Синтез на нанокомпозитен хидрогел с помощта на ултразвук
Нанокомпозитните хидрогелове или наногелове са многофункционални 3D структури с висока ефикасност като носители на лекарства и системи за доставяне на лекарства с контролирано освобождаване. Ултразвукът насърчава дисперсията на наноразмерни, полимерни хидрогелни частици, както и последващото включване/включване на наночастици в тези полимерни структури.
Ултразвуков синтез на наногелове
Нанокомпозитните хидрогелове са триизмерни структури на материала и могат да бъдат проектирани така, че да проявяват специфични характеристики, което ги прави мощни носители на лекарства и системи за доставяне на лекарства с контролирано освобождаване. Ултразвукът насърчава синтеза на функционализирани наноразмерни частици, както и последващото включване/включване на наночастици в триизмерни полимерни структури. Тъй като ултразвуково синтезираните наногелове могат да уловят биоактивни съединения в наноразмерното си ядро, тези наноразмерни хидрогелове предлагат страхотни функционалности.
Наногеловете са водна дисперсия на хидрогелни наночастици, които са физически или химически омрежени като хидрофилна полимерна мрежа. Тъй като високоефективният ултразвук е високоефективен при производството на нанодисперсии, ултразвуковите апарати от сонден тип са решаващ инструмент за бързото и надеждно производство на наногелове с превъзходни функционалности.
Ултразвуков уред UIP1000hdT със стъклен реактор за синтез на нанокомпозитен хидрогел
Функционалности на ултразвуково произведените наногелове
- отлична колоидна стабилност и голяма специфична повърхност
- може да бъде плътно опакован с наночастици
- позволяват комбиниране на твърди и меки частици в хибриден наногел за ядро/обвивка
- висок потенциал за хидратация
- насърчаване на бионаличността
- Високи свойства на подуване / премахване на подуване
Ултразвуково синтезираните наногелове се използват в множество приложения и индустрии, напр.
- за фармацевтични и медицински приложения: напр. носител на лекарства, антибактериален гел, антибактериална превръзка за рани
- в биохимията и биомедицината за доставяне на гени
- като адсорбент/биосорбент в химически и екологични приложения
- в тъканното инженерство, тъй като хидрогеловете могат да имитират физичните, химичните, електрическите и биологичните свойства на много естествени тъкани
Казус: Синтез на цинков наногел по сонохимичен път
Хибридните наночастици ZnO могат да бъдат стабилизирани в Carbopol гел чрез лесен ултразвуков процес: Соникацията се използва за задвижване на утаяването на цинкови наночастици, които впоследствие са ултразвуково омрежени с Carbopol, за да образуват нанохидрогел.
Ismail et al. (2021) утаяват наночастици от цинков оксид по лесен сонохимичен път. (Намерете протокола за сонохимичен синтез на ZnO наночастици тук).
Впоследствие наночастиците са използвани за синтезиране на ZnO наногела. Поради това произведените ZnO NP се изплакват с двойна дейонизирана вода. 0,5 g Carbopol 940 се разтварят в 300 ml двойно дейонизирана вода, последвано от добавяне на прясно измитите ZnO NPs. Тъй като Carbopol е естествено кисел, разтворът изисква неутрализиране на стойността на pH, в противен случай няма да се сгъсти. По този начин сместа е претърпяла непрекъснато ултразвуково озвучаване с помощта на ултразвуковия апарат Hielscher UP400S с амплитуда 95 и цикъл от 95% за 1 час. След това 50 ml триметиламин (TEA) като неутрализиращ агент (повишаване на рН до 7) се добавят на капки при непрекъсната ултразвук, докато настъпи образуването на ZnO бял гел. Сгъстяването на Карбопол започва, когато рН е близо до неутрално рН.
