Micellen effectiever maken voor de verspreiding van kleurstoffen en medicijnen door goed gedefinieerde kern-schilstructuren

Micellen zijn bolvormige moleculaire structuren die gewoonlijk worden gevormd door amfifiele moleculen met blokstructuur, die zowel hydrofiele als hydrofobe delen bevatten. De hydrofobe staarten van deze moleculen clusteren samen om een ​​kern te vormen, terwijl de hydrofiele koppen naar buiten gericht zijn, waardoor een beschermende schil ontstaat. Dankzij deze structuur kunnen micellen hydrofobe stoffen in hun kern inkapselen en deze verspreiden in een omgeving op waterbasis.

Een voorbeeld van micellen in actie is zeep, die vuil en olie vasthoudt, waardoor ze gemakkelijk met water kunnen worden afgespoeld. Micellen kunnen worden gemaakt met behulp van blokcopolymeren, die verschillende hydrofiele en hydrofobe segmenten hebben, of willekeurige copolymeren met een gemengde verdeling van hydrofiele en hydrofobe segmenten. De eerste, die in de farmaceutische industrie wordt gebruikt, biedt nauwkeurige controle over de eigenschappen van de micel, maar is complexer en duurder om te produceren, terwijl de laatste, die in de kleurstofindustrie wordt gebruikt, eenvoudiger en goedkoper te produceren is.

Onderzoekers onder leiding van de heer Masahiko Asada en professor Hidenori Otsuka van de Tokyo University of Science (TUS) en DIC Corporation onderzoeken hoe micellen effectiever kunnen worden gemaakt in het oplossen van kleurstoffen. In een studie op de cover van het tijdschrift Zachte materievergeleken ze de prestaties van blokcopolymeren en willekeurige copolymeren om de meest optimale micel voor kleurstofdispersie te bepalen.

“Er is een wisselwerking tussen het gebruik van willekeurige copolymeren als dispergeermiddelen voor de inktproductie en hun ontoereikende dispersieprestaties. We hebben blokcopolymeermicellen onderzocht en hun dispersieprestaties vergeleken met die van willekeurige copolymeren om de micelstructuur te bepalen die nodig is voor een adequate kleurstofoplosbaarheid”, zegt Prof. Otsuka, de hoofdauteur van de studie.

De onderzoekers synthetiseerden verschillende blokcopolymeren (BL01 tot BL05) met behulp van verschillende verhoudingen van styreen (St), n-butylmethacrylaat (BMA) en methacrylzuur (MA) als monomeren. Ze vergeleken de prestaties van deze blokcopolymeren met willekeurige copolymeren (RD01, RD02, RD03 en RD04), die waren gemaakt van styreen en methacrylzuur of acrylzuur. De copolymeren en willekeurige copolymeren werden in water gedispergeerd met een concentratie van 0,5%, en de micelstructuren werden onderzocht met behulp van kleine hoek röntgenverstrooiing (SAXS) analyse.

De SAXS-resultaten toonden aan dat micellen gevormd uit blokcopolymeren een goed gedefinieerde bolvormige structuur hadden met een duidelijke kern-schilgrens. Micellen uit willekeurige copolymeren bleken een meer diffuse en continue structuur te hebben, die lijkt op een willekeurig spoelpatroon zonder duidelijke kern-schilgrens. De afwezigheid van een duidelijke kern-schilstructuur in de micellen gevormd uit willekeurige copolymeren verminderde hun vermogen om hydrofobe kleurstoffen vast te houden.

In kritische micelconcentratietests (CMC) maten de onderzoekers de concentratie waarbij micellen zich vormen door veranderingen in de polariteit rond een fluorescerende pyreensonde te detecteren. De resultaten toonden aan dat blokcopolymeermicellen een veel lagere polariteit hadden, wat betekent dat de pyreenmoleculen beter beschermd waren in de hydrofobe kern van deze micellen.

De onderzoekers maakten soortgelijke waarnemingen bij het meten van de mate van oplosbaarheid van hydrofobe SS-kleurstof met sinaasappelolie in de micellen. De micellen gemaakt met behulp van willekeurige copolymeren bleken de kleurstof gemakkelijk door te laten. BL01, BL03 en BL05 voorkwamen echter dat de kleurstof de kern binnendrong, wat resulteerde in een langere tijd om verzadiging te bereiken (2 dagen vergeleken met 10 uur voor de willekeurige copolymeren).

Micellen (BL01, 03 en 05) met grotere kernvolumes en meer polymeermoleculen (hogere aggregatiegetallen) bleken meer kleurstof vast te houden of op te lossen (0,2 tot 2 kleurstofmoleculen per micel) dan de kleinere micellen (BL02, BL04).

Hoewel het langer duurde voordat de grotere micellen met goed gedefinieerde kern-schilstructuren verzadigd raakten met kleurstof, konden ze een aanzienlijk grotere hoeveelheid kleurstof vasthouden. De micel met de hoogste kleuroplosbaarheid was BL02. De schaal bevatte een willekeurig mengsel van methacrylzuur (MA) en butylmethacrylaat (BMA), wat resulteerde in een zeer polydispers of gevarieerd grensvlak tussen de kern-schaal en schaal-oplosmiddelgrenzen, waardoor de kleurstof er snel in kon komen en eruit kon worden verwijderd. .

Prof. Otsuka legt uit: “De blokcopolymeermicellen vertoonden een hoger kleuroplosbaarheidsvermogen, wat correleerde met hun kernvolume, helder kern-schilcontrast en langzame oplosbaarheidssnelheid.”

Deze bevinding zou kunnen leiden tot efficiëntere en kosteneffectievere micellen voor de inkt- en kleurstofindustrieën en voor de farmaceutische industrie.