طراحی سطح با پلیمرهای خود گرمایشی برای تله های قابل سوئیچ باز و بسته

طراحی سطح با پلیمرهای خود گرمایشی برای تله های قابل سوئیچ باز و بسته –  ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه مهندسی صنایع

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

مطالعه 20 الی 100% رایگان مقالات ترجمه شده

1- قابلیت مطالعه رایگان 20 الی 100 درصدی مقالات 2- قابلیت سفارش فایل های این ترجمه با قیمتی مناسب مشتمل بر 3 فایل: pdf انگیسی و فارسی مقاله همراه با msword فارسی -- تذکر: برای استفاده گسترده تر کاربران گرامی از مقالات آماده ترجمه شده، قیمت خرید این مقالات بسیار کمتر از قیمت سفارش ترجمه می باشد.  

چگونگی سفارش

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه (شماره حساب) ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.com شامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر -- مقالات آماده سفارش داده شده عرفا در زمان اندک یا حداکثر ظرف مدت چند ساعت به ایمیل شما ارسال خواهند شد. در صورت نیاز فوری از طریق اس ام اس اطلاع دهید.

طراحی سطح با پلیمرهای خود گرمایشی برای تله های قابل سوئیچ باز و بسته

دپارتمان مهندسی مواد، کالج علوم محض و کاربردی، دنشگاه تسوکوبا، ژاپن

مرکز بیومواد، انستیتو ملی مواد، ژاپن

دپارتمان مواد پیشرفته و نانوساختار، کالج علوم و مهندسی کاگوشیما، ژاپن

2011

چکیده

در این مقاله ما برای جداسازی موثر بیومولکول ها یک سیستم کروماتوگرافی / رنگ نگاری واکنش پذیر در برابر حرارت خود گرمایشی نوین را ارائه می نماییم. برای این از پیوند کووالانسی به سطح  poly(N-isopropylacrylamide-co-N-hydroxymethylacrylamide)،poly(NIPAAm-co-HMAAm با قابلیت واکنش پذیری مناسب در برابر حرارت کامپوزیت های مگنتیت / سیلیکا بعنوان تله های سطحی قابل سوئیچ باز و بسته استفاده شد. دمای محلول بحرانی پایین تر (LCST) (poly(NIPAAm-co-HMAAmها از 35 الی 55 درجه سلسیوس از طریق تغییر محتوای HMAAm کنترل شد. با استفاده از گرمای تولید شده بوسیله ذرات مغناطیسی در یک میدان مغناطیسی متناوب (AMF) قابلیت القای ویژگی هیدروفیلیک / آبدوستی در برابر جدایی فاز هیدروفوبیک / آبگریزی پلیمرهای واکنش پذیر – دمایی پیوندی بوجود خواهد آمد. جهت ارزیابی امکان پذیری ذرات poly(NIPAAm-co-HMAAm) – پیوندی مغناطیس / سیلیکا بعنوان یک فاز ثابت برای کروماتوگرافی، ما این ذرات را در یک مجموعه متشکل از ستون شیشه ای یک سیستم کروماتوگرافی مایع در آورده و نسبت به آنالیز پروفیل های گریزان برای استروئیدها اقدام نمودیم. زمان ابقاء برای استروئیدهای آبگریز در AMF بطور قابل توجهی افزایش یافته است که علت آن را می توان ارتقای برهمکنش آبگریزی از طریق خودگرمایشی ذرات مغناطیس / سیلیکای پیوندی عنوان داشته، و این تاثیر را می توان از طریق تغییر زمان تابش AMF کنترل نمود. با بستن AMF قابلیت کوتاه کردن مجموع زمان تحلیل برای استروئیدها وجود دارد. سیستم پیشنهادی برای جداسازی مولفه های بیواکتیو یا زیست فعال مفید می باشد چرا که پروفیل های گریزان آنها را می توان به آسانی بوسیله یک AMF کنترل کرد.

