Sinteza nanokompozitnog hidrogela pomoću ultrazvuka
Nanokompozitni hidrogelovi ili nanogeli su multifunkcionalne 3D strukture sa visokom efikasnošću kao nosači lekova i sistemi za isporuku lekova sa kontrolisanim otpuštanjem. Ultrazvučna obrada promoviše disperziju nano-velikih čestica polimernog hidrogela, kao i naknadno uključivanje/ugradnju nanočestica u ove polimerne strukture.
Ultrazvučna sinteza nanogela
Nanokompozitni hidrogelovi su trodimenzionalne materijalne strukture i mogu biti dizajnirani da ispoljavaju specifične karakteristike, što ih čini moćnim nosačima lekova i sistemima za isporuku lekova sa kontrolisanim oslobađanjem. Ultrazvučna obrada promovira sintezu funkcionaliziranih čestica nano veličine, kao i naknadno uključivanje/ugradnju nanočestica u trodimenzionalne polimerne strukture. Kako ultrazvučno sintetizirani nanogeli mogu zarobiti bioaktivne spojeve unutar svoje nano jezgre, ovi hidrogelovi nano veličine nude odlične funkcionalnosti.
Nanogeli su vodena disperzija nanočestica hidrogela, koje su fizički ili hemijski umrežene kao hidrofilna polimerna mreža. Kako je ultrazvuk visokih performansi visoko efikasan u proizvodnji nano-disperzija, ultrazvučni aparati tipa sonde su ključni alat za brzu i pouzdanu proizvodnju nanogela sa superiornom funkcionalnošću.
ultrasonikator UIP1000hdT sa staklenim reaktorom za sintezu nanokompozitnog hidrogela
Funkcije ultrazvučno proizvedenih nanogela
- odlična koloidna stabilnost i velika specifična površina
- mogu biti gusto napunjene nanočesticama
- omogućavaju kombinovanje tvrdih i mekih čestica u hibridnom jezgro/ljuska nanogela
- visok potencijal hidratacije
- promicanje bioraspoloživosti
- visoka svojstva bubrenja? otklanjanja bubrenja
Ultrazvučno sintetizirani nanogeli se koriste u brojnim aplikacijama i industrijama, npr
- za farmaceutske i medicinske primjene: npr. nosač lijeka, antibakterijski gel, antibakterijski zavoj za rane
- u biohemiji i biomedicini za isporuku gena
- kao adsorbent/biosorbent u hemijskim i ekološkim primenama
- u inženjerstvu tkiva jer hidrogelovi mogu oponašati fizička, hemijska, električna i biološka svojstva mnogih prirodnih tkiva
Studija slučaja: Sinteza nanogela cinka putem sonohemijskog puta
Hibridne nanočestice ZnO mogu se stabilizovati u Carbopol gelu pomoću lakog ultrazvučnog procesa: Sonikacija se koristi za pokretanje taloženja nanočestica cinka, koje su naknadno ultrazvučno umrežene sa Carbopolom kako bi se formirao nano-hidrogel.
Ismail i dr. (2021) istaložili su nanočestice cink oksida jednostavnim sonohemijskim putem. (Protokol za sonohemijsku sintezu ZnO nanočestica pronađite ovdje).
Nakon toga, nanočestice su korištene za sintezu ZnO nanogela. Stoga su proizvedeni ZnO NP isprani dvostruko deioniziranom vodom. 0,5 g Carbopola 940 je rastvoreno u 300 mL udvostručene dejonizovane vode, nakon čega je usledilo dodavanje sveže ispranih ZnO NP. Budući da je Carbopol prirodno kiseo, otopina zahtijeva neutralizaciju pH vrijednosti, inače se ne bi zgusnula. Dakle, smjesa je bila podvrgnuta kontinuiranoj sonikaciji pomoću Hielscher ultrasonikatora UP400S sa amplitudom od 95 i ciklusom od 95% tokom 1 h. Zatim, 50 mL trimetilamina (TEA) kao neutralizacijskog agensa (podižući pH na 7) je dodano kap po kap uz kontinuiranu sonikaciju sve dok nije došlo do formiranja ZnO bijelog gela. Zgušnjavanje Carbopola počelo je kada je pH bio blizu neutralnog pH.
