DE69904307T2

DE69904307T2 - Herstellung von mit mehrlagen gestrichenen partikeln und hohlen schalen durch elektrostatische selbstorganisierung von nanokompositmehrlagen auf zersetzbaren schablonen

Info

Publication number: DE69904307T2
Application number: DE69904307T
Authority: DE
Inventors: Anne Caruso; Frank Caruso; Edwin Donath; Helmuth Moehwald; Gleb Sukhorukov
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Priority date: 1998-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2003-09-04
Anticipated expiration: 2019-03-20
Also published as: EP1064088A1; EP1064088B1; DE69904307D1; ATE228883T1; JP2003522621A; US6479146B1; WO1999047253A1

Description

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zum Herstellen beschichteter Kapseln und hohler Hüllen durch Beschichten kolloidaler Teilchen mit abwechselnden Schichten aus entgegengesetzt geladenen Nanoteilchen und Polyelektrolyten.
EP 0 667 148 A1 offenbart eine perorale pharmazeutische Präparation mit einer Doppelschichstruktur, worin ein festes Arzneimittel, welches einen Kern aufweist, der einen wirksamen Bestandteil enthält, sowohl mit einer inneren Schicht, hergestellt aus einem kationischen Polymer, als auch einer äußeren Schicht, hergestellt aus einem anionischen Polymer, überzogen ist.
Der Bereich der Dünnfilmherstellung, in welchem geordnete, funktionelle supramolekulare Strukturen das Hauptziel sind, wurde stark beeinflusst durch die kürzliche Einführung der Schicht-an-Schicht-(LbL)-Selbstaufbautechnik (Decher, Science 1997, 277, 1232). Das LbL-Verfahren erlaubt die Herstellung von mehrschichtigen dünnen Filmanordnungen auf festen Trägern durch die spontane schrittweise Adsorption von entgegengesetzt geladenen Spezies aus verdünnten wässrigen Lösungen auf geladene Substrate. Die Triebkraft für den Aufbau des Mehrschichtfilmes ist vorrangig zurückzuführen auf die elektrostatische Anziehung und die Komplexbildung zwischen den abgeschiedenen geladenen Spezies. Der LbL-Ansatz wurde anfangs verwendet, um Mehrschichtfilme aus Polyelektrolyten aufzubauen (Decher, Science 1997, 277, 1232) und wurde nachfolgend so ausgeweitet, dass Proteine (Lvov et al., J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 6117; Onda et al., T. Biotech. Bioeng. 1996, 51, 163; Caruso et al., Langmuir 1997, 13, 3427), Nukleinsäuren (Decher et al., J. Biosens. Bioelectron. 1994, 9, 677; Sukhorukov et al., Thin Solid Films 1996, 284/285, 220; Caruso et al., Anal. Chem. 1997, 69, 2043), Farbstoffe (Araki et al, Langmuir 1996,12, 5393; Yoo et al., Synthetic Metals 1997, 85, 1425; Ariga et al., J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2224), Dendrimere (Tsukruk et al., Langmuir 1997, 13, 2171) und verschiedene anorganische Nanoteilchen (Kleinfeld et al., Science 1994, 265, 370; Keller et al., J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 8817, Kotov et al., J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 6821; Kotov et al., J. Phys. Chem. 1995, 99, 13065; Feldheim et al., J. Am. Chem. Soc. 1996, 118. 7640; Schmitt et al., Adv. Mater 1997, 9, 61; Lvov et al., Langmuir 1997,13, 6195) in Polyelektrolytmehrschichtanordnungen durch Ersetzen eines der Polyionen durch eine ähnlich geladene Spezies umfasst waren.
Die große Mehrzahl der Untersuchungen, die die LbL-Technik betreffen, verwendeten makroskopische, ebene, geladene Oberflächen als Substrate für die Mehrschichtfilmbildung. Zum Beispiel beschreibt U.S. 5,716,709 Mehrschicht- Nanostrukturen, umfassend abwechselnde organische und anorganische ionische Schichten auf einem ebenen Substrat, wie etwa einem Siliciumwafer. Kürzlich berichtete Keller et al. von der Herstellung abwechselnder bzw. alternierender Verbundmehrfachschichten auf geblätterter Zirkoniumphosphatschichten und geladener Redoxpolymere auf (3-Aminopropyl)- triethoxysilan-modifizierten Siliciumdioxidteilchen (Keller et al., J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 12879).
In jüngeren Untersuchungen (Caruso et al., J. Phys. Chem. B. 1998, 102, 2011; Sukhorukov et al., Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects 1998, 137, 253) wurde der LbL-Ansatz erfolgreich angewendet, um geladene Kolloidteilchen in Submikrometergröße und Mikrometergröße als die adsorbierenden Substrate zu verwenden, um kolloidgetragene Polyelektrolytmehrschichtfilme herzustellen: ein regelmäßiges schrittweises Polyelektrolytmehrschichtwachstum wurde auf den Kolloiden beobachtet.
Beachtliche wissenschaftliche Anstrengung ist auf die Herstellung von Verbund- Mikro- und Nanoteilchen gerichtet worden, die entweder aus organischen oder anorganischen Kernen bestehen, die mit Hüllen verschiedener chemischer Zusammensetzung beschichtet sind (Kawahashi und Matijevic, J. Colloid Interface Sci. 1991, 143, 103; Garg und Matijevic, J. Colloid Interface Sci. 1988, 126; Kawahashi und Matijevic, J. Colloid Interface Sci. 1990, 138, 534; Ohmori und Matijevic, J. Colloid Interface Sci. 1992, 150, 594; Giersig et al., Adv. Mater. 1997, 9, 570; Liz-Marzan et al., Langmuir 1996, 12, 4329; Liz-Marzan et al., J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1996, 731; Giersig et al., Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 1997, 101, 1617; Correa-Duarte et al., Chem. Phys. Lett. 1998, 286,497; Bamnolker et al., J. Mater. Sci. Lett. 1997, 16, 1412; Margel and Weisel, J. Polym. Sci. Chem. Ed. 1984, 22, 145; Philipse et al., Langmuir 1994, 10, 92). Die Kern-Hülle-Teilchen zeigen häufig Eigenschaften, welche wesentlich verschieden sind von denjenigen des als Templat dienenden Kerns (z. B. verschiedene oberflächenchemische Zusammensetzung, erhöhte Stabilität, höhere Oberfläche als auch verschiedene magnetische und optische Eigenschaften), wodurch sie sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus technischer Sicht attraktiv werden. Anwendungen für derartige Teilchen sind verschiedenster Art und liegen im Bereich von eingekapselten Mitteln zur Arzneimittelverabreichung, Katalyse, für Beschichtungen, Verbundmaterialien als auch zum Schutz empfindlicher Mittel, wie etwa Enzyme und Proteine. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass polymere Mikroteilchen und anorganische Kerne mit gleichmäßigen Schichten aus verschiedenen Materialien beschichtet werden können, einschließlich Siliciumdioxid, basisches Yttriumcarbonat, wässriges Zirkoniumoxid, entweder durch gesteuerte Oberflächenpräzipitationsreaktionen auf den Kernteilchen oder durch direkte Oberflächenreaktionen.
Das U.S. Patent 5,705,222 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Verbundteilchendispersionen, worin mehrere Kernteilchen in einer ersten Lösung dispergiert werden, worin die Kernteilchen nicht irreversibel selbst ausflocken, eine Menge Polymer zu der Dispersion von Kernteilchen gegeben wird, worin das Polymer eine Affinität für die dispergierten Kernteilchen aufweist und worin das überschüssige Polymer durch ein Fest/Flüssig-Trennverfahren abgetrennt wird, z. B. durch Zentrifugieren oder Dekantieren.
Eine wichtige Erweiterung der Kern-Hülle-Teilchen ist die nachfolgende Entfernung des Kerns, woraus hohle Teilchen oder Hüllen resultieren. Das Entfernen des als Templat dienenden Kerns wurde früher durch Calcinieren der beschichteten Teilchen bei erhöhten Temperaturen oder durch chemische Reaktionen, die die Lösung des Kernmaterials bewirken, erreicht. Hohle Hüllen aus Yttriumverbindungen in Submikrometergröße sind hergestellt worden (Kawahashi und Matijevic, 1991, upra) durch Beschichten von kationischem Polystyrollatex mit basischem Yttriumcarbonat und nachfolgendes Calcinieren. In jüngerer Zeit wurden Siliciumdioxidhüllen erzeugt durch Kristallkeimpolymerisation von Tetraethoxysilan auf der Oberfläche von Polystyrolteilchen, gefolgt von einer Calcinierung (Bamnolker et al., 1997, supra). Unter Verwendung eines ähnlichen Verfahrens wurden monodisperse, hohle Siliciumdioxid-Nanoteilchen hergestellt durch Siliciumdioxid-beschichten von Gold-Nanoteilchen und durch chemisches Lösen der Kerne (Giersig et al., Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 1997, supra). Hohle Teilchen stellen eine spezielle Klasse von Materialien dar: ihre geringere Dichte und ihre optischen Eigenschaften machen sie interessant im Bereich der Medizin, Pharmazeutika, Materialwissenschaft und der Farbindustrie.