کلمات کلیدی: پلیمر هوشمند، پلی (ان- ایزوپروپیلاکریلامید)، ذره مغناطیسی،  میدان مغناطیسی متناوب (AMF)، کروماتوگرافی / رنگ نگاری مایع دارای عملکرد بالا (HPLC)

1- مقدمه

پلیمرهای هوشمند، که همچنین تحت عنوان پلیمرهای واکنش پذیر در برابر محرک نیز شناخته می شوند، بعنوان یک کلاس مهم مواد بشمار آمده و محدوده کاربرد آنها همچنان بصورت یکنواخت در حال افزایش می باشد. خواص آنها را می توان بوسیله محرک های خارجی نظیر دما [1، 2]، نور [3، 4]، میدان های الکتریکی و مغناطیسی [5-7]، مقاومت یا قدرت یونی [8]، pH [9] و مواد شیمیایی [10، 11] تغییر داد. بنابراین، پلیمرهای هوشمند در بیوتکنولوژی یا فن آوری های زیستی، پزشکی و مهندسی، همانند کاربرد در سیستم دارو رسانی به یک نقطه خاص بدن [12-14]، جداسازی شیمیایی [15، 16]، حسگرها [17] و راه اندازهای یا محرک ها [18، 19] مورد استفاده گرفته می شوند. پلیمر هوشمند که بطور گسترده ای مورد بررسی قرار گرفته است  poly(N-isopropylacrylamide)  (PNIPAAm) می باشد [20-25]. PNIPAAm بصورت محلول در آب در زیر دمای انحلال بحرانی پایین تر (LCST) 32 درجه سلسیوس باقی می ماند و بصورت سریع در دماهای بالاتر ته نشین می شود. PNIPAAm را می توان از طریق مشتق سازی زنجیره های جانبی گروه های انتهایی جهت تشکیل گروه های واکنشی برای اصلاح سطح به هم پیوستگی یا اتصال شیمیایی عامل دار نمود [26-30].

این فرآیندهای پیوند زنی یا اتصال قابلیت ایجاد سطوح «هوشمند» یا اتصالات «هوشمند» را خواهند داشت [31-34]. بطور مثال، پیوند PNIPAAm بر روی سطوح جامد استفاده از آنها بعنوان تله های قابل سوئیچ، که در آن قابلیت کنترل انرژی سطحی بوسیله دما وجود دارد، را امکان پذیر می سازد. Kanazawa و همکاران با استفاده از دانه های آمینوپیروپیل – سیلیکا با پیوند-PNIPAAm بعنوان یک فاز ثابت، یک سیستم کروماتوگرافی / رنگ نگاری متناسب با محیط را ایجاد نمودند [35، 36]. قطبیت این سطح پیوندی را می توان از طریق گرمایش فاز متحرک از حالت آبدوست به آبگریز تغییر داد. Yakushiji  و همکاران دریافتند که تطبیق پیوند PNIPAAm بر روی دانه های سیلیکا به میزان زیادی بر روی قابلیت مرطوب شدگی و برهمکنش آبگریزی آنها با استروئیدها تاثیرگذار می باشند [37]. Kobayashi و همکارن با استفاده از دانه های سیلیکای (NIPAAm-co-acrylic acid) poly – پیوندی آنیونی واکنش پذیر در برابر دما یک سیستم کروماتوگرافی تبادل – یونی را مشخص ساختند [38، 39]. بواسطه آنکه این نوع از کوپلیمر یونی قابلیت تغییر pKa خود در واکنش با تغییرات دمایی را خواهد داشت، دانه های سیلیکا معرف تغییرات همزمان در حالت مرطوب پذیری و چگالی بار تحت محرک های حرارتی می باشد. این سیستم ها می توانند کم هزینه و از نظر محیط زیستی مناسب باشند، چرا که پروفیل های گریزان را می توان با استفاده از تنها یک محلول آبی بعنوان یک فاز متحرک کنترل نمود. با این وجود، این عملکرد ممکن است بواسطه فرآیند گرمایش / سرمایش کل فاز متحرک دارای تاثیر متضادی گردد [40-42].

