Sinteza nanokompozitnih hidrogelova ultrazvučnom obradom
Nanokompozitni hidrogelovi ili nanogelovi višefunkcionalne su 3D strukture visoke efikasnosti kao nosači lijekova i sistemi za kontrolirano oslobađanje lijekova. Ultrazvučna obrada potiče disperziju polimernih hidrogelnih čestica nanometarskih dimenzija, kao i naknadno uključivanje/ugradnju nanočestica u te polimerne strukture.
Ultrazvučna sinteza nanogelova
Nanokompozitni hidrogelovi trodimenzionalne su materijalne strukture i mogu se oblikovati tako da pokazuju specifična svojstva, zbog čega su snažni nosači lijekova i sistemi za kontrolirano oslobađanje lijekova. Ultrazvučna obrada potiče sintezu funkcionaliziranih čestica nanometarskih dimenzija, kao i naknadno uključivanje/ugradnju nanočestica u trodimenzionalne polimerne strukture. Budući da ultrazvučno sintetizirani nanogelovi mogu zarobiti bioaktivna jedinjenja unutar svoje jezgre nanometarskih dimenzija, ovi hidrogelovi nanometarskih dimenzija nude odlične funkcionalnosti.
Nanogelovi su vodene disperzije nanočestica hidrogela koje su fizički ili hemijski umrežene u hidrofilnu polimernu mrežu. Budući da je visokoučinkoviti ultrazvuk vrlo efikasan u proizvodnji nanodisperzija, ultrazvučni uređaji sondnog tipa ključan su alat za brzu i pouzdanu proizvodnju nanogelova vrhunskih funkcionalnosti.
Ultrazvučni uređaj UIP1000hdT sa staklenim reaktorom za sintezu nanokompozitnih hidrogelova
Funkcionalnosti ultrazvučno proizvedenih nanogelova
- odlična koloidna stabilnost i velika specifična površina
- mogu biti gusto popunjeni nanočesticama
- omogućavaju kombiniranje tvrdih i mekih čestica u hibridnom nanogelu tipa jezgra/ljuska
- visok potencijal hidratacije
- podstiču bioraspoloživost
- visoka svojstva bubrenja / skupljanja
Ultrazvučno sintetizirani nanogelovi koriste se u brojnim primjenama i industrijama, npr.
- za farmaceutske i medicinske primjene: npr. nosač lijekova, antibakterijski gel, antibakterijski zavoj za rane
- u biohemiji i biomedicini za isporuku gena
- kao adsorbent/biosorbent u hemijskim i ekološkim primjenama
- u tkivnom inženjerstvu, jer hidrogelovi mogu oponašati fizička, hemijska, električna i biološka svojstva mnogih prirodnih tkiva
Studija slučaja: sinteza nanogela cinka sonohemijskim putem
Hibridne nanočestice ZnO mogu se stabilizirati u Carbopol gelu jednostavnim ultrazvučnim postupkom: ultrazvučna obrada koristi se za poticanje taloženja nanočestica cinka, koje se potom ultrazvučno umrežavaju s Carbopolom i tako tvore nanohidrogel.
Ismail et al. (2021) istaložili su nanočestice cink-oksida jednostavnim sonohemijskim putem. (Protokol za sonohemijsku sintezu nanočestica ZnO možete pronaći ovdje).
Potom su nanočestice korištene za sintezu nanogela ZnO. U tu svrhu proizvedene nanočestice ZnO isprane su dvostruko deioniziranom vodom. 0,5 g Carbopola 940 otopljeno je u 300 mL dvostruko deionizirane vode, nakon čega su dodane svježe oprane nanočestice ZnO. Budući da je Carbopol po prirodi kiseo, otopina zahtijeva neutralizaciju pH vrijednosti, jer se u protivnom ne bi zgusnula. Stoga je smjesa podvrgnuta kontinuiranoj ultrazvučnoj obradi pomoću Hielscher ultrazvučnog uređaja UP400S uz amplitudu 95 i ciklus od 95% tokom 1 h. Zatim je 50 mL trimetilamina (TEA) kao neutralizirajućeg sredstva (podizanje pH na 7) dodavano kap po kap uz kontinuiranu ultrazvučnu obradu sve do nastanka bijelog gela ZnO. Zgušnjavanje Carbopola počelo je kada je pH bio blizu neutralnog pH .
