تخليق الهلام المائي المركب النانوي باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية
الهلاميات المائية المركبة النانوية أو الهلاميات النانوية هي بُنى ذات 3 أبعاد متعددة الوظائف تتمتع بفعالية عالية بوصفها حوامل للأدوية وأنظمة لتوصيل الأدوية ذات التحرر المتحكم فيه. تعزز المعالجة بالموجات فوق الصوتية تشتيت جسيمات الهلام المائي البوليمرية ذات الحجم النانوي، وكذلك احتواء الجسيمات النانوية أو إدماجها لاحقًا في هذه البُنى البوليمرية.
تخليق الهلاميات النانوية بالموجات فوق الصوتية
الهلاميات المائية المركبة النانوية هي بُنى مادية ثلاثية الأبعاد، ويمكن تصميمها لإظهار خصائص محددة، مما يجعلها حوامل فعالة للأدوية وأنظمة لتوصيل الأدوية ذات التحرر المتحكم فيه. تعزز المعالجة بالموجات فوق الصوتية تخليق جسيمات ذات حجم نانوي معدَّلة وظيفيًا، وكذلك احتواء الجسيمات النانوية أو إدماجها لاحقًا في بُنى بوليمرية ثلاثية الأبعاد. ونظرًا إلى أن الهلاميات النانوية المخلَّقة بالموجات فوق الصوتية تستطيع احتجاز المركبات النشطة حيويًا داخل نواتها النانوية، فإن هذه الهلاميات المائية ذات الحجم النانوي توفر وظائف متميزة.
الهلاميات النانوية هي مشتتات مائية لجسيمات هلام مائي نانوية مترابطة تشابكيًا بوسائل فيزيائية أو كيميائية لتشكيل شبكة بوليمرية محبة للماء. ونظرًا إلى أن الموجات فوق الصوتية عالية الأداء تتمتع بكفاءة عالية في إنتاج المشتتات النانوية، فإن أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار تُعد أداة أساسية لإنتاج الهلاميات النانوية ذات الوظائف المتفوقة بسرعة وموثوقية.
جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hdT مع مفاعل زجاجي لتخليق الهلام المائي المركب النانوي
وظائف الهلاميات النانوية المنتجة بالموجات فوق الصوتية
- ثبات غرواني ممتاز ومساحة سطح نوعية كبيرة
- يمكن تحميلها بكثافة بالجسيمات النانوية
- تتيح الجمع بين الجسيمات الصلبة واللينة في هلام نانوي هجين ذي نواة/غلاف
- قدرة عالية على الإماهة
- تعزيز التوافر الحيوي
- خصائص عالية للانتفاخ / زوال الانتفاخ
تُستخدم الهلاميات النانوية المخلَّقة بالموجات فوق الصوتية في العديد من التطبيقات والصناعات، مثل
- التطبيقات الصيدلانية والطبية: مثل حوامل الأدوية، والهلام المضاد للبكتيريا، وضمادات الجروح المضادة للبكتيريا
- الكيمياء الحيوية والطب الحيوي لتوصيل الجينات
- بوصفها مواد مازّة/مازّة حيويًا في التطبيقات الكيميائية والبيئية
- هندسة الأنسجة، إذ تستطيع الهلاميات المائية محاكاة الخصائص الفيزيائية والكيميائية والكهربائية والبيولوجية للعديد من الأنسجة الطبيعية
دراسة حالة: تخليق هلام الزنك النانوي عبر مسار كيميائي صوتي
يمكن تثبيت جسيمات ZnO النانوية الهجينة في هلام Carbopol عبر عملية ميسَّرة بالموجات فوق الصوتية: تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتحفيز ترسيب جسيمات الزنك النانوية، التي تُربط تشابكيًا لاحقًا مع Carbopol بالموجات فوق الصوتية لتكوين هلام مائي نانوي.
قام Ismail et al. (2021) بترسيب جسيمات أكسيد الزنك النانوية عبر مسار كيميائي صوتي ميسَّر. (اطّلع هنا على بروتوكول التخليق الكيميائي الصوتي لجسيمات ZnO النانوية).