از این نقطه نظر ما یک ماده بسته بندی خود گرمایشی را ایجاد نمودیم که از نانوذرات مگنتیک، بعنوان فاز ثابت برای کروماتوگرافی واکنش – دمایی، تشکیل شده اند (شکل 1). یک ذره مگنتیک فری مغناطیسی (Fe₃O₄) به هنگامی که با یک میدان مغناطیسی متناوب (AMF) روبرو شود قابلیت ایجاد حرارت را خواهد داشت که علت آن را می توان پسماند مغناطیسی خواند [43]. بنابراین نانوذرات مغناطیسی برای کاربردهای بیوپزشکی مختلف نظیر درمان های سرطان که در آنها تب بالای غیر عادی وجود دارد [44، 45] و یا تصویربرداری با تشدید مغناطیسی (MRI) [46، 47] یک رویکرد نوید بخشی را ارائه می دهند. در مطالعه قبلی ما، کوپلیمرهای مبتنی بر – PNIPAAm را بصورت موفقیت آمیزی بر روی نانوذرات مغناطیسی تثبیت نموده و  فاز آبدوستی / آبگریزی جداسازی پلیمر پیوندی از طریق سوئیچینگ باز یا بسته AMF کنترل کردیم [48-50].

در این مطالعه، ما تاثیر زمان کاربرد AMF بر روی برهمکنش استروئیدهای آبگریز با استفاده از ذرات مغناطیسی پیوند – پلی (NIPAAm-co-HMAAm) را مورد بررسی قرار می دهیم. Hydroxymethylacrylamide (HMAAm) جهت کنترل LCST پلیمر پیوندی بکار گرفته شد، در حالی که پروفیل حرارتی در این ستون از طریق تغییر ترکیب مگنتیک توان AMF بصورت متغیر مشخص گردید[50]. یک رویکرد «پیوند – از» با یک عامل سیلان – جفت شدگی نیز بکار گرفته شد چرا که این مورد منجر به حصول یک روش متنوع و تک مرحله ای شده که بسیار ساده تر از رویکرد «پیوند – به» می باشد. پیوند سطحی بطور موفقیت آمیز بوسیله تحلیل ترموثقل سنجی (TGA) و طیف بینی فوتوالکترون اشعه X (XPS) مورد تایید قرار گرفت. ذرات مغناطیسی یا مگنتیک حاصله در یک ستون شیشه ای بر روی یک سیستم کروماتوگرافی مایع متصل به یک دستگاه دارای توان فرکانس بالا قرار گرفت. پروفیل های گریزان برای استروئیدها بعنوان یک تابع زمان کاربرد AMF تحلیل گردیدند.

2- مواد و روش ها

2-1. مواد

NIPAAm به وسیله شرکت Kohjin (توکیو ژاپن) تامین گردیده و با استفاده از بنزن تحت فرآیند تبلور مجدد قرار گرفت. HMAAm و 2,2’-azobis (ایزوبوتیرونیتریل) (AIBN) نیز از شرکت Wako (توکیو، ژاپن) خریداری شده و مجدداً با استفاده از اتانول بلوری گردید. ذرات سیلیکا (Wakogel (R) C-200، اندازه ذره 75 – 150 میکرو متر)، آهن (II) کلوراید (FeCl₂ . 4H₂O)، آهن (III) کلوراید (FeCl₃ . 6H₂O)، تولوئن و 28% محلول آمونیاک از شرکت Wako (توکیو، ژاپن) خریداری شد. یک عامل کوپلینگ یا جفت شدگی سیلان، 3– (متاآکریلوکسیپروپیل) تری اتوکسیسیلان (MPTES) نیز از شرکت صنایع شیمیایی توکیو (توکیو، ژاپن) خریداری گردیده و پس از انجام فرآیند خالص سازی بکار گرفته شد. داروهای مدل نیز از شرکت Wako (توکیو، ژاپن) خریداری شد که شامل هیدروکورتیزون (HCO)، دکزامتازون (DEX) و تستوسترون (TES) می باشند. کلیه دیگر مواد شیمیایی و محلول ها نیز از نقطه نظر تجاری در دسترس بوده و جزء  رتبه های تحلیلی به شمار می آیند. آب فوق خالص Milli-Q نیز در این آزمایشات مورد استفاده قرار گرفت.