Herkömmliche Verfahren zur Herstellung beschichteter Nanoteilchen oder hohler Nanohüllen haben jedoch mehrere Nachteile, da in vielen Fällen die Bildung von gleichmäßigen und glatten Schichtstrukturen mit ausreichender Teilchenabdeckung als auch eine Steuerung der Dicke sehr schwierig zu erreichen sind.
Weiterhin wurde nahegelegt (DE 198 12 083.4), dass die Verwendung löslicher Kolloidkerne als Template für die schrittweise Abscheidung von Polyelektrolyten verwendet werden kann, um neue dreidimensionale hohle Polymerhüllen herzustellen.
Wir berichten hiervon dem Aufbau von Verbundmehrschichten bzw. Verbundmehrfachschichten aus Nanoteilchen und einem entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyt auf Kolloidteilchen, die Submikrometergröße aufweisen, durch die schrittweise elektrostatische Adsorption von Nanoteilchen und Polyelektrolyt aus verdünnter Lösung. Mehrfachschichten mit abwechselnd Nanoteilchen-Polyelektrolyt mit verschiedenen Dicken sind hergestellt worden. Darüber hinaus wird ein neues und auch einfaches Verfahren zur Herstellung von hohlen anorganischen oder einem Verbund aus organischen und anorganischen Teilchen gezeigt durch auf Kolloid gerichteten elektrostatischen LbL-Selbstaufbau von Nanoteilchen-Polymermehrfachschichten, gefolgt von der Entfernung des als Templat dienenden Kerns und optional des Polymers, das im Aufbauverfahren verwendet wird.
Daher ist ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen beschichteter Teilchen, umfassend die Schritte:
(a) Bereitstellung von Templatteilchen und
(b) Beschichten der Templatteilchen mit einer Mehrfachschicht, umfassend (i) abwechselnde Schichten aus entgegengesetzt geladenen Nanoteilchen und Polyelektrolyten und/oder (ii) abwechselnde Schichten aus entgegengesetzt geladenen Nanoteilchen.
Vorzugsweise haben die Templatteilchen einen mittleren Durchmesser von bis zu 10 um, bevorzugter ≤ 5 um und am bevorzugtesten ≤ 2 um. Der Minimaldurchmesser der Templatteilchen ist vorzugsweise 10 nm, bevorzugter 100 nm und am bevorzugtesten 200 nm.
Geeignete Templatteilchen können ausgewählt werden aus organischen Teilchen, anorganischen Teilchen oder einer Kombination davon. Zum Beispiel können die Templatteilchen anorganische Teilchen sein, einschließlich anorganische Strukturen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Templatteilchen ausgewählt aus organischen Polymerlatizes, wie etwa Polystyrol oder Styrolcopolymerlatizes. Auf der anderen Seite können auch teilweise quervernetzte Melaminformaldehydtemplatteilchen verwendet werden, welche unter milden Bedingungen disintegriert bzw. aufgelöst werden können, z. B. durch Einstellen des pH-Werts auf einen sauren Wert von z. B. ≤ 1,5, durch Lösen in milden organischen Lösungsmitteln, wie etwa DMSO oder durch chemische Reaktionen, z. B. Sulfonierung mit Alkalisulfiten, Alkalihydrogensulfiten usw. Im Hinblick auf die Herstellung von teilweise quervernetzten Melaminformaldehydtemplattteilchen wird Bezug auf DE 198 12 083.4, insbesondere Beispiel 1, genommen, worin beschrieben ist, dass bei der Polykondensation von Melaminformaldehydpräkondensaten (siehe DD 224 602) das Polykondensationsverfahren nach einiger Zeit unterbrochen werden kann, z. B. 1 min bis 1 h nach dem Start der Reaktion, sodass lösliche, teilweise quervernetzte Melaminformaldehydtemplatteilchen erhalten werden.
Andere organische Templatteilchen, z. B. Polystyrollatizes, können aufgelöst werden durch Lösen in geeigneten organischen Lösungsmitteln, wie etwa THF, oder durch Erhitzen, z. B. auf Temperaturen von 500ºC oder höher.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst das Beschichten der Templatteilchen mit abwechselnden Beschichtungen aus Polyelektrolytmolekülen und Nanoteilchen. Die Polyelektrolyten sind üblicherweise Polymere mit ionisch dissoziierbaren Gruppen, welche eine Komponente oder ein Substituent der Polymerkette sein können. Vorzugsweise werden lineare oder/und wasserlösliche Polyelektrolyten verwendet. In Abhängigkeit vom Typ der dissoziierbaren Gruppe werden die Polyelektrolyten unterteilt in Polysäuren und Polybasen. Bei Dissoziation spalten Polysäuren Protonen ab, um Polyanionen zu ergeben. Beispiele von Polysäuren sind Polyphosphorsäure, Polyvinyl- oder Polystyrolschwefelsäure, Polyvinyl- oder Polystyrolsulfonsäure, Polyvinyl- oder Polystyrolphosphonsäure und Polyacrylsäure. Beispiele der jeweiligen Salze, welche auch als Polysalze bezeichnet werden, sind Polyphosphat, Polysulfat, Polysulfonat, Polyphosphonat und Polyacrylat. Wenn der Polyelektrolyt ein Polykation ist, haben die Nanoteilchen vorzugsweise insgesamt eine anionische Ladung.
Polybasen enthalten Gruppen, die in der Lage sind, Protonen aufzunehmen, z. B. durch Umsetzen mit Säuren, um Salze zu ergeben. Beispiele von Polybasen sind Polyamine, wie etwa Polyethylenamin, Polyvinylamin und Polyvinylpyridin, oder Poly(ammoniumsalze), wie etwa Poly(diallyldimethylammoniumchlorid). Polybasen bilden Polykationen durch das Aufnehmen von Protonen. Vorzugsweise werden Polybasen (d. h. Polykationen) als Polyelektrolyt verwendet. Wenn der Polyelektrolyt ein Polyanion ist, haben die Nanoteilchen vorzugsweise insgesamt eine kationische Ladung.
Die Nanoteilchen sind vorzugsweise anorganische Materialien und können ausgewählt werden aus Keramikteilchen, z. B. Oxidkeramikteilchen, wie etwa Siliciumdioxid, Titandioxid, Zirkoniumdioxid, die optional mit anderen Metalloxiden dotiert sind, magnetische Teilchen, wie etwa Eisenoxid-enthaltende Teilchen, wie etwa Fe&sub3;O&sub4;, magneto-optische Teilchen, Nitridkeramikteilchen, z. B. Si&sub3;N&sub4;, Carbidkeramikteilchen, Metallteilchen, z. B. Gold, Silber, Palladium und Schwefel oder Selen-enthaltende Teilchen, wie etwa Cadmiumsulfid, Cadmiumselenid usw. Besonders bevorzugt sind Oxidkeramikteilchen, wie etwa Siliciumdioxid. Es sollte jedoch festgehalten werden, dass auch organische oder biologische Nanoteilchen zum Durchführen der vorliegenden Erfindung geeignet sind, z. B. Makromoleküle, wie etwa Polypeptide, Proteine, Nukleinsäuren usw. Besonders bevorzugte biologische Nanoteilchen sind Proteine, z. B. immunologisch reaktive Proteine, wie etwa Antigene und Antikörper, z. B. IgG, welche auf dem Templatteilchen abwechselnd mit Polyelektrolytmolekülen abgeschieden werden können. Die biologischen Nanoteilchen können als Konjugate abgeschieden werden, die eine Markierungsgruppe enthalten, z. B. eine fluoreszierende Gruppe, wie etwa Fluorescein. Die resultierenden Teilchen sind geeignet für analytische, z. B. immunologische, Nachweisverfahren. Darüber hinaus ist eine Immobilisierung von Enyzmen, einzelnen Enzymen oder mehreren Enzymen, z. B. Mitgliedern einer enzymatischen Kaskade, in Einzelschichten oder verschiedenen Schichten von besonderem Interesse aufgrund der Möglichkeit zur Erhöhung der katalytischen Wirksamkeit. Substrate könnten leicht durch den Film diffundieren und mit dem immobilisierten Enzym reagieren, wobei Produkt erzeugt wird.
Zur Herstellung der beschichteten Teilchen gemäß der vorliegenden Verwendung wird vorzugsweise eine wässrige Dispersion von Templatteilchen geeigneter Größe bereitgestellt. Die wässrige Dispersion kann ein Salz enthalten, z. B. NaCl, in einer Konzentration, die vorzugsweise im Bereich von 50 mmol/l bis 1 mol/l liegt. Abwechselnde Schichten von entgegengesetzt geladenen Komponenten, d. h. Polyelektrolytmolekülen und Nanoteilchen, verschiedener Typen von Nanoteilchen oder Kombinationen davon werden dann auf den Templatteilchen abgeschieden. Der pH-Wert der wässrigen Dispersion wird auf eine solche Art eingestellt, dass die Moleküle in jeder abwechselnden Schicht, d. h. Polyelektrolytmoleküle und Nanoteilchen, jeweils entgegengesetzte Gesamtladungen aufweisen. Die Dichte der Beschichtung, welche durch die Anzahl von Schichten bestimmt wird, ist vorzugsweise 2 bis 1000 nm, wobei 2 bis 40 und insbesondere 2 bis 20, z. B. 3 bis 10 Beschichtungen, verwendet werden. Geeigneterweise kann jede Schicht aus einer einzelnen Spezies von Polyelektrolyt oder Nanoteilchen oder einem Gemisch aufgebaut sein, umfassend mindestens zwei Polyelektrolyt- oder Nanoteilchen-Spezies. Darüber hinaus kann für jede Schicht eine verschiedene Polyelektrolyt- oder Nanoteilchen-Spezies verwendet werden.
