Умные микрокапсулы, реагирующие на изменение кислотности среды, для доставки и контролируемого высвобождения липофильных активных веществ

Направление

Природоподобные и нейротехнологии

"Умные" микрокапсулы, реагирующие на изменение кислотности среды, для доставки и контролируемого высвобождения липофильных активных веществ

На злобу дня

Что для вас пища 21 века? По мнению академика В.А. Тутельяна, это пища, обогащенная витаминами и микроэлементами. В прошлом люди вели более активный образ жизни, потребляя большое количество калорий из добываемой ими пищи, что не приводило к значительным проблемам со здоровьем. Однако в современном мире физическая активность свелась к минимуму с появлением различных технологий и сервисов, упрощающих нашу жизнь. Например, нам не нужно идти "охотиться на мамонтов", а достаточно ввести адрес, чтобы оформить доставку "мамонта" на дом, и курьер на электросамокате привезёт его вам ("Мамонт" - любой продукт питания). Соответственно, нам не нужен такой объём калорий, как людям в древности. Мы потеряли необходимость потреблять большое количество пищи, но количество витаминов, так нужных нам для поддержания здоровья, ничуть не изменилось.

Мы можем добавлять концентраты витаминов в продукты питания, что может сильно влиять на вкус еды, при этом большая часть витаминов разлагается в продуктах питания ещё до попадания в наш организм, а оставшаяся их часть уничтожается агрессивной средой желудка, и лишь малая доля витаминов усваивается организмом.
Таким образом, основная цель “умных” микрокапсул – хранение и доставка витаминов, а также других липофильных веществ прямиком до места назначения.

На злобу дня

Что для вас пища 21 века? По мнению академика В.А. Тутельяна, это пища, обогащенная витаминами и микроэлементами. В прошлом люди вели более активный образ жизни, потребляя большое количество калорий из добываемой ими пищи, что не приводило к значительным проблемам со здоровьем. Однако в современном мире физическая активность свелась к минимуму с появлением различных технологий и сервисов, упрощающих нашу жизнь. Например, нам не нужно идти "охотиться на мамонтов", а достаточно ввести адрес, чтобы оформить доставку "мамонта" на дом, и курьер на электросамокате привезёт его вам ("Мамонт" - любой продукт питания). Соответственно, нам не нужен такой объём калорий, как людям в древности. Мы потеряли необходимость потреблять большое количество пищи, но количество витаминов, так нужных нам для поддержания здоровья, ничуть не изменилось.

Мы можем добавлять концентраты витаминов в продукты питания, что может сильно влиять на вкус еды, при этом большая часть витаминов разлагается в продуктах питания ещё до попадания в наш организм, а оставшаяся их часть уничтожается агрессивной средой желудка, и лишь малая доля витаминов усваивается организмом.
Таким образом, основная цель “умных” микрокапсул – хранение и доставка витаминов, а также других липофильных веществ прямиком до места назначения.

Как же оно работает?

Всё довольно просто.

Наночастица кремнезёма изначально гидрофильна, а значит, не может удержаться на поверхности капли масла. Она с неё просто-напросто соскальзывает, не имея достаточную энергию, чтобы закрепиться на поверхности.

Что в таком случае мы можем сделать, если начинаем скользить?

Например, можно попробовать надеть специальную обувь. В случае с наночастицей, мы модифицируем её поверхность поверхностно-активным веществом (ПАВ). Так как молекула ПАВ амфифильна, т.е. имеет гидорофильную голову и гидрофобный хвост, она будет цепляться гидрофильной частью к наночастице, делая её частично гидрофобной за счет своего углеродного хвоста. Таким образом, наночастица надевает "сапоги", которые держат её на поверхности капли масла.
Мы делаем наночастицы чувствительными к изменениям pH среды путём использования амфотерного ПАВ. Так, в кислой среде молекула амфотерного ПАВ проявляет свои катионные свойства, что позволяет ей за счёт электростатики прикрепляться к поверхности отрицательно заряженной наночастицы кремнезёма, делая её гидрофобной. В щелочной среде амфотерный ПАВ напротив проявляет анионные свойства, что приводит к десорбции молекул ПАВ с поверхности частиц ввиду одноименного заряда, делая её снова гидрофильной.

