Взаимодействие наночастиц оксида алюминия и биополимеров (белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот)

Нанотехнологии играют все более важную роль во многих ключевых технологиях нового тысячелетия. Применение наноразмерных материалов и структур, обычно в диапазоне от 1 до 100 нм, является новой областью нанонауки и нанотехнологий [1]. Наночастицы показывают уникальные свойства по сравнению с объемными металлами, поэтому было проведено много исследований по синтезу и применению наночастиц металлов [2].
Некоторые из этих металлов (особенно алюминий) ранее широко использовались в составах энергетических материалов. Наночастицы алюминия представляют интерес для различных областей, включая пиротехническую, ракетную и взрывчатую промышленности. Алюминиевый порошок был добавлен к ряду этих композиций для повышения их эффективности за счет повышения энергии реакции, температуры пламени и увеличения скорости взрыва. Наночастицы алюминия являются более благоприятными из-за их высокой энтальпии горения и быстрой кинетики, которые еще больше увеличивают эти реакционные свойства [3]. Известно, что наноразмерные частицы алюминия представляют собой новый энергетический материал с очень высокой реакционной способностью из-за большой удельной поверхности, и ожидается, что он будет применен к ракетному топливу следующего поколения в области аэрокосмических применений. Реакционная способность наночастиц алюминия зависит от диаметра частиц. Сообщается, что наночастицы алюминия размером 30-50 нм являются наиболее чувствительными [4].
Тем не менее, порошки высокой чистоты и нанопорошки активных металлов, таких как Al, нелегко синтезировать, поскольку их быстрое окисление происходит легко [5]. Небольшие размеры алюминиевых наночастиц делают их особенно восприимчивыми к чрезмерному окислению при хранении перед использованием. Как правило, толщина оксидного покрытия на алюминиевой частице находится в диапазоне от 1,7 до 6,0 нм независимо от размера частицы. Если пассивирующие покрытия также имеют сродство к связующему материалу, то проблемы смешения также могут быть решены.
Наночастицы оксида алюминия с полимерным покрытием в настоящее время представляют особый интерес для исследователей в области нанобиомедицины и фундаментальных биоматериалов. Эти материалы не только проявляют свойства изображения в ответ на стимулы, но также эффективно доставляют различные лекарства и терапевтические гены. Несмотря на то, что за последнее десятилетие было изготовлено большое количество наночастиц оксида алюминия с полимерным покрытием, большинство этих материалов по-прежнему сталкиваются с определенными проблемами, связанными с их синтезом. Наночастицы металлов при инкапсуляции в полимере и поглощении клетками человека могут проявлять более низкую степень токсичности; однако степень токсичности некоторых исходных материалов и прекурсоров вызывает серьезные опасения. Следовательно, существует необходимость реализации принципа зеленой химии в синтезе наноматериалов. Использование экологически безопасных материалов для синтеза металлических наночастиц обеспечивает многочисленные преимущества, начиная от биосовместимости, доступности, экономичности, масштабируемости и заканчивая экологичностью. Обнаружено, что наночастицы на основе биополимера являются более подходящими в области нанотехнологий благодаря их высокой воспроизводимости, простоте изготовления, функциональной модификации и безопасности (они не являются канцерогенными). В отличие от синтетических полимеров, где сырье может быть получено из нефтехимических или химических промышленных процессов, биополимеры производятся из возобновляемых ресурсов, таких как растения и / или живые организмы. Они разлагаются в результате естественных процессов вплоть до элементарных сущностей, которые могут быть поглощены в окружающей среде. Кроме того, они также могут быть изменены, чтобы служить определенной цели, которая объясняет множество их потенциальных применений. Макромолекулярная цепь этих биополимеров обладает большим количеством гидроксильных групп, которые могут легко образовывать комплексы с ионами металлов. Кроме того, эти биополимеры также содержат супрамолекулярные структуры, которые могут приводить к новым функциональным возможностям их композитов с наночастицами металла и полупроводника.
Полисахариды представляют собой длинные полимеры моносахаридных сахаров и их производных. В отличие от белков или нуклеиновых кислот, эти полимеры могут иметь прямую или разветвленную цепь. Они могут быть одного типа моносахаридов (гомополисахариды) или более одного (гетерополисахариды) в повторяющихся звеньях. Полисахариды также можно разделить на группы в соответствии с их двумя основными функциями: вклад в структурные компоненты клеток и накопление энергии.