2-2. سنتز مگنتیت / ذرات کامپوزیت سیلیکا

یک ترکیب 9/0 گرمی FeCl₂ . 4H₂O، 24.0 g مرتبط با FeCl₃ . 6H₂O و 0/5 گرمی ذرات سیلیکا با یک نسبت مولار Fe(II) : Fe(III) 2:1 در 50 میلی لیتر آب یون زدوده شده در 75 درجه سلسیوس توزیع شد. فرآیند تعلیق نیز از طریق اضافه نمودن 100 میلی لیتر محلول آمونیاک آب دار (28%) ته نشین شده، و واکنش نیز به مدت 30 دقیقه در حالت به هم زدن با سرعت 400 دور در دقیقه حاصل آمد (شکل 1 الف). ذرات رسوبی مگنتیت / سیلیکا متعاقباً با استفاده از آب مقطر و اتانول به طور کامل شسته شده و در خلاء به مدت 24 ساعت خشک گردیدند.

2-3. پیوند سطح (NIPAAm-co-HMAAm)poly  بر روی ذرات مگنتیت / سیلیکا

کامپوزیت مهیا شده مگنتیت / سیلیکا (5/7 گرم) در 75 میلی لیتر تولوئن ادغام شد. متعاقباً یک تقسیم کننده 5/2 میلی لیتری MPTES به صورت قطره ای به این محلول اضافه شد و متعاقباً در دمای اتاق به مدت 12 ساعت با 400 دور در دقیقه به هم زده شد (طرح 1 ب). ذرات حاصله به صورت ترتیبی با تولوئن و اتانول شسته شدند تا آن که هر گونه ترکیبات غیر واکنشی زدوده شوند. پس از خشک کردن در خلاء به مدت 24 ساعت، ذرات مگنتیت / سیلیکا اصلاح شده – MPTES به صورت یک پودر سیاه بازیابی شد.

2-4. توصیفات سطحی به وسیله TGA و XPS

هر مرحله مهیا سازی از طریق کاهش وزن به عنوان یک تابع دمایی به وسیله TGA (EXSTAR6000 TG/DTA، نانو فناوری SII، توکیو، ژاپن) مورد ارزیابی قرار گرفت. تقریباً 0/2 میلی گرم از یک نمونه در یک ظرف Al قرار داده شده و در نرخ 10°C min^-1 20 الی 500 درجه سلسیوس حرارت دید. وجود ترکیبات آلی بر روی سطح ذرات از کاهش وزن بین 200 و 500 درجه سلسیوس مشخص شد. اصلاح سطح نیز با استفاده از XPS (ESCA، توکیو، ژاپن) از طریق پیک N1 s (410-390 eV) تصدیق شد.

2-5. ارزیابی LCST

LCST محلول های آبی (0.1 wt/v%) مرتبط با (NIPAAm-co-HMAAm) poly به عنوان دمایی تعریف شد که در آن فرآیند انتقال به میزان 50% خواهد بود. این فرآیند در 500 nm با استفاده از یک طیف نور سنج UV-Vis اندازه گیری شد (Jasco V-550، توکیو، ژاپن) که مجهز به یک کنترل کننده حرارتی (نرخ حرارت 10°C min^-1) بوده است.

2-6. خواص خود حرارتی

خود حرارتی جهت بررسی واکنش دمایی ذرات مگنتیت / سیلیکا اصلاح شده بکار گرفته شد. این ذرات در آب مقطر با غلظت 100 g l^-1 قرار گرفتند. فرآیند تعلیق در یک لوله استوانه ای به قطر داخلی 15 میلی متر انجام شد که با یک کویل مسی پیچیده شده بود (سه دور با قطر داخلی و خارجی 5 و 6 سانتی متر به ترتیب). حرارت با استفاده از AMF حاصل آمده از طریق عبور جریان متناوب (400 A، فرکانس 280 kHz، توان 2 kW) به سمت کویل (HOTSHOT2، Ameritherm، NY، USA) حاصل آمد. نمایه دمایی تعلیق با استفاده از دما سنج کنترل شد.

