Syntéza nanokompozitních hydrogelů pomocí sonikace
Nanokompozitní hydrogely neboli nanogely jsou multifunkční 3D struktury s vysokou účinností jako nosiče léčiv a systémy pro řízené uvolňování léčiv. Sonikace podporuje disperzi polymerních hydrogelových částic nanometrické velikosti a také následné začlenění/inkorporaci nanočástic do těchto polymerních struktur.
Ultrazvuková syntéza nanogelů
Nanokompozitní hydrogely jsou trojrozměrné materiálové struktury a lze je navrhnout tak, aby vykazovaly specifické vlastnosti, což z nich činí účinné nosiče léčiv a systémy pro řízené uvolňování léčiv. Sonikace podporuje syntézu funkcionalizovaných částic nanometrické velikosti a také následné začlenění/inkorporaci nanočástic do trojrozměrných polymerních struktur. Protože ultrazvukově syntetizované nanogely mohou ve svém nanoskopickém jádře zachytit bioaktivní sloučeniny, nabízejí tyto hydrogely nanometrické velikosti velkou funkčnost.
Nanogely jsou vodné disperze hydrogelových nanočástic, které jsou fyzikálně nebo chemicky zesíťovány jako hydrofilní polymerní síť. Protože vysoce výkonný ultrazvuk je vysoce účinný při výrobě nanodisperzí, jsou sondové ultrazvukové přístroje klíčovým nástrojem pro rychlou a spolehlivou výrobu nanogelů s vynikajícími funkčnostmi.
Ultrazvukový přístroj UIP1000hdT se skleněným reaktorem pro syntézu nanokompozitních hydrogelů
Funkční vlastnosti ultrazvukově vyrobených nanogelů
- vynikající koloidní stabilita a velký specifický povrch
- lze je hustě naplnit nanočásticemi
- umožňují kombinovat tvrdé a měkké částice v hybridním nanogelu typu jádro/obal
- vysoký hydratační potenciál
- podpora biologické dostupnosti
- vysoká schopnost bobtnání / odbobtnávání
Ultrazvukově syntetizované nanogely se používají v mnoha aplikacích a odvětvích, např.
- pro farmaceutické a lékařské aplikace: např. nosič léčiv, antibakteriální gel, antibakteriální krytí ran
- v biochemii a biomedicíně pro přenos genů
- jako adsorbent/biosorbent v chemických a environmentálních aplikacích
- v tkáňovém inženýrství, protože hydrogely mohou napodobovat fyzikální, chemické, elektrické a biologické vlastnosti mnoha nativních tkání
Případová studie: Syntéza zinkového nanogelu sonochemickou cestou
Hybridní nanočástice ZnO lze stabilizovat v gelu Carbopol pomocí jednoduchého ultrazvukového procesu: Sonikace se používá k vyvolání srážení nanočástic zinku, které jsou následně ultrazvukově zesíťovány s Carbopolem za vzniku nanohydrogelu.
Ismail et al. (2021) vysráželi nanočástice oxidu zinečnatého jednoduchou sonochemickou cestou. (Protokol sonochemické syntézy nanočástic ZnO naleznete zde).
Následně byly nanočástice použity k syntéze nanogelu ZnO. Za tímto účelem byly vyrobené ZnO NPs opláchnuty dvojitě deionizovanou vodou. 0,5 g Carbopolu 940 bylo rozpuštěno v 300 mL dvakrát deionizované vody a poté byly přidány čerstvě promyté ZnO NPs. Protože Carbopol je přirozeně kyselý, vyžaduje roztok neutralizaci hodnoty pH, jinak by nezhoustl. Směs proto byla podrobena kontinuální sonikaci pomocí ultrazvukového přístroje Hielscher UP400S s amplitudou 95 a cyklem 95% po dobu 1 h. Poté bylo za kontinuální sonikace po kapkách přidáváno 50 mL trimethylaminu (TEA) jako neutralizačního činidla (zvyšujícího pH na 7), dokud nedošlo ke vzniku bílého gelu ZnO. Zahušťování Carbopolu začalo, když se pH blížilo neutrálnímu pH.
