Paracetamol-Loaded Poly(ε-caprolactone) Layered Silicate Nanocomposites

The work described in this paper demonstrates a combined novel approach to the preparation of drug loaded poly(e-caprolactone) layered silicate nanocomposites using hot melt extrusion, a continuous process in contrast to the normal batch type processing used to prepare polymeric drug delivery systems, and most significantly the use of high surface area, large aspect ratio inorganic nanoplatelets to retard drug release. The methodology and results described in this article are significant and could equally be applied to the controlled/retarded release of any bio-active molecule (pharmaceutical, nutraceutical, protein, DNA/iRNA, anti-microbial, anti-coagulant, etc.) from biopolymers and the production of medical devices from such composite materials.

Synthesis and characterization of structurally well-defined polymer-layered silicate nanocomposites

Zusammenfassung Nanokomposite aus Polymeren und Schichtsilikaten werden zumeist auf der Basis natürlicher Tone wie Montmorillonit hergestellt. Für NMR- und EPR-Untersuchungen der Tensidschicht, die das Silikat mit dem Polymer kompatibilisiert, ist der Eisengehalt natürlicher Tone jedoch abträglich, weil er zu einer Verkürzung der Relaxationszeiten und zu einer Linienverbreiterung in den Spektren führt. Dieses Problem konnte überwunden werden, indem als Silikatkomponente eisenfreies, strukturell wohldefiniertes Magadiit hydrothermal synthetisiert und für die Kompositbildung eingesetzt wurde. Die Morphologie des Magadiits wurde durch Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert und der Interkalationsgrad von schmelzinterkalierten Polymer-Nanokompositen wurde durch Weitwinkelröntgenstreuung bestimmt. Polymere mit Carbonylgruppen scheinen leichter zu interkalieren als solche ohne Carbonylgruppen. Polycaprolacton interkalierte sowohl in Oragnomagadiite auf der Basis von Ammoniumtensiden als auch in solche auf der Basis von Phosphoniumtensiden. Die Dynamik auf einer Nanosekundenzeitskala und die Struktur der Tensidschicht wurden mittels ortsspezifisch spinmarkierter Tensidsonden unter Nutzung von Dauerstrich- (CW) und Puls-Methoden der elektronenparamagnetischen Resonanzspektroskopie (EPR) untersucht. Zusätzlich wurde die statische 2H-Kernmagnetresonanz (NMR) an spezifisch deuterierten Tensiden angewendet, um die Tensiddynamik auf einer komplementären Zeitskala zwischen Mikrosekunden und Millisekunden zu erfassen. Sowohl die CW-EPR- als auch die 2H-NMR-Ergebnisse zeigen eine Beschleunigung der Tensiddynamik durch Interkalation von Polycaprolacton auf, während sich in den nichtinterkalierten Mikrokompositen mit Polystyrol die Tensiddynamik verlangsamt. Die Rotationskorrelationszeiten und Aktivierungsenergien offenbaren verschiedene Regime der Tensiddynamik. In Polystyrol-Mikrokompositen entspricht die Übergangstemperatur zwischen den Regimen der Glasübergangstemperatur von Polystyrol, während sie in Polycaprolacton-Nanokompositen bei der Schmelztemperatur von Polycaprolacton liegt. Durch die erhebliche Verlängerung der Elektronenspin-Relaxationszeiten bei Verwendung von eisenfreiem Magadiit können Messdaten hoher Qualität mit Puls-EPR-Experimenten erhalten werden. Insebsondere wurden die Vier-Puls-Elektron-Elektron-Doppelresonanz (DEER), die Elektronenspinechoenveloppenmodulation (ESEEM) und die Elektronen-Kern-Doppelresonanz (ENDOR) an spinmarkierten sowie spezifisch deuterierten Tensiden angewandt. Die ENDOR-Ergebnisse legen ein Model der Tensidschicht nahe, in dem zusätzlich zu den Oberflächenlagen auf dem Silikat eine wohldefinierte mittlere Lage existiert. Dieses Modell erklärt auch Verdünnungseffekte durch das Polymer in Kompositen mit Polycaprolacton und Polystyrol. Die umfangreiche Information aus den Magnetresonanztechniken ergänzt die Information aus konventionellen Charakterisierungstechniken wie Röntgendiffraktion und Transmissionselektronenmikroskopie und führt so zu einem detaillierteren Bild der Struktur und Dynamik der Tensidschicht in Nanokompositen aus Polymeren und Schichtsilikaten.

Layered silicate nanocomposites based on various high-functionality epoxy resins. Part II: The influence of an organoclay on the rheological behavior of epoxy prepolymers

The effect of an organically surface modified layered silicate on the viscosity of various epoxy resins of different structures and different functionalities was investigated. Steady and dynamic shear viscosities of the epoxy resins containing 0-10 wt% of the organoclay were determined using parallel plate rheology. Viscosity results were compared with those achieved through addition of a commonly used micron-sized CaCO3 filler. It was found that changes in viscosities due to the different fillers were of the same order, since the layered silicate was only dispersed on a micron-sized scale in the monomer (prior to reaction), as indicated by X-ray diffraction measurements. Flow activation energies at a low frequency were determined and did not show any significant changes due to the addition of organoclay or CaCO3. Comparison between dynamic and steady shear experiments showed good agreement for low layered silicate concentrations below 7.5 wt%, i.e. the Cox-Merz rule can be applied. Deviations from the Cox-Merz rule appeared at and above 10 wt%, although such deviations were only slightly above experimental error. Most resin organoclay blends were well predicted by the Power Law model, only concentrations of 10 wt% and above requiring the Herschel-Buckley (yield stress) model to achieve better fits. Wide-angle X-ray measurements have shown that the epoxy resin swells the layered silicate with an increase in the interlayer distance of approximately 15 Angstrom, and that the rheology behavior is due to the lateral, micron-size of these swollen tactoids.

Layered silicate nanocomposites based on various high-functionality epoxy resins: The influence of an organoclay on resin cure

The influence of an organically modified clay on the curing behavior of three epoxy systems widely used in the aerospace industry and of different structures and functionalities, was studied. Diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA), triglycidyl p-amino phenol (TGAP) and tetraglycidyl diamino diphenylmethane (TGDDM) were mixed with an octadecyl ammonium ion modified organoclay and cured with diethyltoluene diamine (DETDA). The techniques of dynamic mechanical thermal analysis (DMTA), chemorheology and differential scanning calorimetry (DSC) were applied to investigate gelation and vitrification behavior, as well as catalytic effects of the clay on resin cure. While the formation of layered silicate nanocomposite based on the bifunctional DGEBA resin has been previously investigated to some extent, this paper represents the first detailed study of the cure behavior of different high performance, epoxy nanocomposite systems.

Effect of different preparation routes on the structure and properties of rigid polyurethane-layered silicate nanocomposites

To identify the effect of reactive preparation on the structure and properties of rigid polyurethane (PU)layered silicate nanocomposite, a range of nanocomposites were prepared by combining the various precursors in different sequences. The morphology of the samples was characterized by XRD and TEM. Tensile properties and dynamic mechanical thermal properties were measured. The reactions between the layered silicates and PU precursors were monitored via FTIR to gain an understanding of the participation of nanofiller in the polymerization reaction, and the impact of this on system stoichiometry. The XRD and TEM results provided evidence that morphology can differ significantly if different synthesis methods are used. However, the mechanical properties are dominated by the stoichiometry imbalance induced by the addition of the layered silicates. (c) 2006 Wiley Periodicals, Inc.