Istraživački tim objašnjava izvanredno pozitivne efekte ultrazvučne obrade na formiranje nanogela pojačanom interakcijom čestica-čestica. Ultrazvučno inicirano molekularno miješanje sastojaka u reakcionoj smjesi poboljšava proces zgušnjavanja podstaknut interakcijama polimera i rastvarača. Osim toga, sonikacija potiče otapanje Carbopola. Pored toga, ultrazvučno zračenje talasom poboljšava interakciju polimer-ZnO NP i poboljšava viskoelastična svojstva pripremljenog gela Carbopol/ZnO hibridnih nanočestica.
Šematski dijagram toka iznad prikazuje sintezu ZnO NP i Carbopol/ZnO hibridnog gela nanočestica. U istraživanju je korišćen ultrazvučni aparat UP400St za taloženje nanočestica ZnO i formiranje nanogela. (prilagođeno iz Ismail et al., 2021.)
ZnO NP sintetizovani metodom hemijske precipitacije pod dejstvom ultrazvuka, pri čemu se (a) nalazi u vodenom rastvoru, i (b) ultrazvučno se raspršuje u stabilan hidrogel na bazi karbopola.
Studija slučaja: Ultrazvučna priprema poli(metakrilne kiseline)/montmorilonita (PMA/nMMT) nanogela
Khan et al. (2020) demonstrirali su uspješnu sintezu poli(metakrilne kiseline)/Montmorilonit (PMA/nMMT) nanokompozitnog hidrogela putem redoks polimerizacije potpomognute ultrazvukom. Tipično, 1,0 g nMMT je dispergirano u 50 mL destilovane vode uz ultrazvučnu obradu tokom 2 h da bi se formirala homogena disperzija. Sonication poboljšava disperziju gline, što rezultira poboljšanim mehaničkim svojstvima i kapacitetom adsorpcije hidrogelova. U suspenziju je kap po kap dodan monomer metakrilne kiseline (30 mL). Smjesi je dodan inicijator amonijum persulfat (APS) (0,1 M), a zatim 1,0 mL TEMED akceleratora. Disperzija je snažno mešana 4 h na 50°C pomoću magnetne mešalice. Dobivena viskozna masa je isprana acetonom i isušena 48 h na 70°C u pećnici. Dobiveni proizvod je samljeven i pohranjen u staklenoj boci. Različiti nanokompozitni gelovi sintetizirani su variranjem nMMT u količinama od 0,5, 1,0, 1,5 i 2,0 g. Nanokompozitni hidrogelovi pripremljeni upotrebom 1,0 g nMMT pokazali su bolje rezultate adsorpcije od ostalih kompozita i stoga su korišteni za daljnja istraživanja adsorpcije.
SEM-EDX mikrofotografije sa desne strane pokazuju elementarnu i strukturnu analizu nanogela koji se sastoji od montmorilonita (MMT), nano-montmorilonita (nMMT), poli(metakrilne kiseline)/nanomontmorilonita (PMA/nMMT) i amoksicilina (AMX). )- i diklofenak (DF) napunjen PMA/nMMT. SEM mikrofotografije snimljene pri uvećanju od 1,00 KX zajedno sa EDX-om
- montmorilonit (MMT),
- nano-montmorilonit (nMMT),
- poli(metakrilna kiselina)/nano-montmorilonit (PMA/nMMT),
- i PMA/nMMT napunjen amoksicilinom (AMX) i diklofenakom (DF).
Uočeno je da sirovi MMT duguje slojevitu strukturu lima koja pokazuje prisustvo većih zrna. Nakon modifikacije, listovi MMT-a se ljušte u sitne čestice, što može biti posljedica eliminacije Si2+ i Al3+ sa oktaedarskih mjesta. EDX spektar nMMT pokazuje visok postotak ugljika, što prvenstveno može biti posljedica surfaktanta koji se koristi za modifikaciju jer je glavni sastojak CTAB (C19H42BrN) ugljenik (84%). PMA/nMMT prikazuje koherentnu i skoro ko-kontinuiranu strukturu. Nadalje, pore nisu vidljive, što prikazuje potpuni piling nMMT u PMA matrici. Nakon sorpcije farmaceutskim molekulima amoksicilina (AMX) i diklofenaka (DF), uočavaju se promjene u morfologiji PMA/nMMT. Površina postaje asimetrična sa povećanjem grube teksture.
