Nanokompozitní hydrogelová syntéza pomocí ultrazvuku
Nanokompozitní hydrogely nebo nanogely jsou multifunkční 3D struktury s vysokou účinností jako nosiče léčiv a systémy s řízeným uvolňováním. Ultrazvuku podporuje disperzi nano-velkých, polymerních hydrogelových částic, jakož i následné začlenění / začlenění nanočástic do těchto polymerních struktur.
Ultrazvuková syntéza nanogelů
Nanokompozitní hydrogely jsou trojrozměrné materiálové struktury a mohou být navrženy tak, aby vykazovaly specifické vlastnosti, což z nich činí silné nosiče léčiv a systémy s řízeným uvolňováním léčiv. Ultrazvuku podporuje syntézu funkcionalizovaných nano-velkých částic, jakož i následné začlenění / začlenění nanočástic do trojrozměrných polymerních struktur. Vzhledem k tomu, že ultrazvukem syntetizované nanogely mohou zachytit bioaktivní sloučeniny uvnitř svého nanoskopického jádra, tyto nano-velké hydrogely nabízejí skvělé funkce.
Nanogely jsou vodná disperze hydrogelových nanočástic, které jsou fyzikálně nebo chemicky zesíťovány jako hydrofilní polymerní síť. Vzhledem k tomu, že vysoce výkonný ultrazvuk je vysoce účinný při výrobě nanodisperzí, ultrazvukové sondy typu jsou klíčovým nástrojem pro rychlou a spolehlivou výrobu nanogelů s vynikajícími funkcemi.
ultrasonicator UIP1000hdT se skleněným reaktorem pro syntézu nanokompozitních hydrogelů
Funkce ultrazvukem vyráběných nanogelů
- vynikající koloidní stabilita a velký specifický povrch
- mohou být hustě naplněny nanočásticemi
- umožňují kombinovat tvrdé a měkké částice v hybridním nanogelu jádra/skořápky
- vysoký hydratační potenciál
- podpora biologické dostupnosti
- vysoké bobtnání / de-otok vlastnosti
Ultrazvukem syntetizované nanogely se používají v mnoha aplikacích a průmyslových odvětvích, např.
- pro farmaceutické a lékařské aplikace: např. nosič léčiv, antibakteriální gel, antibakteriální krytí ran
- v biochemii a biomedicíně pro dodávání genů
- jako adsorbent/biosorbent v chemických a environmentálních aplikacích
- V tkáňovém inženýrství mohou hydrogely napodobovat fyzikální, chemické, elektrické a biologické vlastnosti mnoha nativních tkání
Případová studie: Syntéza zinkových nanogelů sonochemickou cestou
ZnO hybridní nanočástice mohou být stabilizovány v gelu Carbopol pomocí jednoduchého ultrazvukového procesu: Sonikace se používá k řízení srážení nanočástic zinku, které jsou následně ultrazvukem zesíťovány s Carbopolem za vzniku nano-hydrogelu.
Ismail et al. (2021) vysráželi nanočástice oxidu zinečnatého jednoduchou sonochemickou cestou. (Protokol pro sonochemickou syntézu nanočástic ZnO naleznete zde).
Následně byly nanočástice použity k syntéze nanogelu ZnO. Proto byly vyrobené ZnO NP opláchnuty dvojitou deionizovanou vodou. 0,5 g karbopolu 940 bylo rozpuštěno ve 300 ml dvojnásobné deionizované vody a následně doplněno čerstvě promyté ZnO NPs. Vzhledem k tomu, že karbopol je přirozeně kyselý, roztok vyžaduje neutralizaci hodnoty pH, jinak by nezhoustnul. Směs tedy prošla kontinuální sonikací pomocí Hielscher ultrasonicator UP400S s amplitudou 95 a cyklem 95% po dobu 1 hodiny. Poté bylo přidáno 50 ml trimethylaminu (TEA) jako neutralizačního činidla (zvýšení pH na 7) za nepřetržité sonikace, dokud nedošlo k tvorbě bílého gelu ZnO. Zahušťování karbopolu začalo, když se pH blížilo neutrálnímu pH .
