Numerical and Experimental Investigations on the Zeta Potential of Different Size Mesoporous Silica Nanoparticles With Different Porous Properties

Abstract

Mesoporous silica nanoparticles (MSN) are utilized by many applications due to their high surface to volume ratio, tunable pore size, low toxicology, and colloidal stability. These properties make silica nanoparticles good candidates for targeted drug delivery applications. Targeted drug delivery steps include cellular internalization, endosomal escape, and cargo release to the selective tissue. The geometric properties of MSN such as particle size, pore size, and porosity, as well as surface chemistry and resulting surface charge density determine the MSN behavior in these steps. This study examines the influence of particle size, pore size, and porosity of an MSN to its surface zeta potential. We performed both numerical and experimental investigations. The zeta potential of various MSNs at different salt concentrations was calculated by solving the Poisson-Nernst-Planck equation with active surface charge boundary conditions considering surface chemistry. We validated our multi-ion model through experiments. Results indicate that zeta potential exhibits a strong dependence on particle size, pore size, and porosity. By increasing porosity and/or pore size, the absolute average zeta potential decreased up to 25% from the theoretical predictions. Second, zeta potentials of silica particles at different sizes and surface areas were experimentally measured at different salt concentrations. Particles were systematically characterized by measuring particle size using Dynamic Light Scattering (DLS), analyzing chemical properties using Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), measuring surface area using Brunauer– Emmett–Teller (BET) analysis, and imaging using Scanning Electron Microscopy (SEM). A well-dispersed solution in colloidal stability was obtained by systematically tuning corresponding parameters. The absolute average zeta potential was found to increase with a decrease in particle size, while zeta potential was found to decrease with a decrease in surface area at a constant particle diameter, similar to numerical calculations.

Mezopor silika nanoparçacıkları (MSN) yüksek yüzey / hacim oranı, ayarlanabilir gözenek boyutu, düşük toksikoloji ve koloidal stabilitesi nedeniyle birçok uygulama tarafından kullanılmaktadır. Bu özellikler, silika nanopartiküllerini, hedeflenen ilaç verme uygulamaları için iyi adaylar kılar. Hedeflenen ilaç verme aşamaları arasında hücresel içselleştirme, endozomal kaçış ve seçici dokuya kargo salımı yer alır. MSN'in parçacık boyutu, gözenek boyutu ve gözeneklilik gibi geometrik özellikleri, yüzey kimyası ve sonuçta oluşan yüzey yük yoğunluğu bu adımlarda MSN davranışını belirler. Bu çalışma, bir MSN'nin parçacık büyüklüğü, gözenek boyutu ve gözenekliliğinin yüzey zeta potansiyeline etkisini incelemektedir. Hem sayısal hem de deneysel araştırmalar yapıldı. Farklı tuz konsantrasyonlarında çeşitli MSN'lerin zeta potansiyeli, yüzey kimyası göz önünde bulundurularak, Poisson-Nernst-Planck denkleminin aktif yüzey yükü sınır koşulları ile çözülmesiyle hesaplanmıştır. Çok iyonlu modelimizi deneylerle doğruladık. Sonuçlar, zeta potansiyelinin parçacık boyutu, gözenek boyutu ve gözenekliliğe güçlü bir bağımlılık gösterdiğini göstermektedir. Gözenekliliği ve/veya gözenek boyutunu artırarak, mutlak ortalama zeta potansiyelini teorik tahminlerden% 25'e kadar azalmıştır. İkinci olarak, farklı boyutlarda ve yüzey alanlarındaki silika parçacıklarının zeta potansiyelleri, farklı tuz konsantrasyonlarında deneysel olarak ölçülmüştür. Parçacıklar sistematik olarak Dinamik Işık Saçılımı (DLS) kullanılarak parçacık boyutunun ölçülmesi, Fourier Dönüşümü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) kullanılarak kimyasal özelliklerin analiz edilmesi, Brunauer – Emmett – Teller (BET) analizi kullanılarak yüzey alanının ölçülmesi ve Taramalı Elektron Mikroskobu ( SEM) ile görüntü alınması gibi deneysel adımlara tabi tutulmuştur. Kolloidal stabilitede iyi dağılmış bir çözelti, karşılık gelen parametrelerin sistematik olarak ayarlanmasıyla elde edildi. Mutlak ortalama zeta potansiyelinin parçacık boyutunda bir azalma ile arttığı, zeta potansiyelinin ise sayısal hesaplamalara benzer şekilde sabit bir parçacık çapındaki yüzey alanında bir azalma ile azaldığı bulunmuştur.