Получение дисперсий углеродных нанотрубок в растворах оксиэтилированных жирных спиртов для модифицирования гелевых систем

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проведено систематическое исследование влияния неионогенных поверхностно-активных веществ (НПАВ) – оксиэтилированных высших жирных спиртов с варьируемой степенью оксиэтилирования на процесс ультразвукового диспергирования углеродных нанотрубок в водных растворах и на коллоидно-химические свойства полученных дисперсий – оптическую плотность, размер и электрокинетический потенциал частиц коллоидных систем. Установлена нелинейная зависимость характеристик дисперсий от степени оксиэтилирования, связанная со структурными изменениями в молекулах НПАВ. Определены наиболее эффективные степень оксиэтилирования и концентрация НПАВ в растворе, обладающие наибольшим дезагрегирующим и стабилизирующим действием при получении дисперсий углеродных нанотрубок (УНТ). Выявлено влияние степени оксиэтилирования оксиэтилированных высших жирных спиртов на электрокинетические свойства дисперсий УНТ. Показана возможность использования дисперсий углеродных нанотрубок для модифицирования реологических и электрических свойств гелевых систем на основе редкосшитой полиакриловой кислоты. Исследовано влияние НПАВ и УНТ на вязкость, предел текучести, коэффициент консистенции, механическую стабильность, время релаксации и энергию активации вязкого течения полимерных гелей. Показано, что введение нанотрубок приводит к увеличению электропроводимости гелей. Ультраструктура пленочных образцов гелей исследована методом просвечивающей электронной микроскопии.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Р. Гатауллин

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: zulfat.azari@yandex.ru
Россия, ул. Карла Маркса, 68, Казань, 420015

В. А. Абрамов

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Email: zulfat.azari@yandex.ru
Россия, ул. Карла Маркса, 68, Казань, 420015

С. А. Богданова

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Email: zulfat.azari@yandex.ru
Россия, ул. Карла Маркса, 68, Казань, 420015

В. В. Сальников

Казанский институт биохимии и биофизики ФИЦ КазНЦ РАН

Email: zulfat.azari@yandex.ru
Россия, ул. Лобачевского, 2/31, Казань, 420111

Ю. Ф. Зуев

Казанский институт биохимии и биофизики ФИЦ КазНЦ РАН

Email: zulfat.azari@yandex.ru
Россия, ул. Лобачевского, 2/31, Казань, 420111

Ю. Г. Галяметдинов

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Email: zulfat.azari@yandex.ru
Россия, ул. Карла Маркса, 68, Казань, 420015

