Pulmonary drug delivery system M.pharm -2nd sem P'ceutics
Organic Nanoparticles (ONPs)
1. K ashan Univ e rsity
De partm e nt of C he m istry
Group of Organic Chem istry
Master Degree Seminar
Subject:
Organic Nano Particles
(ONPs)
Synthesis, Properties and
applicationsSuperviser: Dr Leila Moradi
By: Mahdi Mirzaie
November. 2015
4. ◎Nanochemistry: pass form the Microscale level to nanosize
◎Discovery of size effect
Reason for delaying studies the ONps vs Metal Nanopartiles :
-Low Melting Tempratures
- Lesser thermal Stability
- Then: limit the methods for their synthesis and applications
- Believed that no size effect is manifested in ONPs (Wrong)
11. Grinding of ibuprofen by the jet milling technology
◎particles measuring from 1 to 7 nm, SEM image
◎Source: Rasenack, N.; Steckel, H.; Muller, B. W. Powder Technol. 2004, 143, 291.
12. stabilization
◎For unstable particles : stabilization was achieved by adding
cellulose ethers or poly(vinylpyrrolidone),
The particles acquired a positive charge that kept them from
agglomeration
◎Source: Liversidge, E.M.; Liversidge, G.G. Adv. Drug Del. Rev. 2011, 63, 427
◎Source: US P. 5628981 (1997)
13. drawbacks of the mechanical synthesis
• Impurities from the mill
•destruction of thermally unstable
•the presence of a relatively large number of particles
•limited possibility of a control over the size and the
their wide size distribution, and also their irregular shape
14. Laser Ablation
◎Application in ONPs back to 2000
◎Prepartion of suspensin
◎ impact of an intense laser pulse
fragmentation of grains , transparent colloidal solution
Source: Sugiyama, T.; Asahi, T.; Yuyama, K.; Takeuchi, H.; Jeon, H.; Hosokawa, Y.; Masuhara, H. Proc. SPIE 2008,
6891, 37.
15. ◎preparation of stable colloidal solutions in the absence of
stabilizers.
◎control the size : wavelength, the laser pulse width, and fluence
◎increase in the laser-radiation fluence results in a decrease in the
nanoparticle size
◎nanosecond region: photothermal
◎femtosecond region: photomechanical
◎Source: Sergeev, G.B. In Nanokhimiya: Uchebnoe Posobie Nanochemistry: The Manual, Moscow:Izd. KDU, 2006, p
336.
16. Example
◎20 nm particles of indometacin , a drug used for treating epilepsy
◎pulse width of 8 ns: size was 40–60 nm
◎and did not depend on the nature of substance.
◎With pulse width of 150 fs : smaller particles could be synthesized.
◎Source: Nagare, S.; Senna, M. Solid State Ionics 2004, 172, 243.
17. SEM image of quinacridone particles obtained upon laser radiation of
wavelength 355 nm, pulse duration 8 ns, and fluence 100 mJ cm
18. Drawbacks of the laser ablation method
◎only a small amount of dispersion is formed
◎may cause photochemical decomposition
19. Chemical Methods
•Solvent Replacement
•Antisolvents for Precipitation
•Chemical Reduction in Solution
•Ion Association
•Synthesis of Nanoparticles in Water–Oil Emulsion
•Photochemical Method
•The use of Supercritical Fluids
•Cryochemical Synthesis and Modification of Nanoparticles
20. Solvent Replacement
◎ Carotene and PVP were dissolved in chloroform, and then
chloroform was evaporated in vacuo to form a solid mixture of β-
carotene and PVP. Upon the addition of water to the solid mixture, an
aqueous colloidal solution formed, which was called “ hydrosol”
◎Source: Li, S.; He, L.; Xiong, F.; Li, Y.; Yang, G. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 10887.
21. Example
◎perylene particles with an average size of 100 nm were obtained by
pouring the 0.25 × 10-3 M perylene solution in acetone to water with
vigorous stirring
◎Source: Mori, J.; Miyashita, Y.; Oliveira, D.; Kasai, H.; Oikawa, H.; Nakanishi, H. J. Cryst. Growth, 2009, 311, 553
22. Benefits
◎mild conditions
◎for thermally unstable
compounds
◎relatively simple and accessible
◎Drawbacks
◎Low production performance
◎cannot be used for substances
poorly soluble in organic solvents
◎Very dilute solutions are obtained
23. Synthesis of Nanoparticles in Water–Oil Emulsion
◎(1) preparation of the oil-in-water emulsion by stirring;
◎ (2) transfer of nanoparticles into the water phase, for example, by
sonication or high-pressure homogenization
◎Source: Margulis-Goshen, K.; Netivi, H. D.; Major, D. T.; Gradzielski, M.; Raviv, U.; Magdass, S. J. Colloid Interface
Sci. 2010, 342, 283.