بعد ذلك، استُخدمت الجسيمات النانوية لتخليق هلام ZnO النانوي. ولهذا الغرض، شُطفت جسيمات ZnO النانوية المنتجة بماء منزوع الأيونات مرتين. أُذيب 0.5 g من Carbopol 940 في 300 mL من ماء منزوع الأيونات مرتين، ثم أُضيفت جسيمات ZnO النانوية المغسولة حديثًا. ونظرًا إلى أن Carbopol حمضي بطبيعته، فإن المحلول يتطلب معادلة قيمة pH، وإلا فلن تزداد كثافته. لذلك، خضع المزيج لمعالجة مستمرة بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية UP400S بسعة اهتزاز قدرها 95 ودورة قدرها 95% لمدة 1 h. ثم أُضيف 50 mL من ثلاثي ميثيل أمين (TEA) بوصفه عامل معادلة (لرفع pH إلى 7) قطرةً قطرةً مع استمرار المعالجة بالموجات فوق الصوتية حتى تكوّن هلام ZnO الأبيض. بدأت زيادة كثافة Carbopol عندما اقترب pH من قيمة التعادل.
يفسر فريق البحث الآثار الإيجابية الاستثنائية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية على تكوّن الهلام النانوي بتعزيز التفاعل بين الجسيمات. ويعزز التحريك الجزيئي لمكونات مزيج التفاعل، الذي تبدأه الموجات فوق الصوتية، عملية زيادة الكثافة التي تدعمها التفاعلات بين البوليمر والمذيب. كذلك، تعزز المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذوبان Carbopol. إضافةً إلى ذلك، يعزز التشعيع بالموجات فوق الصوتية التفاعل بين البوليمر وجسيمات ZnO النانوية، ويحسن الخصائص اللزجة المرنة لهلام الجسيمات النانوية الهجينة Carbopol/ZnO المحضَّر.
يوضح مخطط التدفق التخطيطي أعلاه تخليق جسيمات ZnO النانوية وهلام الجسيمات النانوية الهجينة Carbopol/ZnO. استُخدم في الدراسة جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP400St لترسيب جسيمات ZnO النانوية وتكوين الهلام النانوي. (مقتبس بتصرف من Ismail et al., 2021)
جسيمات ZnO النانوية المخلَّقة بطريقة الترسيب الكيميائي تحت تأثير المعالجة بالموجات فوق الصوتية، حيث تمثل (a) الجسيمات في المحلول المائي، وتمثل (b) الجسيمات المشتتة بالموجات فوق الصوتية في هلام مائي مستقر قائم على Carbopol.
(الدراسة والصورة: Ismail et al., 2021)
دراسة حالة: تحضير هلام نانوي من بولي(حمض الميثاكريليك)/المونتموريلونيت (PMA/nMMT) بالموجات فوق الصوتية
أثبت Khan et al. (2020) نجاح تخليق هلام مائي مركب نانوي من بولي(حمض الميثاكريليك)/المونتموريلونيت (PMA/nMMT) عبر بلمرة الأكسدة والاختزال بمساعدة الموجات فوق الصوتية. في الإجراء المعتاد، شُتت 1.0 g من nMMT في 50 mL من الماء المقطر باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية لمدة 2 h لتكوين مشتت متجانس. تحسن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تشتيت الطين، مما يعزز الخصائص الميكانيكية وسعة الامتزاز للهلاميات المائية. أُضيف مونومر حمض الميثاكريليك (30 mL) إلى المعلق قطرةً قطرةً. وأُضيف بادئ البلمرة بيرسلفات الأمونيوم (APS) بتركيز (0.1 M) إلى المزيج، ثم أُضيف 1.0 mL من مسرّع TEMED. حُرّك المشتت بقوة لمدة 4 h عند 50°C باستخدام محرّك مغناطيسي. غُسلت الكتلة اللزجة الناتجة بالأسيتون وجُففت لمدة 48 h عند 70°C في فرن. طُحن المنتج الناتج وحُفظ في زجاجة. خُلّقت هلاميات مركبة نانوية مختلفة بتغيير كميات nMMT إلى 0.5 و1.0 و1.5 و2.0 g. وأظهرت الهلاميات المائية المركبة النانوية المحضَّرة باستخدام 1.0 g من nMMT نتائج امتزاز أفضل من بقية المركبات، ولذلك استُخدمت في المزيد من دراسات الامتزاز.
