (at least one day), and in some cases, an acidic or alkaline environment is required depending on the capsule. This method, as the closest to the claimed technical essence, was selected as a prototype.

До сих пор не был известен способ получения полых кремнеземных нанокапсул, обеспечивающий быстрое их образование в мягких условиях.Until now, a method for producing hollow silica nanocapsules was not known, which ensures their rapid formation under mild conditions.

Задачей заявляемого изобретения являлась разработка способа получения полых кремнеземных нанокапсул, позволяющего получать их быстро, при комнатной температуре и в нейтральной среде.The objective of the invention was the development of a method for producing hollow silica nanocapsules, allowing them to be obtained quickly, at room temperature and in a neutral environment.

Задача решается заявляемым способом получения полых кремнеземных нанокапсул, включающим стабилизацию эмульсии масло/вода и последующую поликонденсацию прекурсора оболочки на границе раздела, причем в качестве прекусора оболочки используют раствор силиказоля в органических растворителях.The problem is solved by the claimed method for producing hollow silica nanocapsules, including stabilization of the oil / water emulsion and subsequent polycondensation of the shell precursor at the interface, and a solution of silica sol in organic solvents is used as the shell precursor.

Силиказоль является молекулярной формой кремнезема [Kazakova V. et al. Hyperbranched ethylsilicate and molecular silica sole on its base // Polymer Preprints(USA). - 1998. - T. 39. - №. 1. - C. 483-484].Silicazole is a molecular form of silica [Kazakova V. et al. Hyperbranched ethylsilicate and molecular silica sole on its base // Polymer Preprints (USA). - 1998. - T. 39. - No. 1. - C. 483-484].

Технический результат состоит в создании нового технологичного способа получения полых кремнеземных нанокапсул, который обеспечивает существенное ускорение процесса формирования оболочки по сравнению с прототипом, не требует применения сшивающих агентов и повышенной температуры.The technical result consists in creating a new technological method for producing hollow silica nanocapsules, which provides a significant acceleration of the shell formation process in comparison with the prototype, does not require the use of crosslinking agents and elevated temperature.

В качестве дисперсной фазы для получения эмульсии масло/вода используют толуол, гексан или октаметилциклотетрасилоксан, которые эмульгируют в воде при скорости от 2000 до 5000 об/мин., затем добавляют раствор силиказоля в органическом растворителе, выбранным из ряда: тетрагидрофуран, моноглим, ацетонитрил, этилацетат, ацетон. Выпавший при этом белый осадок отделяют на центрифуге и сушат в вакууме. Главным отличием разработанного способа от аналогов и прототипа является высокая скорость образования капсул (капсулы образуются практически мгновенно, сразу после добавления раствора прекурсора к эмульсии). Кроме того, не требуется проводить капсулирование при повышенной температуре, использовать кислотную или щелочную среду. Полученные капсулы характеризуются размерами от 100 до 500 нм с превалирующим содержанием той или иной размерной фракции в зависимости от условий эмульгирования и природы дисперсной фазы.As a dispersed phase to obtain an oil / water emulsion, toluene, hexane or octamethylcyclotetrasiloxane are used, which are emulsified in water at a speed of 2000 to 5000 rpm, then a solution of silica sol in an organic solvent selected from the series: tetrahydrofuran, monoglyme, acetonitrile, ethyl acetate, acetone. The white precipitate thus precipitated is separated in a centrifuge and dried in vacuum. The main difference between the developed method and analogues and prototype is the high rate of capsule formation (capsules are formed almost instantly, immediately after adding the precursor solution to the emulsion). In addition, it is not required to carry out encapsulation at elevated temperatures, to use an acidic or alkaline medium. The obtained capsules are characterized by sizes from 100 to 500 nm with a prevailing content of one or another size fraction depending on the conditions of emulsification and the nature of the dispersed phase.

В таблице приведены примеры, иллюстрирующие заявляемое изобретение.The table shows examples illustrating the claimed invention.

На фиг. 1 представлены результаты сканирующей (а) и просвечивающей (б) электронной микроскопии для капсул, полученных в примере 2, на основании которых можно утверждать, что частицы имеют правильную шарообразную форму и содержат внутреннюю полость, причем размеры частиц коррелируют с данными динамического светорассеяния, приведенными в таблице.In FIG. 1 presents the results of scanning (a) and transmission (b) electron microscopy for the capsules obtained in Example 2, on the basis of which it can be argued that the particles have a regular spherical shape and contain an internal cavity, and the particle sizes correlate with the dynamic light scattering data given in table.

Основными преимуществами заявляемого способа являютсяThe main advantages of the proposed method are

(а) возможность в течение 0.5-5 мин после смешения реагентов получать нанокапсулы; (б) проведение капсулирования в мягких условиях: при комнатной температуре и в нейтральной среде; (в) не требуется применение сшивающих агентов.(a) the ability to obtain nanocapsules within 0.5-5 minutes after mixing the reagents; (b) encapsulation under mild conditions: at room temperature and in a neutral environment; (c) the use of crosslinking agents is not required.

Изобретение иллюстрируется примерами 1-6, представленными в таблице. Пример 1 подробно описан ниже.The invention is illustrated by examples 1-6 presented in the table. Example 1 is described in detail below.

Пример 1.Example 1

Смесь воды и толуола в качестве дисперсной фазы в массовом соотношении, равном 100:1, эмульгируют с помощью диспергатора Т 50 digital ULTRA-TURRAX® dispersion device (IKA) при скорости от 2000 об/мин, спустя минуту к перемешивающейся эмульсии добавляют 3.5% раствор силиказоля в тетрагидрофуране, в таком количестве, чтобы массовое соотношение сухого силиказоля и дисперсной фазы составляло 0.7:1. Через 30 секунд после добавления раствора силиказоля перемешивание останавливают и полученные частицы выделяют на центрифуге при скорости ее вращения 9000 об/мин. Далее частицы сушат в вакууме в течение 3 часов при 50°С. Выход продукта составляет 95% по кремнию. Полученные частицы анализируют методами динамического светорассеяния, сканирующей и просвечивающей микроскопии на наличие шарообразных частиц и полостей в них. Результаты приведены в таблице.A mixture of water and toluene as a dispersed phase in a mass ratio of 100: 1 is emulsified with a T 50 digital ULTRA-TURRAX dispersion device (IKA) at a speed of 2000 rpm, after a minute a 3.5% solution is added to the mixing emulsion silica sol in tetrahydrofuran, in such an amount that the mass ratio of dry silica sol and the dispersed phase is 0.7: 1. 30 seconds after the addition of the silica sol solution, stirring was stopped and the resulting particles were isolated in a centrifuge at a rotation speed of 9000 rpm. Next, the particles are dried in vacuum for 3 hours at 50 ° C. The product yield is 95% for silicon. The resulting particles are analyzed by dynamic light scattering, scanning and transmission microscopy for the presence of spherical particles and cavities in them. The results are shown in the table.

Получение капсул в примерах 2-6, представленных в таблице, осуществляют аналогично описанному в примере 1.The preparation of capsules in Examples 2-6 presented in the table is carried out similarly to that described in Example 1.

Claims

A method for producing hollow silica nanocapsules, comprising preparing an aqueous emulsion containing a dispersed phase selected from toluene, hexane or octamethylcyclotetrasiloxane, with stirring at a speed of 2000-5000 rpm, introducing a solution of silica sol in an organic emulsion selected from tetrahydrofuran, monoglyme acetonitrile, ethyl acetate or acetone, to polycondensate silica sol to form a precipitate, precipitate and dry.