2-7. نمایه های شویش القایی – AMF استروئیدها

 (NIPAAm-co-HMAAm) poly – اصلاح شده ذرات مگنتیت / سیلیکا در آب Milli-Q تعلیق شد. این ذرات متعاقباً در یک ستون شیشه ای (0/30 × 0/10 mm Tokyo Rikakikai، توکیو، ژاپن) قرار گرفته و در یک سیستم رنگ نگاری مایع دارای عملکرد بالا (Elite LaChrom، هیتاچی، توکیو، ژاپن)، مجهز به یک حسگر UV با  قابلیت تشخیص نور 254 nm، نصب شد. ستون شیشه ای با کویل سه پیچشه فوق الذکر با قطر های داخلی 5 و 6 سانتی متر به ترتیب پوشیده شد. فاز سیار در یک نرخ 5/0 ml min^-1 قرار داده شد. استروئیدهای مدل سوم، HCO (0.1 g l^-1)، DEX (0.1 g l^-1)و TES (0.5 g l^-1) در آب Milli-Q حل گردیدند. رفتارهای شویش استروئیدها با و بدون یک AMF ثبت شد. این AMF به وسیله عبور جریان متناوب (400 A، فرکانس 280 kHz، توان 2kW ) از طریق کویل مربوطه برای مدت 0، 3، 5، 10، 15 یا 30 دقیقه ایجاد شد. جهت بررسی برهمکنش فاز ثابت با استروئیدها در دماهای مختلف، رفتار شویش استروئیدها در دماهای مختلف در محدوده 20-60 درجه سلسیوس نیز بدون یک AMF ذکر شد. دمای ستون با استفاده از یک استخر آب دما پاینده کنترل شد (Tokyo Rikakikai، توکیو، ژاپن).

3- نتایج و مباحث

3-1. سنتز و توصیفات ذرات مگنتیت / سیلیکا خود حرارتی با یک سطح قابل سوئیچ

جهت ایجاد یک حالت خود حرارتی نوین، سیستم رنگ نگاری واکنشی دمایی، یک ماده بسته بندی هوشمند به عنوان یک فاز ثابت مهیا شد. ذرات مگنتیت / سیلیکا در ابتدا به وسیله روش هم رسوبی سنتز شدند، که سبب ساخت ذرات مگنتیت (Fe₃O₄) از طریق هم رسوب Fe(II) و Fe(III) پس از اضافه نمودن آمونیاک می شود [50]. این واکنش در حضور ذرات سیلیکا اعمال شد تا آنکه قابلیت حصول کامپوزیت های مگنتیت / سیلیکا وجود داشته باشد. در این مطالعه، از رویکرد «پیوند – از» با توجه به MPTES برای اصلاح سطح استفاده شد چرا که این مورد در مقایسه با رویکرد “پیوند – به” ساده تر و متنوع تر می باشد. به طور خلاصه، سطح سیلیکا کامپوزیت ها با MPTES اصلاح شده تا قابلیت ارائه گروه های ونیل وجود داشته باشد. پلیمریزاسیون متعاقب با NIPAAm، HMAAm و AIBN به عنوان یک آغازگر ایجاد کننده ذرات پیوندی – پلی (NIPAAm-co-HMAAm)، N₉₀H₁₀ و N₈₀H₂₀ به ترتیب می باشند.

3-2. کنترل شویش وابسته به دمایی استروئیدها

جهت حاصل آوردن درک بهتری از وابستگی دمایی برهمکنش بین ذرات و استروئیدها، رفتار شویشی استروئیدها از ستون های N₉₀H₁₀، N₈₀H₂₀ و N₇₀H₃₀ در دماهای مختلف بدون کاربرد یک AMF تحت بررسی قرار گرفت. در ابتدا، LCSTهای (NIPAAm-co-HMAAm) poly ها با استفاده از پلیمرهای آزاد غیر پیوندی جمع آوری شده از محلول های شناور بر روی سطح پس از اصلاح سطحی اندازه گیری شدند. شکل 5 نشان دهنده وابستگی های دمایی عبور در 500 nm است. عبور یا انتقال N₉₀H₁₀، N₈₀H₂₀ و N₇₀H₃₀ به ترتیب در 1/36، 5/45 و 0/56 درجه سلسیوس کاهش می یابد، که خود معرف آن است که LCSTهای کوپلیمرهای پیوندی ممکن است از طریق کنترل مقدار HMAAm دارای تنوع ملموسی باشند.

