Aktualizacja: 20.10.2015 r. UKŁADY MIKROEMULSYJNE JAKO ŚRODOWISKO REAKCJI NA PRZYKŁADZIE OTRZYMYWANIA NANOCZĄSTEK SREBRA 1. WPROWADZENIE Mikroemulsją (ME) nazywamy transparentny i termodynamicznie stabilny układ dyspersyjny składający się z fazy olejowej, fazy wodnej, surfaktantu oraz kosurfaktantu, którym zazwyczaj jest alkohol o średniej długości łańcucha węglowodorowego. Termin mikroemulsja może sugerować bliskie pokrewieństwo z układem emulsyjnym (makroemulsja) jest to jednak mylące, gdyż ta pierwsza różni się od drugiej przezroczystością, niską lepkością, trwałością termodynamiczną, spontanicznym formowaniem, a przede wszystkim wielkością cząstek o rozmiarach nano. Mikroemulsje dzięki swoim unikalnym właściwościom znalazły szerokie zastosowanie w farmacji, kosmetologii, biotechnologii, przemyśle detergencyjnym czy w otrzymywaniu nanocząstek metali. Do zalet mikroemulsji należą: przezroczystość, stabilność termodynamiczna, łatwość sporządzania, poprawa stabilności i rozpuszczalności substancji leczniczej, poprawa dostępności biologicznej substancji trudno rozpuszczalnych, możliwość przedłużenia czasu działania substancji leczniczej, ułatwienie wchłaniania, zwłaszcza w przypadku stosowania doustnego. W zależności od fazy ciągłej i rozproszonej wyróżnić można trzy typy mikroemulsji: Mikroemulsja typu O/W olej stanowi fazę wewnętrzną rozproszoną w postaci kropel w fazie ciągłej, którą stanowi woda (Rys. 1a), Mikroemulsja podwójnie ciągła, która w przybliżeniu zawiera te same ilości wody i oleju, gdzie woda i olej przenikają się wzajemnie (Rys. 1b), Mikroemulsja typu W/O woda stanowi fazę wewnętrzną rozproszoną w postaci małych kropel w fazie ciągłej, którą stanowi olej (Rys. 1c). 1
Rys. 1. Schemat mikroemulsji typu a) O/W, b) podwójnie ciągłej, c) W/O. Głównymi składnikami mikroemulsji są: faza ciągła (dyspersyjna/rozpraszająca), faza wewnętrzna (zdyspergowana/rozproszona) i związek powierzchniowo czynny (emulgator). W zależności od stosunków molowych tych substancji względem siebie otrzymuje się mikroemulsje o różnych właściwościach. Schematyczny diagram fazowy, zwany trójkątem Gibbsa przedstawiono na Rys. 2. Wykres ma postać trójkąta równobocznego, którego wierzchołki odpowiadają czystym pojedynczym składnikom (faza olejowa, faza wodna, związek powierzchniowo czynny). Boki trójkąta opisują układy dwuskładnikowe, punktu we wnętrzu trójskładnikowe, wyrażone w postaci ułamków molowych lub masowych. Przy dużej zawartości fazy wodnej, braku fazy olejowej i małej ilości związku powierzchniowo czynnego w roztworze tworzą się micele. Jeżeli w roztworze brak fazy wodnej, jest natomiast dużo fazy olejowej i mało surfaktantu, powstają odwrócone micele. Jeżeli do układu micelarnego dodamy fazę olejową, a w drugim fazę wodną to otrzymamy odpowiednio mikroemulsję typu olej w wodzie oraz mikroemulsję woda w oleju. Rys. 2. Diagram fazowy w układzie trójkątnym obrazujący typy mikroemulsji w zależności od jej składu. 2
Ze względu na rozmiar cząstek wyróżniamy układy koloidalne monodyspersyjne zawierające cząstki o takich samych rozmiarach oraz polidyspersyjne zawierające cząstki o różnych rozmiarach. Do otrzymywania cząstek o wymiarach nanometrów stosuje się mikroemulsję typu woda w oleju. Dzięki dużemu rozwinięciu powierzchni w takim układzie możliwe jest osiągnięcie dużego rozproszenia fazy wewnętrznej. W wyniku chaotycznych ruchów agregatów micelarnych (ruchów Browna), micele zderzają się ze sobą i tworzą dimery ulegając procesowi koalescencji. Na Rys. 3 przedstawiono schematyczny dimer i towarzyszący jemu kanał, przez który następuje wymiana zawartości między cząstkami. Substancja powierzchniowo czynna pomaga w tworzeniu się dimerów. Po wymianie zawartości w dimerach, ulegają one rozpadowi. Zamknięte wewnątrz miceli związki, poprzez nieustanne zderzenia mieszają się ze sobą. Właściwości międzyfazowe mają istotny wpływ na przebieg procesu otrzymywania nanocząstek metali. Rys. 3. Schemat