Ultrasəs emalı ilə nanokompozit hidrogel sintezi
Nanokompozit hidrogellər və ya nanogellər dərman daşıyıcıları və idarə olunan buraxılışlı dərman çatdırılması sistemləri kimi yüksək effektivliyə malik çoxfunksiyalı 3D strukturlardır. Ultrasəs emalı nanoölçülü polimer hidrogel hissəciklərinin dispersləşdirilməsini, həmçinin nanohissəciklərin sonradan bu polimer strukturlara daxil edilməsini təşviq edir.
Nanogellərin ultrasəslə sintezi
Nanokompozit hidrogellər üçölçülü material strukturlarıdır və müəyyən xüsusiyyətlərə malik olacaq şəkildə layihələndirilə bilər; bu da onları effektiv dərman daşıyıcılarına və idarə olunan buraxılışlı dərman çatdırılması sistemlərinə çevirir. Ultrasəs emalı funksionallaşdırılmış nanoölçülü hissəciklərin sintezini, həmçinin nanohissəciklərin sonradan üçölçülü polimer strukturlara daxil edilməsini təşviq edir. Ultrasəslə sintez edilmiş nanogellər bioaktiv birləşmələri nanoölçülü nüvələrinin daxilində saxlaya bildiyindən, bu nanoölçülü hidrogellər geniş funksional imkanlar təqdim edir.
Nanogellər hidrofil polimer şəbəkəsi şəklində fiziki və ya kimyəvi olaraq çarpaz bağlanmış hidrogel nanohissəciklərinin sulu dispersiyalarıdır. Yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs nanodispersiyaların hazırlanmasında çox effektiv olduğundan, zond tipli ultrasəs cihazları üstün funksional xüsusiyyətlərə malik nanogellərin sürətli və etibarlı istehsalı üçün mühüm vasitədir.
UIP1000hdT ultrasəs cihazı nanokompozit hidrogel sintezi üçün şüşə reaktorla
Ultrasəslə hazırlanmış nanogellərin funksional xüsusiyyətləri
- əla kolloid sabitlik və böyük xüsusi səth sahəsi
- nanohissəciklərlə sıx şəkildə doldurula bilər
- hibrid nüvə/qabıq nanogelində sərt və yumşaq hissəcikləri birləşdirməyə imkan verir
- yüksək hidratlaşma potensialı
- biomənimsənilmənin artırılması
- yüksək şişmə / şişmənin geri dönməsi xüsusiyyətləri
Ultrasəslə sintez edilmiş nanogellər çoxsaylı tətbiqlərdə və sənaye sahələrində istifadə olunur, məsələn:
- əczaçılıq və tibbi tətbiqlərdə: məsələn, dərman daşıyıcısı, antibakterial gel, antibakterial yara sarğısı kimi
- biokimya və biotibbdə genlərin çatdırılması üçün
- kimyəvi və ətraf mühitlə bağlı tətbiqlərdə adsorbent/biosorbent kimi
- toxuma mühəndisliyində, çünki hidrogellər bir çox təbii toxumanın fiziki, kimyəvi, elektrik və bioloji xüsusiyyətlərini təqlid edə bilər
Tədqiqat nümunəsi: sonokimyəvi üsulla sink nanogelinin sintezi
ZnO hibrid nanohissəcikləri sadə ultrasəs prosesi ilə Carbopol gelində sabitləşdirilə bilər: ultrasəs emalı sink nanohissəciklərinin çökməsini təmin etmək üçün istifadə olunur; bu hissəciklər sonradan nanohidrogel yaratmaq üçün ultrasəs vasitəsilə Carbopol ilə çarpaz bağlanır.
Ismail et al. (2021) sadə sonokimyəvi üsulla sink oksid nanohissəciklərini çökdürmüşlər. (ZnO nanohissəciklərinin sonokimyəvi sintezi protokolunu burada tapa bilərsiniz).