Nach der Aufbringung jeder Schicht werden die überschüssigen Moleküle (z. B. Polyelektrolyt oder Nanoteilchen), welche nicht zum Bilden der Schicht beigetragen haben, vorzugsweise abgetrennt bevor die nächste Schicht aufgebracht wird. Eine derartige Abtrennung kann durch ein bekanntes Verfahren erfolgen, insbesondere durch Zentrifugieren, Filtrieren oder/und Dialyse.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Templatteilchen zuerst mit mehreren Schichten entgegengesetzt geladener kationischer und anionischer Polyelektrolyten beschichtet, bevor die abwechselnden Schichten von Nanoteilchen und Polyelektrolyt oder die abwechselnden Nanoteilchenschichten aufgebracht werden. Das Beschichten der Templatteilchen mit mehreren Schichten entgegengesetzt geladener Polyelektrolyte ist in DE 198 12 083.4 beschrieben, aufweiche hier ausgedrücklich Bezug genommen wird.
Vorzugsweise werden die Templatteilchen mit mindestens zwei und bis zu sechs Schichten entgegengesetzt geladener kationischer und anionischer Polyelektrolyten beschichtet, z. B. mit drei Schichten. Die äußerste Polyelektrolytschicht ist vorzugsweise im Hinblick auf das abzuscheidende Nanoteilchen entgegengesetzt geladen.
Die Templatteilchen können jede beliebige Form aufweisen, z. B. können sie sphärisch bzw. kugelförmig oder stabförmig sein. Sie können eine regelmäßige oder unregelmäßige Struktur aufweisen, einschließlich Kristallstrukturen. Darüber hinaus können die Templatteilchen auch aus mehreren kleinen Unterteilchen aufgebaut sein.
Die Dicke der Hüllenwände um die Templatteilchen kann leicht gesteuert werden durch Verändern der Anzahl von Abscheidungszyklen, während die Hüllengröße und die Form durch die Abmessungen des verwendeten Templatteilchens vorbestimmt sind. Die Dicke der Hülle kann in einem weiten Bereich variieren, z. B. von 2 bis 1000 nm, insbesondere von 5 bis 250 nm.
Vorzugsweise werden die Templatteilchen mindestens teilweise disintegriert bzw. aufgelöst nachdem die Beschichtung abgeschlossen worden ist. Sie können in geeigneten Lösungsmitteln oder thermisch (z. B. durch Calcinieren bei Temperaturen von mindestens 500ºC) oder z. B., falls teilweise quervernetzte Melaminformaldehydtemplatteilchen verwendet werden, durch milde chemische Verfahren, z. B. in DMSO, oder eine Veränderung des pH-Werts gelöst werden. Nach dem Lösen der Templatteilchen bleiben hohle Hüllen zurück, welche aus dem Nanoteilchenmaterial und optional dem Polyelektrolytmaterial bestehen. Die resultierenden hohlen Hüllen können in Abhängigkeit von dem Verfahren zur Kernentfernung anorganische oder organische Hüllen oder organischanorganisch Verbundhüllen oder anorganisch-anorganisch Verbundhüllen sein. Wenn z. B. eine thermische Behandlung (Calcinierung) verwendet wird, wird das gesamte organische Material entfernt, wodurch nur anorganische Hüllen erhalten werden. Das Behandeln mit Lösungsmittel oder mit Lösungen mit niedrigem pH- Wert zur Entfernung des Kerns führt zu hohlen Verbundteilchen, in welchen der Kern entfernt ist, jedoch der Polyelektrolyt, der zwischen den Nanoteilchenschichten angeordnet ist, in der Hülle verbleibt.
Die hohlen Hüllen können durch bekannte Verfahren charakterisiert werden, z. B. durch Scanning- und Transmissionenelektronenmikroskopie und Atommikroskopie (Atomic Force-Mikroskopie). Vorzugsweise sind die Hüllen gleichmäßige Schichten mit konstanter Dicke und können Anwendungen in zahlreichen Bereichen finden, wie etwa Medizin, Pharmazeutika, Katalyse, Optik, Magnettechnik, Trennungs- und Messtechnikverfahren. In den hohlen Hüllen der vorliegenden Erfindung können wirksame Bestandteile, z. B. anorganische oder/und organische Substanzen eingekapselt werden. Beispiele wirksamer Bestandteile sind pharmazeutische Mittel, sodass die Hüllen als Arzneimittelzuführungssysteme verwendet werden können, um die wirksamen Mittel zu dem gewünschten Ort im Organismus zuzuführen. Weiterhin können auch Kontrastmittel in die Hüllen eingeschlossen werden, z. B. um die Qualität von Bildern zu verbessern, die durch Ultraschalluntersuchung erhalten werden. Es ist auch möglich, dass die hohlen Hüllen selbst als Kontrastmittel verwendet werden.
Weitere mögliche Anwendungen sind Füllstoffe oder Pigmente in Farben, Toner beim Drucken oder in Beschichtungen. Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Verwendung als Materialien mit hoher Oberfläche für die Katalyse, z. B. SiO&sub2;- oder TiO&sub2;-Hüllen, für Solarenergieanwendungen, z. B. TiO&sub2;-Hüllen, worin im Bedarfsfall weitere aktive Mittel bzw. wirksame Mittel auf die innere und/oder äußere Seite der Hüllen aufgebracht werden können. Eine noch weitere Anwendung ist die Herstellung von Hochtemperaturkeramik, z. B. unter Verwendung von Zirkoniumoxidnanoteilchen oder Zirkoniumoxidnanoteilchen, die mit anderen Metalloxiden dotiert sind. Darüber hinaus können die Nanoteilchen verwendet werden für die langsame Freisetzung von chemischen Substanzen, einschließlich Pestizide, Herbizide usw., als magnetische Hüllen, z. B. für medizinische Anwendungen, oder für Trennungs- und Messverfahren. Schließlich können die Hüllen als Mikroreaktoren verwendet werden, z. B. um eingeschlossene Kolloidteilchen herzustellen, z. B. Metallteilchen, wie etwa Gold- oder Silberteilchen, Keramikteilchen, magnetische Teilchen oder Halbleiterteilchen.
Von besonderer Wichtigkeit zur Verwendung von Hüllen ist die Permeabilität der Hüllenwand. Die Permeabilität der Hüllenwand kann beeinflusst werden durch die Auswahl der Polyelektrolyten, die für die Hülle verwendet werden, der Wanddicke und der Umgebungsbedingungen. Es ist daher möglich selektiv die Permeabilitätseigenschaften zu bestimmen und zu verändern.
Die Permeabilitätseigenschaften können weiterhin modifiziert werden durch Poren in mindestens einer der Schichten. Derartige Poren können durch die Polyelektrolyten oder die Nanoteilchen selbst, falls sie geeignet gewählt werden, gebildet werden. Durch das Einführen selektiver Transportsysteme, wie etwa Träger oder Kanäle, in die Polyelektrolythülle können die Transversaltransporteigenschaften der Hülle auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden. Die Poren oder Kanäle der Hüllenwand können selektiv durch chemisches Modifizieren und/oder Verändern der Umgebungsbedingungen geöffnet bzw. geschlossen werden. Eine hohe Salzkonzentration des für die Abscheidung des Polyelektrolyten verwendeten Mediums führt zu einer geringen Packungsdichte und einer hohen Permeabilität der Hüllenwand. Auf der anderen Seite führt eine hohe Salzkonzentration des für die Abscheidung der Nanoteilchen (SiO&sub2;) verwendeten Mediums zu einer hohen Packungsdichte der Siliciumdioxidteilchen. Daher kann durch Einstellen der Salzkonzentrationen im Abscheidungsmedium die Permeabilität der Hülle bedarfsmäßig gesteuert werden. Darüber hinaus können die Permeabilitätseigenschaften der Hülle modifiziert werden durch Auswählen der Bedingungen zur Zersetzung des Kerns, z. B. durch Auswählen der Temperatur- und Heizbedingungen in einem Calcinierungsverfahren.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein beschichtetes Teilchen mit einem Kern, der ein Templatteilchen ist, und einer Mehrfachschichthülle, umfassend abwechselnde Schichten aus (i) entgegengesetzt geladenen anorganischen Nanoteilchen oder Polyelektrolyten oder (ii) entgegengesetzt geladenen Nanoteilchen. Vorzugsweise ist der mittlere Durchmesser des beschichteten Teilchens 15 um oder weniger, bevorzugter 100 nm bis 10 um.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine hohle Hülle, die erhältlich ist durch Disintegrieren bzw. Auflösen des Templatteilchens des beschichteten Teilchens, wie oben beschrieben. Die hohle Hülle kann eine anorganische Struktur oder eine organisch-anorganisch Verbundstruktur sein, in Abhängigkeit von dem Verfahren, das verwendet wird, um den Kern zu entfernen.
Vorzugsweise enthält die Hülle ein wirksames Mittel, welches ausgewählt sein kann aus pharmazeutischen Mitteln, Kontrastmitteln, Herbiziden, Pestiziden, Katalysatoren und Pigmenten.
Die Hülle kann als ein System für langsame und/oder zielgerichtete Freisetzung von wirksamen Substanzen verwendet werden, wie etwa pharmazeutische Mittel, Herbizide, Pestizide usw. Weiterhin kann die Hülle verwendet werden für Anwendungen mit hoher Oberfläche, z. B. als ein Träger für Katalysatoren oder photovoltaische Materialien oder als ein Katalysator an sich.
