Нанокомпозитен синтез на хидрогел с помощта на ултразвук
Нанокомпозитните хидрогелове или наногелове са многофункционални 3D структури с висока ефективност като носители на лекарства и системи за доставяне на лекарства с контролирано освобождаване. Ultrasonication насърчава дисперсията на наноразмерни, полимерни хидрогел частици, както и последващото включване / включване на наночастици в тези полимерни структури.
Ултразвуков синтез на наногелове
Нанокомпозитните хидрогелове са триизмерни материални структури и могат да бъдат проектирани да проявяват специфични характеристики, което ги прави мощни носители на лекарства и системи за доставяне на лекарства с контролирано освобождаване. Ultrasonication 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 наномащабното си ядро, тези наноразмерни хидрогелове предлагат страхотни функционалности.
Наногеловете са водна дисперсия на хидрогелни наночастици, които са физически или химически кръстосано свързани като хидрофилна полимерна мрежа. Тъй като високопроизводителният ултразвук е високоефективен при производството на нанодисперсии, ултразвуковите апарати тип сонда са ключов инструмент за бързо и надеждно производство на наногелове с превъзходни функционалности.
ултразвуков UIP1000hdT със стъклен реактор за синтез на нанокомпозитен хидрогел
Функционалности на ултразвуково произведени наногелове
- отлична колоидна стабилност и голяма специфична повърхност
- може да бъде гъсто опакован с наночастици
- позволяват да се комбинират твърди и меки частици в хибридна сърцевина / черупка наногел
- висок потенциал за хидратация
- насърчаване на бионаличността
- високо подуване / де-подуване свойства
Ултразвуково синтезирани наногелове се използват в множество приложения и индустрии, напр.
- за фармацевтични и медицински приложения: напр. лекарствен носител, антибактериален гел, антибактериална превръзка за рани
- в биохимията и биомедицината за доставяне на гени
- като адсорбент/биосорбент в химични и екологични приложения
- В тъканното инженерство като хидрогелове могат да имитират физичните, химичните, електрическите и биологичните свойства на много нативни тъкани
Казус: Синтез на цинков наногел чрез сонохимичен път
ZnO хибридни наночастици могат да бъдат стабилизирани в гел Carbopol чрез лесен ултразвуков процес: Sonication се използва за задвижване на утаяването на цинкови наночастици, които впоследствие са ултразвуково кръстосано свързани с Carbopol да образуват нано-хидрогел.
Ismail et al. (2021) утаява наночастици от цинков оксид чрез лесен сонохимичен път. (Намерете протокола за сонохимичния синтез на наночастици ZnO тук).
Впоследствие наночастиците са използвани за синтезиране на наногела ZnO. Следователно, произведените ZnO NPs се изплакват с двойно дейонизирана вода. 0,5 g Carbopol 940 се разтваря в 300 ml удвоена 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 ултразвук с помощта на Hielscher ultrasonicator UP400S с амплитуда от 95 и цикъл от 95% за 1 час. След това, 50 мл триметиламин (TEA) като неутрализиращ агент (повишаване на рН до 7) се добавя на капки при непрекъснато ултразвук, докато образуването на ZnO бял гел настъпи. Удебеляването на Карбопол започва, когато рН е близо до неутрално рН.
Изследователският екип обяснява изключително положителните ефекти на ултразвук върху образуването на наногел чрез подобрено взаимодействие частици-частици. Ултразвуково инициирано молекулярно разбъркване на съставките в реакционната смес подобрява процеса на сгъстяване, насърчаван от взаимодействията полимер-разтворител. Освен това, ултразвук насърчава разтварянето на Carbopol. В допълнение, ултразвуковото вълново облъчване подобрява взаимодействието полимер-ZnO NPs и подобрява вискоеластичните свойства на приготвения хибриден наночастици гел Carbopol / ZnO.
Схематичната диаграма по-горе показва синтеза на ZnO NPs и Carbopol / ZnO хибриден гел от наночастици. В проучването, ultrasonicator UP400St се използва за утаяване на наночастици ZnO и образуване на наногел. (адаптирано от Ismail et al., 2021)
ZnO NPs синтезирани от метода на химическо утаяване под въздействието на ултразвук, където (а) е във водния разтвор, и (б) е ултразвуково диспергирани в стабилна Carbopol-базирани хидрогел.
