Mesoporous material systems for catalysis and drug delivery

Abstract

This study evolved to its last form primarily around the development of a hybrid material is the core of the work. This hybrid material is then further explored for two different applications which are catalysis and drug delivery. A nanoassembly was established around a mesoporous silica support. SBA-15 was picked as this support among the other mesoporous silica dueto its well-defined pore structure and accessible pore volume. The silica framework was doped with Zr-atoms and the pores partly infiltrated with Cu nanoparticles resulting in a hybrid material with tunable properties. SBA-15 was synthesized by a sol-gel method where a micellar solution was employed as a template for the silica framework. To achieve the doped version, a Zr precursor was added to the synthesis solution. The effects of different synthesis conditions on the final material were investigated. lt was observed that changes in these synthesis conditions yielded different particle morphology, pore size, and specific surface area. The infiltration method is based on functionalizing the (Zr-) SBA-15 support surfaces before the Cu ion attachment whereas EIWI is based on slow evaporation of the liquid from the (Zr-)SBA-15 - Cu aqueous suspension. Both methods are designed to yield preferential growth of Cu NPs in the pores with a diameter smaller than 1O nm and in oxidized form. However, depending on the infiltration method used different chemical states of the final material is achieved, i.e. Zr content and porous network properties are different. Cu-Zr-SBA-15 nanoassembl ies were used for the catalytic conversion of C02 into valuable fuels such as methanol and dimethyl ether (DME). The effect of different chemical states of the catalyst was investigated. lt was found that the Si precursor had a considerable impact on the overall performance of the catalyst whereas the Cu loading method (lnf or EIWI) changed the catalytic selectivity between DME and methanol. The activity of the catalyst was further investigated in a time-evolution study where the accumulation of each product in the gas phase and the molecular groups attached to the catalyst surface were recorded over time. Accordingly, thermodynamic equilibrium was achieved on the 14th day of the reaction under 250ºC and 33 bar. The resulting total C02 conversion was 24%, which is the thermodynamically highest possible conversion, according to theoretical calculations. lt was also concluded from the experimental results that, DME is formed by a combination of two methoxy surface groups . Additionally, the formation of DME also boosts the total C02 conversion to fuels, which otherwise is limited to 9.5%. The design of Cu-Zr-SBA-15 was also investigated for drug delivery applications, dueto its potential as a biomaterial, e.g. , a filler in dental composites, and the antibacterial properties of Cu. Also, the bioactivity of Si02 and Zr02 was considered to be an advantage . With this aim, Cu infiltrated Zr doped SBA-15 material was prepared by using TEOSas the silica precursor and the lnf-method to grow Cu NPs. The performance of the final material as a drug delivery vehicle was tested by an in-vitro delivery study with chlorhexidine digluconate. The nanoassemblies show a drug loading capacity of 25-40% [mg drug 1 mg (drug+carrier)] . The drug release was determined to be composed of two steps. The presence of Zr and Cu limits the burst release and beneficially slows down the drug release process. The effect of pore properties of SBA-15 was explored in a study where the antibiotic doxycycline hyclate was loaded in SBA-15 materials with different pore sizes. lt was observed that the pore size is directly proportional to the drug loading capacity [mg drug 1 mg (drug+carrier)] and the released drug % (the released drug amounUtotal amount of loaded drug). The release profile was fast, dueto its weak interactions with the SBA-15 and smaller size molecule compared to chlorhexidine digluconate.

