Nanokompozitna sinteza hidrogela pomoću ultrazvučnosti
Nanokompozitni hidrogelovi ili nanogelovi su multifunkcionalne 3D strukture sa visokom efikasnošću kao nosioci lekova i sistemi za isporuku lekova sa kontrolisanim oslobađanjem. Ultrazvučnost potiče disperziju nano-veličina, polimernih hidrogelnih čestica, kao i naknadno uključivanje/ugradnju nanočestica u ove polimerne strukture.
Ultrazvučna sinteza nanogela
Nanokompozitni hidrogelovi su trodimenzionalne materijalne strukture i mogu biti dizajnirani da pokažu specifične karakteristike, što ih čini moćnim nosiocima lekova i sistemima za isporuku lekova sa kontrolisanim oslobađanjem. Ultrazvučnost potiče sintezu funkcionaliziranih čestica nano-veličine, kao i naknadno uključivanje/ugradnju nanočestica u trodimenzionalne polimerne strukture. Kako ultrazvučno sintetizirani nanogelovi mogu zarobiti bioaktivne spojeve unutar svog jezgra nanoskale, ovi hidrogelovi nano-veličine nude velike funkcionalnosti.
Nanogelovi su vodena disperzija hidrogelnih nanočestica, koje su fizički ili hemijski ukrštene kao hidrofilna polimerna mreža. Pošto je ultrazvuk visokih performansi visoko efikasan u proizvodnji nanodisperzija, ultrazvučnici tipa sondi su ključni alat za brzu i pouzdanu proizvodnju nanogelova sa superiornim funkcionalnostima.
ultrasonicator UIP1000hdT Stakleni reaktor za sintezu nanokompozitnih hidrogelova
Ultrazvučni proizvedeni nanogelovi
- Odlična koloidna stabilnost i velika specifična površina
- Može se kombinovati sa nanočesticama
- Kombiniranje tvrdih i mekih čestica u hibridnom jezgru/shell nanogelu
- Visoki potencijal hidratacije
- Promovisanje bioraspoloživosti
- Visoka oticanje / de-swelling svojstva
ultrazvučno sintetizirani nanogelovi koriste se u brojnim aplikacijama i industrijama , npr.
- za farmaceutske i medicinske primjene: npr. nosač lijekova, antibakterijski gel, antibakterijski preliv rana
- Biohemija i biomedicina za isporuku gena
- adsorbent/biosorbent u hemijskim i ekološkim aplikacijama
- U tkivnom inženjerstvu kao hidrogelovi mogu oponašati fizička, hemijska, električna i biološka svojstva mnogih autohtonih tkiva.
Studija slučaja: sinteza cinkovog nanogela putem sonohemijskog puta
ZnO hibridne nanočestice mogu se stabilizirati u karbopolskom gelu putem jednostavnog ultrazvučnog procesa: Sonikacija se koristi za pogon taloženja cinkovih nanočestica, koje su naknadno ultrazvučno ukrštene sa Carbopolom da bi se formirao nano-hidrogel.
Ismail et al. (2021) precipitated zinc oxide nanoparticles via a facile sonochemical route. (Pronađite protokol za sonohemijsku sintezu ZnO nanočestica ovde).
Nakon toga, nanočestice su korištene za sintezu ZnO nanogela. Zbog toga su proizvedeni ZnO NP isprani dvostrukom dejonizovanom vodom. 0,5 g Carbopola 940 rastvoreno je u 300 ml udvostručene dejonizovane vode, nakon čega je usledilo dodavanje sveže opranih ZnO NP. Pošto je karbopol prirodno kiseo, rastvor zahteva neutralizaciju pH vrednosti, inače se ne bi zgusnuo. Tako je smjesa prošla kontinuiranu sonikaciju koristeći Hielscherov ultrazvučni UP400S amplitude od 95 i ciklus od 95% za 1 sat. Zatim, 50 ml trimetilamina (TEA) kao neutralizirajućeg sredstva (podizanje pH na 7) dodano je kapljice pod kontinuiranom sonikom dok se nije došlo do formiranja ZnO bijelog gela. zadebljanje karbopola pocelo je kada je ph bio blizu neutralnog ph .
Istraživački tim objašnjava izuzetno pozitivne efekte ultrazvučnosti na formiranje nanogela poboljšanom interakcijom čestica i čestica. Ultrazvučno inicirana molekularna agitacija sastojaka u reakcijskoj smjesi poboljšava proces zadebljanja koji promovira interakcije polimer-rastvarač. Pored toga, sonikacija podstiče rastvaranje karbopolja. Osim toga, zračenje ultrazvučnih talasa poboljšava interakciju polimer-ZnO NPs i poboljšava viskoelastična svojstva pripremljenog gela Carbopol/ZnO hibridnih nanočestica.
Shematski dijagram toka iznad prikazuje sintezu ZnO NPs i Carbopol/ZnO hibridnog nanočestičnog gela. U studiji, ultrazvučni UP400St je korišten za taloženje ZnO nanočestica i formiranje nanogela. (Preusmjereno sa Ismail et al., 2021)
ZnO NP sintetiziraju se metodom hemijskih padavina pod dejstvom ultrazvučnosti, gdje je (a) u vodenom rastvoru, i (b) ultrazvučno raspršen u stabilni hidrogel na bazi karbopola.
(studija i slika: Ismail et al., 2021)
Case Stuy: Ultrasonic Preparation of Poly(methacrylic acid)/Montmorillonite (PMA/nMMT) Nanogel
Khan et al. (2020) demonstrirali su uspješnu sintezu poli(metakrilne kiseline)/Montmorillonita (PMA/nMMT) nanokompozitnog hidrogela putem ultrazvučno potpomognute redoks polimerizacije. Tipično, 1,0 g nMMT je raspršeno u 50 mL destilovane vode sa ultrazvučnošću tokom 2 sata da bi se formirala homogena disperzija. Sonikacija poboljšava disperziju gline, što rezultira poboljšanim mehaničkim svojstvima i kapacitetom adsorpcije hidrogelova. Monomer metakrilne kiseline (30 ml) je dodat u suspenziju. U smjesu je dodat inicijator amonijev persulfat (APS) (0,1 M), a zatim 1,0 ml TEMED akceleratora. Disperzija je bila snažno miješana 4 sata na 50 °C magnetnom miješalicom. Rezultirajuća viskozna masa je oprana acetonom i isušena 48 sati na 70 °C u pećnici. Dobijeni proizvod je samljeven i pohranjen u staklenoj boci. Različiti nanokompozitni gelovi sintetizirani su promjenom nMMT u količinama od 0,5, 1,0, 1,5 i 2,0 g. Nanokompozitni hidrogelovi pripremljeni pomoću 1,0 g nMMT pokazali su bolje rezultate adsorpcije od ostalih kompozita i stoga su korišteni za daljnje istraživanje adsorpcije.
SEM-EDX mikrografi s desne strane pokazuju elementarnu i strukturnu analizu nanogelova koji se sastoje od montmorilonita (MMT), nano-montmorilonita (nMMT), poli(metakrilne kiseline)/nano-montmorilonita (PMA/nMMT) i amoksicilina (AMX)- i diklofenaka (DF) opterećenog PMA/nMMT. SEM mikrografije snimljene pri uvećanju od 1,00 KX zajedno sa EDX-om
- montmorillonite (MMT),
- nano-montmorillonite (nMMT),
- poli(metakrilna kiselina)/nano-montmorilonit (PMA/nMMT),
- amoksicilin (AMX) i diklofenak (DF) opterećeni PMA/nMMT.
Uočeno je da sirovi MMT duguje slojevitu strukturu lista koja pokazuje prisustvo većih zrna. Nakon modifikacije, listovi MMT-a se ljušte u sitne čestice, što može biti zbog eliminacije Si2+ i Al3+ sa oktaedarskih mjesta. EDX spektar nMMT pokazuje visok procenat ugljenika, što može biti prvenstveno zbog surfaktanta koji se koristi za modifikaciju, jer je glavni sastojak CTAB-a (C19H42BrN) ugljenik (84%). PMA/nMMT prikazuje koherentnu i skoro kokontinuiranu strukturu. Nadalje, nisu vidljive pore, što prikazuje potpunu eksfolijaciju nMMT-a u PMA matricu. Nakon sorpcije s farmaceutskim molekulama amoksicilin (AMX) i diklofenak (DF), uočavaju se promjene u morfologiji PMA/nMMT. Površina postaje asimetrična sa povećanjem grube teksture.
Upotreba i funkcionalnost hidrogelova na bazi gline: hidrogelni nanokompoziti na bazi gline predviđeni su kao potencijalni super adsorbenti za uzimanje neorganskih i/ili organskih zagađivača iz vodenog rastvora zbog kombinovanih karakteristika gline i polimera, kao što su biorazgradljivost, biokompatibilnost, ekonomska održivost, obilje, visoka specifična površina, trodimenzionalna mreža i oticanje/oticanje.
(cf. Khan et al., 2020)
SEM-EDX mikrografije (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT, i (d) AMX- i (e) DF-opterećenih nanokompozitnih hidrogelova. Nanogelovi su pripremljeni ultrazvučnošću.
(studije i slike: ©Khan et al. 2020)
Ultrazvučni sistemi visokih performansi za proizvodnju hidrogela i nanogela
Ultrazvučni sistemi visokih performansi za proizvodnju hidrogela i nanogela
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučnu opremu visokih performansi za sintezu hidrogelova i nanogelova sa superiornim funkcionalnostima. Male i srednje veličine R&D i pilot ultrazvučni sistemi za komercijalnu proizvodnju hidrogela u kontinuiranom režimu, Hielscher Ultrasonics ima pravi ultrazvučni procesor koji pokriva vaše zahteve za proizvodnju hidrogela / nanogela.
- visoka efikasnost
- Najmodnija tehnologija
- pouzdanost & robusnost
- serija & U redu
- za bilo koji volumen
- inteligentni softver
- pametne funkcije (npr. protokoliranje podataka)
- Lako i sigurno za rad
- niska održavanje
- CIP (čisto-na mjestu)
Tabela u nastavku daje naznaku približan kapacitet prerade naših ultrasonicators:
| Batch Volumen | protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500ml | 10 do 200ml / min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 00,1 do 20L | 00,2 do 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L / min | UIP4000hdT |
| 15 do 150 l | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| N / A. | 10 do 100L / min | UIP16000 |
| N / A. | veći | klaster UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
(Studija i film: Rutgeerts et al., 2019)
Književnost/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.
Činjenice vredi znati
Protokol za sonohemijsku sintezu ZnO nanočestica
ZnO NP su sintetizirani metodom hemijske precipitacije pod dejstvom ultrazvučnog zračenja. U tipičnoj proceduri, korišteni su cink-acetat dihidrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) kao prekursor, te otopina amonijaka od 30-33% (NH3) u vodenom rastvoru (NH4OH) kao redukcijsko sredstvo. ZnO nanočestice su nastale rastvaranjem odgovarajuće količine cink acetata u 100 mL dejonizovane vode za proizvodnju 0,1 M rastvora iona cinka. Nakon toga, rastvor iona cinka bio je podvrgnut ultrazvučnom talasnom zračenju koristeći Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Njemačka) pri amplitudi od 79% i ciklusu od 0,76 za 5 min na temperaturi od 40 ◦C. Zatim je rastvor amonijaka dodat u rastvor iona cinka pod dejstvom ultrazvučnih talasa. Nakon nekoliko trenutaka, NP ZnO su počeli da talože i rastu, a rastvor amonijaka se kontinuirano dodavao sve dok nije došlo do potpune padavine ZnO NP.
Dobijeni ZnO NP su oprani pomoću dejonizovane vode nekoliko puta i ostavljeni su da se slegnu. Na zadnjoj strani, dobijeni talog se sušio na sobnoj temperaturi.
(Ismail et al., 2021)
Šta su nanogelovi?
Nanogelovi ili nanokompozitni hidrogelovi su vrsta hidrogela koji u svoju strukturu uključuje nanočestice, obično u rasponu od 1-100 nanometara. Ove nanočestice mogu biti organske, neorganske ili kombinacija oba.
Nanogelovi se formiraju kroz proces poznat kao unakrsno povezivanje, koje uključuje hemijsko vezivanje polimernih lanaca da bi se formirala trodimenzionalna mreža. Pošto formiranje hidrogelova i nanogelova zahteva temeljno mešanje kako bi se hidrirala polimerna struktura, promovisalo unakrsno povezivanje i uključile nanočestice, ultrazvučnost je visoko efikasna tehnika za proizvodnju hidrogelova i nanogelova. Hidrogel i nanogel mreže su sposobne da apsorbuju velike količine vode, čineći nanogelove visoko hidriranim i stoga pogodnim za širok spektar primena kao što su isporuka lekova, inženjering tkiva i biosenzori.
Nanogel hidrogelovi se obično sastoje od nanočestica, kao što su silicijum ili polimerne čestice, koje se raspršuju kroz hidrogelnu matricu. Ove nanočestice se mogu sintetizirati različitim metodama, uključujući polimerizaciju emulzije, polimerizaciju inverzne emulzije i sintezu sol-gela. Ove polimerizacije i sol-gel sinteze u velikoj meri imaju koristi od ultrazvučne agitacije.
Nanokompozitni hidrogelovi, s druge strane, sastoje se od kombinacije hidrogela i nanopunila, kao što su glina ili grafen-oksid. Dodavanje nanofilera može poboljšati mehanička i fizička svojstva hidrogela, kao što su njegova krutost, zatezna čvrstoća i žilavost. Ovdje snažni disperzioni kapaciteti sonicacije olakšavaju ravnomjernu i stabilnu distribuciju nanočestica u hidrogelnu matricu.
Sve u svemu, nanogel i nanokompozitni hidrogelovi imaju širok spektar potencijalnih primena u oblastima kao što su biomedicina, sanacija životne sredine i skladištenje energije zbog svojih jedinstvenih svojstava i funkcionalnosti.
Nanogel za medicinske tretmane
| vrste nanogela | Droge | bolest | Aktivnosti | Reference |
| PAMA-DMMA nanogels | doksorubicin | Rak | Povećanje brzine oslobađanja kako se pH vrijednost smanjuje. Veća citotoksičnost pri pH 6,8 u studijama održivosti ćelija | Du et al. (2010) |
| Nanogeli na bazi hitosana ukrašeni hijaluronom | Fotosenzitivni agensi kao što su tetra-fenil-porfirin-tetra-sulfonat (TPPS4), tetra-fenil-hlorin-tetrakarboksilat (TPCC4) i hlorin e6 (Ce6) | reumatski poremecaji | Brzo preuzeto (4 h) od strane makrofaga i akumulira se u citoplazmi i organelama | Schmitt et al. (2010.) |
| PCEC nanočestice u Ploronskim hidrogelovima | lidokain | Lokalna anestezija | Dugotrajna infiltraciona anestezija od oko 360 min | Yin et al. (2009.) |
| Poli(laktidno-ko-glikolna kiselina) i hitozan nanočestica raspršeni u HPMC i Carbopol gelu | Spantide II | Alergijski kontaktni dermatitis i drugi upalni poremećaji kože | Nanogelinncreases potencijal za perkutanu isporuku spantida II | Punit et al. (2012) sa prevodom |
| pH-osjetljivi polivinil pirolidon-poli (akrilna kiselina) (PVP/PAAc) nanogelovi | Pilokarpin | Održavanje adekvatne koncentracije pilokarpina na mestu delovanja tokom dužeg vremenskog perioda | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Unakrsno vezani poli (etilen glikol) i polietilenimin | oligonukleotidi | neurodegenerativne bolesti | Efikasno se transportuje preko BBB-a. Efikasnost transporta se dodatno povećava kada se površina nanogela modifikuje transferinom ili insulinom. | Vinogradov et al. (2004.) |
| Holesterol koji nosi pululanske nanogelove | Rekombinantni murine interleukine-12 | Imunoterapija tumora | Kontinuirano oslobađanje nanogela | Farhana et al. (2013) |
| Poli (N-izopropilelakrilamid) i hitozan | Lečenje karcinoma hipertermije i ciljana isporuka lekova | Termosenzitivni magnetno modificirani | Farhana et al. (2013) | |
| Unakrsno povezana razgranata mreža polietileneimina i PEG polipleknanogela | fludarabin | Rak | Povećana aktivnost i smanjena citotoksičnost | Farhana et al. (2013) |
| Biokompatibilni nanogel pululana koji nosi holesterol | Veštački pratilac | Tretman Alzheimerove bolesti | Inhibira agregaciju amiloidnih β-proteina | Ikeda et al. (2006) |
| DNK nanogel sa unakrsnim povezivanjem fotografija | Genetski materijal | Genska terapija | Kontrolisana isporuka plazmidne DNK | Lee et al. (2009.) |
| Karbopol/cink oksid (ZnO) hibridni gel nanočestica | ZnO nanočestice | Antibakterijska aktivnost, bakterijski inhibitor | Ismail et al. (2021) |
Prilagođeno od Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija u industrijske veličine.