Список литературы

  1. Kuo T.-R., Hovhannisyan V.A., Chao Y.-C., Chao S.-L., Chiang S.-J., Lin S.-J., Dong C.-Y., Chen C.-C. Multiple release kinetics of targeted drug from gold nanorod embedded polyelectrolyte conjugates induced by near-infrared laser irradiation // Journal of the American Chemical Society. 2010. V. 132. № 40. P. 14163–14171. https://doi.org/10.1021/ja105360z
  2. Hosoyama K., Ahumada M., McTiernan C.D., Davis D.R., Variola F., Ruel M., Liang W., Suuronen E.J., Alarcon E.I. Nanoengineered electroconductive collagen-based cardiac patch for infarcted myocardium repair // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018. V. 10. № 51. P. 44668–44677. https://doi.org/10.1021/acsami.8b18844
  3. Cai J., Zhang X., Liu W., Huang J., Qiu X. Synthesis of highly conductive hydrogel with high strength and super toughness // Polymer. 2020. V. 202. P. 122643. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2020.122643
  4. Zare E.N., Abdollahi T., Motahari A. Effect of functionalization of iron oxide nanoparticles on the physical properties of poly (aniline-co-pyrrole) based nanocomposites: Experimental and theoretical studies // Arabian Journal of Chemistry. 2020. V. 13. № 1. P. 2331–2339. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2018.04.016
  5. Ичкитидзе Л.П., Подгаецкий В.М. Электропроводный биосовместимый композиционный наноматериал с углеродными нанотрубками // Медицинская техника. 2011. № 6. С. 25–28.
  6. Dusenberg B., Tischer F., Seidel A. M., Kopp S. P., Schmidt J., Roth S., Buck A. Production and analysis of electrically conductive polymer–carbon-black composites for powder based additive manufacturing // Procedia CIRP. 2022. V. 111. P. 18–22. https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.08.107
  7. Boruah M., Phukon P., Saikia B.J., Dolui S.K. Electrical actuation of electroresponsive hydrogels based on poly (acrylamide-co-acrylic acid) / graphite suitable for biomedical applications // Polymer composites. 2014. V. 35. № 1. P. 27–36. https://doi.org/10.1002/pc.22630
  8. Khan S.A., Lazoglu I. Development of additively manufacturable and electrically conductive graphite–polymer composites // Progress in Additive Manufacturing. 2020. V. 5. № 2. P. 153–162. https://doi.org/10.1007/s40964-019-00102-95
  9. Gubaidullin A.T., Makarova A.O., Derkach S.R., Voron’ko N.G., Kadyirov A.I., Ziganshina S.A., Salnikov V.V., Zueva O.S., Zuev Yu.F. Modulation of molecular structure and mechanical properties of k-carrageenan-gelatin hydrogel with multi-walled carbon nanotubes // Polymers. 2022. V. 14. № 12. P. 2346. https://doi.org/10.3390/polym14122346.
  10. Кондрашов С.В., Грачев В.П., Акатенков Р.В., Алексашин В.М., Деев И.С., Аношкин И.В., Раков Э.Г., Иржак В.И. Модифицирование эпоксидных полимеров малыми добавками многослойных углеродных нанотрубок // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2014. Т. 56. № 3. С. 316–322. https://doi.org/10.7868/S2308112014030079
  11. Li R., Bao Z., Wang P., Deng Y., Fan J., Zhu X., Xia X., Song Y., Yao H., Li D. Gelatin-functionalized carbon nanotubes loaded with cisplatin for anti-cancer therapy // Polymers. 2023. V. 15. № 16. P. 3333. https://doi.org/10.3390/polym15163333
  12. Kuche K., Maheshwari R., Tambe V., Mak K.-K., Jogi H., Raval N., Pichika M.R., Tekade R.K. Carbon nanotubes (CNTs) based advanced dermal therapeutics: current trends and future potential // Nanoscale. 2018. V. 10. № 19. P. 8911–8937. https://doi.org/10.1039/C8NR01383G
  13. Wong B.S., Yoong S.L., Jagusiak A., Panczyk T., Ho H.K., Ang W.H., Pastorin G. Carbon nanotubes for delivery of small molecule drugs // Advanced Drug Delivery Reviews. 2013. V. 65. № 15. P. 1964–2015. https://doi.org/10.1016/j.addr.2013.08.005
  14. Yun J., Im J.S., Lee Y.-S., Kim H.-I. Electro-responsive transdermal drug delivery behavior of PVA/PAA/MWCNT nanofibers // European Polymer Journal. 2011. V. 47. № 10. P. 1893–1902. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2011.07.024
  15. Madeo L.F., Curcio M., Iemma F., Nicoletta F.P., Hampel S.; Cirillo G. Release of bioactive molecules from graphene oxide-alginate hybrid hydrogels: Effect of crosslinking method // C. 2023. V. 9. № 1. P. 8. https://doi.org/10.3390/c9010008
  16. Zeng L., Gowda B.H.J, Ahmed M.G., Abourehab M.A.S., Chen Z.S, Zhang C., Li J., Kesharwani P. Advancements in nanoparticle-based treatment approaches for skin cancer therapy // Molecular Cancer. 2023. V. 22. P. 10. https://doi.org/10.1186/s12943-022-01708-4
  17. Dalla Colletta A., Pelin M., Sosa S., Fusco L., Prato M., Tubaro A. Carbon-based nanomaterials and skin: An overview // Carbon. 2022. V. 196. P. 683–698. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.05.036
  18. Palmer B.C., Phelan-Dickenson S.J., DeLouise L.A. Multi-walled carbon nanotube oxidation dependent keratinocyte cytotoxicity and skin inflammation // Particle and fibre toxicology. 2019. V. 16. № 1. P. 1–15. https://doi.org/10.1186/s12989-018-0285-x