Es ist gezeigt worden, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung bei Anwendung zur Herstellung von Verbund-Nanoteilchen-Polymer- oder Nanoteilchen-Nanoteilchen-Mehrfachschichten auf Kolloidtemplatkernen, gekoppelt mit der Entfernung des Kernes, einen erfolgreichen Weg zur Herstellung neuer hohler Hüllen liefert. Wichtige diesem Verfahren zuzuschreibende Vorteile sind: (i) die Dicke der Hüllenwände kann leicht gesteuert werden durch Verändern der Anzahl von Abscheidungszyklen; (ii) die Hüllengröße und die Form werden durch die Abmessungen des Kolloids bestimmt, das als Templat verwendet wird; (iii) das Verfahren ist allgemein anwendbar auf eine große Vielzahl geladener Nanoteilchen, wobei die Herstellung verschiedener anorganischer, anorganischer Verbund- (z. B. magnetisches Nanoteilchen und SiO&sub2; oder TiO&sub2;) und anorganisch-organisch Verbund-Hüllstrukturen möglich wird durch die einfache Lösungsadsorption von geladenen Teilchen abwechselnd mit dem Polymer; (iv) das Verfahren ist eine geeignete Alternative zu denjenigen, die derzeit verwendet werden (z. B. Oberflächenpräzipitationsreaktionen), um hohle Hüllen herzustellen, mit dem zusätzlichen Vorteil der Eliminierung der Notwendigkeit komplexerer Herstellungsverfahren; und (v) es kann auf Systeme angewendet werden, für welche die derzeitigen Verfahren nicht geeignet sind.
Weiterhin wird die Erfindung durch die folgenden Figuren und Beispiele veranschaulicht:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Anordnung von Verbund- Mehrfachschichten auf Kolloidlatizes und der nachfolgenden Kolloid- und Polyelektrolyt-(optional)-Entfernung, was zu hohlen anorganischen oder Verbundhüllen führt. Die erste Stufe umfasst die schrittweise Adsorption von entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten, z. B. einer Pr&sub3;-Beschichtung [Poly(diallyldimethylammoniumchlorid)(PDADMAC)/Poly- (styrolsulfnat), Natriumsalz (PSS)/PDADMAC] (Schritt 1), um eine glatte und gleichmäßige positiv geladene äußere Oberfläche herzustellen, um die Adsorption von negativ geladenen SiO&sub2;- Nanoteilchen zu erleichtern. Nachfolgende abwechselnde Adsorption von SiO&sub2; (Schritt 2) und PDADMAC (Schritt 3) führt zu SiO&sub2;-PDADMAC-Mehrfachschichten, die auf den Latizes gebildet werden. Die Latizes können durch Calcinieren oder Behandeln bei niedrigem pH-Wert oder in einem Lösungsmittel zersetzt werden, wobei hohle anorganische oder anorganisch-organisch Verbundhüllen erhalten werden.
Fig. 2 ist eine normalisierte Lichtstreuintensitätsverteilung von Pr&sub3;- beschichteten PS-Latizes (Quadrate) und PS-Latizes, die mit Pr&sub3;/(SiO&sub2;/PDAMDMAC)N beschichtet sind, worin N = 1 (Kreise), N = 2 (Dreiecke) und N = 4 (Raute) ist. Mehrschichtwachstum wird durch die systematische Verschiebung der SPLS-Intensitätsverteilungen bestätigt.
Fig. 3 sind Transmissionselektronenmikrofotographien (TEM) von unbeschichteten PS-Latizes (a) und PS-Latizes, die mit Pr&sub3;/(SiO&sub2;/PDADMAC)N beschichtet sind, worin N = 1(b), N = 2(c) und N = 4(d) ist. Reguläres Wachstum von den SiO&sub2;-PDADMAC- Mehrfachschichten wird durch eine Erhöhung des Durchmessers der beschichteten PS-Latizes beobachtet. Die Skalierung entspricht allen vier TEM-Bildern, die gezeigt werden.
Fig. 4 zeigt Scanningelektronenmikrographien (SEM) von PS-Latizes, die mit einer SiO&sub2;/PDADMAC-Mehrfachschicht beschichtet sind (a) vor und (b) nach Calcinierung. Gleichmäßige und glatte Mehrschichtbeschichtungen sind in (a) ersichtlich. Das Calcinierungsverfahren führt dazu, dass der PS-Latexkern entfernt wird (b): die Dicke der Hüllenwand mit einer SiO&sub2;-Schicht ist nicht immer ausreichend, um die ursprüngliche kugelförmige Gestalt der PS-Latizes aufrecht zu erhalten (Brüche der hohlen Hülle könnten auch durch das Vakuum im SEM bewirkt werden). Einige intakte Hüllen wurden auch mit einer SiO&sub2;-Schicht beobachtet.
Fig. 5 zeigt SEM-Mikrofotographien von PS-Latizes, die mit drei SiO&sub2;/PDADMAC-Mehrfachschichten beschichtet sind (a) vor und (b) nach Calcinierung. Homogene Beschichtungen werden auf den PS- Latizes erzeugt (a). Sowohl vollständige, intakte als auch gebrochene Hüllen werden in (b) beobachtet: intakte Kügelchen werden für die calcinierte Probe mit 3 SiO&sub2;-Schichten beobachtet; einige der Hüllen werden als ein Ergebnis dessen, dass Kraft auf sie einwirkt, gebrochen. Die Dicke der Siliciumdioxidwand wird ebenfalls deutlich gegenüber dem in Fig. 4 gezeigten (Bild a) erhöht, als ein Ergebnis aufeinanderfolgender SiO&sub2;/PDADMAC- Abscheidungen.
Fig. 6 ist eine stärkere Vergrößerung von Fig. 5b.
Fig. 7 ist ein Atomic Force (AFM)-Bild einer gebrochenen Wand eines Kügelchens.
Fig. 8 zeigt eine TEM-Mikrofotographie hohler Siliciumdioxidkügelchen, die durch Calcinieren von PS-Latizes erzeugt wurden, die mit zwei SiO&sub2;/PDADMAC-Mehrfachschichten beschichtet sind.
Fig. 9 zeigt eine TEM-Mikrofotographie eines Querschnitts hohler Silciumdioxidkapseln, die erhalten wurden nach Calcinieren von PS- Latizes, die mit drei SiO&sub2;/PDADMAC-Mehrfachschichten beschichtet sind. Die calcinierten Proben wurden vor der Bilderstellung in ein Harz eingebettet.
Fig. 10 zeigt ein SEM-Bild hohler Magnetitkügelchen. Diese hohlen Magnetitkügelchen werden gebildet durch Abscheiden von vier Schichten aus Magneitit (Fe&sub3;O&sub4;)-Nanoteilchen abwechselnd mit PDADMAC auf PS-Latizes mit 640 nm und dann Calcinieren der Probe.
Fig. 11 zeigt eine TEM-Mikrofotographie eines Melamin-Formaldehyd- Teilchens mit 3 um, das mit drei SiO&sub2;/PDADMAC-Schichtpaaren beschichtet ist, gefolgt von einer Behandlung mit einer Lösung mit einem pH-Wert von 1.
Fig. 12 zeigt die Beziehung des Zeta-Potenzials und der elektrophoretischen Mobilität als eine Funktion der Polyelektrolyt- Schichtzahl für FITC-BSA/PDAMAC (unausgefüllte Quadrate)- und IgG/PSS (ausgefüllte Quadrate)-Mehrfachschichten auf Polyelektrolyt-modifizierten PS-Latexteilchen. FITC-BSA- Mehrfachschichten wurden auf PDADMAC/PSS/PDADMAC- beschichteten PS-Latexteilchen und IGg-Mehrfachschichten auf(PAH/PSS)&sub2;-beschichteten Teilchen gebildet. Die ungeraden Schichtnummern entsprechen einer Proteinadsorption und die geraden Schichtnummern entsprechen einer Polyelektrolytabscheidung.
Fig. 13 zeigt das Zeta-Potenzial und die elektrophoretische Mobilität als eine Funktion des pH-Wertes für eine monomolekulare IgG-Schicht, die auf (PAH/PSS)&sub2;-beschichteten PS-Latexteilchen adsorbiert ist.
Fig. 14 zeigt Fluoreszenzspektren von FITC-BSA in Mehrschichtfilmen von FITC-BSA/PDADMAC, angeordnet auf PDADMAC/PSS/PDADMAC- vorbeschichteten PS-Latexteilchen. Die durchgehende Linie entspricht dem Spektrum des Mehrschichtfilmes wenn FITC-BSA die äußere Schicht bildet und die gestrichelte Linie entspricht dem gleichen Film wenn PDADMAC auf der Oberseite abgeschieden ist.
Fig. 15 zeigt normalisierte Einzelteilchenlichtstreuungs (SLPS)- Intensitätsverteilungen von PDADMAC/PSS/PDADMAC- beschichteten PS-Latexteilchen (a) und den gleichen Teilchen mit einem (b) und (c) drei Mehrfachschichten aus FITC- BSA/PDADMAC. Die fertigen Mehrschichtfilmstrukturen auf den Kolloiden sind: [PDADMAC/PSS/PDADMAC/(FITC- BSA/PDADMAC)N], worin (a) N = 0, (b) N = 1 und (c) N = 3.
Fig. 16 zeigt FITC-BSA-Schichtdicken (bestimmt durch SPLS) als Funktion der Proteinschichtzahl von FITC-BSA-Mehrfachschichten, die auf PDADMAC/PSS/PDADMAC-beschichteten PS-Latexteilchen angeordnet sind. Die FITC-BSA-Mehrfachschichten wurden in Abwechslung mit PDADMAC abgeschieden.
Fig. 17 zeigt die Gesamtfilmdicke (bestimmt aus SPLS) als eine Funktion der Schichtzahlen für IgG/PSS-Mehrfachschichten, angeordnet auf (PAH/PSS)&sub2;-beschichteten PS-Latexteilchen. Die ungeraden und geraden Schichtzahlen entsprechen der Protein- bzw. Polyelektrolytabscheidung.
Fig. 18 zeigt IgG-Schichtdicken (bestimmt aus SPLS) als eine Funktion der Proteinschichtzahl für IgG-Mehrfachschichten, die in Abwechslung mit PSS auf (PAH/PSS)&sub2;-beschichteten PS-Latexteilchen abgeschieden sind.
Fig. 19 zeigt TEM-Mikrofotographien von PDADMAC/PSS/PDADMAC- beschichteten PS-Latexteilchen (a und c) und die gleichen Teilchen, die zusätzlich mit [(FITC-BSA/PDADMAC)&sub2;/FITC-BSA] beschichtet sind (b und d).
Fig. 20 zeigt TEM-Mikrofotographien von IgG-Mehrfachschichten, die angeordnet sind auf (PAH/PSS)&sub2;-beschichteten PS-Latexteilchen. Die fertige Mehrschichtfilmstruktur auf den Teilchen ist [(PAH/PSS)&sub2;/(IgG/PSS)&sub2;/IgG]. Bild (b) ist eine stärkere Vergrößerung als (a).