Sonradan nanohissəciklər ZnO nanogelinin sintezində istifadə edilmişdir. Bunun üçün hazırlanmış ZnO nanohissəcikləri iki dəfə deionlaşdırılmış su ilə yuyulmuşdur. 0,5 g Carbopol 940 iki dəfə deionlaşdırılmış 300 mL suda həll edilmiş, sonra təzəcə yuyulmuş ZnO nanohissəcikləri əlavə olunmuşdur. Carbopol təbii olaraq turş olduğundan, məhlulun pH qiymətinin neytrallaşdırılması tələb olunur, əks halda məhlul qatılaşmaz. Buna görə qarışıq Hielscher UP400S ultrasəs cihazından istifadə edilərək 95 amplitudada və 95% sikldə 1 h ərzində fasiləsiz ultrasəs emalına məruz qoyulmuşdur. Sonra neytrallaşdırıcı vasitə kimi 50 mL trimetilamin (TEA) (pH-ı 7-yə yüksəldərək) ağ ZnO geli əmələ gələnədək fasiləsiz ultrasəs emalı altında damcı-damcı əlavə edilmişdir. Carbopol-un qatılaşması pH neytral pH-a yaxın olduqda başlamışdır.
Tədqiqat qrupu ultrasəs emalının nanogel əmələ gəlməsinə fövqəladə dərəcədə müsbət təsirlərini hissəciklərarası qarşılıqlı təsirin güclənməsi ilə izah edir. Reaksiya qarışığının komponentlərində ultrasəslə başladılan molekulyar hərəkət polimer–həlledici qarşılıqlı təsirlərinin təşviq etdiyi qatılaşma prosesini gücləndirir. Bundan əlavə, ultrasəs emalı Carbopol-un həll olmasını təşviq edir. Həmçinin ultrasəs dalğaları ilə şüalanma polimer–ZnO nanohissəcikləri arasındakı qarşılıqlı təsiri gücləndirir və hazırlanmış Carbopol/ZnO hibrid nanohissəcik gelinin özlü-elastik xüsusiyyətlərini yaxşılaşdırır.
Yuxarıdakı sxematik axın diaqramı ZnO nanohissəciklərinin və Carbopol/ZnO hibrid nanohissəcik gelinin sintezini göstərir. Tədqiqatda ZnO nanohissəciklərinin çökdürülməsi və nanogel əmələ gəlməsi üçün UP400St ultrasəs cihazından istifadə edilmişdir. (Ismail et al., 2021 əsasında uyğunlaşdırılmışdır)
Ultrasəs emalının təsiri altında kimyəvi çökdürmə üsulu ilə sintez edilmiş ZnO nanohissəcikləri: (a) sulu məhlulda olan, (b) isə ultrasəslə sabit Carbopol əsaslı hidrogelə dispersləşdirilmiş hissəciklərdir.
(tədqiqat və şəkil: Ismail et al., 2021)
Tədqiqat nümunəsi: poli(metakril turşusu)/montmorillonit (PMA/nMMT) nanogelinin ultrasəslə hazırlanması
Khan et al. (2020) ultrasəs dəstəkli oksidləşmə-reduksiya polimerləşməsi ilə poli(metakril turşusu)/montmorillonit (PMA/nMMT) nanokompozit hidrogelinin uğurlu sintezini nümayiş etdirmişlər. Tipik olaraq, homogen dispersiya yaratmaq üçün 1,0 g nMMT 50 mL distillə edilmiş suda 2 h ərzində ultrasəslə dispersləşdirilmişdir. Ultrasəs emalı gilin dispersləşdirilməsini yaxşılaşdırır, nəticədə hidrogellərin mexaniki xüsusiyyətləri və adsorbsiya tutumu artır. Metakril turşusu monomeri (30 mL) suspenziyaya damcı-damcı əlavə edilmişdir. Qarışığa inisiator ammonium persulfat (APS) (0,1 M), ardınca isə 1,0 mL TEMED sürətləndiricisi əlavə edilmişdir. Dispersiya maqnit qarışdırıcı ilə 50°C temperaturda 4 h ərzində intensiv qarışdırılmışdır. Alınmış özlü kütlə asetonla yuyulmuş və sobada 70°C temperaturda 48 h ərzində qurudulmuşdur. Alınmış məhsul üyüdülmüş və şüşə qabda saxlanmışdır. nMMT miqdarını 0,5, 1,0, 1,5 və 2,0 g arasında dəyişməklə müxtəlif nanokompozit gellər sintez edilmişdir. 1,0 g nMMT istifadə edilərək hazırlanmış nanokompozit hidrogellər digər kompozitlərdən daha yaxşı adsorbsiya nəticələri göstərmiş və buna görə sonrakı adsorbsiya tədqiqatında istifadə edilmişdir.