تُظهر الصور المجهرية بتقنية SEM-EDX على اليمين التحليل العنصري والبنيوي للهلاميات النانوية المكوَّنة من المونتموريلونيت (MMT)، والمونتموريلونيت النانوي (nMMT)، وبولي(حمض الميثاكريليك)/المونتموريلونيت النانوي (PMA/nMMT)، وPMA/nMMT المحمَّل بالأموكسيسيلين (AMX) والديكلوفيناك (DF). سُجلت الصور المجهرية بتقنية SEM عند تكبير قدره 1.00 KX، مع تحليل EDX لكل من
- المونتموريلونيت (MMT)،
- المونتموريلونيت النانوي (nMMT)،
- بولي(حمض الميثاكريليك)/المونتموريلونيت النانوي (PMA/nMMT)،
- وPMA/nMMT المحمَّل بالأموكسيسيلين (AMX) والديكلوفيناك (DF).
يُلاحظ أن MMT الخام يمتلك بنية صفائحية ذات طبقات تُظهر وجود حبيبات أكبر. وبعد التعديل، تتقشر صفائح MMT إلى جسيمات دقيقة، وقد يعود ذلك إلى إزالة Si2+ وAl3+ من المواقع ثمانية السطوح. يُظهر طيف EDX الخاص بـ nMMT نسبة عالية من الكربون، وقد يعود ذلك أساسًا إلى المادة الفعالة سطحيًا المستخدمة في التعديل، إذ إن المكوّن الرئيسي لـ CTAB (C19H42BrN) هو الكربون (84%). يُظهر PMA/nMMT بنية متماسكة وشبه مستمرة في كلا الطورين. كذلك، لا تظهر مسام، مما يدل على التقشر الكامل لـ nMMT داخل مصفوفة PMA. وبعد الاستشراب بالجزيئات الدوائية الأموكسيسيلين (AMX) والديكلوفيناك (DF)، تُلاحظ تغيرات في مورفولوجيا PMA/nMMT. يصبح السطح غير متماثل مع ازدياد خشونة النسيج.
استخدام الهلاميات المائية ذات الحجم النانوي القائمة على الطين ووظائفها: يُتصور أن مركبات الهلام المائي النانوية القائمة على الطين يمكن أن تكون مواد مازّة فائقة لالتقاط الملوثات غير العضوية و/أو العضوية من محلول مائي، بفضل الجمع بين خصائص الطين والبوليمرات، مثل قابلية التحلل الحيوي، والتوافق الحيوي، والجدوى الاقتصادية، والوفرة، ومساحة السطح النوعية العالية، والشبكة ثلاثية الأبعاد، وخصائص الانتفاخ / زوال الانتفاخ.
(راجع Khan et al., 2020)
صور مجهرية بتقنية SEM-EDX لكل من (a) MMT، و(b) nMMT، و(c) PMA/nMMT، والهلاميات المائية المركبة النانوية المحمَّلة بـ (d) AMX و(e) DF. حُضرت الهلاميات النانوية باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية.
(الدراسة والصور: ©Khan et al. 2020)
أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لإنتاج الهلام المائي والهلام النانوي
أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لإنتاج الهلام المائي والهلام النانوي
تصنّع Hielscher Ultrasonics معدات عالية الأداء تعمل بالموجات فوق الصوتية لتخليق الهلاميات المائية والهلاميات النانوية ذات الوظائف المتفوقة. بدءًا من أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية الصغيرة والمتوسطة للبحث والتطوير والإنتاج التجريبي، وصولًا إلى الأنظمة الصناعية لتصنيع الهلام المائي تجاريًا بنمط مستمر، توفر Hielscher Ultrasonics جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية المناسب لتلبية متطلباتك لإنتاج الهلام المائي / الهلام النانوي.
- كفاءة عالية
- أحدث التقنيات
- الموثوقية والمتانة
- المعالجة على دفعات وضمن خط الإنتاج
- لأي حجم
- برمجيات ذكية
- ميزات ذكية (مثل تسجيل البيانات)
- تشغيل سهل وآمن
- متطلبات صيانة منخفضة
- CIP (التنظيف في المكان)
يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على سعة المعالجة التقريبية لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 إلى 150L | 3 إلى 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أكبر | مجموعة من أجهزة UIP16000 |
تواصل معنا! / اسألنا!
(الدراسة والفيديو: Rutgeerts et al., 2019)
المؤلفات / المراجع
- Ismail, S.H.; Hamdy, A.; Ismail, T.A.; Mahboub, H.H.; Mahmoud, W.H.; Daoush, W.M. (2021): Synthesis and Characterization of Antibacterial Carbopol/ZnO Hybrid Nanoparticles Gel. Crystals 2021, 11, 1092.