3-3. کنترل شویش قابل سوئیچ القا شده – AMF استروئیدها

ما سعی در کنترل شویش استروئیدها از طریق گرم کردن ذرات مگنتیت/ سیلیکا با استفاده از AMF نمودیم. شکل 7 نشان دهنده تغییرات در زمان ابقا برای سه استروئید بر روی ستون های N₉₀H₁₀، N₈₀H₂₀ و N₇₀H₃₀  به عنوان تابع زمان تابش AMF می باشد. زمان ابقا در کلیه موارد به واسطه برهمکنش ارتقا یافته آبگریزی در AMF افزایش داشت. زمان ابقا برای ستون N₉₀H₁₀ تقریباً تا تابش 10 دقیقه ای ثابت بوده و پس از آن به سرعت افزایش داشته است. با وجود آن که این دما فراتر از دمای LCST مرتبط با N₉₀H₁₀ در محدوده تابش چند دقیقه ای تحت شرایط عدم جریان بوده است (شکل 4)، در اینجا نمایه دما در این ستون می بایست به واسطه جریان داخل ستون متفاوت باشد. کنترل دما در طی آزمایش شویش مشکل می باشد، اما می توان این مورد را فرض کرد که آب زدایی پلیمرهای پیوندی با توجه به جریان، و بدون وجود آن، زمان بیشتری را طلب می نماید. یک افزایش در زمان ابقا بر روی ستون N₈₀H₂₀ پس از تابش 15 دقیقه ای مشاهده شد. هیچ گونه تفاوت معنی داری بین زمانهای ابقا ستون های N₈₀H₂₀ و N₇₀H₃₀ مشاهده نشد. علت این امر این ویژگی می باشد که دما در ستون به هنگامی که AMF خاموش گردد به سرعت کاهش می یابد. به عبارت دیگر، سیستم خود حرارتی پیشنهادی تنها به چندین دقیقه تابش AMF جهت القا گذار فاز پلیمرهای پیوندی بر روی فاز ثابت نیاز خواهد داشت. عملکرد خنک سازی این سیستم با توجه به نرخ جریان فاز سیار افزایش می یابد. این مورد هم چنین منوط به ظرفیت حرارتی ذرات نیز می باشد که با توجه به میزان ذرات مگنتیت افزایش خواهد یافت.

4- نتیجه گیری

ما یک ماده بسته بندی جدید متشکل از ذرات مگنتیت / سیلیکا با قابلیت خود حرارتی و واکنش پذیر در برابر دما را برای بکارگیری به عنوان فاز ثابت در کروماتوگرافی یا رنگ نگاری بکار گرفتیم. قابلیت ذرات مغناطیسی جهت ایجاد حرارت به هنگام مواجهه با یک AMF به ما اجازه کنترل جداسازی فاز آب دوستی  به  آبگریزی  در  پلیمر پیوندی را خواهد داد و این کار  را  به سادگی می توان از طریق باز و بسته نمودن AMF انجام داد. جهت ارزیابی امکان پذیری ذرات پیوندی در یک ستون شیشه ای سیستم رنگ نگاری مایع آبی قرار گرفته و نمایه های شویش استروئیدها نیز آنالیز گردیدند. زمان های ابقا استروئیدهای آبگریز به طور قابل توجهی تحت تابش AMF افزایش یافتند که به واسطه ارتقا برهمکنش آبگریزی می باشد. به علاوه، با خاموش نمودن AMF در طی فرآیند شویش مجموع زمان آنالیز استروئیدها کاهش می یابد. از طریق بهینه سازی LCST پلیمرهای پیوندی، توان AMF و ترکیب مگنتیت، این سیستم ارائه دهنده یک روش کنترل ساده و سریع و در عین حال دقیق نمایه های شویش مولکول های آبگریز می باشد چرا که به فرآیند حرارت دهی و خنک سازی کل فاز سیار نیازی نخواهد بود.