Синтез на нанокомпозитни хидрогелове чрез ултразвукова обработка

Нанокомпозитните хидрогелове или наногеловете са многофункционални 3D структури с висока ефективност като носители на лекарства и системи за доставяне на лекарства с контролирано освобождаване. Ултразвуковата обработка подпомага диспергирането на полимерни хидрогелни частици с наноразмери, както и последващото включване/вграждане на наночастици в тези полимерни структури.

Ултразвуков синтез на наногелове

Нанокомпозитните хидрогелове са триизмерни материални структури и могат да бъдат проектирани така, че да проявяват специфични характеристики, което ги прави ефективни носители на лекарства и системи за доставяне на лекарства с контролирано освобождаване. Ултразвуковата обработка подпомага синтеза на функционализирани частици с наноразмери, както и последващото включване/вграждане на наночастици в триизмерни полимерни структури. Тъй като синтезираните чрез ултразвук наногелове могат да задържат биоактивни съединения в своето наноразмерно ядро, тези хидрогелове с наноразмери предлагат отлични функционални възможности.
Наногеловете представляват водни дисперсии на хидрогелни наночастици, които са физически или химически омрежени в хидрофилна полимерна мрежа. Тъй като високопроизводителният ултразвук е високоефективен при получаването на нанодисперсии, ултразвуковите апарати със сонда са ключов инструмент за бързото и надеждно производство на наногелове с превъзходни функционални възможности.

Функционални възможности на наногеловете, произведени чрез ултразвук

• отлична колоидна стабилност и голяма специфична повърхност
• могат да бъдат плътно запълнени с наночастици
• позволяват комбинирането на твърди и меки частици в хибриден наногел с ядро/обвивка
• висок потенциал за хидратация
• подобряване на бионаличността
• силно изразена способност за набъбване / свиване

 
Синтезираните чрез ултразвук наногелове се използват в множество приложения и отрасли, например

• за фармацевтични и медицински приложения: например носител на лекарства, 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, тъй като хидрогеловете могат да имитират физичните, химичните, електричните и биологичните свойства на много естествени тъкани

Примерно изследване: синтез на цинков наногел по сонохимичен път

Хибридните наночастици ZnO могат да бъдат стабилизирани в гел Carbopol чрез лесен ултразвуков процес: ултразвуковата обработка се използва за предизвикване на утаяването на цинкови наночастици, които впоследствие се омрежват с Carbopol чрез ултразвук, за да образуват нанохидрогел.
Ismail et al. (2021) утаяват наночастици от цинков оксид по лесен сонохимичен път. (Тук ще намерите протокола за сонохимичен синтез на наночастици ZnO).
Впоследствие наночастиците са използвани за синтез на наногела ZnO. За тази цел получените наночастици ZnO са промити с двукратно дейонизирана вода. 0,5 g Carbopol 940 са разтворени в 300 mL двукратно дейонизирана вода, след което са добавени прясно промитите наночастици ZnO. Тъй като Carbopol по природа е киселинен, разтворът изисква неутрализиране на стойността на pH, иначе не би се сгъстил. Затова сместа е подложена на непрекъсната ултразвукова обработка с ултразвуковия апарат Hielscher UP400S при амплитуда 95 и работен цикъл 95% в продължение на 1 h. След това 50 mL триметиламин (TEA) като неутрализиращ агент (повишаващ pH до 7) са добавяни на капки при непрекъсната ултразвукова обработка до образуването на белия гел ZnO. Сгъстяването на Carbopol започва, когато pH се доближава до неутрално pH .
Изследователският екип обяснява изключително положителните ефекти на ултразвуковата обработка върху образуването на наногел със засиленото взаимодействие между частиците. Предизвиканото от ултразвука молекулно движение на компонентите в реакционната смес усилва процеса на сгъстяване, подпомаган от взаимодействията между полимера и разтворителя. Освен това ултразвуковата обработка подпомага разтварянето на Carbopol. Допълнително облъчването с ултразвукови вълни засилва взаимодействието между полимера и наночастиците ZnO и подобрява вискоеластичните свойства на получения хибриден гел с наночастици Carbopol/ZnO.
Схематичната блокова диаграма по-горе показва синтеза на наночастици ZnO и хибриден гел с наночастици Carbopol/ZnO. В изследването ултразвуковият апарат UP400St е използван за утаяване на наночастици ZnO и образуване на наногел. (адаптирано от Ismail et al., 2021)