- Khan, Suhail; Fuzail Siddiqui, Mohammad; Khan, Tabrez Alam (2020): Synthesis of poly(methacrylic acid)/montmorillonite hydrogel nanocomposite for efficient adsorption of Amoxicillin and Diclofenac from aqueous environment: Kinetic, isotherm, reusability, and thermodynamic investigations. ACS Omega. 5, 2020. 2843–2855.
- Rutgeerts, Laurens A. J.; Soultan, Al Halifa; Subramani, Ramesh; Toprakhisar, Burak; Ramon, Herman; Paderes, Monissa C.; De Borggraeve, Wim M.; Patterson, Jennifer (2019): Robust scalable synthesis of a bis-urea derivative forming thixotropic and cytocompatible supramolecular hydrogels. Chemical Communications Issue 51, 2019.
حقائق تستحق المعرفة
بروتوكول التخليق الكيميائي الصوتي لجسيمات ZnO النانوية
خُلّقت جسيمات ZnO النانوية باستخدام طريقة الترسيب الكيميائي تحت تأثير التشعيع بالموجات فوق الصوتية. في الإجراء المعتاد، استُخدمت أسيتات الزنك ثنائية الهيدرات (Zn(CH3COO)2·2H2O) بوصفها مادة بادئة، ومحلول أمونيا بتركيز 30–33% (NH3) في محلول مائي (NH4OH) بوصفه عامل اختزال. أُنتجت جسيمات ZnO النانوية بإذابة الكمية المناسبة من أسيتات الزنك في 100 mL من الماء منزوع الأيونات لإنتاج محلول أيونات الزنك بتركيز 0.1 M. ثم عُرّض محلول أيونات الزنك للتشعيع بالموجات فوق الصوتية باستخدام Hielscher UP400S (400 W، 24 kHz، برلين، ألمانيا) بسعة اهتزاز قدرها 79% ودورة قدرها 0.76 لمدة 5 min عند درجة حرارة 40 ◦C. بعد ذلك، أُضيف محلول الأمونيا قطرةً قطرةً إلى محلول أيونات الزنك تحت تأثير الموجات فوق الصوتية. وبعد لحظات قليلة، بدأت جسيمات ZnO النانوية بالترسب والنمو، واستمرت إضافة محلول الأمونيا حتى اكتمال ترسيب جسيمات ZnO النانوية.
غُسلت جسيمات ZnO النانوية الناتجة عدة مرات باستخدام الماء منزوع الأيونات، وتُركت لتستقر. ثم جُفف الراسب الناتج في درجة حرارة الغرفة.
(Ismail et al., 2021)
ما الهلاميات النانوية؟
الهلاميات النانوية أو الهلاميات المائية المركبة النانوية هي نوع من الهلام المائي يدمج جسيمات نانوية، عادةً في نطاق 1–100 نانومتر، في بنيته. ويمكن أن تكون هذه الجسيمات النانوية عضوية أو غير عضوية أو مزيجًا منهما.
تتكون الهلاميات النانوية عبر عملية تُعرف بالربط التشابكي، وتتضمن الربط الكيميائي لسلاسل البوليمر لتشكيل شبكة ثلاثية الأبعاد. ونظرًا إلى أن تكوين الهلاميات المائية والهلاميات النانوية يتطلب مزجًا شاملًا لإماهة البنية البوليمرية، وتعزيز الربط التشابكي، وإدماج الجسيمات النانوية، فإن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية عالية الفعالية لإنتاج الهلاميات المائية والهلاميات النانوية. تستطيع شبكات الهلام المائي والهلام النانوي امتصاص كميات كبيرة من الماء، مما يجعل الهلاميات النانوية عالية الإماهة، ومن ثم مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات مثل توصيل الأدوية، وهندسة الأنسجة، والمستشعرات الحيوية.
تتكون الهلاميات المائية النانوية عادةً من جسيمات نانوية، مثل جسيمات السيليكا أو البوليمر، موزعة في جميع أنحاء مصفوفة الهلام المائي. ويمكن تخليق هذه الجسيمات النانوية بطرق مختلفة، بما في ذلك بلمرة المستحلب، وبلمرة المستحلب العكسي، والتخليق بطريقة السول–جل. وتستفيد عمليات البلمرة والتخليق بطريقة السول–جل هذه استفادة كبيرة من التحريك بالموجات فوق الصوتية.