Изследователският екип обяснява изключително положителните ефекти на ултразвука върху образуването на наногел чрез засилено взаимодействие частица-частица. Ултразвуково инициираното молекулярно разбъркване на съставките в реакционната смес засилва процеса на сгъстяване, насърчаван от взаимодействията полимер-разтворител. Освен това ултразвукът насърчава разтварянето на Carbopol. В допълнение, ултравълновото облъчване засилва взаимодействието полимер-ZnO NPs и подобрява вискоеластичните свойства на приготвения хибриден гел от наночастици Carbopol/ZnO.
Схематичната диаграма по-горе показва синтеза на ZnO NP и хибриден гел от наночастици Carbopol/ZnO. В изследването ултразвуковият уред UP400St е използван за утаяване на ZnO наночастици и образуване на наногел. (адаптирано от Ismail et al., 2021)
ZnO NP, синтезирани по метода на химическо утаяване под въздействието на ултразвук, където (а) е във воден разтвор и (б) се диспергира ултразвуково в стабилен хидрогел на основата на Карбопол.
(проучване и снимка: Ismail et al., 2021)
Case Stuy: Ултразвуково приготвяне на поли(метакрилова киселина)/монтморилонит (PMA/nMMT) наногел
Khan et al. (2020) демонстрира успешния синтез на нанокомпозитен хидрогел от поли(метакрилова киселина)/монтморилонит (PMA/nMMT) чрез ултразвукова окислително-редукционна полимеризация. Обикновено 1,0 g nMMT се диспергират в 50 ml дестилирана вода с ултразвук в продължение на 2 часа, за да се образува хомогенна дисперсия. Уникирането подобрява дисперсията на глината, което води до подобрени механични свойства и адсорбционен капацитет на хидрогеловете. Мономерът на метакриловата киселина (30 ml) се добавя на капки към суспензията. Към сместа се добавя инициатор амониев персулфат (APS) (0,1 M), последван от 1,0 ml ускорител TEMED. Дисперсията се разбърква енергично в продължение на 4 часа при 50°C с магнитна бъркалка. Получената вискозна маса се измива с ацетон и се изсушава в продължение на 48 часа при 70°C в пещ. Полученият продукт се смила и съхранявал в стъклена бутилка. Различни нанокомпозитни гелове са синтезирани чрез промяна на nMMT в количества от 0,5, 1,0, 1,5 и 2,0 g. Нанокомпозитните хидрогелове, приготвени с помощта на 1,0 g nMMT, показват по-добри резултати от адсорбцията от останалите композити и поради това са използвани за по-нататъшно изследване на адсорбцията.
Микроснимките SEM-EDX вдясно показват елементния и структурен анализ на наногеловете, състоящи се от монтморилонит (MMT), нано-монтморилонит (nMMT), поли(метакрилова киселина)/нано-монтморилонит (PMA/nMMT) и амоксицилин (AMX) и диклофенак (DF), заредени с PMA/nMMT. SEM микроснимките, записани при увеличение от 1,00 KX заедно с EDX на
- монтморилонит (MMT),
- наномонтморилонит (nMMT),
- поли(метакрилова киселина)/наномонтморилонит (PMA/nMMT),
- и заредени с амоксицилин (AMX) и диклофенак (DF) PMA/nMMT.
Наблюдава се, че суровият MMT дължи слоеста листова структура, показваща наличието на по-големи зърна. След модификация листовете на MMT се ексфолират на малки частици, което може да се дължи на елиминирането на Si2+ и Al3+ от октаедричните места. EDX спектърът на nMMT показва висок процент въглерод, което може да се дължи главно на повърхностноактивното вещество, използвано за модификация, тъй като основната съставка на CTAB (C19H42BrN) е въглерод (84%). PMA/nMMT показва кохерентна и почти ко-непрекъсната структура. Освен това не се виждат пори, което изобразява пълното ексфолиране на nMMT в матрицата на PMA. След сорбция с фармацевтичните молекули амоксицилин (AMX) и диклофенак (DF) се наблюдават промени в морфологията на PMA/nMMT. Повърхността става асиметрична с увеличаване на грапавата текстура.