Beispiel 1

Abwechselnde SiO&sub2;-Poly(diallyldimethylammoniumchlorid) (PDADMAC)- Mehrfachschichten wurden hergestellt indem zuerst ein dreischichtiger Vorläufer PDADMAC- und Poly(styrolsulfonat)-Natriumsalz (PSS)-Film (Pr&sub3;) auf negativ geladenen Polystyrol (PS)-Latizes mit 640 nm Durchmesser angeordnet wurde und dann SiO&sub2;-PDADMAC-Mehrfachschichten auf den Pr&sub3;-beschichteten PS- Latizes abgeschieden wurden.
Der Pr&sub3;-Film (PDADMAC/PSS/PDADMAC) wurde gebildet durch die abwechselnde Adsorption von PDADMAC (Aldrich, Mw < 200.000) und PSS (Aldrich, Mw 70.000) aus wässrigen Lösungen: 0,5 ml 1 mg ml&supmin;¹ wässrige Polyelektrolytlösung (enthaltend 0,5 M NaCl) wurden auf die PS-Latizes (10¹&sup0; Teilchen in 0,5 ml H&sub2;O) gegeben, man ließ 20 min adsorbieren und überschüssiger Polyelektrolyt wurde durch eine viermal wiederholte Zentrifugation (13.500 · g)/Waschen/Redispersionszyklen entfernt. (SPLS-Messungen zeigen, dass etwa 0,5% der PS-Teilchen bei jedem Wasch/Zentrifugations/Redispersions-Schritt verlorengehen). Die Pr&sub3;- beschichteten PS-Latizes weisen eine positive Oberflächenladung gemäß Bestimmung durch elektrophoretische Mobilitätsmessungen (EPM) auf. Negativ geladene Sulfat-stabilisierte PS-Latizes wurden wie in Furusawa et al., Kolloid-Z. u. Z. Polymere 1972, 250, 908 beschrieben, hergestellt.
SiO&sub2;-PDADMAC-Mehrfachschichten auf den PS-Latizes wurden gebildet durch Zugeben von 50 ul einer wässrigen 40 Gew.-% SiO&sub2;-Suspension (Ludox TM, DuPont) zu Pr&sub3;-beschichteten PS-Latizes, dispergiert in 0,1 M NaCl (größere Mengen von SiO&sub2; adsorbieren wenn die Adsorptionslösung NaCl enthält), Zulassen einer 15-minütigen SiO&sub2;-Adsorption, Entfernen von überschüssigem SiO&sub2; durch vierfach wiederholte Zentrifugation (13.500 · g)/Waschen/Redispersions-Zyklen und nachfolgendes Abscheiden von PDADMAC (1 mg ml&supmin;¹/0,5 M NaCl). Der isoelektrische Punkt der SiO&sub2;-Teilchen ist 3, daher ist SiO&sub2; unter den Adsorptionsbedingungen (pH-Wert 5 bis 6) negativ geladen.
Elektrophoretische Mobilitätsmessungen (EPM) unter Verwendung eines Malvern Zetasizer 4 zeigen, dass die Oberflächenladung der mit Mehrfachschichten beschichteten Teilchen von negativ zu positiv abwechselt mit jeder Adsorption von SiO&sub2; bzw. PDADMAC. Dies zeigt qualitativ, dass die Verbund-SiO&sub2;- PDADMAC-Mehrfachschichten gebildet werden durch schrittweise Adsorption von SiO&sub2; und PDADMAC.
Das Wachstum der SiO&sub2;-PDADMAC-Mehrfachschichten auf den PS-Latizes wurde zuerst durch das Verfahren der Einzelteilchenlichtstreuung (SPLS) verfolgt (Lichtenfeld et al., Progr. Colloid Polym. Sci. 1997, 104, 148). Normalisierte SPLS-Intensitätsverteilungen für die Pr&sub3;-beschichteten PS-Latizes und diejenigen, die mit 1, 2 und 4 SiO&sub2;-PDADMAC-Mehrfachschichten beschichtet sind, sind in Fig. 2 gezeigt. Die Abscheidung der SiO&sub2;-PDADMAC- Mehrfachschichten auf die PS-Latizes ist manifestiert als eine Verschiebung (in der X-Achsenrichtung) der SPLS-Intensitäts-Verteilungen, wodurch Mehrschichtwachstum bestätigt wird. Unter Verwendung der SPLS-Technik ist es ebenfalls möglich zwischen Singulets, Dubletts und Triplets zu unterscheiden (Lichtenfeld et al., Progr. Colloid. Polym. Sci. 1997, 104, 148): keine Aggregation der Mehrfachschicht beschichteten Teilchen wird beobachtet, da keine Intensitätssignale bei höheren Intensitäten beobachtet werden.
Unter Verwendung der Raleigh-Debye-Gans-Theorie (Kerker, The Scattering of Light and Other Electromagnetic Radiation: Academic Press: New York, London, 1969) und einem abgeschätzten Brechungsindex (n) von 1,40 für die adsorbierte/adsorbierten Schicht/Schichten ist die berechnete mittlere Dicke 30 ± 6 nm für jedes SiO&sub2;-PDADMAC-Schichtpaar für PS/Pr&sub3;/(SiO&sub2;/PDADMAC)N- Mehrfachschichten mit N = 1 bis 5. Dieser Wert entspricht sehr eng dem mittleren Durchmesser von SiO&sub2;-Teilchen (26 ± 4 nm, bestimmt durch TEM) und legt nahe, dass im Mittel ungefähr eine Monoschicht von SiO&sub2; mit jeder SiO&sub2;-Abscheidung abgeschieden wird. Die Schichtdicke erhöht sich linear mit der Anzahl von SiO&sub2;- oder SiO&sub2;-PDADMAC-Schichten, die auf den PS-Latizes abgeschieden werden.
Direkte Beobachtung des Mehrschichtwachstumsverfahrens wurde durch Transmissionenelektronenmikroskopie (TEM) bereitgestellt, unter Verwendung eines Philips CM12-Mikroskops, das bei 120 kV arbeitet: repräsentative TEM- Bilder unbeschichteter PS-Latizes und Pr&sub3;-modifizierter PS-Latizes, die mit SiO&sub2;- PDADMAC-Mehrfachschichten beschichtet sind, sind in Fig. 3 dargestellt. Die unbeschichteten PS-Latizes (a) zeigen eine glatte Oberfläche. TEM-Bilder, die für PS-Latizes erhalten werden, welche mit Pr&sub3; beschichtet sind, sind im Wesentlichen identisch mit denjenigen von unbeschichteten PS-Latizes: die Zunahme der Dicke (ca. 4 nm, bestimmt aus SPLS-Versuchen) ist nicht erkennbar. Das Vorliegen von SiO&sub2;-PDADMAC-Mehrfachschichten auf den PS- Latizes führt sowohl zu einer Zunahme der Oberflächenrauigkeit als auch einer Zunahme des Durchmessers der PS-Latizes (b-d). Die Zunahme der Oberflächenrauigkeit ist auf adsorbiertes SiO&sub2; zurückzuführen. Es wurde gefunden, dass die Adsorption von PDADMAC auf eine äußerste Schicht von SiO&sub2; die Oberflächenrauigkeit der Mehrfachschicht verringert. Diese Entdeckung wird bestätigt durch vorhergehende Scanning-Elektronenmikroskopiemessungen (SEM).
Die Erhöhung des Durchmessers mit zunehmender SiO&sub2;-PDADMAC- Mehrschichtzahl der beschichteten PS-Latizes (relativ zu unbeschichteten PS- Latizes (a) ist ungefähr 60 nm (b), 140 nm (c) und 250 nm (d) für 1, 2 bzw. 4 SiO&sub2;-PDADMAC-Mehrfachschichten. Die Beurteilung der TEM-Daten für PS/Pr&sub3;/(SiO&sub2;/PDADMAC)N-Mehrfachschichten mit N = 1-5 ergibt ein mittleres Durchmesserinkrement von 65 ± 5 nm, entsprechend einer Schichtdicke von ca. 32 nm für das SiO&sub2;-PDADMAC-Schichtpaar.
Um den PS-Latex zu entfernen wurde die Lösung anfangs bei Raumtemperatur getrocknet und dann in einem Ofen unter N&sub2; angeordnet und auf 500ºC mit einer Rate von 5 K/min erhitzt. Nach 4 h bei dieser Temperatur wurde das Gas gegen O&sub2; ausgetauscht und die Probe verblieb bei 500ºC für weitere 8 h. Die Probe wurde dann auf Raumtemperatur unter O&sub2; gekühlt. Die Proben wurden dann durch SEM untersucht, unter Verwendung eines Zeiss DSM-Instruments, das bei einer Beschleunigungsspannung von 20 kV betrieben wurde.
Die Fig. 4 und 5 vergleichen SiO&sub2;/PDADMAC-Mehrfachschicht-beschichtete Latexteilchen mit verschiedenen Hüllendicken vor und nach der Kernentfernung. Fig. 6 ist ein vergrößertes Bild einer hohlen Hülle. Es kann aus diesen Ergebnissen geschlossen werden, dass intakte hohle Hüllen erhalten werden können, welche ausreichend Permeabilität für die Bestandteile des zersetzten Kerns aufweisen, die entfernt werden sollen. Fig. 7 zeigt ein Bild einer gebrochenen Wand eines Kügelchens, welches durch Atomic Force-Mikroskopie aufgenommen wurde (AFM), in welchem gezeigt wird, dass die Wand aus Siliciumdioxidnanoteilchen besteht. Die TEM-Mikrographie von hohlen Siliciumdioxidkügelchen, die durch Calcinierung von PS-Latizes, die mit zwei SiO&sub2;-PDADMAC beschichtet sind, in Fig. 8 zeigt die Gleichmäßigkeit der Wanddicke. Bei sorgfältiger Untersuchung können zwei Schichten von Siliciumdioxidnanoteilchen beobachtet werden. Die Gleichmäßigkeit der Hüllenwanddicke kann auch aus der TEM-Mikrofotographie von in Harz eingebetteten hohlen Siliciumdioxidkapseln gesehen werden, die in Fig. 9 gezeigt werden. Der ähnliche Kontrast sowohl innerhalb als auch außerhalb der hohlen Kügelchen zeigt, dass die Kügelchen für Harz permeabel sind.