  19. Park Y.H., Jeong S.H., Lee E.Y., Lee S.H., Choi B.H., Kim M.K., Son S.W. Assessment of dermal irritation potential of MWCNT // Toxicology and environmental health sciences. 2010. V. 2. P. 115–118. https://doi.org/10.1007/BF03216492
  20. Kim S.H., Lee D.H., Lee J.H., Yang J.Y., Shin H.S., Lee J., Jung K., Jeong J., Oh J.H., Lee J.K. Evaluation of the skin sensitization potential of carbon nanotubes using alternative in vitro and in vivo assays // Toxics. 2020. V. 8. № 4. P. 122. https://doi.org/10.3390/toxics8040122
  21. Vankoningsloo S., Piret J.P., Saout C., Noel F., Mejia J., Zouboulis C.C., Delhalle J., Lucas S., Toussaint O. Cytotoxicity of multi-walled carbon nanotubes in three skin cellular models: Effects of sonication, dispersive agents and corneous layer of reconstructed epidermis // Nanotoxicology. 2010. V. 4. № 1. P. 84–97. https//doi.org/10.3109/17435390903428869
  22. MacDonald R.A., Voge C.M., Kariolis M., Stegemann J.P. Carbon nanotubes increase the electrical conductivity of fibroblast-seeded collagen hydrogels // Acta Biomaterialia. 2008. V. 4. № 6. P. 1583–1592. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2008.07.005
  23. Voge C.M., Johns J., Raghavan M., Morris M.D., Stegemann J.P. Wrapping and dispersion of multiwalled carbon nanotubes improves electrical conductivity of protein–nanotube composite biomaterials // J. Biomed. Mater. Res. Part A. 2013. V. 101. № 1. P. 231–238. https://doi.org/10.1002/jbm.a.34310
  24. Pikula K., Chaika V., Zakharenko A., Markina Z., Vedyagin A., Kuznetsov V., Gusev A., Park S., Golokhvast K. Comparison of the level and mechanisms of toxicity of carbon nanotubes, carbon nanofibers, and silicon nanotubes in bioassay with four marine microalgae // Nanomaterials. 2020. V. 10. № 3. P. 485. https://doi.org/10.3390/nano10030485
  25. Бадамшина Э.Р., Гафурова М.П., Эстрин Я.И. Модифицирование углеродных нанотрубок и синтез полимерных композитов с их участием // Успехи химии. 2010. Т. 79. № 11. С. 1027–1064.
  26. Гигиберия В.А., Арьев И.А., Лебовка Н.И. Устойчивость суспензий многослойных углеродных нанотрубок в органических растворителях в присутствии Triton X-165 // Коллоидный журнал. 2012. Т. 74. № 6. С. 696–701.
  27. Li F., Liu L., Yang Z., Li S. Dispersion of functionalized multi-walled carbon nanotubes in aqueous solution // Russian Journal of Physical Chemistry A. 2021. V. 95. P. 1009–1016. https://doi.org/10.1134/S0036024421050125
  28. Li H., Qiu Y. Dispersion, sedimentation and aggregation of multi-walled carbon nanotubes as affected by single and binary mixed surfactants // Royal Society Open Science. 2019. V. 6. № 7. P. 190241. https://doi.org/10.1098/rsos.190241
  29. Abreu B., Rocha J., Fernandes R.M., Regev O., Furo I., Marques E.F. Gemini surfactants as efficient dispersants of multiwalled carbon nanotubes: Interplay of molecular parameters on nanotube dispersibility and debundling // Journal of colloid and interface science. 2019. V. 547. P. 69–77. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.03.082
  30. Гатауллин А.Р., Богданова С.А., Рахматуллина А.П., Галяметдинов Ю.Г. Диспергирование углеродных нанотрубок в растворах оксиэтилированных изононилфенолов // Журнал прикладной химии. 2017. Т. 90. № 11. С. 1489–1497.
  31. Гатауллин А.Р., Богданова С.А., Галяметдинов Ю.Г. Диспергирование фуллерена С60 в организованных средах // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2019. Т. 19. № 1. С. 6–13.
  32. Задымова Н.М. Коллоидно-химические аспекты трансдермальной доставки лекарств (обзор) // Коллоидный журнал. 2013. Т. 75. № 5. С. 543–556. https://doi.org/10.7868/S0023291213050194
  33. Sheeba F.R., Giles D., Shivakumar Swamy S.K., Menaka T. Study on permeation enhancement of Sparfloxacin from certain selected ointment bases // Der. Pharmacia Letter. 2012. V. 4. P. 1115–1118.
  34. Akhtar N., Rehman M.U., Khan H.M.S., Rasool F., Saeed T., Murtaza G. Penetration enhancing effect of polysorbate 20 and 80 on the in vitro percutaneous absorption of L-ascorbic acid // Tropical J. Pharm. Res. 2011. V. 10. № 3. P. 281. https://doi.org/10.4314/tjpr.v10i3.1
  35. Strati F., Neubert R., Opalka L., Kerth A., Brezesinski G. Non-ionic surfactants as innovative skin penetration enhancers: Insight in the mechanism of interaction with simple 2D stratum corneum model system // European Journal of Pharmaceutical Sciences. 2021. V. 157. P. 105620. https://doi.org/10.1016/j.ejps.2020.105620
  36. Deng Z., Yu R., Guo B. Stimuli-responsive conductive hydrogels: Design, properties, and applications // Materials Chemistry Frontiers. 2021. V. 5. № 5. P. 2092–2123. https://doi.org/10.1039/d0qm00868k