Istraživački tim objašnjava izuzetno pozitivne učinke ultrazvučne obrade na nastanak nanogela pojačanom interakcijom između čestica. Ultrazvučno izazvano molekularno miješanje sastojaka u reakcijskoj smjesi pojačava proces zgušnjavanja potaknut interakcijama polimera i otapala. Osim toga, ultrazvučna obrada potiče otapanje Carbopola. Pored toga, zračenje ultrazvučnim valovima pojačava interakciju polimera i nanočestica ZnO te poboljšava viskoelastična svojstva pripremljenog gela hibridnih nanočestica Carbopol/ZnO.
Shematski dijagram toka iznad prikazuje sintezu nanočestica ZnO i gela hibridnih nanočestica Carbopol/ZnO. U studiji je ultrazvučni uređaj UP400St korišten za taloženje nanočestica ZnO i nastanak nanogela. (prilagođeno prema Ismail et al., 2021)
Nanočestice ZnO sintetizirane metodom hemijskog taloženja pod djelovanjem ultrazvučne obrade, pri čemu je (a) u vodenoj otopini, a (b) ultrazvučno dispergirano u stabilan hidrogel na bazi Carbopola.
(studija i slika: Ismail et al., 2021)
Studija slučaja: ultrazvučna priprema nanogela poli(metakrilna kiselina)/montmorilonit (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) pokazali su uspješnu sintezu nanokompozitnog hidrogela poli(metakrilna kiselina)/montmorilonit (PMA/nMMT) redoks polimerizacijom potpomognutom ultrazvukom. Tipično je 1,0 g nMMT dispergirano u 50 mL destilirane vode ultrazvučnom obradom tokom 2 h kako bi se dobila homogena disperzija. Ultrazvučna obrada poboljšava disperziju gline, što rezultira poboljšanim mehaničkim svojstvima i adsorpcijskim kapacitetom hidrogelova. Monomer metakrilne kiseline (30 mL) dodan je suspenziji kap po kap. Inicijator amonij-persulfat (APS) (0,1 M) dodan je smjesi, a zatim 1,0 mL akceleratora TEMED. Disperzija je snažno miješana 4 h na 50°C magnetnom mješalicom. Dobivena viskozna masa isprana je acetonom i sušena 48 h na 70°C u peći. Dobiveni proizvod je samljeven i pohranjen u staklenu bocu. Različiti nanokompozitni gelovi sintetizirani su variranjem količine nMMT od 0,5, 1,0, 1,5 i 2,0 g. Nanokompozitni hidrogelovi pripremljeni s 1,0 g nMMT pokazali su bolje rezultate adsorpcije od ostalih kompozita te su stoga korišteni za daljnje istraživanje adsorpcije.
SEM-EDX mikrografije s desne strane prikazuju elementarnu i strukturnu analizu nanogelova koji se sastoje od montmorilonita (MMT), nanomontmorilonita (nMMT), poli(metakrilna kiselina)/nanomontmorilonita (PMA/nMMT) te PMA/nMMT napunjenog amoksicilinom (AMX) i diklofenakom (DF). SEM mikrografije snimljene su pri povećanju od 1,00 KX, zajedno s EDX analizom
- montmorilonita (MMT),
- nanomontmorilonita (nMMT),
- poli(metakrilna kiselina)/nanomontmorilonita (PMA/nMMT),
- te PMA/nMMT napunjenog amoksicilinom (AMX) i diklofenakom (DF).
Uočeno je da sirovi MMT ima slojevitu strukturu listića s prisustvom većih zrnaca. Nakon modifikacije listići MMT-a se eksfoliraju u sitne čestice, što može biti posljedica uklanjanja Si2+ i Al3+ iz oktaedarskih mjesta. EDX spektar nMMT pokazuje visok postotak ugljika, što može prvenstveno biti posljedica surfaktanta korištenog za modifikaciju, jer je glavni sastojak CTAB-a (C19H42BrN) ugljik (84%). PMA/nMMT pokazuje koherentnu i gotovo kokontinuiranu strukturu. Nadalje, nisu vidljive pore, što ukazuje na potpunu eksfolijaciju nMMT u PMA matricu. Nakon sorpcije farmaceutskih molekula amoksicilina (AMX) i diklofenaka (DF) uočavaju se promjene u morfologiji PMA/nMMT. Površina postaje asimetrična uz povećanje hrapave teksture.