Výzkumný tým vysvětluje mimořádně pozitivní účinky sonikace na tvorbu nanogelu zesílenou interakcí částice-částice. Ultrazvukem iniciovaný molekulární pohyb složek v reakční směsi zesiluje proces zahušťování podporovaný interakcemi polymer-rozpouštědlo. Kromě toho sonikace podporuje rozpouštění Carbopolu. Navíc ozařování ultrazvukovými vlnami zesiluje interakci polymer–ZnO NPs a zlepšuje viskoelastické vlastnosti připraveného gelu hybridních nanočástic Carbopol/ZnO.
Výše uvedený schematický vývojový diagram ukazuje syntézu ZnO NPs a gelu hybridních nanočástic Carbopol/ZnO. Ve studii byl pro srážení nanočástic ZnO a tvorbu nanogelu použit ultrazvukový přístroj UP400St. (upraveno podle Ismail et al., 2021)
ZnO NPs syntetizované metodou chemického srážení za působení sonikace, kde (a) jsou ve vodném roztoku a (b) jsou ultrazvukově dispergovány do stabilního hydrogelu na bázi Carbopolu.
(studie a obrázek: Ismail et al., 2021)
Případová studie: Ultrazvuková příprava nanogelu z poly(methakrylové kyseliny)/montmorillonitu (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) prokázali úspěšnou syntézu nanokompozitního hydrogelu z poly(methakrylové kyseliny)/montmorillonitu (PMA/nMMT) pomocí ultrazvukem asistované redoxní polymerace. Typicky bylo 1,0 g nMMT dispergováno v 50 mL destilované vody pomocí sonikace po dobu 2 h za vzniku homogenní disperze. Sonikace zlepšuje disperzi jílu, což vede ke zlepšení mechanických vlastností a adsorpční kapacity hydrogelů. K suspenzi byl po kapkách přidán monomer kyseliny methakrylové (30 mL). Ke směsi byl přidán iniciátor persíran amonný (APS) (0,1 M) a následně 1,0 mL akcelerátoru TEMED. Disperze byla intenzivně míchána 4 h při 50°C magnetickým míchadlem. Vzniklá viskózní hmota byla promyta acetonem a sušena 48 h při 70°C v sušárně. Výsledný produkt byl rozemlet a uchováván ve skleněné láhvi. Změnou množství nMMT na 0,5, 1,0, 1,5 a 2,0 g byly syntetizovány různé nanokompozitní gely. Nanokompozitní hydrogely připravené s použitím 1,0 g nMMT vykazovaly lepší adsorpční výsledky než ostatní kompozity, a proto byly použity pro další studium adsorpce.
Snímky SEM-EDX vpravo ukazují prvkovou a strukturní analýzu nanogelů sestávajících z montmorillonitu (MMT), nano-montmorillonitu (nMMT), poly(methakrylové kyseliny)/nano-montmorillonitu (PMA/nMMT) a PMA/nMMT naplněného amoxicilinem (AMX) a diklofenakem (DF). Snímky SEM pořízené při zvětšení 1,00 KX spolu s EDX
- montmorillonitu (MMT),
- nano-montmorillonitu (nMMT),
- poly(methakrylové kyseliny)/nano-montmorillonitu (PMA/nMMT),
- a PMA/nMMT naplněného amoxicilinem (AMX) a diklofenakem (DF).