Гипотеза

Если оболочка капсулы будет состоять из наночастиц кремнезёма, модифицированного амфотерным ПАВ, то такая оболочка должна быть, как и сами наночастицы, чувствительной к pH дисперсионной среды вследствие изменения фильности частиц. Таким образом, наши капсулы будут устойчивы в кислой среде и высвобождать активное вещество в щелочной.

Более подробно вы можете ознакомиться на интерактивной демонстрации.

Приготовить смесь масла и наночастиц

Добавить ПАВ

Добавить кислоту

Добавить щёлочь

pH

--------

7

Масло

Наночастица SiO

Адсорбционный слой
молекул ПАВ

Наночастица SiO2

Наночастицы SiO

Приготовить раствор

2

Гомогенизатор
Процесс запущен

Добавить ПАВ

Получить микрокапсулы

Добавить щёлочь

Добавить ПАВ

Добавить кислоту

Добавить щёлочь

pH

--------

7

Масло

Наночастица SiO2

Внешний слой масла

Наночастица SiO2

Наночастица SiO

Наночастицы SiO2

Добавить ПАВ

Приготовить смесь

Получить микрокапсулы

2

Мы определили оптимальную концентрацию кокамидопропил бетаина для модификации наночастиц кремнезема так, чтобы сам ПАВ не стабилизировал масло, иначе у нас бы отсутствовала pH - чувствительность микрокапсул. После чего мы подобрали режим перемешивания смеси наночастиц и масла, где механическая гомогенизация позволяла нам получить капсулы со средним диаметром 20 мкм, а использование ультразвуковой кавитации снизило размер микрокапсул приблизительно в 10 раз.

Механический гомогенизатор

Дисперсия капсул в кислой среде

Высвобождение модельного красителя за 5 часов из микрокапсул в щелочной среде

Ультразвуковой гомогенизатор

В полученные микрокапсулы мы загрузили модельный краситель Судан1, растворив его в масле перед самосборкой модифицированных наночастиц. Часть полученных капсул мы поместили в щелочную среду, где наблюдали за высвобождением масляного раствора красителя. В итоге, мы получили, что в щелочной среде за 5 часов выходит весь раствор красителя из капсул, в то время, как в слабокислой - выделение масла не наблюдалось. Полученный эффект свидетельствует о pH - чувствительности капсулы, оболочка которой становится более проницаемой в щелочной среде.

Чего же мы достигли в нашем проекте?

Устойчивость

Мы нашли оптимальное соотношение ПАВ-наночастицы, при котором получаются микрокапсулы, оболочка которых чувствительна к pH дисперсионной среды

Полидисперсность

Нам удалось получить микрокапсулы разного размера, начиная с субмикронного и заканчивая 50 мкм

Практическое использование

В оболочку из наночастиц было закапсулировано модельное вещество Судан-1. Таким образом, мы получили наглядное представление того, как будут работать наши капсулы в кислой и щелочной среде

Наш проект также имеет следующие возможные ветки развития:

Спортивное питание

Микрокапсулированого питания увеличит процент усвоившегося от общего количества
Различные масла

помимо различных ПАВов также можно проводить эксперименты с различными маслами, включая растительные
Различные наночастицы

Рынок наполнен аналогами, так что эксперименты могут проводиться не только на SiO2
Косметическая промышленность

Например, капсулировать сухой дезодорант, который бы выходил из капсул во время потения
Фармакология

Капсулировать можно не только витамины, но и другие маслорастворимые лекарства, которые можно принимать в виде таблеток
Агропромышленность

Вещества, которые бы активно реагировали на вредные выбросы в почву и быстро их устраняли

Фотоотчёт

Инженер данных

Химик-аналитик

Научный руководитель

Назаров Яков

Наталья Паламарчук

Команда проекта

Невозможно представить такой проект без грамотно распределенной командной работы

Боброва Екатерина

Химик-аналитик

Антонина Атаманченко

Химик-аналитик

Макеев Матвей

Научный руководитель

Константин Паламарчук

Борздун Елена

Инженер-аналитик

Если у вас возникли вопросы, то можете обратиться к нам по почте

kvp1239@mail.ru

Руководитель проекта:
Паламарчук Константин Витальевич