Sağdakı SEM-EDX mikroqrafiyaları montmorillonit (MMT), nano-montmorillonit (nMMT), poli(metakril turşusu)/nano-montmorillonit (PMA/nMMT) və amoksisillin (AMX) və diklofenak (DF) yüklənmiş PMA/nMMT-dən ibarət nanogellərin element və struktur təhlilini göstərir. 1,00 KX böyütmə ilə qeydə alınmış SEM mikroqrafiyaları və EDX təhlilləri aşağıdakı materiallara aiddir:
- montmorillonit (MMT),
- nano-montmorillonit (nMMT),
- poli(metakril turşusu)/nano-montmorillonit (PMA/nMMT),
- həmçinin amoksisillin (AMX) və diklofenak (DF) yüklənmiş PMA/nMMT.
Xam MMT-nin daha iri dənələrin mövcudluğunu göstərən laylı təbəqə strukturuna malik olduğu müşahidə edilir. Modifikasiyadan sonra MMT təbəqələri kiçik hissəciklərə laylara ayrılır; bu, Si2+ və Al3+ ionlarının oktaedrik mövqelərdən çıxarılması ilə əlaqədar ola bilər. nMMT-nin EDX spektri karbonun yüksək faizini göstərir; bu, əsasən modifikasiya üçün istifadə edilmiş səthi aktiv maddə ilə əlaqədar ola bilər, çünki CTAB-ın (C19H42BrN) əsas tərkib hissəsi karbondur (84%). PMA/nMMT bütöv və demək olar ki, birgə fasiləsiz struktura malikdir. Bundan əlavə, heç bir məsamə görünmür; bu, nMMT-nin PMA matrisi daxilində tam laylara ayrıldığını göstərir. Amoksisillin (AMX) və diklofenak (DF) dərman molekullarının sorbsiyasından sonra PMA/nMMT morfologiyasında dəyişikliklər müşahidə olunur. Səthin teksturası daha nahamar olur və səth asimmetrikləşir.
Gil əsaslı nanoölçülü hidrogellərin istifadəsi və funksional xüsusiyyətləri: gil əsaslı hidrogel nanokompozitləri həm gillərin, həm də polimerlərin bioloji parçalanma, biouyğunluq, iqtisadi səmərəlilik, bolluq, yüksək xüsusi səth sahəsi, üçölçülü şəbəkə və şişmə / şişmənin geri dönməsi kimi xüsusiyyətlərini birləşdirdiyinə görə sulu məhluldan qeyri-üzvi və/və ya üzvi çirkləndiricilərin tutulması üçün potensial superadsorbentlər kimi nəzərdə tutulur.
(müqayisə edin: Khan et al., 2020)
(a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT və (d) AMX və (e) DF yüklənmiş nanokompozit hidrogellərin SEM-EDX mikroqrafiyaları. Nanogellər ultrasəs emalı ilə hazırlanmışdır.
(tədqiqat və şəkillər: ©Khan et al. 2020)
Hidrogel və nanogel istehsalı üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs cihazları
Hidrogel və nanogel istehsalı üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs cihazları
Hielscher Ultrasonics üstün funksional xüsusiyyətlərə malik hidrogellərin və nanogellərin sintezi üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs avadanlıqları istehsal edir. Kiçik və orta ölçülü tədqiqat və işlənmə və pilot ultrasəs cihazlarından fasiləsiz rejimdə kommersiya məqsədli hidrogel istehsalı üçün sənaye sistemlərinə qədər Hielscher Ultrasonics hidrogel / nanogel istehsalına dair tələblərinizi qarşılayacaq uyğun ultrasəs prosessoruna malikdir.
- yüksək səmərəlilik
- ən müasir texnologiya
- etibarlılıq və möhkəmlik
- partiya ilə və axın xəttində emal
- istənilən həcm üçün
- ağıllı proqram təminatı
- ağıllı funksiyalar (məsələn, məlumatların protokollaşdırılması)
- istifadəsi asan və təhlükəsizdir
- az texniki xidmət tələb edir
- CIP (yerində təmizləmə)
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal gücü barədə məlumat verir:
| Partiya həcmi | Axın sürəti | Tövsiyə olunan cihazlar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha yüksək | klaster şəklində UIP16000 |
Bizimlə əlaqə saxlayın! / Bizə sual verin!
(Tədqiqat və video: Rutgeerts et al., 2019)
Ədəbiyyat / İstinadlar
- 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.
Bilməyə dəyər faktlar
ZnO nanohissəciklərinin sonokimyəvi sintezi protokolu
ZnO nanohissəcikləri ultrasəs şüalanmasının təsiri altında kimyəvi çökdürmə üsulu ilə sintez edilmişdir. Tipik prosedurda ilkin maddə kimi sink asetat dihidrat (Zn(CH3COO)2·2H2O), reduksiyaedici vasitə kimi isə sulu məhlulda (NH4OH) 30–33%-li ammonyak məhlulu (NH3) istifadə edilmişdir. ZnO nanohissəcikləri 0,1 M sink ionları məhlulu almaq üçün müvafiq miqdarda sink asetatın 100 mL deionlaşdırılmış suda həll edilməsi ilə hazırlanmışdır. Sonra sink ionları məhlulu Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Almaniya) istifadə edilərək 79% amplitudada və 0,76 sikldə, 40 ◦C temperaturda 5 min ərzində ultrasəs dalğaları ilə şüalanmaya məruz qoyulmuşdur. Daha sonra ultrasəs dalğalarının təsiri altında sink ionları məhluluna ammonyak məhlulu damcı-damcı əlavə edilmişdir. Bir neçə an sonra ZnO nanohissəcikləri çökməyə və böyüməyə başlamış, ZnO nanohissəcikləri tam çökənədək ammonyak məhlulu fasiləsiz əlavə edilmişdir.
Alınmış ZnO nanohissəcikləri bir neçə dəfə deionlaşdırılmış su ilə yuyulmuş və çökmələri üçün saxlanmışdır. Daha sonra alınmış çöküntü otaq temperaturunda qurudulmuşdur.
(Ismail et al., 2021)
Nanogellər nədir?
Nanogellər və ya nanokompozit hidrogellər adətən 1–100 nanometr diapazonunda olan nanohissəcikləri öz strukturlarına daxil edən hidrogel növüdür. Bu nanohissəciklər üzvi, qeyri-üzvi və ya hər ikisinin birləşməsi ola bilər.
Nanogellər üçölçülü şəbəkə yaratmaq üçün polimer zəncirlərinin kimyəvi bağlanmasını əhatə edən, çarpaz bağlanma adlanan proses vasitəsilə əmələ gəlir. Hidrogellərin və nanogellərin əmələ gəlməsi polimer strukturunu hidratlaşdırmaq, çarpaz bağlanmanı təşviq etmək və nanohissəcikləri daxil etmək üçün hərtərəfli qarışdırma tələb etdiyindən, ultrasəs emalı hidrogel və nanogel istehsalı üçün çox effektiv üsuldur. Hidrogel və nanogel şəbəkələri böyük miqdarda su uda bilir; bu, nanogelləri yüksək dərəcədə hidratlaşdırır və beləliklə, onları dərmanların çatdırılması, toxuma mühəndisliyi və biosensorlar kimi geniş tətbiq sahələri üçün uyğun edir.
Nanogel hidrogelləri adətən hidrogel matrisi boyunca dispersləşdirilmiş silisium dioksid və ya polimer hissəcikləri kimi nanohissəciklərdən ibarətdir. Bu nanohissəciklər emulsiya polimerləşməsi, tərs emulsiya polimerləşməsi və sol-gel sintezi daxil olmaqla müxtəlif üsullarla sintez edilə bilər. Bu polimerləşmə və sol-gel sintezi prosesləri ultrasəslə qarışdırmadan böyük fayda görür.
Nanokompozit hidrogellər isə hidrogel və gil və ya qrafen oksidi kimi nanodoldurucunun birləşməsindən ibarətdir. Nanodoldurucunun əlavə edilməsi hidrogelin sərtlik, dartılma möhkəmliyi və sınmaya davamlılıq kimi mexaniki və fiziki xüsusiyyətlərini yaxşılaşdıra bilər. Burada ultrasəs emalının güclü dispersləşdirmə imkanları nanohissəciklərin hidrogel matrisi daxilində bərabər və sabit paylanmasını asanlaşdırır.