(проучване и картина: Исмаил и др., 2021)
Случай Stuy: Ултразвукова подготовка на поли (метакрилова киселина) / монтморилонит (PMA / nMMT) наногел
Khan et al. (2020) демонстрираха успешния синтез на поли(метакрилова киселина)/монтморилонит (PMA/nMMT) нанокомпозитен хидрогел чрез ултразвукова редокс полимеризация. Обикновено 1,0 g nMMT се диспергира в 50 ml дестилирана вода с ултразвук в продължение на 2 часа, за да се образува хомогенна дисперсия. Sonication подобрява дисперсията на глина, което води до подобрени механични свойства и адсорбция капацитет на хидрогелове. Мономер на метакрилова киселина (30 ml) се добавя на капки към суспензията. Към сместа е добавен 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 промива с ацетон и се изсушава в продължение на 48 часа при 70°C в пещ. Полученият продукт се смила и съхранява 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 затова се използват за по-нататъшно изследване на адсорбцията.
Микрографиите SEM-EDX вдясно показват елементния и структурен анализ на наногеловете, състоящи се от монтморилонит (MMT), наномонтморилонит (nMMT), поли(метакрилова киселина)/наномонтморилонит (PMA/nMMT) и амоксицилин (AMX)- и диклофенак (DF)-зареден PMA/nMMT. SEM микрографиите, записани при увеличение от 1,00 KX заедно с EDX на
- монтморилонит (ММТ),
- наномонтморилонит (nMMT),
- поли(метакрилова киселина)/наномонтморилонит (PMA/nMMT),
- и амоксицилин (AMX)- и диклофенак (DF)-натоварени PMA/nMMT.
Наблюдава се, че суровият ММТ дължи слоеста листова структура, показваща наличието на по-големи зърна. След модификация листовете на ММТ се ексфолират в 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 въглеродът (84%). PMA / nMMT показва съгласувана и почти ко-непрекъсната структура. Освен това не се виждат пори, което изобразява пълното ексфолиране на nMMT в матрицата 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 грубата текстура.
Използване и функционалности на наноразмерни хидрогелове на глинена основа: Предвижда се нанокомпозитите на основата на глина да бъдат потенциални супер адсорбенти за поемането 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 подуване / подуване.
(срв. Хан и др., 2020)
SEM-EDX микрографии на (а) MMT, (б) nMMT, (в) PMA/nMMT и (г) AMX- и (д) DF-заредени нанокомпозитни хидрогелове. Наногеловете са приготвени с помощта на ултразвук.
(проучване и снимки: ©Khan et al. 2020)
Високопроизводителни ultrasonicators за производство на хидрогел и наногел
Високопроизводителни ultrasonicators 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 ultrasonicators за промишлени системи за търговски хидрогел производство в непрекъснат режим, Hielscher ултразвук има правото ултразвуков процесор, за да покрие вашите изисквания за производство на хидрогел / наногел.
- висока ефективност
- Най-съвременна технология
- надеждност & устойчивост
- партида & в редица
- за всеки обем
- интелигентен софтуер
- интелигентни функции (напр. протоколиране на данни)
- Лесен и безопасен за работа
- лесна поддръжка
- CIP (почистване на място)
Таблицата по-долу дава индикация за приблизителната капацитет за преработка на нашите ultrasonicators:
| Партида том | Дебит | Препоръчителни Devices |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200 ml / мин | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400 ml / мин | Uf200 ः т, UP400St |
| 00,1 до 20L | 00,2 до 4 л / мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л / мин | UIP4000hdT |
| от 15 до 150L | 3 до 15L/min | UIP6000hdT |
| п.а. | 10 до 100 L / мин | UIP16000 |
| п.а. | по-голям | струпване на UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитай 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 заслужава да се знае
Протокол за сонохимичен синтез на наночастици от ZnO
ZnO NPs са синтезирани с помощта на метода на химическото утаяване под въздействието на ултразвуково облъчване. При типична процедура се използва цинков ацетат дихидрат (Zn(CH3COO)2·2H2O) като прекурсор и амонячен разтвор от 30–33% (NH3) във воден разтвор (NH4OH) като редуциращ агент. Наночастиците ZnO са произведени чрез разтваряне на подходящото количество цинков ацетат в 100 ml дейонизирана вода, за да се получи 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) при 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 NPs започнаха да се утаяват и растат, а амонячният разтвор непрекъснато се добавяше, докато настъпи пълното утаяване на ZnO NPs.