  37. Servant A., Methven L., Williams R.P., Kostarelos K. Electroresponsive polymer-carbon nanotube hydrogel hybrids for pulsatile drug delivery in vivo // Advanced Healthcare Materials. 2013. V. 2. № 6. P. 806–811. https://doi.org/10.1002/adhm.201200193
  38. Adorinni S., Rozhin P., Marchesan S. Smart hydrogels meet carbon nanomaterials for new frontiers in medicine // Biomedicines. 2021. V. 9. № 5. P. 570. https://doi.org/10.3390/biomedicines9050570
  39. Ткачев А.Г., Мищенко С.В., Негров В.Л., Меметов Н.Р., Пасько А.А., Блинов С.В., Турлаков Д.А. Промышленное производство углеродного наноструктурного материала “Таунит” // Наноиндустрия. 2007. № 2. С. 24–27.
  40. Shvartzman-Cohen R., Levi-Kalisman Y., Nativ-Roth E., Yerushalmi-Rozen R. Generic approach for dispersing single-walled carbon nanotubes: The strength of a weak interaction // Langmuir. 2004. V. 20. № 15. P. 6085–6088. https://doi.org/10.1021/la049344j
  41. Bandyopadhyaya R., Nativ-Roth E., Regev O., Yerushalmi-Rozen R. Stabilization of individual carbon nanotubes in aqueous solutions // Nano Letters. 2002. V. 2. № 1. P. 25–28. https://doi.org/10.1021/nl010065f
  42. de Almeida Carisio P., dos Santos Mendonca Y.G., Soares C.F.T., Reales O.A.M., de Moraes Rego Fairbairn E., Filho R.D.T. Dispersion of carbon nanotubes with different types of superplasticizer as a dispersing agent for self-sensing cementitious materials // Appl. Sci. 2021. V. 11. № 18. P. 8452. https://doi.org/10.3390/app11188452
  43. Predtechenskiy M.R., Khasin A.A., Bezrodny A.E., Bobrenok O.F., Dubov D.Y., Muradyan V.E., Saik V.O., Smirnov S.N. New perspectives in SWCNT applications: Tuball SWCNTs. Part 1 Tuball by itself – all you need to know about it // Carbon Trends. 2022. V. 8. P. 100175. https://doi.org/10.1016/j.cartre.2022.100175
  44. Youssry M., Al-Ruwaidhi M., Zakeri M. Physical functionalization of multi-walled carbon nanotubes for enhanced dispersibility in aqueous medium // Emergent Materials. 2020. V. 3. P. 25–32. https://doi.org/10.1007/s42247-020-00076-3
  45. Gataullin A.R., Bogdanova S.A., Galyametdinov Yu.G. Adsorption of ethoxylated isononylphenols on carbon nanotubes from aqueous solutions // ChemChemTech. 2021. V. 64. № 3. P. 46–51. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216403.6192
  46. Zaman A.C., Kaya F., Kaya C. A study on optimum surfactant to multiwalled carbon nanotube ratio in alcoholic stable suspensions via UV-Vis absorption spectroscopy and zeta potential analysis // Ceramics international. 2020. V. 46. № 18. P. 29120–29129. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.08.085
  47. Ткачев А.Г., Мележик А.В., Дьячкова Т.П., Блохин А.Н., Буракова Е.А., Пасько Т.В. Углеродные наноматериалы серии “Таунит”: производство и применение // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2013. Т. 56. № 4. С. 55–59.
  48. Захарычев Е.А., Кабина М.А., Разов Е.Н., Семенычева Л.Л. Исследование устойчивости водных суспензий функционализированных углеродных нанотрубок // Коллоидный журнал. 2016. Т. 78. № 5. С. 556–561. https://doi.org/10.7868/S0023291216050244
  49. Барань Ш., Картель Н., Месарош Р. Электрокинетический потенциал многослойных углеродных нанотрубок в водных растворах электролитов и ПАВ // Коллоидный журнал. 2014. Т. 76. № 5. С. 555–559. https://doi.org/10.7868/S0023291214050024
  50. Петренко Д.Б. Модифицированный метод Боэма для определения гидроксильных групп в углеродных нанотрубках // Вестник Московского государственного областного университета. 2012. № 1. С. 157–160.
  51. White B., Banerjee S., O’Brien S., Turro N.J., Herman I.P. Zeta-potential measurements of surfactant-wrapped individual single-walled carbon nanotubes // J. Phys. Chem. C. 2007. V. 111. № 37. P. 13684–13690. https://doi.org/10.1021/jp070853e
  52. Selivanova N.M., Galeeva A.I., Galyametdinov Yu.G. Chitosan/lactic acid systems: Liquid crystalline behavior, rheological properties, and riboflavin release in vitro // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. № 21. P. 13207. https://doi.org/10.3390/ijms232113207
  53. Haider X.S., Park S.-Y., Saeed K., Farmer B.L. Swelling and electroresponsive characteristics of gelatin immobilized onto multi-walled carbon nanotubes // Sensors and Actuators B. 2007. V. 124. № 2. P. 517–528. https://doi.org/10.1016/j.snb.2007.01.024
  54. Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения. СПб.: Профессия, 2007. 560 с.
  55. Лебовка Н.И., Лисунова М.А., Бойко Ю.П., Мележик А.В. Исследование перколяционного поведения электрической проводимости и вязкости в водных суспензиях многослойных углеродных нанотрубок // Коллоидные системы и новейшие технологии. 2007. Т. 5. № 1. С. 165–175.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Зависимость оптической плотности дисперсий УНТ (0.1% мас.) от концентрации ОЭ ВЖС в водных растворах через сутки (а) и через 30 суток (б) после УЗ-обработки: 1 – n = 7, 2 – n = 8, 3 – n = 3, 4 – n = 10.