Ümumilikdə, nanogel və nanokompozit hidrogellər özünəməxsus xüsusiyyətləri və funksional imkanları sayəsində biotibb, ətraf mühitin bərpası və enerjinin saxlanması kimi sahələrdə geniş potensial tətbiqlərə malikdir.
Nanogelin tibbi müalicələrdə tətbiqləri
| Nanogel növü | Dərman | Xəstəlik | Aktivlik | İstinadlar |
| PAMA-DMMA nanogelləri | Doksorubisin | Xərçəng | pH qiyməti azaldıqca buraxılış sürətinin artması. Hüceyrə həyat qabiliyyəti tədqiqatlarında pH 6,8-də daha yüksək sitotoksiklik | Du et al. (2010) |
| Hialuronatla bəzədilmiş xitozan əsaslı nanogellər | Tetra-fenil-porfirin-tetra-sulfonat (TPPS4), tetra-fenil-xlorin-tetra-karboksilat (TPCC4) və xlorin e6 (Ce6) kimi fotosensibilizatorlar | Revmatik xəstəliklər | Makrofaqlar tərəfindən sürətlə (4 h) qəbul olunur və onların sitoplazmasında və orqanellərində toplanır | Schmitt et al. (2010) |
| Pluronic hidrogellərində PCEC nanohissəcikləri | Lidokain | Yerli anesteziya | Təxminən 360 min davam edən uzunmüddətli infiltrasiya anesteziyası yaratmışdır | Yin et al. (2009) |
| HPMC və Carbopol gelində dispersləşdirilmiş poli(laktid-ko-qlikol turşusu) və xitozan nanohissəciyi | Spantide II | Allergik kontakt dermatit və dərinin digər iltihabi xəstəlikləri | Nanogel spantide II-nin dəri vasitəsilə çatdırılması potensialını artırır | Punit et al. (2012) |
| pH-a həssas polivinilpirrolidon-poli(akril turşusu) (PVP/PAAc) nanogelləri | Pilokarpin | Pilokarpinin təsir yerində adekvat konsentrasiyasını uzun müddət saxlayır | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Çarpaz bağlanmış poli(etilenqlikol) və polietilenimin | Oliqonukleotidlər | Neyrodegenerativ xəstəliklər | Hematoensefalik baryerdən (BBB) effektiv şəkildə daşınır. Nanogelin səthi transferrin və ya insulinlə modifikasiya edildikdə daşınma effektivliyi daha da artır | Vinogradov et al. (2004) |
| Xolesterin daşıyan pullulan nanogelləri | Rekombinant siçan interleykin-12-si | Şiş immunoterapiyası | Uzunmüddətli buraxılışlı nanogel | Farhana et al. (2013) |
| Poli(N-izopropilakrilamid) və xitozan | Xərçəngin hipertermiya ilə müalicəsi və dərmanların hədəfli çatdırılması | Termohəssas, maqnitlə modallaşdırılmış | Farhana et al. (2013) | |
| Polietilenimin və PEG polipleks nanogelinin çarpaz bağlanmış şaxəli şəbəkəsi | Fludarabin | Xərçəng | Artırılmış aktivlik və azaldılmış sitotoksiklik | Farhana et al. (2013) |
| Xolesterin daşıyan pullulanın biouyğun nanogeli | Süni şaperon kimi | Altsheymer xəstəliyinin müalicəsi | Amiloid β-zülalının aqreqasiyasını inhibə edir | Ikeda et al. (2006) |
| Fotoçarpaz bağlanma ilə DNT nanogeli | Genetik material | Gen terapiyası | Plazmid DNT-sinin idarə olunan çatdırılması | Lee et al. (2009) |
| Carbopol/sink oksid (ZnO) hibrid nanohissəcik geli | ZnO nanohissəcikləri | Antibakterial aktivlik, bakterial inhibitor | Ismail et al. (2021) |
Cədvəl Swarnali et al., 2017 əsasında uyğunlaşdırılmışdır
Hielscher Ultrasonics yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs homogenizatorlarını laboratoriya ölçüsündən başlayaraq sənaye ölçüsünə qədər istehsal edir.