Получените ZnO NPs се измиват с дейонизирана вода няколко пъти и се оставят да се успокоят. След това получената утайка се изсушава при стайна температура.
(Исмаил и др., 2021)
Какво представляват наногеловете?
Наногеловете или нанокомпозитните хидрогелове са вид хидрогел, който включва наночастици, обикновено в диапазона от 1-100 нанометра, в тяхната структура. Тези наночастици могат да бъдат органични, неорганични или комбинация от двете.
Наногеловете се образуват чрез процес, известен като кръстосано свързване, 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 доставяне на лекарства, тъканно инженерство и биосензори.
Наногелните хидрогелове обикновено се състоят от наночастици, като силициев диоксид или полимерни частици, които се диспергират в матрицата на хидрогела. Тези наночастици могат да бъдат синтезирани чрез различни методи, включително емулсионна полимеризация, обратна емулсионна полимеризация и синтез на зол-гел. Тези полимеризация и синтез на зол-гел се възползват значително от ултразвукова възбуда.
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 здравина. Тук, мощните дисперсионни капацитети на ултразвук улесняват равномерното и стабилно разпределение на наночастиците в матрицата на хидрогел.
Като цяло, наногел и нанокомпозитни хидрогелове имат широк спектър от потенциални приложения в области като биомедицина, възстановяване на околната среда и съхранение на енергия поради техните уникални свойства и функционалности.
Приложения на наногел за медицинско лечение
| Тип наногел | лекарство | болест | Активност | Препратки |
| PAMA-DMMA наногелове | доксорубицин | Рак | Увеличаване на скоростта на освобождаване, тъй като стойността на рН намалява. По-висока цитотоксичност при pH 6,8 при 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-хлор-тетра-карбоксилат (TPCC4) и хлор е6 (Ce6) | Ревматични нарушения | Бързо се поема (4 часа) от макрофагите и се натрупва в тяхната цитоплазма и органели | Schmitt et al. (2010) |
| PCEC наночастици в Pluronic хидрогелове | Лидокаин | Локална анестезия | Произведена дълготрайна инфилтрационна анестезия от около 360 минути | Ин и др. (2009) |
| Поли(лактид-ко-гликолова киселина) и хитозанови наночастици, диспергирани в HPMC и Carbopol гел | Спантид II | Алергичен контактен дерматит и други кожни възпалителни заболявания | Nanogelinncreases потенциал за перкутанно доставяне на spantide II | Punit et al. (2012) |
| pH-чувствителни поливинилпиролидон-поли (акрилова киселина) (PVP/PAAc) наногелове | Пилокарпин | Поддържайте адекватна концентрация на пилокарпин на мястото на действие за продължителен период от време | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Омрежени поли (етиленгликол) и полиетиленимин | Олигонуклеотиди | Невродегенеративни заболявания | Ефективно транспортирани през BBB. Транспортната ефикасност се увеличава допълнително, когато повърхността на наногела се модифицира с трансферин или инсулин. | Vinogradov et al. (2004) |
| Холестерол, носещ пулуланови наногелове | Рекомбинантен миши интерлевкин-12 | Туморна имунотерапия | Наногел с продължително освобождаване | Farhana et al. (2013) |
| Поли(N-изопропилакриламид) и хитозан | Лечение на рак на хипертермия и целево доставяне на лекарства | Термочувствителен магнитно модализиран | Farhana et al. (2013) | |
| Напречно свързана разклонена мрежа от полиетиленеимин и PEG полиплекснаногел | Флударабин | Рак | Повишена активност и намалена цитотоксичност | Farhana et al. (2013) |
| Биосъвместим наногел от пулулан, носещ холестерол | Като изкуствен придружител | Лечение на болестта на Алцхаймер | Инхибиране на агрегацията на амилоид β-протеин | Ikeda et al. (2006) |
| ДНК наногел с фотокръстосано свързване | Генетичен материал | Генна терапия | Контролирано доставяне на плазмидна ДНК | Lee et al. (2009) |
| Карбопол/цинков оксид (ZnO) хибриден гел от наночастици | ZnO наночастици | Антибактериална активност, бактериален инхибитор | Исмаил и др. (2021) |
Таблица, адаптирана от Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори от лаборатория да се промишлени размери.