Целлюлоза является структурным полисахаридом, в то время как крахмал в основном является полисахаридом, аккумулирующим энергию

. Крахмал является основным накопителем энергии в растениях, в то время как гликоген является основным накопителем энергии у животных. И крахмал, и целлюлоза являются полимерами глюкозы, но они различаются в зависимости от конфигурации связи С – О [7]. Обычно они нерастворимы в холодной воде, хотя при температуре около 100 ° С крахмал растворим в воде, в то время как для растворимости в воде целлюлозе требуется температура выше 300 ° С [8]. После гидролиза кислотами или ферментами они в конечном итоге дают свои составляющие моносахаридные сахара. Полисахариды обладают способностью координировать ионы металлов и, таким образом, действуют как стабилизирующие агенты. Кроме того, известно, что они проявляют восстанавливающие свойства при синтезе металлических наноструктур. Эта двойная роль позволила получить металлические наночастицы с улучшенными свойствами и функциональными возможностями, такими как различные формы и размеры, гидрофильность, биосовместимость, специфичность и нетоксичность. Из-за их нетоксичной природы, полисахариды признаны зелеными восстановителями для синтеза наноструктур. Их структурные гидроксильные группы обеспечивают им сильную восстановительную способность и растворимость в воде. Другие природные полисахариды, такие как хитозан, также привлекли внимание при получении наночастиц [9].
Процессы гомогенного раствора могут протекать в воде с альгинатом, желатином, хитозаном (коллаген, молоко, белое яйцо). Биополимеры часто используются при концентрации 10 мас.%, Но для крахмала и других концентрация может быть выше (70–80%). РН важен для растворимости из-за функций биополимера: карбоновой, аминной, спиртовой, сульфатной или фосфатной групп. Но pH также важен для растворимости металлов. Температура изменяет pH, но также может изменять структуру биополимера и его элиминирующее поведение. Если биополимер не растворим в золе предшественника оксида металла, то ситуация является гетерогенной, классический случай с целлюлозным волокном или хитиновым каркасом.
Возможны два механизма объединения наночастиц оксида аллюминия и биополимеров. Как показано на рис. 1а, первое - это инициирование роста оксида металла посредством координации частиц металла. Второй (рис. 1б) - это наносодержащая роль, которую играет запутанность сольватированных цепей биополимера; предполагается ограничить рост оксида металла в растворе. Это может быть сделано двумя процессами: путем ограничения диффузии реагентов, кластеров и первичных частиц и избегая взаимодействия между частицами из-за биополимера, адсорбированного на их поверхности.
Рисунок 1 - Схематическое изображение двух основных процессов, происходящих при выращивании фазы оксида металла в растворе биополимеров
Полисахариды были первыми биополимерами, рассмотренными в золь-гелевом процессе, по существу, как альтернатива лимонной кислоте процесса Печини. Почти во всех случаях наблюдается резкое увеличение скорости гелеобразования. Для целлюлозы это объясняется комплексообразованием [катион металл-биополимер], таким как Al (III) -целлюлоза.
Химически крахмал состоит из длинных цепей единиц D-глюкозы (моносахарида), соединенных 1,4-гликозидными связями. Они образуются в растениях во время фотосинтеза. Они присутствуют во многих растительных источниках пищи, таких как корнеплоды, например, картофель и злаки. Экологичный биосинтез наночастиц металлов с использованием крахмала хорошо известен. Большинство из них были выполнены через процессы сокращения. Это простой метод, который дает большое количество наночастиц и в некоторой степени позволяет контролировать размер частиц. В [7] сообщают об использовании кукурузного крахмала, обработанного щелочью, в качестве восстанавливающего агента и стабилизатора для производства наночастиц серебра. В их отчете происходит окислительно-восстановительная реакция между Al2O3 и обработанным щелочью крахмалом с получением наночастиц. Полученныy наночастицы имеют сферическую форму с размером частиц от 4 до 6 нм. В [8] также сообщают об использовании крахмала в качестве восстановителя при 90o в присутствии NaOH. Были получены наночастицы сферической формы с диаметром частиц от 10 до 30 нм. Кроме того, была исследована роль pH в зеленом опосредованном синтезе наночастиц оксида аллюминия, покрытых крахмалом