Výzkumný tým vysvětluje mimořádně pozitivní účinky ultrazvuku na tvorbu nanogelů zvýšenou interakcí částic-částice. Ultrazvukem iniciované molekulární míchání složek v reakční směsi zvyšuje proces zahušťování podporovaný interakcemi polymer-rozpouštědlo. Navíc sonikace podporuje rozpouštění Carbopolu. Kromě toho ultrazvukové vlnové ozařování zvyšuje interakci polymer-ZnO NPs a zlepšuje viskoelastické vlastnosti připraveného gelu hybridních nanočástic Carbopol/ZnO.
Schematický vývojový diagram výše ukazuje syntézu ZnO NPs a Carbopol/ZnO hybridní nanočásticový gel. Ve studii, ultrasonicator UP400St byl použit pro ZnO srážení nanočástic a tvorbu nanogelů. (upraveno podle Ismail et al., 2021)
ZnO NPs syntetizované metodou chemického srážení pod účinkem ultrazvuku, kde (a) je ve vodném roztoku a (b) je ultrazvukem rozptýlen do stabilního hydrogelu na bázi karbopolu.
(studie a obrázek: Ismail et al., 2021)
Case Stuy: Ultrazvuková příprava nanogelu Poly (methakrylová kyselina) / Montmorillonit (PMA / nMMT)
Khan et al. (2020) prokázali úspěšnou syntézu nanokompozitního hydrogelu z poly(methakrylové) / montmorillonitové (PMA / nMMT) pomocí ultrazvukem asistované redoxní polymerace. Typicky bylo 1,0 g nMMT rozptýleno v 50 ml destilované vody s ultrazvukem po dobu 2 hodin, aby se vytvořila homogenní disperze. Sonikace zlepšuje disperzi jílu, což vede ke zlepšení mechanických vlastností a adsorpční kapacity hydrogelů. Do suspenze byl po kapkách přidán monomer kyseliny methakrylové (30 ml). Do směsi byl přidán iniciátor persulfát amonný (APS) (0,1 M) následovaný 1,0 ml urychlovače TEMED. Disperze byla intenzivně míchána po dobu 4 hodin při 50 °C magnetickým míchadlem. Výsledná viskózní hmota byla promyta acetonem a vysušena po dobu 48 hodin při 70 °C v peci. Výsledný produkt byl rozemletý a uložen ve skleněné láhvi. Různé nanokompozitní gely byly syntetizovány změnou nMMT v množstvích 0,5, 1,0, 1,5 a 2,0 g. Nanokompozitní hydrogely připravené s použitím 1,0 g nMMT vykazovaly lepší výsledky adsorpce než ostatní kompozity, a proto byly použity pro další adsorpční vyšetřování.
Mikrosnímky SEM-EDX vpravo ukazují elementární a strukturní analýzu nanogelů sestávajících z montmorillonitu (MMT), nano-montmorillonitu (nMMT), poly(methakrylové kyseliny)/nano-montmorillonitu (PMA/nMMT) a amoxicilinu (AMX) a diklofenaku (DF) naloženého PMA/nMMT. Mikrosnímky SEM zaznamenaly zvětšení 1,00 KX spolu s EDX
- montmorillonit (MMT),
- nanomontmorillonit (nMMT),
- poly(methakrylová)/nanomontmorillonit,
- a PMA/nMMT s amoxicilinem (AMX) a diklofenakem (DF).
Bylo zjištěno, že surový MMT vděčí za vrstvenou strukturu plechu vykazující přítomnost větších zrn. Po modifikaci jsou listy MMT odlupovány na malé částice, což může být způsobeno eliminací Si2+ a Al3+ z oktaedrických míst. EDX spektrum nMMT vykazuje vysoké procento uhlíku, což může být primárně způsobeno povrchově aktivní látkou používanou pro modifikaci, protože hlavní složkou CTAB (C19H42BrN) je uhlík (84%). PMA/nMMT vykazuje koherentní a téměř souvislou strukturu. Dále nejsou viditelné žádné póry, což znázorňuje úplnou exfoliaci nMMT do PMA matrice. Po sorpci farmaceutickými molekulami amoxicilinem (AMX) a diklofenakem (DF) jsou pozorovány změny v morfologii PMA/nMMT. Povrch se stává asymetrickým s nárůstem hrubé textury.