أما الهلاميات المائية المركبة النانوية، فتتكون من مزيج من هلام مائي وحشوة نانوية، مثل الطين أو أكسيد الغرافين. ويمكن أن تؤدي إضافة الحشوة النانوية إلى تحسين الخصائص الميكانيكية والفيزيائية للهلام المائي، مثل صلابته، ومقاومة الشد، ومتانته. وهنا، تسهّل قدرات التشتيت القوية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية توزيع الجسيمات النانوية بصورة متجانسة ومستقرة في مصفوفة الهلام المائي.
بوجه عام، تتمتع الهلاميات النانوية والهلاميات المائية المركبة النانوية بمجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة في مجالات مثل الطب الحيوي، والمعالجة البيئية، وتخزين الطاقة، بفضل خصائصها ووظائفها الفريدة.
تطبيقات الهلام النانوي في العلاجات الطبية
| نوع الهلام النانوي | الدواء | المرض | النشاط | المراجع |
| هلاميات PAMA-DMMA النانوية | دوكسوروبيسين | السرطان | زيادة معدل التحرر مع انخفاض قيمة pH. سمية خلوية أعلى عند pH 6.8 في دراسات حيوية الخلايا | Du et al. (2010) |
| هلاميات نانوية قائمة على الكيتوسان ومزيَّنة بالهيالورونات | محسسات ضوئية مثل رباعي فينيل البورفيرين رباعي السلفونات (TPPS4)، ورباعي فينيل الكلورين رباعي الكربوكسيلات (TPCC4)، والكلورين e6 (Ce6) | الاضطرابات الروماتيزمية | تلتقطها الخلايا البلعمية الكبيرة بسرعة (4 h)، وتتراكم في سيتوبلازمها وعضياتها | Schmitt et al. (2010) |
| جسيمات PCEC النانوية في هلاميات Pluronic المائية | ليدوكايين | التخدير الموضعي | أنتجت تخديرًا ارتشاحيًا طويل الأمد لمدة نحو 360 min | Yin et al. (2009) |
| جسيمات نانوية من بولي(حمض اللاكتيد المشترك مع حمض الغليكوليك) والكيتوسان مشتتة في هلام HPMC وCarbopol | Spantide II | التهاب الجلد التماسي التحسسي وغيره من الاضطرابات الالتهابية الجلدية | يزيد الهلام النانوي إمكانية توصيل spantide II عبر الجلد | Punit et al. (2012) |
| هلاميات نانوية حساسة لـ pH من بولي فينيل بيروليدون–بولي(حمض الأكريليك) (PVP/PAAc) | بيلوكاربين | الحفاظ على تركيز كافٍ من البيلوكاربين في موضع التأثير لمدة زمنية طويلة | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| بولي(إيثيلين غليكول) وبولي إيثيلين إيمين مرتبطان تشابكيًا | قليلات النوكليوتيد | الأمراض التنكسية العصبية | تُنقل بفعالية عبر الحاجز الدموي الدماغي (BBB). وتزداد كفاءة النقل أكثر عند تعديل سطح الهلام النانوي بالترانسفيرين أو الإنسولين | Vinogradov et al. (2004) |
| هلاميات نانوية من البولولان الحامل للكوليسترول | إنترلوكين-12 فأري مؤتلف | العلاج المناعي للأورام | هلام نانوي ذو تحرر مستدام | Farhana et al. (2013) |
| بولي(N-إيزوبروبيل أكريلاميد) والكيتوسان | علاج السرطان بفرط الحرارة والتوصيل الموجَّه للأدوية | حساس للحرارة وخاضع للمَوْدَلة مغناطيسيًا | Farhana et al. (2013) | |
| شبكة متفرعة مرتبطة تشابكيًا من بولي إيثيلين إيمين وPEG هلام نانوي بوليبلكس | فلودارابين | السرطان | نشاط مرتفع وسمية خلوية منخفضة | Farhana et al. (2013) |
| هلام نانوي متوافق حيويًا من البولولان الحامل للكوليسترول | بوصفه شابرونًا اصطناعيًا | علاج مرض ألزهايمر | تثبيط تجمع بروتين الأميلويد β | Ikeda et al. (2006) |
| هلام DNA نانوي ذو ربط تشابكي ضوئي | المادة الوراثية | العلاج الجيني | توصيل متحكم فيه لـ DNA البلازميدي | Lee et al. (2009) |
| هلام الجسيمات النانوية الهجينة Carbopol/أكسيد الزنك (ZnO) | جسيمات ZnO النانوية | نشاط مضاد للبكتيريا، مثبط للبكتيريا | Ismail et al. (2021) |
جدول مقتبس بتصرف من Swarnali et al., 2017