Наночастици ZnO, синтезирани чрез метода на химично утаяване под въздействието на ултразвукова обработка, като (a) показва наночастиците във водния разтвор, а (b) – диспергирани чрез ултразвук в стабилен хидрогел на основата на Carbopol.
(изследване и изображение: Ismail et al., 2021)

Примерно изследване: ултразвуково получаване на наногел от поли(метакрилова киселина)/монтморилонит (PMA/nMMT)

Khan et al. (2020) демонстрират успешния синтез на нанокомпозитен хидрогел от поли(метакрилова киселина)/монтморилонит (PMA/nMMT) чрез подпомагана от ултразвук окислително-редукционна полимеризация. При типичната процедура 1,0 g nMMT се диспергира в 50 mL дестилирана вода чрез ултразвукова обработка в продължение на 2 h, за да се образува хомогенна дисперсия. Ултразвуковата обработка подобрява диспергирането на глината, което води до подобрени механични свойства и адсорбционен капацитет на хидрогеловете. Към суспензията на капки е добавен мономерът метакрилова киселина (30 mL). Към сместа е добавен инициаторът амониев персулфат (APS) (0,1 M), последван от 1,0 mL ускорител TEMED. Дисперсията е разбърквана интензивно в продължение на 4 h при 50°C с магнитна бъркалка. Получената вискозна маса е промита с ацетон и изсушена в продължение на 48 h при 70°C в сушилня. Полученият продукт е смлян и съхраняван в стъклена бутилка. Различни нанокомпозитни гелове са синтезирани чрез промяна на количеството nMMT на 0,5, 1,0, 1,5 и 2,0 g. Нанокомпозитните хидрогелове, получени с 1,0 g nMMT, показват по-добри адсорбционни резултати от останалите композити и затова са използвани за по-нататъшно изследване на адсорбцията.
SEM-EDX микрографиите вдясно показват елементния и структурния анализ на наногеловете, състоящи се от монтморилонит (MMT), наномонтморилонит (nMMT), поли(метакрилова киселина)/наномонтморилонит (PMA/nMMT), както и PMA/nMMT, зареден с амоксицилин (AMX) и диклофенак (DF). SEM микрографиите, заснети при увеличение 1,00 KX, заедно с EDX анализа на

• монтморилонит (MMT),
• наномонтморилонит (nMMT),
• поли(метакрилова киселина)/наномонтморилонит (PMA/nMMT),
• и PMA/nMMT, зареден с амоксицилин (AMX) и диклофенак (DF).

Наблюдава се, че необработеният MMT има слоеста пластинчата структура с наличие на по-едри зърна. След модификацията пластинките на MMT се ексфолират до малки частици, което може да се дължи на отстраняването на Si2+ и Al3+ от октаедричните позиции. EDX спектърът на nMMT показва висок процент въглерод, което може да се дължи предимно на повърхностноактивното вещество, използвано за модификацията, тъй като основната съставна част на CTAB (C19H42BrN) е въглеродът (84%). PMA/nMMT има цялостна и почти ко-непрекъсната структура. Освен това не се виждат пори, което показва пълната ексфолиация на nMMT в матрицата на PMA. След сорбцията на фармацевтичните молекули амоксицилин (AMX) и диклофенак (DF) се наблюдават промени в морфологията на PMA/nMMT. Повърхността става асиметрична, с по-изразена грапава текстура.
Употреба и функционални възможности на хидрогеловете с наноразмери на основата на глина: хидрогелните нанокомпозити на основата на глина се разглеждат като потенциални суперадсорбенти за поглъщане на неорганични и/или органични замърсители от воден разтвор поради съчетаването на характеристиките както на глините, така и на полимерите, като биоразградимост, биосъвместимост, икономическа жизнеспособност, изобилие, голяма специфична повърхност, триизмерна мрежа и способност за набъбване / свиване.
(срв. Khan et al., 2020)

Високопроизводителни ултразвукови апарати за производство на хидрогелове и наногелове

Високопроизводителни ултразвукови апарати за производство на хидрогелове и наногелове
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводително ултразвуково оборудване за синтез на хидрогелове и наногелове с превъзходни функционални възможности. От малки и средни ултразвукови апарати за научноизследователска и развойна дейност и пилотни изпитвания до промишлени системи за търговско производство на хидрогелове в непрекъснат режим, Hielscher Ultrasonics разполага с подходящия ултразвуков процесор, за да покрие Вашите изисквания за производство на хидрогелове / наногелове.

Таблицата по-долу Ви дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати: