Zastosowania nanorurek haloizytowych w badaniach nad nanomateriałami

Prof. Yuri Lvov, Dr. Ronald Price

Institute for Micromanufacturing, Louisiana Tech University, Ruston, LA 71272

Halloyite, naturalnie występująca nanorurka glinokrzemianowa, została niezasłużenie zapomniana. Haloizyt (Al₂Si₂O₅(OH)₄-2H₂O) jest dwuwarstwowym glinokrzemianem, o przeważnie pustej strukturze rurkowej w zakresie submikronowym i chemicznie podobnym do kaolinu^1,2. Sąsiednie warstwy tlenku glinu i krzemionki oraz ich wody hydratacyjne zakrzywiają się i tworzą wielowarstwowe rurki  (Rysunek 1) z powodu zaburzenia upakowania. Haloizyt jest ekonomicznie opłacalnym materiałem, który może być wydobywany z odpowiedniego złoża jako surowy minerał.² Podobnie jak w przypadku większości naturalnych materiałów, wielkość cząstek haloizytu waha się w granicach 1-15 mikronów długości i 10-150 nm średnicy wewnętrznej, w zależności od złóż. W naszych badaniach używamy haloizytu G produkowanego przez Applied Minerals, Inc. i dostępnego (nr kat. 685445). Materiał ten ma średnią średnicę rurki 50 nm i wewnętrzną średnicę światła 15 nm  (Rysunek 1). Typowa powierzchnia właściwa tego haloizytu wynosi 65 m²/g; objętość porów ~ 1,25 ml/g; współczynnik załamania światła 1,54; a ciężar właściwy 2,53 g/cm^3. 

Rysunek 1. Obraz TEM nanorurek haloizytowych 685445 o średnicy 50 nm (a) i przekrój rurki (b).

Chemicznie, zewnętrzna powierzchnia nanorurek haloizytowych ma właściwości podobne do SiO₂ podczas gdy wewnętrzny rdzeń cylindra jest związany z Al₂O₃. Zachowanie ładunku (potencjału zeta) cząstek haloizytu można z grubsza opisać przez superpozycję głównie ujemnego (przy pH 6-7) potencjału powierzchniowego SiO₂, z niewielkim wkładem dodatniej powierzchni wewnętrznej Al₂O₃ .^3,4 Dodatni (poniżej pH 8,5) ładunek wewnętrznego światła promuje ładowanie nanorurek haloizytowych ujemnymi makrocząsteczkami, które są jednocześnie odpychane od ujemnie naładowanych powierzchni zewnętrznych. Szeroki zakres substancji czynnych, w tym leki, dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (NAD) i biocydy morskie,⁹ mogą być uwięzione w wewnętrznym świetle, a także w pustych przestrzeniach wielowarstwowych powłok glinokrzemianowych. Po tym uwięzieniu może nastąpić zatrzymanie i uwolnienie czynników, dzięki czemu haloizyt jest nanomateriałem dobrze nadającym się do zastosowań związanych z dostarczaniem makrocząsteczek.

Badaliśmy ładowanie i uwalnianie makrocząsteczek z nanorurek haloizytu. Ładowanie przeprowadzono w następujący sposób: Fiolka zawierająca mieszaninę haloizytu i nasyconego roztworu docelowych cząsteczek została przeniesiona do słoika próżniowego, a następnie wielokrotnie ewakuowana za pomocą pompy próżniowej. Lekkie musowanie zawiesiny wskazuje na usuwanie powietrza z wnętrza haloizytu. Po ustaniu musowania fiolka została zamknięta na 30 minut, aby osiągnąć równowagę w dystrybucji cząsteczek. Zawiesinę haloizytu odwirowano w celu usunięcia nadmiaru rozpuszczonych cząsteczek i przemyto. Proces ten można powtórzyć dwukrotnie, aby upewnić się, że haloizyt jest wypełniony maksymalną ilością docelowych cząsteczek. Dzięki tej prostej technice ładowania można wypełnić światło nanorurek dowolnymi materiałami, takimi jak leki, białka, polielektrolity i nanocząstki o odpowiedniej średnicy, stosując staromodną metodę podobną do ładowania pocisków z lufy kagańca.

Po odpowiedniej obróbce wstępnej powierzchni haloizytu można uwięzić zarówno czynniki hydrofobowe, jak i hydrofilowe.^10-11 Na przykład, niedawno zademonstrowaliśmy ładowanie haloizytu ureazą w celu biokatalitycznej syntezy CaCO₃ w świetle kanalików.¹¹ Dla cząsteczek hydrofilowych (takich jak kellina, NAD, tetracyklina) typowy czas uwalniania wynosił 2-5 godzin, a dla cząsteczek o niskiej rozpuszczalności w wodzie (takich jak deksametazon, furosemid, nifedypina) obserwowano czas uwalniania 5-20 godzin (Rysunek 2). Profile uwalniania makrocząsteczek z haloizytu są dobrze opisane przez jednowymiarowy model dyfuzji przez otwór w świetle nanorurki.