24. Example
◎by sonication : nanoparticles of tetracene measuring 85 nm and
anthracene measuring 75 nm were prepared
◎From microemulsions containing sodium dodecyl sulfate as the
surfactant, nanoparticles of propylparaben with the sizes of 40–70
nm were obtained.
25. Cryochemical
◎Cryochemistry studies the reactions proceeding at low (77 K) and
ultralow (4 K) temperatures.
◎The cryodrying includes the following stages:
• deep Freezing
• primary drying
• secondary drying (freeze-drying (cryodrying) or cryoextraction)
29. NMR Applications in ONPs
◎Phase transitions of the nanoparticle matrix
◎Molecular exchange on the nanoparticle surface
◎Molecular exchange through nanocapsule walls
◎Local phase separations
◎Particle degradation
◎Assignment to structural elements of particle dispersions
30. NMR
Benfits
Study of nanoparticles dispersions
In Drugs:
-Release properties
-Surface exchange process
-Decomposition pathways
Disadvantages
Poor Sensitivity
Time consuming
37. Notes
◎The dependence of the Stokes shift in the molecular spectra on the
size of organic particles was revealed
◎The restriction for the exchange interactions in organic
nanoparticles brings about an increase in the nonlinear optical
characteristics
◎ It was shown that with the increase in the particle size, the
luminescence decreased
◎Increase in particle size, decrease in luminescense
40. Flourscent organic nanoparticles
◎Organic Light Emitting Diodes (OLED)
◎The photoluminescence of solid nanoparticles was 700 times (!)
more intense than that of its solution
44. Drugs
◎poorly water-soluble drug : Solubility of drugs is one of the
properties that determine their efficacy
◎The calculated and measured solubility values sometimes differed
from 2–3-fold to 20-fold
◎The drug celecoxib , poorly soluble in water
Production of amorphous nanoparticles of this drug measuring 17
nm increased its dissolution rate by 10-fold
45. Conclusion
◎The Problem of stabilizing organic nanoparticles
◎enhancing the efficiency of the methods of their fabrication
◎reducing their cost
◎Now: grinding is only method for manufacturing ONPs
این ارائه در زمینه نانو ذرات آلی است. نانوذرات طبق یک دسته بندی، به دو دسته نانو ذرات آلی و نانو ذرات معدنی تقسیم میشوند. ترجیح بر این است که نانوذرات کربن در حالت های مختلف مانند نانو تیوب، نانو لوله ، فولرن و سایر ترکیبات مشابه، در دسته نانوذرات معدنی قرار گیرند. البته در بعضی از دسته بندی ها ، در دسته نانو ذرات آلی قرار گرفته اند. در این ارائه ما از بررسی نانوذرات کربن خالص در حالت های مختلف صرفنظر میکنیم. علی رغم پیشرفته علم و فربه شدن دانش در زمینه نانو ذرات معدنی و فلزی، در زمینه نانوذرات آلی کمتر کار شده است.
کلید مطالعه نانوذرات : بررسی اثرات اندازه در مقیاس نانو و خواص جدیدی است که در این ابعاد ظاهر میشود.
نانوذرات آلی، ترکیباتی در ابعاد نانو هستند که اتم های کربند و هیدروژن دارند. علاوه بر آن میتوانند اتم های گوگرد، اکسیژن، فسفر و هالوژن ها را نیز در ساختار خود داشته باشند.
روشهای متعددی برای سنتز نانوذرات وجود دارد. اما خواص و ویژگی های نانو ذرات دارند ما را محدود به انتخاب روشهای خاصی از میان روشهای موجود میکند.
دو استراتژی برای سنتز نانو ذرات و به تبعیت از آن، نانو ذرات آلی وجود دارد.
استراژی بالا به پایین: از ذرات با ابعاد بزر به ذرات با ابعاد در مقیاس نانو برسیم. روش های این حوزه روش های فیزیکی قرار می گیرند.
استراتژی پایین به بالا: از ذرات مولکولی، به ذراتی با ابعاد نانو برسیم. روش های موجود در این استراتژی در حوزه روش های شیمیایی دسته بندی می شوند.