Скачать (25KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость среднего гидродинамического диаметра частиц дисперсий УНТ (0.1% мас.) от степени оксиэтилирования и концентрации ОЭ ВЖС в водных растворах через 1 сутки (а) и через 30 суток (б) после УЗ-обработки.

Скачать (33KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Распределение частиц по размерам в дисперсиях, полученных при ультразвуковой обработке УНТ в воде (1, 1') и в водных растворах ОЭ ВЖС n = 10 (2, 2' – 6.3·10–4 моль/л; 3, 3' – 20.0∙10–4 моль/л) через 1 сутки (1, 2, 3) и через 30 суток (1', 2', 3').

Скачать (16KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость среднего электрокинетического потенциала частиц дисперсий УНТ (0.1% мас.) от степени оксиэтилирования и концентрации ОЭ ВЖС в водных растворах через 1 сутки (а) и через 30 суток (б) после УЗ-обработки.

Скачать (39KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Кривые течения (а) и вязкости (б) гелевых систем: 1 – базовый гель; 2 – гель с ОЭ ВЖС n = 10 (6.3∙10–4 моль/л); 3 – гель с УНТ (247 мг/л); 4 – гель с УНТ (378 мг/л) и ОЭ ВЖС n = 10 (6.3∙10–4 моль/л).

Скачать (23KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Микрофотографии гелевых систем, полученных с помощью дисперсий УНТ в воде (а, масштаб 2 мкм) и водном растворе ОЭ ВЖС n = 10 (б, масштаб 500 нм).

Скачать (27KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024