Rysunek 2. Uwalnianie makrocząsteczek z nanorurek haloizytowych (NAD, deksametazon, furosemid, nifedypina). Strome krzywe pokazują bezpośrednie rozpuszczanie mikrokryształów cząsteczek bez obciążania kanalików.

Przewidujemy wiele badań podstawowych i wiele zastosowań wykorzystujących nanorurki z glinki haloizytowej. Badania będą obejmować:

• Kontrolę ładowania i uwalniania makrocząsteczek poprzez tworzenie korków lub zwężanie wyjść ze światła nanorurek
• Rozwój koncepcji nanoreaktora kanalikowego poprzez przeprowadzanie reakcji w otworach nanorurek haloizytowych pomiędzy załadowanymi cząsteczkami a cząsteczkami w roztworze objętościowym

Możliwe zastosowania nanorurek haloizytowych obejmują:

• Kontrolowane uwalnianie środków antykorozyjnych
• Podtrzymywane uwalnianie herbicydów, insektycydów, fungicydów i środków przeciwbakteryjnych
• Podtrzymywane uwalnianie leków, dodatków do żywności i substancji zapachowych
• Szablonowanie syntezy nanocząstek przypominających pręty
• Zastosowanie jako nośniki katalityczne i sita molekularne
• Specyficzna adsorpcja jonów
• Zastosowanie jako wypełniacze tworzyw sztucznych w celu wzmocnienia wytrzymałości i ochrony przed zarysowaniami
• Zastosowanie w zaawansowanych materiałach ceramicznych, zwłaszcza biokompatybilnych implantach.

1. Joussein E, Petit S, Churchman J, Theng B, Righi D, Delvaux B. 2005. Halloysite clay minerals ? a review. Clay miner.. 40(4):383-426. https://doi.org/10.1180/0009855054040180

2. Hope EW, Kittrick JA. 1964. Surface tension and the morphology of halloysite. Am. Mineral. 49(7):859-63.

3. Tar?? G, Bobos I, Gomes CS, Ferreira JM. 1999. Modification of Surface Charge Properties during Kaolinite to Halloysite-7Å Transformation. Journal of Colloid and Interface Science. 210(2):360-366. https://doi.org/10.1006/jcis.1998.5917

4. Baral S, Brandow S, Gaber BP. 1993. Electroless metalization of halloysite, a hollow cylindrical 1:1 aluminosilicate of submicron diameter. Chem. Mater.. 5(9):1227-1232. https://doi.org/10.1021/cm00033a008

5. Levis S, Deasy P. 2003. Use of coated microtubular halloysite for the sustained release of diltiazem hydrochloride and propranolol hydrochloride. International Journal of Pharmaceutics. 253(1-2):145-157. https://doi.org/10.1016/s0378-5173(02)00702-0

6. 2001. Contributed Papers in Specimen Mineralogy: 27th Rochester Mineralogical Symposium. Rocks & Minerals. 76(4):252-258. https://doi.org/10.1080/00357520109603226

7. Yang L, Fassihi R. 1997. Examination of drug solubility, polymer types, hydrodynamics and loading dose on drug release behavior from a triple-layer asymmetric configuration delivery system. International Journal of Pharmaceutics. 155(2):219-229. https://doi.org/10.1016/s0378-5173(97)00164-6

8. Lvov Y, Price R, Gaber B, Ichinose I. 2002. Thin film nanofabrication via layer-by-layer adsorption of tubule halloysite, spherical silica, proteins and polycations. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 198-200375-382. https://doi.org/10.1016/s0927-7757(01)00970-0

9. R. Price, B. P. Gaber, Y. Lvov R. 2001. In-vitro release characteristics of tetracycline HCl, khellin and nicotinamide adenine dineculeotide from halloysite; a cylindrical mineral. Journal of Microencapsulation. 18(6):713-722. https://doi.org/10.1080/02652040010019532

10. Lvov YM, Shchukin DG, Möhwald H, Price RR. 2008. Halloysite Clay Nanotubes for Controlled Release of Protective Agents. ACS Nano. 2(5):814-820. https://doi.org/10.1021/nn800259q

11. Shchukin D, Sukhorukov G, Price R, Lvov Y. 2005. Halloysite Nanotubes as Biomimetic Nanoreactors. Small. 1(5):510-513. https://doi.org/10.1002/smll.200400120