Los sistemas de materiales híbridos poseen propiedades multifuncionales. En este trabajo se desarrolló un nanoensamblaje alrededor de un soporte de sílice mesoporoso. Como soporte se seleccionó SBA-15 debido a su estructura de poro bien definida y volumen de poro accesible. La matriz de sílice fue dopada con átomos de Zr y los poros se infiltraron parcialmente con nanopartículas de Cu dando como resultado un material híbrido con propiedades ajustables . La síntesis de SBA-15 se realizó mediante un método de sol-gel en el que se empleó una solución micelar como plantilla para el sílice. Para lograr la versión dopada, se añadió un precursor de Zr a la solución de síntesis. Se investigaron los efectos de diferentes condiciones de síntesis, como el catalizador así como la fuente de Si en las características del material final. Los cambios en estas condiciones de. síntesis dieron lugar a partículas con distinta morfología, tamaño de poro (11-15 nm) y área superficial específica (400-700 m2/g). Las nanopartículas de Cu (NP) se hicieron crecer en el sustrato (Zr-) SBA-15 usando los métodos de infiltración (lnf) o de impregnación húmeda inducida por evaporación (EIWI).Dependiendo del método de infiltración utilizado, se logran diferentes propieddes químicas del material final, es decir, el contenido de Zr y las propiedades de red porosa son diferentes. Los nanoensamblajes de Cu-Zr-SBA-15 producidos bajo diversas condiciones de síntesis se usaron para la conversión catalítica de C02 en combustibles valiosos tales como metanol y dimetil éter (DME). El precursor de Si (TEOS o SMS) tuvo un impacto considerable en el rendimiento global del catalizador mientras que el método de carga de Cu (lnf o EIWI) cambió la selectividad catalítica entre DME y metanol. Por otra parte, la actividad del catalizador se investigó evaluando la acumulación de cada producto en la fase gaseosa y los grupos moleculares unidos a la superficie del catalizador a lo largo del tiempo. Se llegó al equilibrio termodinámico en el día 14 de la reacción a 250 ºC y 33 bar. La conversión total resultante de C02 fue del 24%, que es la conversión termodinámicamente más alta posible, según los cálculos teóricos . El material híbrido sintetizado Cu-Zr-SBA-15 también se investigó para aplicaciones de administración de fármacos, debido a su potencial como material de relleno en compuestos dentales y las propiedades antibacterianas del Cu. Por otra parte, la bioactividad de SiO2 y ZrO2 podría ser ventajosa para esta aplicación. El rendimiento del material final como vehículo de administración de fármacos se probó mediante un estudio de liberación in vitro con digluconato de clorhexidina . Los materiales desarrollados muestran una elevada capacidad de carga de fármaco (25-40%). Los perfiles de liberación del fármaco muestran dos etapas: una primera etapa de liberación rápida de las moléculas del fármaco unidas con interacciones más débiles al sustrato mesoporoso, seguida por la difusión de las moléculas del fármaco que están unidas a la superficie del portador. La presencia de Zr y Cu limita la liberación inicial y reduce la velocidad de liberación del fármaco . En otro estudio se evaluó el efecto del tamaño de poro de SBA-15 en la liberación del antibiótico hiclato de doxiciclina. Se observó que el tamaño de poro es directamente proporcional a la capacidad de carga de fármaco, el porcentaje y la cantidad de fármaco liberado . En resumen, este trabajo demuestra el carácter multifuncional de una nanomatriz diseñada a medida que proporciona información valiosa para dos aplicaciones en catálisis y liberación de fármaco.