Upotreba i funkcionalnosti hidrogelova nanometarskih dimenzija na bazi gline: pretpostavlja se da su hidrogelni nanokompoziti na bazi gline potencijalni superadsorbenti za uklanjanje anorganskih i/ili organskih zagađivača iz vodene otopine zahvaljujući kombinaciji karakteristika glina i polimera, kao što su biorazgradivost, biokompatibilnost, ekonomska isplativost, obilnost, velika specifična površina, trodimenzionalna mreža te svojstva bubrenja / skupljanja.
(usp. Khan et al., 2020)
SEM-EDX mikrografije (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT te nanokompozitnih hidrogelova napunjenih (d) AMX i (e) DF. Nanogelovi su pripremljeni ultrazvučnom obradom.
(studija i slike: ©Khan et al. 2020)
Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji za proizvodnju hidrogelova i nanogelova
Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji za proizvodnju hidrogelova i nanogelova
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovitu ultrazvučnu opremu za sintezu hidrogelova i nanogelova vrhunskih funkcionalnosti. Od malih i srednjih R&D i pilot ultrazvučnih uređaja do industrijskih sistema za komercijalnu proizvodnju hidrogelova u kontinuiranom režimu, Hielscher Ultrasonics ima pravi ultrazvučni procesor za ispunjavanje vaših zahtjeva za proizvodnju hidrogelova / nanogelova.
- visoka efikasnost
- najsavremenija tehnologija
- pouzdanost i robusnost
- šaržni i inline rad
- za bilo koji volumen
- inteligentni softver
- pametne funkcije (npr. protokoliranje podataka)
- jednostavan i siguran za rukovanje
- nisko održavanje
- CIP (čišćenje na mjestu)
Tabela ispod daje okvirnu informaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
(Studija i video: Rutgeerts et al., 2019)
Literatura / reference
- 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.
Vrijedno znanja
Protokol za sonohemijsku sintezu nanočestica ZnO
Nanočestice ZnO sintetizirane su metodom hemijskog taloženja pod djelovanjem ultrazvučnog zračenja. U tipičnom postupku korišteni su cink-acetat dihidrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) kao prekursor te amonijačna otopina od 30–33% (NH3) u vodenoj otopini (NH4OH) kao redukcijsko sredstvo. Nanočestice ZnO proizvedene su otapanjem odgovarajuće količine cink-acetata u 100 mL deionizirane vode kako bi se dobila 0,1 M otopina cinkovih iona. Nakon toga je otopina cinkovih iona izložena zračenju ultrazvučnim valovima pomoću uređaja Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Njemačka) pri amplitudi od 79% i ciklusu od 0,76 tokom 5 min na temperaturi od 40 ◦C. Zatim je amonijačna otopina dodavana kap po kap otopini cinkovih iona pod djelovanjem ultrazvučnih valova. Nakon nekoliko trenutaka nanočestice ZnO počele su se taložiti i rasti, a amonijačna otopina je kontinuirano dodavana sve do potpunog taloženja nanočestica ZnO.
Dobivene nanočestice ZnO nekoliko puta su oprane deioniziranom vodom i ostavljene da se slegnu. Potom je dobiveni talog osušen na sobnoj temperaturi.
(Ismail et al., 2021)
Šta su nanogelovi?
Nanogelovi ili nanokompozitni hidrogelovi vrsta su hidrogela koja u svoju strukturu ugrađuje nanočestice, obično u rasponu od 1-100 nanometara. Te nanočestice mogu biti organske, anorganske ili kombinacija oboje.
Nanogelovi nastaju procesom poznatim kao umrežavanje, koji uključuje hemijsko vezivanje polimernih lanaca radi formiranja trodimenzionalne mreže. Budući da nastanak hidrogelova i nanogelova zahtijeva temeljito miješanje kako bi se hidratizirala polimerna struktura, potaklo umrežavanje i ugradile nanočestice, ultrazvučna obrada vrlo je efikasna tehnika za proizvodnju hidrogelova i nanogelova. Mreže hidrogelova i nanogelova mogu upiti velike količine vode, zbog čega su nanogelovi visoko hidratizirani i stoga pogodni za širok spektar primjena kao što su isporuka lijekova, tkivno inženjerstvo i biosenzori.