przedstawiający dimer fazy wewnętrznej ulegający procesowi koalescencji Istnieją dwie podstawowe metody otrzymywania nanocząstek metali w układzie mikroemulsyjnym, z czego jedna opiera się na energicznym mieszaniu dwóch mikroemulsji, zawierających odpowiednio prekursor metalu oraz reduktor. Druga metoda oparta jest na dodaniu do układu mikroemulsyjnego odczynnika strącającego w postaci cieczy lub gazu. Na kształt i wielkość otrzymywanych nanometali mają wpływ takie czynniki jak temperatura reakcji, rodzaj reduktora i prekursora metalu i ich stężenia, rodzaj fazy olejowej, rodzaj, stężenie substancji powierzchniowo czynnej i kosurfaktantu oraz stosunek molowy wody do substancji powierzchniowo czynnej. Przykładem nanocząstek metalu, który otrzymać możemy w układach mikroemulsyjnych jest srebro. 1.1. Mechanizm działania nanocząstek srebra Srebro jest metalem o właściwościach biobójczych (baterio- i grzybobójczych). Materiały zawierające w strukturze nanocząstki srebra mogą znajdować zastosowanie m.in. w preparatach sanitarnych, kosmetykach, technologii leków, produkcji opakowań oraz folii stosowanych do przechowywania produktów spożywczych oraz produkcji powłok o właściwościach bakteriobójczych. Duża aktywność biobójcza nanocząstek srebra jest ściśle związana z ich wielkością. Ogromna powierzchnia czynna wpływa na wzrost aktywności 3
biologicznej i skutkuje zwalczaniem drobnoustrojów chorobotwórczych. Mechanizm działania nanocząstek srebra na określony typ drobnoustrojów jest odmienny. U grzybów mechanizm polega na zaburzeniu naturalnej gospodarki wodnej poprzez zablokowanie zdolności grzyba do przyłączenia cząsteczki wody. W przypadku wirusów mechanizm działania sprowadza się do pozbawienia ich zdolności do katalitycznego rozkładu podłoża lipidowo-białkowego. Wyróżnić można również kilka mechanizmów działania nanocząstek srebra na komórkę bakterii. Nanocząstki srebra dzięki temu, że charakteryzują się wysokim przewodnictwem elektrycznym, przylegając do błony komórkowej bakterii zaburzają naturalnie występujący gradient potencjału elektrycznego. Potencjały elektryczne błony komórkowej decydują o właściwym dla życia bakterii przepływie substancji i energii. W wyniku działania nanocząstek srebra na błonę komórkową bakterii następuje, więc zahamowanie przepływu energii i substancji. Potraktowane srebrem bakterie przestają pobierać substancje pokarmowe oraz wydalać produkty przemiany materii. Nanosrebro wnika także do wnętrza protoplazmy poprzez istniejące w błonie komórkowej kanaliki, powodując zaburzenie działania mitochondriów i jądra komórkowego. W przypadku bakterii wyposażonej w wici zwane flagella, cząstki srebra umiejscawiają się na tych wypustkach błony cytoplazmatycznej, unieruchamiając je. Jony srebra w komórkach drobnoustrojów wiążą się także z grupami tiolowymi (-SH) prowadząc do unieczynnienia białek. Inhibicję wzrostu bakterii wywołuje również tlen atomowy zaadsorbowany na powierzchni srebra. W stosunku do takich działań bakterie nie są w stanie wytworzyć skutecznego mechanizmu obronnego. To właśnie wyjaśnia fakt, iż mimo wieków stosowania srebra nie zauważono, aby powstawały szczepy oporne na jego działanie bakteriobójcze. 2. ZASTOSOWANIE NANOCZĄSTEK SREBRA Srebro jest metalem szlachetnym, który ze względu na swoje specyficzne właściwości znalazł zastosowanie już w starożytności, głównie do produkcji monet i przedmiotów ozdobnych. Bardzo szybko zaobserwowano jego działanie antybakteryjne, stąd też rozpoczęto wykorzystywać je również w medycynie. Antyczni Grecy w celu przyspieszenia gojenia ran przykładali do nich srebrne monety, natomiast żeby zapobiec szerzeniu się chorób pokrywali srebrem talerze i kubki. Dzięki antybakteryjnym właściwościom i braku toksycznego oddziaływania na człowieka, nanosrebro znalazło szerokie zastosowanie: Leczenie poparzeń Cząstki nanosrebra można stosować do dezynfekcji środków opatrunkowych i ran. Nanosrebro można dodawać do soli fizjologicznej i spryskiwać takim roztworem 4
oparzenia. Ponadto koloid srebra można stosować pod postacią lodu, ponieważ po rozmrożeniu zachowuje swoje właściwości biobójcze. Komponent przy produkcji leków Koloidy srebra stosowane wewnętrznie likwidują ciężkie postacie choroby wrzodowej. Posiadają również umiejętność immunostymulacji, która pozwala na odbudowę uszkodzonych błon śluzowych przewodu pokarmowego. Odkażanie pomieszczeń szpitalnych i basenów Zastosowanie nanocząstek srebra do dezynfekcji basenów i szpitali jest wyjściem umożliwiającym, ludziom uczulonym na chlor, korzystanie z tych obiektów. Uzdatnianie wody Nanocząstki srebra przyłączone do Fe 3 O 4 mogą być użyte do oczyszczania wody i jednocześnie łatwo z niej usunięte za pomocą pola magnetycznego. W ten sposób łatwo uniknie się dodatkowego zanieczyszczenia środowiska. Nanocząstki srebra mogą być również częścią membran filtrujących. Ochrona żywności Opakowania żywnościowe zawierające nanokompozyty srebra pomagają chronić pożywienie przed zanieczyszczeniem przez mikroorganizmy. Impregnacji tkanin Tkaniny zaimpregnowane nanocząstkami srebra wykazują właściwości bakteriobójcze, bakteriostatyczne i są odporne na ataki moli. Składnik kosmetyków Kosmetyki zawierające koloidy srebra wykazują działanie bakteriobójcze. Cząstki srebra przedłużają trwałość produktu. Nanocząstki srebra są aplikowane m.in. do kremów, maseczek, toników, żeli do mycia twarzy, płynów do mycia jamy ustnej, szamponów czy chusteczek antybakteryjnych. Składnik farb antybakteryjnych Nanosrebro może być również stosowane, jako składnik powłok antybakteryjnych, a dokładniej farb do malowania ścian. Takie zastosowanie jest szczególnie pożądane w środowiskach medycznych, w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym, gdzie brak obecności mikroorganizmów jest szczególnie uzasadniony. 5
CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest otrzymanie nanocząstek srebra metodą mikoemulsyjną oraz określenie ich właściwości absorpcyjnych. WYKONANIE ĆWIECZENIA Nanocząstki srebra (125 / 250 / 500 ppm) w układzie mikroemulsyjnym (2-etylo-heksylosulfonobursztynianu sodu (AOT), cykloheksan, woda) redukowane kwasem askorbinowym Otrzymanie I mikroemulsji ( z prekursorem srebra) Naważyć w zlewce 4,45 g AOT i rozpuścić w 50 ml cykloheksanu, po rozpuszczeniu przelać do kolby kulistej i dodać 0,63 ml 1-heksanolu cały czas mieszając. Naważyć 0,425 / 0,853 / 1,707 g AgNO 3, umieścić w kolbce o pojemności 10 ml, dopełnić do kreski, wymieszać. Do kolby kulistej dodać 0,36 ml roztworu AgNO 3. Całość dobrze wymieszać i pobrać do plastikowej probówki 6 ml roztworu z kolby i zmierzyć widma UV-Vis Otrzmanie II mikroemulsji (z reduktorem) Naważyć w zlewce 4,45 g AOT i rozpuścić w 50 ml cykloheksanu, po rozpuszczeniu dodać 0,63 ml 1-heksanolu cały czas mieszając. Naważyć 0,3645 / 0,734 / 1,468 g reduktora, umieścić w kolbce o pojemności 10 ml, dopełnić do kreski, wymieszać. Do zlewki z rozpuszczonym AOT dodać 0,36 ml roztworu reduktora, wymieszać i umieścić w wkraplaczu Wkraplać powoli roztwór zawierający roztwór reduktora w AOT/cykloheksan (II ME) do roztworu zawierającego wodny roztwór azotanu srebra w AOT/cykloheksan (I ME) (Rys 4a.) W celu scharakteryzowania otrzymanych koloidów srebra należy obserwować zmianę koloru koloidu w czasie oraz wykonać pomiar widm UV-Vis przed i po redukcji jonów Ag +. Schemat reakcji w odwróconej miceli przedstawiono na Rys. 4b. 6
a) b) Rys. 4. a) Schemat aparatury, b) Schemat mechanizmu otrzymywania nanocząstek srebra w układzie woda-aot-cykloheksan. 7
- WZÓR sprawozdania Grupa....... (Imię i Nazwisko) Data.. Nanocząsteczki w medycynie, kosmetologii, biotechnologii i ochronie środowiska Sprawozdanie z ćwiczenia UKŁADY MIKROEMULSYJNE JAKO ŚRODOWISKO REAKCJI NA PRZYKŁADZIE OTRZYMYWANIA NANOCZĄSTEK SREBRA Cel ćwiczenia: Krótki opis przebiegu doświadczenia: Widma UV-Vis przed i po redukcji jonów Ag + : Opis widm UV-Vis: Wnioski: 8