Beispiel 2

Entsprechend dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren wurden abwechselnd Fe&sub3;O&sub4;-PDADMAC-Mehrfachschichten auf PS-Latexteilchen mit 640 nm abgeschieden. Nach Calcinieren wurden die hohlen magnetischen Probekügelchen gebildet. Ein SEM-Bild dieser Kügelchen ist in Fig. 10 gezeigt.

Beispiel 3

Entsprechend dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren wurden abwechselnd SiO&sub2;-PDADMAC-Mehrfachschichten auf teilweise quervernetzten Melaminformaldehydteilchen mit 3 um wie in DE 198 12 083.4 beschrieben, abgeschieden. Die Melaminformaldehydteilchen wurden durch Behandeln mit einer Lösung mit einem pH-Wert = 1 gelöst. Eine TEM-Mikrofotographie eines resultierenden hohlen Teilchens ist in Fig. 11 gezeigt. Der Durchmesser des hohlen Verbundkügelchens ist deutlich größer als die Größe des MF- Kolloidtemplats aufgrund des Trocknens der Probe auf einem festen Substrat. Die raue Oberflächentextur ist dem Vorliegen von SiO&sub2;-Nanoteilchen, die zwischen Polymerschichten eingebettet sind, zuzuschreiben.

Beispiel 4

Abwechselnde Protein-Polyelektrolytmehrfachschichten wurden auf Kolloidteilchen abgeschieden.

4.1 Materialien

Fluorescein-Isothiocyanat-markiertes Rinderserumalbumin (FITC-BSA) und Schaf-Immunglobulin G (IgG) wurden von Sigma erhalten. Poly(allylaminhydrochlorid) (PAH), Mw 8.000 bis 11.000 oder 50.000 bis 65.000, Poly(diallyldimethylammoniumchlorid (PDADMAC), Mw < 200.000 und Poly(natrium-4-styrolsulfonat) (PSS), Mw 70.000 wurden von Aldrich bezogen. Alle Proteine und Polyelektrolyten wurden so verwendet, wie sie erhalten wurden, ausgenommen, dass PSS mit einem Molekulargewicht von 70.000, gegen Wasser vor der Verwendung dialysiert (Mw-Schnitt von 14.000) und lyophilisiert wurde. Die negativ geladenen Sulfat-stabilisierten Polystyrol-(PS)-Latexteilchen (Durchmesser 640 nm) wurden wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt.

4.2 Aufbau von Proteinmehrfachschichten auf Kolloiden

Vorläufer-Polyelektrolytmehrschichtfilme, bestehend aus PAH und PSS oder PDADMAC und PSS, wurden zuerst abgeschieden, um eine gleichmäßig geladene Oberfläche bereitzustellen und nachfolgende Proteinadsorption zu erleichtern. Die Vorläuferfilme wurden wie in Beispiel 1 beschrieben, gebildet.
Proteinmehrfachschichten wurden hergestellt durch Aussetzen der Polyelektrolytbeschichteten PS-Latexteilchen einer Proteinlösung unter Bedingungen, worin das Protein und die Teilchen entgegengesetzte Ladungen aufweisen, gefolgt von abwechselnden Adsorptionen von Polyelektrolyt und Protein. FITC-BSA wurde auf (PDADMAC/PSS/PDADMAC)-vorbeschichteten PS-Latexteilchen und IgG auf (PAH/PSS)&sub2;-vorbeschichteten Teilchen abgeschieden. Die Teilchen haben eine positive Oberflächenladung wenn PAH oder PDADMAC die äußersten Schichten bilden und eine negative Ladung wenn PSS die äußerste Schicht ist. FITC-BSA- Mehrfachschichten wurden durch die abwechselnde Adsorption von FITC-BSA (0,5 mg/ml in PBS-Puffer bei einem pH-Wert von 7,0, 30 min Adsorption oder 1 mg/ml in Wasser bei einem pH-Wert 5,6, 20 min Adsorption) und PDADMAC (1 mg ml/0,5 M NaCl, 20 min) auf die beschichteten PS-Latexteilchen (5 · 10&sup9; Teilchen) gebildet. IgG-Mehrfachschichten wurden hergestellt durch aufeinanderfolgende Adsorptionen von IgG (1 mg/ml in 0,05 M 2-(N- Morpholino)ethansulfonsäure (MES)-Puffer bei einem pH-Wert von 6,0, wobei der pH-Wert unter Verwendung von NaOH eingestellt wurde, 45 min Adsorption und PSS (Mw 8.000 bis 11.000, 1 mg/ml/0,5 M NaCl, 20 min)-Schichten auf die beschichteten PS-Latexteilchen (6 · 10&sup9; Teilchen). (In allen Fällen ist die Konzentration des Proteins ungefähr das 10fache dessen, was für Sättigungsadsorption auf der Teilchenoberfläche erforderlich ist). Nach jeder Abscheidung einer Protein- oder Polyelektrolytschicht wurden die Proben bei ungefähr 5.000 · g für 10 min zentrifugiert, der Überstand entfernt und mindestens drei Wasserwaschungen durchgeführt.