Hybridmaterial består av minst två komponenter, vilket ger dem mångfacetterade egenskaper. Detta har gjort att denna typ av material attraktiva sedan länge. Det är dock inte enkelt att tillverka dessa materialsystem. Ett enkelt och effektivt tillvägagångssätt behövs för att tillvara ta de önskade egenskaperna hos varje komponent och få dem att samverka. Denna avhandling bygger huvudsakligen på utvecklingen av ett hybridmaterial.Ett hybridmaterial med en sammansättning bestämd på nanonivå, tillverkades med mesoporös kiseldioxid, SBA-15, som stomme. SBA-15 valdes framför andra typer av mesoporös kiseldioxid på grund av dess väldefinierade porstruktur och stora, tillgängliga porvolym. Kiseldioxiden dopades med zirkoniumatomer och porerna fylldes delvis med kopparnanopartiklar, vilket resulterade i ett hybridmaterial med egenskaper som kunde varieras. SBA-15 tillverkades via en våtkemisk metod där en micellösning används som mall för kiseldioxidens struktur. Vid dopningen tillsätts en zirkoniumkälla till synteslösningen. Effekterna av olika tillverkningsparametrar, till exempel salter med katalytiska egenskaper (salter med F- eller Cl-), olika kiselkällor (tetraetyl ortosilikat eller natriummetasilikat), på materialens egenskaper studerades. Variationer av dessa parametrar ger material med olika form, porstorlekar (11 – 15 nm) och specifik yta (400 – 700 m2/g). Kopparnanopartiklar växtes i (Zr-)SBA-15-stommarna med två metoder: infiltration (Inf) eller indunstningsinducerad våtimpregnering (EIWI). Inf baseras på funktionalisering av (Zr-)SBA-15-stommen innan kopparjoner fick reagera med ytan. EIWI bygger på en blandning av (Zr-)SBA-15 och kopparsalt i en lösning där vätskan långsamt får avdunsta. Båda metoderna är designade för framställning av oxiderade kopparnanopartiklar, mindre än 10 nm i diameter, som ska växa i stommens porer. Dock påverkar infiltrationsmetoden den kemiska sammansättningen hos det slutliga materialet då Zr-koncentrationen och porositeten i stommen ändras. Cu-Zr-SBA-15-sammansättningar, tillverkade med varierande syntesparametrar, användes som katalysatorer för omvandling av CO2 till bränslen såsom metanol och dimetyleter (DME). Resultaten visar att valet av kiselkälla har en stor inverkan på katalysatorns prestanda, samt att metoden för att introducera koppar ändrar den katalytiska selektiviteten mellan DME och metanol. Katalysatorns aktivitet undersöktes även över tid. Ackumuleringen av varje produkt, både i gasfas och på katalysatorns yta, registrerades över tid. Termodynamisk jämvikt nåddes efter att reaktionen fortgått i fjorton dagar vid 250 °C och 33 bar. Den totala CO2-omvandlingen var 24 %, vilket, enligt teoretiska beräkningar, är den termodynamiskt högsta möjliga omvandlingen. Det observerades att DME bildas genom en kombination av två metoxygrupper på katalysatorns yta, samt att bildandet av DME ökar den totala omvandlingen av CO2 till bränsle, vilken annars är begränsad till 9.5 %. Cu-Zr-SBA-15-sammansättningen användes även i läkemedelstillämpningar. De kan användas som biomaterial, e.g., fyllnadsmaterial i tandkompositer, och koppar har antibakteriella egenskaper. Dessutom kan kiseldioxid och zirkoniumdioxid vara bioaktiva vilket ses som en fördel. För denna tillämpning tillverkades Cu-Zr-SBA-15 med TEOS som kiselkälla och Inf-metoden för att växa kopparnanopartiklar. Cu-Zr-SBA-15 lämplighet som bärare av läkemedelet klorhexidindiglukonat testades in vitro. I detta fall uppvisar bäraren en laddningskapacitet [massa laddat läkemedel/(massa laddat läkemedel +massa bärare)] på 25 – 40 %. Frisättningen av läkemedel skedde i två steg. Först frisattes en stor mängd läkemedelsmolekyler. Dessa var löst placerade i håligheter i de mesoporösa stommarna. Därefter frisattes läkemedel via diffusion av molekyler som bundit till stommens yta. De två stegen representerar växelverkan mellan läkemedel – läkemedel- och läkemedel – bärare. Närvaron av zirkonium och koppar begränsar den första frisättningen och förlänger den aktiva tiden, vilket är fördelaktigt ur tillämpningsperspektiv. Effekten av porstorlek hos SBA-15 vid läkemedelsfrisättning undersöktes också i en studie där SBA-15 fylldes med doxycyklinhyklat. Laddningskapaciteten och mängden frisatt läkemedel och andelen av laddat läkemedel som frisätts var båda direkt proportionella mot porstorleken där frisättningen av doxycyklinhyklat dominerades av läkemedel – läkemedelsväxelverkan. Doxycyklinhyklat är en mindre molekyl jämfört med klorhexidindiglukonat och växelverkar svagare med SBA-15 på grund av sin mer anjoniska natur. Sammanfattningsvis visar arbetet den multifunktionella karaktären hos en skräddarsydd nanosammansättning, vilket ger värdefulla insikter i två användningsområden: katalys och läkemedelstransport Materialet testas sedan i två olika tillämpningar: katalys och läkemedelstransport.