Nanogel hidrogelovi tipično se sastoje od nanočestica, kao što su čestice silicijevog dioksida ili polimera, koje su raspršene kroz matricu hidrogela. Te nanočestice mogu se sintetizirati različitim metodama, uključujući emulzijsku polimerizaciju, inverznu emulzijsku polimerizaciju i sol-gel sintezu. Ove polimerizacije i sol-gel sinteze imaju veliku korist od ultrazvučnog miješanja.
Nanokompozitni hidrogelovi, s druge strane, sastoje se od kombinacije hidrogela i nanopunila, kao što su glina ili grafen-oksid. Dodavanje nanopunila može poboljšati mehanička i fizička svojstva hidrogela, kao što su krutost, vlačna čvrstoća i žilavost. Ovdje snažni kapaciteti disperzije ultrazvučne obrade olakšavaju ujednačenu i stabilnu raspodjelu nanočestica u matrici hidrogela.
Ukupno gledano, nanogelovi i nanokompozitni hidrogelovi imaju širok raspon potencijalnih primjena u područjima kao što su biomedicina, sanacija okoliša i pohrana energije zahvaljujući svojim jedinstvenim svojstvima i funkcionalnostima.
Primjene nanogela u medicinskim tretmanima
| Vrsta nanogela | Lijek | Bolest | Aktivnost | Reference |
| Nanogelovi PAMA-DMMA | Doksorubicin | Rak | Povećanje brzine oslobađanja uz smanjenje pH vrijednosti. Veća citotoksičnost pri pH 6,8 u studijama održivosti ćelija | Du et al. (2010) |
| Nanogelovi na bazi hitozana ukrašeni hijaluronatom | Fotosenzibilizatori poput tetrafenil-porfirin-tetrasulfonata (TPPS4), tetrafenil-klorin-tetrakarboksilata (TPCC4) i klorina e6 (Ce6) | Reumatski poremećaji | Makrofagi ih brzo preuzimaju (4 h), a akumuliraju se u njihovoj citoplazmi i organelima | Schmitt et al. (2010) |
| Nanočestice PCEC u Pluronic hidrogelovima | Lidokain | Lokalna anestezija | Izazvao dugotrajnu infiltracijsku anesteziju u trajanju od oko 360 min | Yin et al. (2009) |
| Nanočestice poli(laktid-ko-glikolne kiseline) i hitozana dispergirane u HPMC i Carbopol gelu | Spantid II | Alergijski kontaktni dermatitis i drugi upalni poremećaji kože | Nanogel povećava potencijal za perkutanu isporuku spantida II | Punit et al. (2012) |
| Nanogelovi polivinilpirolidon-poli(akrilna kiselina) (PVP/PAAc) osjetljivi na pH | Pilokarpin | Održava odgovarajuću koncentraciju pilokarpina na mjestu djelovanja tokom dužeg vremenskog perioda | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Umreženi poli(etilen-glikol) i polietilenimin | Oligonukleotidi | Neurodegenerativne bolesti | Efikasno se transportuje kroz krvno-moždanu barijeru (BBB). Efikasnost transporta dodatno se povećava kada se površina nanogela modificira transferinom ili inzulinom | Vinogradov et al. (2004) |
| Nanogelovi pululana s kolesterolom | Rekombinantni murini interleukin-12 | Imunoterapija tumora | Nanogel s dugotrajnim oslobađanjem | Farhana et al. (2013) |
| Poli(N-izopropilakrilamid) i hitozan | Liječenje raka hipertermijom i ciljana isporuka lijekova | Termosenzitivno, magnetski modalizirano | Farhana et al. (2013) | |
| Umrežena razgranata mreža polietilenimina i PEG polipleks-nanogela | Fludarabin | Rak | Povećana aktivnost i smanjena citotoksičnost | Farhana et al. (2013) |
| Biokompatibilni nanogel pululana s kolesterolom | Kao umjetni šaperon | Liječenje Alzheimerove bolesti | Inhibira agregaciju amiloid β-proteina | Ikeda et al. (2006) |
| DNA nanogel s fotoumrežavanjem | Genetski materijal | Genska terapija | Kontrolirana isporuka plazmidne DNA | Lee et al. (2009) |
| Gel hibridnih nanočestica Carbopol/cink-oksid (ZnO) | Nanočestice ZnO | Antibakterijska aktivnost, inhibitor bakterija | Ismail et al. (2021) |
Tabela prilagođena prema Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore – od laboratorijskih do industrijskih veličina.