4.3 Elektrophoretische Mobilitätsmessungen (EPM)

Elektrophoretische Mobilitäten der unbeschichteten und beschichteten PS- Latexteilchen wurden unter Verwendung eines Malvern Zetasizer 4, wie in Beispiel 1 beschrieben, gemessen. Alle Zeta-Potenzialmessungen wurden an beschichteten PS-Latexteilchen durchgeführt, die in Luft-äquilibriertem reinem Wasser (pH-Wert 5,6) redispergiert waren.

4.4 Finzelteilchen-Lichtstreuungs-Versuche (SPLS)

Details des SPLS-Versuchssystems und das Messprinzip sind wie in Beispiel 1 beschrieben. Kurz gesagt, wird die Dispersion (aus entweder unbeschichteten oder beschichteten PS-Latexteilchen) durch eine Kapillare mit einer Öffnung von 0,1 mm Durchmesser an dem Ende geführt. Hydrodynamisches Fokussieren wird angewendet, sodass der Dispersionsstrom durch einen Laserstrahl geführt wird, welcher fokussiert ist, um es nur einem einzelnen Teilchen oder Aggregat zu erlauben, in die Fokussierung zu einer bestimmten Zeit zu gelangen. Dies erfordert Teilchenkonzentrationen von weniger als 3 · 10&sup8; Teilchen ml&supmin;¹. Das Licht, das durch die Teilchen gestreut wird, welche sich durch den Laserfokus bewegen, wird in dem Winkelbereich von 5 bis 10º in Vorwärtsrichtung aufgezeichnet. Die Intensitätsverteilungen, die mit einer Auflösung von 0,5% erhalten werden, werden durch einen Mehrkanalanalysator gesammelt und dann auf einem PC gespeichert.

4.5 Transmissionselektronenmikroskopie (TFM)

TEM-Messungen wurden auf einem Philips CM12-Mikroskop durchgeführt, das bei 120 kV arbeitet. Proben für TEM wurden hergestellt durch Abscheiden von wässrigen Lösungen der beschichteten PS-Latexteilchen auf einem Kohlenstoffbeschichteten Kupfergitter. Man ließ die Gemische an Luft für eine Minute trocknen und die überschüssige Lösung wurde dann abgetupft.

4.6 Stationärzustand-Fluoreszenzmessungen

Fluoreszenzspektren wurden aufgenommen unter Verwendung eines Spex Fluorolog 1680 Spektrometers mit Anregungs- und Emissions-Bandbreiten, die auf 1,0 nm eingestellt waren. Typischerweise wurden 50 bis 100 ul der Proteinmehrfachschich-beschichteten PS-Latexsuspension (ca. 10&sup9; Teilchen ml&supmin;¹) in 3 ml Wasser in einer Fluorimeterzelle pipettiert und die Dispersion für 0,5 min bewegt. Das Fluoreszenzspektrum dieser Dispersion wurde dann aufgezeichnet.