Použití a funkce nano-velkých hydrogelů na bázi jílu: Předpokládá se, že hydrogelové nanokompozity na bázi jílu budou potenciálními superadsorbenty pro příjem anorganických a/nebo organických kontaminantů z vodného roztoku v důsledku kombinačních vlastností jílů a polymerů, jako je biologická rozložitelnost, biokompatibilita, ekonomická životaschopnost, hojnost, vysoká specifická povrchová plocha, trojrozměrná síť a vlastnosti bobtnání / odstraňování bobtnání.
(srov. Khan et al., 2020)
SEM-EDX mikrosnímky (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT a (d) AMX- a (e) DF-loaded nanokompozitních hydrogelů. Nanogely byly připraveny pomocí ultrazvuku.
(studie a obrázky: ©Khan et al. 2020)
Vysoce výkonné ultrasonicators pro hydrogel a nanogel výrobu
Vysoce výkonné ultrasonicators pro hydrogel a nanogel výrobu
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové zařízení pro syntézu hydrogelů a nanogelů s vynikajícími funkcemi. Z malých a středních R&D a pilotní ultrasonicators do průmyslových systémů pro komerční výrobu hydrogelu v nepřetržitém režimu, Hielscher Ultrasonics má správný ultrazvukový procesor, který pokryje vaše požadavky na výrobu hydrogelu / nanogelu.
- vysoká účinnost
- Nejmodernější technologie
- spolehlivost & robustnost
- várka & v souladu
- pro jakýkoli svazek
- inteligentní software
- inteligentní funkce (např. protokolování dat)
- Snadné a bezpečné ovládání
- Nízké nároky na údržbu
- CIP (čisté na místě)
Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators:
| Hromadná dávka | průtok | Doporučené Devices |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000ml | 20 až 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 00,1 až 20L | 00,2 až 4 litry / min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10 l / min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| na | 10 až 100L / min | UIP16000 |
| na | větší | hrozen UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptej se nás!
(Studie a 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.
Fakta Worth Knowing
Protokol pro sonochemickou syntézu nanočástic ZnO
NP ZnO byly syntetizovány metodou chemického srážení za působení ultrazvukového ozařování. V typickém postupu byl použit dihydrát octanu zinečnatého (Zn(CH3COO)2·2H2O) jako prekurzor a roztok amoniaku 30–33% (NH3) ve vodném roztoku (NH4OH) jako redukční činidlo. Nanočástice ZnO byly vyrobeny rozpuštěním příslušného množství octanu zinečnatého ve 100 ml deionizované vody za vzniku 0,1 M roztoku iontů zinku. Následně byl roztok iontů zinku podroben ultrazvukovému ozáření pomocí Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlín, Německo) při amplitudě 79% a cyklu 0,76 po dobu 5 minut při teplotě 40 ◦ C. Poté byl roztok amoniaku přidán po kapkách do roztoku iontů zinku působením ultrazvukových vln. Po několika okamžicích se ZnO NP začaly srážet a růst a roztok amoniaku byl průběžně přidáván, dokud nedošlo k úplnému srážení ZnO NP.
Získané ZnO NP byly několikrát promyty deionizovanou vodou a ponechány k usazení. Následně byla získaná sraženina vysušena při pokojové teplotě.
(Ismail et al., 2021)
Co jsou nanogely?
Nanogely nebo nanokompozitní hydrogely jsou typem hydrogelu, který do své struktury obsahuje nanočástice, obvykle v rozmezí 1-100 nanometrů. Tyto nanočástice mohou být organické, anorganické nebo kombinace obou.
Nanogely jsou tvořeny procesem známým jako zesíťování, který zahrnuje chemickou vazbu polymerních řetězců za účelem vytvoření trojrozměrné sítě. Vzhledem k tomu, že tvorba hydrogelů a nanogelů vyžaduje důkladné promíchání, aby se hydratovala polymerní struktura, aby se podpořilo zesíťování a začlenily nanočástice, ultrazvuku je vysoce účinná technika pro výrobu hydrogelů a nanogelů. Hydrogelové a nanogelové sítě jsou schopny absorbovat velké množství vody, díky čemuž jsou nanogely vysoce hydratované, a proto vhodné pro širokou škálu aplikací, jako je dodávání léků, tkáňové inženýrství a biosenzory.