Upotreba i funkcionalnost hidrogelova nano-veličine na bazi gline: Nanokompoziti hidrogela na bazi gline su zamišljeni kao potencijalni super adsorbenti za upijanje neorganskih i/ili organskih zagađivača iz vodene otopine zbog kombiniranih karakteristika gline i polimera, kao što su kao biorazgradivost, biokompatibilnost, ekonomska održivost, obilje, visoka specifična površina, trodimenzionalna mreža i svojstva bubrenja? otklanjanja bubrenja.
(usp. Khan et al., 2020.)
SEM-EDX mikrofotografije (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT i (d) AMX- i (e) nanokompozitnih hidrogelova napunjenih DF. Nanogeli su pripremljeni ultrazvukom.
Ultrasonikatori visokih performansi za proizvodnju hidrogela i nanogela
Ultrasonikatori visokih performansi za proizvodnju hidrogela i nanogela
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučnu opremu visokih performansi za sintezu hidrogelova i nanogela s vrhunskim funkcionalnostima. Od malih i srednjih R&D i pilot ultrasonikatori za industrijske sisteme za komercijalnu proizvodnju hidrogela u kontinuiranom načinu rada, Hielscher Ultrasonics ima pravi ultrazvučni procesor koji će zadovoljiti vaše zahtjeve za proizvodnju hidrogela/nanogela.
- visoka efikasnost
- najsavremenija tehnologija
- pouzdanost & robusnost
- serija & U redu
- za bilo koju zapreminu
- inteligentni softver
- pametne funkcije (npr. protokoliranje podataka)
- jednostavan i siguran za rad
- nisko održavanje
- CIP (čišćenje na mjestu)
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| N? A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N? A | veći | klaster of UIP16000 |
Kontaktiraj nas!? Pitajte nas!
(Studija i film: 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.
Činjenice koje vrijedi znati
Protokol za sonohemijsku sintezu nanočestica ZnO
ZnO NP su sintetizovani metodom hemijske precipitacije pod dejstvom ultrazvučnog zračenja. U tipičnom postupku korišćeni su cink acetat dihidrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) kao prekursor i rastvor amonijaka od 30–33% (NH3) u vodenom rastvoru (NH4OH) kao redukciono sredstvo. Nanočestice ZnO proizvedene su otapanjem odgovarajuće količine cink acetata u 100 mL dejonizovane vode da bi se dobilo 0,1 M rastvora jona cinka. Nakon toga, rastvor jona cinka je podvrgnut ultrazvučnom talasnom zračenju korišćenjem Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Nemačka) pri amplitudi od 79% i ciklusu od 0,76 tokom 5 minuta na temperaturi od 40 ◦C. Zatim je rastvor amonijaka dodan u kapima rastvoru jona cinka pod dejstvom ultrazvučnih talasa. Nakon nekoliko trenutaka, ZnO NP su počeli da se talože i rastu, a rastvor amonijaka je kontinuirano dodavan sve dok nije došlo do potpunog taloženja ZnO NP.
Dobijeni ZnO NP nekoliko puta su isprani dejonizovanom vodom i ostavljeni da se slegnu. Pozadi, dobijeni talog je osušen na sobnoj temperaturi.
(Ismail et al., 2021.)
Šta su Nanogels?
Nanogeli 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.
Nanogeli se formiraju kroz proces poznat kao umrežavanje, koji uključuje hemijsko vezivanje polimernih lanaca kako bi se formirala trodimenzionalna mreža. Budući da formiranje hidrogela i nanogela zahtijeva temeljito miješanje kako bi se hidratizirala polimerna struktura, promoviralo umrežavanje i inkorporirale nanočestice, ultrazvučna obrada je vrlo efikasna tehnika za proizvodnju hidrogelova i nanogela. Mreže hidrogela i nanogela sposobne su apsorbirati velike količine vode, čineći nanogele visoko hidratiziranim i stoga pogodnim za širok spektar primjena kao što su isporuka lijekova, inženjering tkiva i biosenzori.
Nanogel hidrogelovi se obično sastoje od nanočestica, kao što su čestice silicijum dioksida ili polimera, koje su dispergovane kroz matricu hidrogela. Ove nanočestice se mogu sintetizirati različitim metodama, uključujući emulzijsku polimerizaciju, inverznu emulzijsku polimerizaciju i sol-gel sintezu. Ova polimerizacija i sol-gel sinteze imaju velike koristi od ultrazvučnog miješanja.
Nanokompozitni hidrogelovi, s druge strane, sastoje se od kombinacije hidrogela i nanopunila, kao što je glina ili grafen oksid. Dodatak nanopunila može poboljšati mehanička i fizička svojstva hidrogela, kao što su njegova krutost, vlačna čvrstoća i žilavost. Ovdje, moćni disperzijski kapaciteti sonikacije olakšavaju ujednačenu i stabilnu distribuciju nanočestica u matrici hidrogela.
Sve u svemu, nanogel i nanokompozitni hidrogelovi imaju širok spektar potencijalnih primjena u poljima kao što su biomedicina, sanacija okoliša i skladištenje energije zbog svojih jedinstvenih svojstava i funkcionalnosti.
Primjena Nanogela za medicinske tretmane
| Vrsta Nanogela | lijek | bolest | Aktivnost | Reference |
| PAMA-DMMA nanogeli | doksorubicin | Rak | Povećanje brzine oslobađanja kako se pH vrijednost smanjivala. Veća citotoksičnost pri pH 6,8 u studijama vitalnosti ćelija | Du et al. (2010) |
| Nanogelovi na bazi hitozana ukrašeni hijaluronatom | Fotosenzibilizatori kao što su tetra-fenil-porfirin-tetra-sulfonat (TPPS4), tetra-fenil-hlorin-tetra-karboksilat (TPCC4) i hlorin e6 (Ce6) | Reumatski poremećaji | Makrofagi brzo preuzimaju (4 h) i akumuliraju se u njihovoj citoplazmi i organelama | Schmitt et al. (2010) |
| PCEC nanočestice u Pluronic hidrogelovima | Lidokain | Lokalna anestezija | Proizvedena dugotrajna infiltraciona anestezija od oko 360 min | Yin et al. (2009) |
| Nanočestice poli(laktid-ko-glikolne kiseline) i hitozana dispergirane u HPMC i Carbopol gelu | Spantide II | Alergijski kontaktni dermatitis i drugi upalni poremećaji kože | Nanogelin povećava potencijal za perkutanu isporuku spantida II | Punit et al. (2012) |
| pH-osetljivi polivinil pirolidon-poli (akrilna kiselina) (PVP/PAAc) nanogeli | Pilokarpin | Održavajte adekvatnu koncentraciju pilokarpina na mjestu djelovanja tokom dužeg vremenskog perioda | Abd El-Rehim i dr. (2013) | |
| Umreženi poli (etilen glikol) i polietilenimin | Oligonukleotidi | Neurodegenerativne bolesti | Efektivno se transportuje preko BBB-a. Efikasnost transporta se dodatno povećava kada se površina nanogela modificira transferinom ili inzulinom | Vinogradov i dr. (2004) |
| Pululan nanogeli koji sadrže holesterol | Rekombinantni mišji interleukin-12 | Imunoterapija tumora | Nanogel sa produženim oslobađanjem | Farhana et al. (2013) |
| Poli(N-izopropilakrilamid) i hitozan | Liječenje raka hipertermije i ciljana isporuka lijekova | Termosenzitivni magnetno modalizovan | Farhana et al. (2013) | |
| Umrežena razgranana mreža polietilenimina i PEG polipleksnanogela | Fludarabin | Rak | Povišena aktivnost i smanjena citotoksičnost | Farhana et al. (2013) |
| Biokompatibilni nanogel pululana koji nosi holesterol | Kao veštački pratilac | Treatment of Alzheimer’s disease | Inhibiraju agregaciju amiloidnog β-proteina | Ikeda et al. (2006) |
| DNK nanogel sa umrežavanjem 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 i dr. (2021) |
Tabela preuzeta iz Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi lab to industrijska veličina.