دو دسته کلی آسیاب خشک و تر وجود دارد. روش آسیاب خشک معمول تر است.
با افزودن PVP یا سلولز اترها به ترکیباتی که در آسیاب کردن در روش خشک به شکل خالص خواص آنها تغییر میکند و ناپایدار میشوند، میتوان به ابعاد پایین تری از این ذرات دست یافت. یکی از ویژگی های این کار باردار شدن ذرات است که از تجمع آنها جلوگیری میکند.
روش آسیاب دارای عیوبی نیز هست. در روش تر، عدم کنترل کریستال سازی دوباره یکی از عیوب است. همینطور عدم کنترل در ابعاد و پهن شدن نمواد تعداد ذرات با قطر خاص نیز مشکل دیگری است. ورود قطعاتی از گلوله های آسیاب کننده در روش خشک به ذرات آسیاب شده میتواند سبب ایجاد ناخالصی گردد. تخریب ساختار به دلیل حرارت تولید شده در آسیاب نیز یکی از عیوب است. امکان حضور ذراتی با ابعاد بزرگ علی رغم آسیاب کردن آنها نیز میتوان از مشکلات این روش باشد.
سوسپانسیونی از ذرات میکروکریستالی ماده مورد نظر تهیه میکنیم. اشعه لیزر را به آن می تابانیم. سوپانسیون به تدریج به یک محلول کلوئیدی شفاف تبدیل میشود.
با این روش میتوان محلول کلوئیدی نانویی بدون پایدار کننده تهیه کرد.
امولسیون داغ حاوی نانو ذرات حل شوند در فاز آلی و فاز آلی که امولسیون شده است را به تدریج سرد میکنم. حلال قابلیت تبخیر دارد.
به تدریج هسته زایی آغاز میشود و نانو ذره ها وارد فاز آبی میشوند.
نانو قطره هایی برای مثال با روش فراصوت تولید میشود که هسته زایی منجر به تولید نانو ذره میشود.
پارابن: مخفف پارا بنزوئیک اسید، نگهدارنده، حدود 85 سال پیش معرفی شده اند و تا امروزز پر کاربرد هستند.
هرچه طول زنجیر آلکیل افزایش پیدا کند، انحلال پذیری آن کاهش می یابد. در ترکیبات آرایشی دو فاز ، در فاز آبی متیل و در فاز آلی پروپیل پارابن وجود دارد.
حساسیت زا است و شواهدی از آن در ارتباط با سرطان سینه یافت شده است.
سرعت انجماد بر روی تصعید اثر میگذارد.
یک سرعت انجماد بحرانی داریم که در کمتر از آن سرعت ، ذرات به صورت توده ای مجتمع میشوند.
(H1)-C13 cross-polarization spectrum of cetyl pamitate nanospheres dispersed in water at room temperature
(b) (1H)-C13 cross-polarization spectrum of cetyl pamitate nanospheres after immobilization (removal of excess water)
(c) High resolution C13 spectrum (de) of cetyl palmitate dissolved in chloroform. The insets depict the molecular structure of cetyl palmitate and the relevant pulse programs, the resonance frequency for protons is 400 MHz in all cases.
Experimental (H1)-C13 cross-polarization spectra of poly-3-caprolactone nanospheres in aqueous dispersion after different freezing histories (uz100 MHz, full proton decoupling):
dispersion after 4 weeks storage at room temperature,
(b) after freezing for 1 h and thawing,
(c) after freezing for 22 h and thawing,
(d) after two freezing/thawing cycles.
The signals at 23 and 45 ppm correspond to the surfactant polyvinyl alcohol and residual polyvinyl acetate, respectively.
UV-Vis absorption spectra of dispersions of nanoparticles of compound 5 in water (1 to 5) and of a solution (C = 16105 M) in ethanol (6), particle size/nm: (1) 20; (2) 50; (3) 105; (4) 190; (5) 310.
P(CT): charge transfer
Batho chromic shift (to longer wavelength) with increase size
Changes in fluorescence spectrum of 1(FONs) (20 µM) in aqueous medium upon: (A) addition of 50 µM of a particular metal nitrate salts in aqueous medium; (B) addition of 50 µM of a particular anion as tetrabutylammonium salts in aqueous medium. Fluorescent Organic Nanoparticles (FONs) of Imine-Linked Peptide for Detection of Cr3+ in Aqueous Medium