Използване и функционалности на наногеловите хидрогелове на глинена основа: Хидрогелните нанокомпозити на глинена основа се предвиждат да бъдат потенциални супер адсорбенти за поглъщане на неорганични и/или органични замърсители от воден разтвор поради комбиниращите характеристики както на глини, така и на полимери, като биоразградимост, биосъвместимост, икономическа жизнеспособност, изобилие, висока специфична повърхност, триизмерна мрежа и свойства на набъбване/намаляване на набъбването.
(срв. Khan et al., 2020)
SEM-EDX микроснимки на (а) MMT, (b) nMMT, (в) PMA/nMMT и (d) AMX- и (e) заредени с DF нанокомпозитни хидрогелове. Наногеловете са приготвени с помощта на ултразвук.
(проучване и снимки: ©Khan et al. 2020)
Високоефективни ултразвукови апарати за производство на хидрогел и наногел
Високоефективни ултразвукови апарати за производство на хидрогел и наногел
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводително ултразвуково оборудване за синтез на хидрогелове и наногелове с превъзходни функционалности. От малък и среден размер R&D и пилотни ултразвукови апарати към промишлени системи за търговско производство на хидрогел в непрекъснат режим, Hielscher Ultrasonics разполага с подходящия ултразвуков процесор, който да покрие вашите изисквания за производство на хидрогел / наногел.
- висока ефективност
- Най-съвременна технология
- надеждност & Стабилност
- партида & Вградени
- за всеки обем
- Интелигентен софтуер
- интелигентни функции (напр. протоколиране на данни)
- лесен и безопасен за работа
- ниска поддръжка
- CIP (почистване на място)
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | UP100H |
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
| 15 до 150L | 3 до 15 л/мин | UIP6000hdT |
| Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
(Проучване и филм: Rutgeerts et al., 2019)
Литература / Препратки
- 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.
Факти, които си струва да знаете
Протокол за сонохимичен синтез на ZnO наночастици
ZnO NP са синтезирани по метода на химическо утаяване под въздействието на ултразвуково облъчване. При типична процедура се използват цинков ацетат дихидрат (Zn(CH3COO)2·2H2O) като прекурсор и разтвор на амоняк от 30–33% (NH3) във воден разтвор (NH4OH) като редуциращ агент. Наночастиците ZnO са получени чрез разтваряне на подходящото количество цинков ацетат в 100 ml дейонизирана вода, за да се получат 0,1 M разтвор на цинкови йони. Впоследствие разтворът на цинкови йони е подложен на ултразвуково вълново облъчване с помощта на Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Берлин, Германия) с амплитуда 79% и цикъл от 0,76 за 5 минути при температура 40 ◦C. След това разтворът на амоняк се добавя на капки към разтвора на цинковите йони под въздействието на ултразвуковите вълни. След няколко минути ZnO NP започнаха да се утаяват и да растат, а разтворът на амоняк непрекъснато се добавяше, докато настъпи пълното утаяване на ZnO NP.
Получените ZnO NP се измиват с дейонизирана вода няколко пъти и се оставят да се утаят. Отзад получената утайка се изсушава при стайна температура.
(Ismail et al., 2021)
Какво представляват наногеловете?
Наногеловете или нанокомпозитните хидрогелове са вид хидрогел, който включва наночастици, обикновено в диапазона от 1 до 100 нанометра, в структурата си. Тези наночастици могат да бъдат органични, неорганични или комбинация от двете.
Наногеловете се образуват чрез процес, известен като омрежване, който включва химическо свързване на полимерни вериги, за да се образува триизмерна мрежа. Тъй като образуването на хидрогелове и наногелове изисква цялостно смесване, за да се хидратира полимерната структура, да се насърчи омрежването и да се включат наночастиците, ултразвукът е високоефективна техника за производство на хидрогелове и наногелове. Хидрогелните и наногелните мрежи са способни да абсорбират големи количества вода, което прави наногеловете силно хидратирани и по този начин подходящи за широк спектър от приложения като доставка на лекарства, тъканно инженерство и биосензори.