Nanogelové hydrogely se obvykle skládají z nanočástic, jako jsou částice oxidu křemičitého nebo polymeru, které jsou rozptýleny v hydrogelové matrici. Tyto nanočástice mohou být syntetizovány různými metodami, včetně emulzní polymerace, polymerace inverzní emulze a syntézy sol-gel. Tyto polymerace a syntézy sol-gel velmi těží z ultrazvukového míchání.
Nanokompozitní hydrogely se na druhé straně skládají z kombinace hydrogelu a nanoplniva, jako je jíl nebo oxid grafenu. Přidání nanoplniva může zlepšit mechanické a fyzikální vlastnosti hydrogelu, jako je jeho tuhost, pevnost v tahu a houževnatost. Zde silné disperzní kapacity sonikace usnadňují rovnoměrnou a stabilní distribuci nanočástic do hydrogelové matrice.
Celkově mají nanogel a nanokompozitní hydrogely širokou škálu potenciálních aplikací v oblastech, jako je biomedicína, sanace životního prostředí a skladování energie díky svým jedinečným vlastnostem a funkcím.
Aplikace nanogelu pro léčebné postupy
| Typ nanogelu | lék | nemoc | Aktivita | Odkazy |
| PAMA-DMMA nanogely | doxorubicin | Rakovina | Zvýšení rychlosti uvolňování při poklesu hodnoty pH. Vyšší cytotoxicita při pH 6,8 ve studiích životaschopnosti buněk | Du et al. (2010) |
| Nanogely na bázi chitosanu zdobené hyaluronátem | Fotosenzibilizátory jako tetra-fenyl-porfyrin-tetra-sulfonát (TPPS4), tetra-fenyl-chlorin-tetra-karboxylát (TPCC4) a chlorin e6 (Ce6) | Revmatické poruchy | Rychle vychytávány (4 h) makrofágy a akumulovány v jejich cytoplazmě a organelách | Schmitt a kol. (2010) |
| PCEC nanočástice v pluronových hydrogelech | Lidokain | Lokální anestezie | Vyrobená dlouhodobá infiltrační anestezie cca 360 min | Yin et al. (2009) |
| Poly(kyselina laktid-koglykolová) a nanočástice chitosanu dispergované v HPMC a Carbopol gelu | Spantide II | Alergická kontaktní dermatitida a jiné kožní zánětlivé poruchy | Potenciál nanogelinkreáz pro perkutánní dodávku spantidu II | Punit a kol. (2012) |
| pH citlivé polyvinylpyrrolidon-poly (kyselina akrylová) (PVP/PAAc) nanogely | Pilokarpin | Udržujte adekvátní koncentraci pilokarpinu v místě účinku po delší dobu | Abd El-Rehim a kol. (2013) | |
| Zesítěný poly (ethylenglykol) a polyethylenimin | Oligonukleotidy | Neurodegenerativní onemocnění | Efektivně přepravován přes BBB. Transportní účinnost se dále zvyšuje, když je povrch nanogelu modifikován transferinem nebo inzulínem | Vinogradov et al. (2004) |
| Cholesterol nesoucí pullulan nanogely | Rekombinantní myší interleukin-12 | Nádorová imunoterapie | Nanogel s prodlouženým uvolňováním | Farhana a kol. (2013) |
| Poly(N-isopropylakrylamid) a chitosan | Léčba rakoviny hypertermie a cílené podávání léků | Termosenzitivní magneticky modalizované | Farhana a kol. (2013) | |
| Zesítěná rozvětvená síť polyetyleeiminu a PEG Polyplexnanogelu | Fludarabin | Rakovina | Zvýšená aktivita a snížená cytotoxicita | Farhana a kol. (2013) |
| Biokompatibilní nanogel pullulanu nesoucího cholesterol | Jako umělý chaperon | Léčba Alzheimerovy choroby | Inhibuje agregaci β-proteinu amyloidu | Ikeda a kol. (2006) |
| DNA nanogel s foto-zesíťováním | Genetický materiál | Genová terapie | Řízená dodávka plazmidové DNA | Lee et al. (2009) |
| Hybridní nanočásticový gel karbopol/oxid zinečnatý (ZnO) | Nanočástice ZnO | Antibakteriální aktivita, bakteriální inhibitor | Ismail et al. (2021) |
Tabulka upravena podle Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od Laboratoř na průmyslové velikosti.