4.7 Ergebnisse

Der Aufbau von Proteinmehrfachschichten wurde zuerst durch EPM-Messungen verfolgt. Vor der Bildung von Proteinmehrfachschichten wurde ein drei- oder vierschichtiger Vorläuferpolyelektrolytmehrschichtfilm auf den PS-Latexteilchen abgeschieden. Der Vorläuferfilm liefert nicht nur eine gleichmäßig geladene Oberfläche, welche nachfolgende Proteinadsorption erleichtert, sondern er erlaubt auch, dass die Oberflächenladung verändert wird (in Abhängigkeit davon, ob das Polykation oder das Polyanion die äußerste Schicht bildet), sodass das Protein unter Bedingungen abgeschieden werden kann, bei welchen es entgegengesetzt zur adsorbierenden Oberfläche geladen ist. Ein dreischichtiger Film (PDADMAC/PSS/PDADMAC) wurde auf negativ geladenen PS-Latizes vor der Abscheidung von FITC-BSA aufgebaut, während ein Vierschichtfilm (PDADMAC/PSS)&sub2; auf den Teilchen vor IgG-Adsorption abgeschieden wurde. Die negativ geladenen (unbeschichteten) PS-Latexteilchen haben ein Zetapotenzial von etwa -65 mV in Wasser. Das Zetapotenzial der PDADMAC/PSS/PDADMACbeschichteten Teilchen ist ca. +50 mV, in Übereinstimmung damit, dass die äußerste Schicht ein Polykation ist. Für die (PDADMAC/PSS)&sub2;-beschichteten PS- Latexteilchen ist das Zetapotenzial ca. -40 mV, übereinstimmend damit, dass die äußerste Schicht das Polyanion-PSS ist. Fig. 12 zeigt das Zetapotenzial als eine Funktion der Schichtzahl für den Polyelektrolyt-modifizierten PS-Latex, der mit FITC-BSA/PDADMAC- oder IgG/PSS-Mehrfachschichten beschichtet ist. Der abwechselnde Aufbau von FITC-BSA und BDADMAC bewirkt eine Umkehr des Vorzeichens des Zetapotenzials mit jeder Abscheidung bis zu 10 Schichten. Wenn FITC-BSA die äußerste Schicht bildet, ist das Zetapotenzial der beschichteten Teilchen leicht negativ (-10 bis -20 mV). Nachfolgende Adsorptionen von PDADMAC und FITC-BSA erzeugen positive bzw. negative Zetapotenziale. Für das IgG/PSS-Mehrschichtsystem werden Zetapotenzialwerte nahe 0 oder leicht negativ beobachtet wenn IgG die äußerste Schicht ist. Daher ist eine Umkehr der Oberflächenladung nicht erforderlich beim Aufbau von Monoteilchen/Monoelektrolyt-Mehrfachschichten, z. B. IgG/PSS.
EPM-Messungen, bei welchen das Zetapotenzial als eine Funktion des pH-Werts aufgezeichnet wurde, wurden an (PAH/PSS)&sub2;-modifizierten PS-Latexteilchen durchgeführt, die mit einer IgG-Schicht beschichtet sind (Fig. 13). Die Ergebnisse zeigen einen isoelektrischen Punkt von ungefähr 5,5.
Ein weiterer Beweis für das Wachstum von FITC-BSA/PDADMAC- Mehrfachschichten wurde durch Fluoreszenzmessungen bereitgestellt. Die Fluoreszenzspektren für FITC-BSA/PDADMAC-Mehrfachschichten für die Fälle, in welchen FITC-BSA oder PDADMAC die äußerste Schicht bilden, sind in Fig. 14 gezeigt. Das Emissionsmaximum tritt bei 515 nm auf wenn die äußerste Schicht FITC-BSA ist. Wenn PDADMAC die äußerste Schicht ist, sind diese maximalen Rotverschiebungen etwa 6 bis 7 nm auf 521 bis 522 nm. Reproduzierbare, oszillierende Maxima wurden für jede Abscheidung von FITC- BSA und PDADMAC erhalten.
Um einen quantitativen Beweis des schichtweisen Proteinmehrschichtwachstums zu erhalten, wurde die SPLS-Technik verwendet. SPLS ist eine empfindliche optische Technik, welche die Bestimmung der Dicke von Schichten, die auf Kolloiden aufgebaut sind als auch den Zustand und das Ausmaß der beschichteten Kolloide in Bezug auf Aggregation erlaubt. Durch Durchführen einer Dispersion der beschichteten Teilchen durch eine Kapillare und hydrodynamisches Fokussieren der Dispersion wird das Licht, das von einem Teilchen zu einem gegebenen Zeitpunkt gestreut wird, aufgezeichnet. Das Wiederholen dieses Verfahrens erlaubt ein Histogramm der Teilchenzahl gegenüber der Streuungsintensität, die erhalten wird. Fig. 15 zeigt die normalisierten SPLS-Intensitätsverteilungen für (PDADMAC/PSS/PDADMAC)- modifizierte PS-Latexteilchen (a) und die gleichen Teilchen, die mit einer (b) und drei (c) FITC-BSA/PDADMAC-Mehrfachschichten beschichtet sind. Es gibt eine systematische Verschiebung der SPLS-Intensitätsverteilung (in der x- Achsenrichtung) mit Erhöhung der Mehrschichtschichtzahl, wodurch das Wachstum von FITC-BSA/PDADMAC-Mehrfachschichten auf PS-Latexteilchen bestätigt wird. Ähnliche SPLS-Intensitätsverteilungen wurden für IgG/PSS- Mehrfachschichten auf PS-Teilchen erhalten. Die Spitzen, die in den SPLS- Kurven ersichtlich sind, welche in Fig. 15 gezeigt werden, entsprechen Singulets, d. h. nicht aggregierten Protein-Mehrschicht-beschichteten Teilchen. Analyse der Daten ergab, dass die beschichteten Teilchen vorherrschend als Singulets existieren, mit weniger als 20% der Teilchen als Dubletts (ein Aggregat von zwei Teilchen). Der Anteil der Dubletts wurde beachtlich verringert (< 5%), wenn der Polyelektrolyt die äußerste Schicht war. Dies zeigt, dass Adsorption des Polyelektrolyts einige der schwach und reversibel ausgeflockten Proteinmehrschicht-beschichteten Teilchen abtrennt.
Unter Verwendung der Rayleigh-Debye-Gans-Theorie und Brechungsindizes (n) von 1,43 und 1,47 für die Protein- bzw. Polyelektrolytschichten, kann die mittlere Dicke der Protein/Polyelektrolyt-Mehrfachschichten auf den PS-Latexteilchen (d) bestimmt werden. Für die FITC-BSA-Mehrfachschichten steigt die Schichtdicke linear mit der Anzahl abgeschiedener Proteinschichten an (Fig. 16). Das berechnete mittlere Schichtdickeninkrement für die FITC-BSA-Schichten ist 3,3 ± 1,1 nm wenn FITC-BSA aus reinem Wasser adsorbiert wird und 5,8 ± 2,5 nm wenn aus PBS adsorbiert wird. Der Unterschied der Dicke wird den verschiedenen Bedingungen zugeschrieben, unter welchen das Protein abgeschieden wurde. Diese Daten zeigen deutlich, dass BSA-Mehrfachschichten durch schrittweise Adsorption von Protein und PDADMAC auf PS-Latexteilchen zum Wachsen gebracht werden können.
Fig. 17 zeigt die Schichtdicke von IgG/PSS-Mehrfachschichten, aufgebaut auf (PAH/PSS)&sub2;-beschichteten PS-Latexteilchen, als eine Funktion der Schichtzahl. Regelmäßiges, schrittweises Mehrschichtwachstum wird beobachtet. Das IgG- Mehrschichtfilm-Wachstum ist nach dem ersten Abscheidungsschritt linear, wie in Fig. 18 gezeigt. Die Dicke der ersten abgeschiedenen IgG-Schicht ist ungefähr 11 nm. Das mittlere IgG-Dicke-Inkrement nach dem ersten Abscheidezyklus (von IgG und PSS) ist 37 ± 7 nm.
Direkte Sichtbarmachung des Proteinmehrschichtwachstumsverfahrens wird durch TEM bereitgestellt. Fig. 19 zeigt die TEM-Mikrofotographien von PDADMAC/PSS/PDADMAC-modifizierten PS-Latexteilchen (a und c) und der gleichen Teilchen, beschichtet mit (FITC-BSA/PDADMAC)&sub2;/FITC-BSA- Mehrfachschichten (b und d). Die Polyelektrolyt-beschichteten PS-Latexteilchen ähneln stark unbeschichteten PS-Latizes in ihrem Aussehen: sie weisen eine glatte Oberfläche auf. Die Dicke der Polyelektrolytbeschichtung (PDADMAC/PSS/PDADMAC) ist ungefähr 3 bis 4 nm (aus SPLS-Versuchen). Das Vorliegen von FITC-BSA-Mehrfachschichten auf den PS-Latizes erzeugt sowohl eine Zunahme der Oberflächenrauigkeit als auch eine Zunahme des Durchmessers der Polyelektrolyt-beschichteten PS-Latizes (b und d). Die Zunahme der Oberflächenrauigkeit ist am stärksten bemerkbar bei stärkerer Vergrößerung (vgl. Bilder a und d). Die Zunahme des Durchmessers der Teilchen mit (FITC-BSA/PDADMAC)&sub2;/FITC-BSA-Schichten ist ungefähr 20 nm, entsprechend einer Schichtdickenzunahme von etwa 10 nm. Dieser Wert ist in enger Übereinstimmung mit der SPLS-Dicke für die gleiche Mehrfachschicht (11 nm). Die TEM-Bilder von FITC-BSA-Mehrschicht-beschichteten PS-Latexteilchen bestätigen, dass eine gleichmäßige Beschichtung der Teilchen mit der Abscheidung von FITC-BSA-Mehrfachschichten erhalten wird (Fig. 19b und 19d).
Die TEM-Mikrofotographien für die IgG/PSS-Mehrfachschicht beschichteten PS- Latexteilchen (Fig. 20) zeigen deutlich ein regelmäßiges Schichtbilden der Teilchenoberfläche durch Proteinmehrfachschichten. Der Durchmesser der IgG- Mehrschichtteilchen ist deutlich größer als derjenige auf welchem die Mehrfachschichten gebildet wurden. Die Abscheidung von einer, drei und fünf IgG-Schichten führte zu einer Erhöhung des Durchmessers von ungefähr 16, 164 bzw. 296 nm. Diese Werte entsprechen Schichtdickenzunahmen von 8, 82 und 148 nm und sind in ausgezeichneter Übereinstimmung mit denjenigen, die aus SPLS-Messungen (11, 90 und 160 nm für 1, 3 bzw. 5 IgG-Schichten) berechnet wurden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung beschichteter Teilchen, umfassend die Schritte:

(a) Bereitstellung von Templatteilchen und

(b) Beschichten der Templatteilchen mit einer Mehrfachschicht, umfassend (i) abwechselnde Schichten aus entgegengesetzt geladenen Nanoteilchen und Polyelektrolyten und/oder (ii) abwechselnde Schichten aus entgegengesetzt geladenen Nanoteilchen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Templatteilchen einen mittleren Durchmesser von 10 um oder weniger aufweisen.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin die Templatteilchen ausgewählt werden aus organischen Teilchen, anorganischen Teilchen oder einer Kombination davon.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Templatteilchen ausgewählt werden aus organischen Polymerlatices und teilweise quervernetzten Melamin-Formaldehyd-Teilchen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Polyelektrolyt ein lineares Molekül ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin der Polyelektrolyt ein Polykation ist und das Nanoteilchen eine anionische Gesamtladung aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin der Polyelektrolyt ein Polyanion ist und das Nanoteilchen eine kationische Gesamtladung aufweist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Nanoteilchen einen mittleren Durchmesser von 1 bis 100 nm aufweisen

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die Nanoteilchen anorganische Teilchen sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9, worin die Nanoteilchen ausgewählt werden aus Keramik- oder Metallteilchen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin die Nanoteilchen Siliciumdioxidteilchen sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die Nanoteilchen Biomoleküle sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, worin die Biomoleküle Polypeptide sind.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend den Schritt:

(c) mindestens teilweises Auflösen der Templatteilchen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, worin das Auflösen durch thermische Behandlung, chemische Behandlung oder pH-Wert-Einstellung erfolgt.

16. Beschichtetes Teilchen mit einem Kern, der ein Templatteilchen ist, und einer Mehrschichthülle, umfassend abwechselnde Schichten aus (i) entgegengesetzt geladenen Nanoteilchen und Polyelektrolyten oder (ii) entgegengesetzt geladenen Nanoteilchen.

17. Teilchen nach Anspruch 16 mit einem mittleren Durchmesser von 15 um oder weniger.

18. Hohle Hülle, erhältlich durch Auflösen des Templatteilchens des beschichteten Teilchens nach Anspruch 16 oder 17.

19. Hohle Hülle nach Anspruch 18, welche eine anorganische Struktur ist.

20. Hohle Hülle nach Anspruch 18, welche eine organische Struktur ist.

21. Hohle Hülle nach Anspruch 18, welche eine organisch-anorganische Verbundstruktur ist.

22. Hohle Hülle nach Anspruch 18, welche eine anorganisch-anorganische Verbund Struktur ist.

23. Hülle nach einem der Ansprüche 18 bis 22, enthaltend einen Wirkstoff.

24. Hülle nach Anspruch 23, worin der Wirkstoff ausgewählt ist aus Pharmazeutika, Kontrastmitteln, Herbiziden, Pestiziden, Katalysatoren und Pigmenten.

25. Verwendung der Hülle nach einem der Ansprüche 18 bis 24 als ein System für langsame und/oder zielgerichtete Freisetzung von Wirkstoffen.

26. Verwendung der Hülle nach einem der Ansprüche 18 bis 24 für Anwendungen mit großer Oberfläche.