Наногелните хидрогелове обикновено са съставени от наночастици, като силициев диоксид или полимерни частици, които са дисперсирани в хидрогелната матрица. Тези наночастици могат да бъдат синтезирани чрез различни методи, включително емулсионна полимеризация, полимеризация с обратна емулсия и синтез на сол-гел. Тези полимеризация и синтез на сол-гел се възползват значително от ултразвуковото разбъркване.
Нанокомпозитните хидрогелове, от друга страна, са съставени от комбинация от хидрогел и нанопълнител, като глина или графенов оксид. Добавянето на нанопълнителя може да подобри механичните и физичните свойства на хидрогела, като неговата твърдост, якост на опън и издръжливост. Тук мощният дисперсионен капацитет на ултразвука улеснява равномерното и стабилно разпределение на наночастиците в хидрогелната матрица.
Като цяло наногелните и нанокомпозитните хидрогелове имат широк спектър от потенциални приложения в области като биомедицина, възстановяване на околната среда и съхранение на енергия поради своите уникални свойства и функционалности.
Приложения на наногел за медицински лечения
| Вид наногел | Лекарство | болест | Активност | Препратки |
| PAMA-DMMA наногелове | доксорубицин | Рак | Увеличаване на скоростта на освобождаване с намаляване на стойността на pH. По-висока цитотоксичност при рН 6,8 в проучвания за клетъчна жизнеспособност | Du et al. (2010) |
| Наногелове на основата на хитозан, украсени с хиалуронат | Фотосенсибилизатори като тетра-фенил-порфирин-тетра-сулфонат (TPPS4), тетра-фенил-хлорин-тетра-карбоксилат (TPCC4) и хлор е6 (Ce6) | Ревматични разстройства | Бързо се усвоява (4 часа) от макрофагите и се натрупва в тяхната цитоплазма и органели | Schmitt et al. (2010) |
| PCEC наночастици в плуронови хидрогелове | Лидокаин | Локална анестезия | Произведена дълготрайна инфилтрационна анестезия от около 360 минути | Yin et al. (2009) |
| Наночастици поли(лактид-когликолова киселина) и хитозан, диспергирани в HPMC и Carbopol гел | Спантайд II | Алергичен контактен дерматит и други кожни възпалителни заболявания | Наногелин увеличава потенциала за перкутанно доставяне на спантид II | Punit et al. (2012) |
| pH-чувствителни поливинил пиролидон-поли (акрилна киселина) (PVP/PAAc) наногелове | Пилокарпин | Поддържайте адекватна концентрация на пилокарпина на мястото на действие за продължителен период от време | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Омрежен поли (етилен гликол) и полиетиленимин | Олигонуклеотиди | Невродегенеративни заболявания | Ефективно транспортиран през BBB. Транспортната ефикасност се увеличава допълнително, когато повърхността на наногела се модифицира с трансферин или инсулин | Виноградов и др. (2004) |
| Пулулан наногели, носещи холестерол | Рекомбинантен миши интерлевкин-12 | Туморна имунотерапия | Наногел с удължено освобождаване | Farhana et al. (2013) |
| Поли(N-изопропилакриламид) и хитозан | Лечение на рак на хипертермия и целенасочено доставяне на лекарства | Термочувствителен магнитно модализиран | Farhana et al. (2013) | |
| Омрежена разклонена мрежа от полиетиленамин и PEG Polyplexnanogel | Флударабин | Рак | Повишена активност и намалена цитотоксичност | Farhana et al. (2013) |
| Биосъвместим наногел от пулулан, съдържащ холестерол | Като изкуствен придружител | Лечение на болестта на Алцхаймер | Инхибира агрегацията на амилоиден β-протеин | Ikeda et al. (2006) |
| ДНК наногел с омрежване на снимки | Генетичен материал | Генна терапия | Контролирано доставяне на плазмидна ДНК | Lee et al. (2009) |
| Хибриден гел от наночастици карбопол/цинков оксид (ZnO) | ZnO наночастици | Антибактериална активност, бактериален инхибитор | Ismail et al. (2021) |
Таблица е адаптирана от Swarnali et al., 2017 г.
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори от лаборатория да индустриален размер.