Je pozorováno, že surový MMT má vrstevnatou lamelární strukturu vykazující přítomnost větších zrn. Po modifikaci jsou lamely MMT exfoliovány na drobné částice, což může být způsobeno odstraněním Si2+ a Al3+ z oktaedrických pozic. Spektrum EDX nMMT vykazuje vysoký podíl uhlíku, což může být způsobeno především povrchově aktivní látkou použitou k modifikaci, neboť hlavní složkou CTAB (C19H42BrN) je uhlík (84%). PMA/nMMT vykazuje soudržnou a téměř ko-kontinuální strukturu. Dále nejsou viditelné žádné póry, což svědčí o úplné exfoliaci nMMT do matrice PMA. Po sorpci farmaceutických molekul amoxicilinu (AMX) a diklofenaku (DF) jsou pozorovány změny v morfologii PMA/nMMT. Povrch se stává asymetrickým se zvýšenou drsností textury.
Použití a funkční vlastnosti jílových hydrogelů nanometrické velikosti: Jílové hydrogelové nanokompozity jsou považovány za potenciální superadsorbenty pro záchyt anorganických a/nebo organických kontaminantů z vodného roztoku díky kombinaci vlastností jílů i polymerů, jako je biologická rozložitelnost, biokompatibilita, ekonomická životaschopnost, hojná dostupnost, vysoký specifický povrch, trojrozměrná síť a vlastnosti bobtnání / odbobtnávání.
(srov. Khan et al., 2020)
Snímky SEM-EDX (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT a nanokompozitních hydrogelů naplněných (d) AMX a (e) DF. Nanogely byly připraveny pomocí sonikace.
(studie a obrázky: ©Khan et al. 2020)
Vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro výrobu hydrogelů a nanogelů
Vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro výrobu hydrogelů a nanogelů
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonná ultrazvuková zařízení pro syntézu hydrogelů a nanogelů s vynikajícími funkčnostmi. Od malých a středně velkých ultrazvukových přístrojů pro výzkum a vývoj a pilotní provoz až po průmyslové systémy pro komerční výrobu hydrogelů v kontinuálním režimu má Hielscher Ultrasonics ten správný ultrazvukový procesor, který pokryje vaše požadavky na výrobu hydrogelů / nanogelů.
- vysoká účinnost
- nejmodernější technologie
- spolehlivost a robustnost
- vsádkový i inline provoz
- pro jakýkoli objem
- inteligentní software
- chytré funkce (např. protokolování dat)
- snadná a bezpečná obsluha
- nenáročná údržba
- CIP (čištění na místě)
Níže uvedená tabulka vám poskytne přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů:
| Objem vsádky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150L | 3 až 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | větší | klastr UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
(Studie a 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.
Fakta, která stojí za to znát
Protokol sonochemické syntézy nanočástic ZnO
ZnO NPs byly syntetizovány metodou chemického srážení za působení ultrazvukového ozařování. Při typickém postupu byl jako prekurzor použit dihydrát octanu zinečnatého (Zn(CH3COO)2·2H2O) a jako redukční činidlo roztok amoniaku o koncentraci 30–33% (NH3) ve vodném roztoku (NH4OH). Nanočástice ZnO byly připraveny rozpuštěním příslušného množství octanu zinečnatého ve 100 mL deionizované vody za vzniku 0,1 M roztoku zinečnatých iontů. Následně byl roztok zinečnatých iontů podroben ozařování ultrazvukovými vlnami pomocí přístroje Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlín, Německo) při amplitudě 79% a cyklu 0,76 po dobu 5 min při teplotě 40 ◦C. Poté byl za působení ultrazvukových vln k roztoku zinečnatých iontů po kapkách přidáván roztok amoniaku. Po několika okamžicích se ZnO NPs začaly srážet a růst a roztok amoniaku byl kontinuálně přidáván až do úplného vysrážení ZnO NPs.
Získané ZnO NPs byly několikrát promyty deionizovanou vodou a ponechány, aby se usadily. Následně byla získaná sraženina vysušena při pokojové teplotě.
(Ismail et al., 2021)
Co jsou nanogely?
Nanogely neboli nanokompozitní hydrogely jsou typem hydrogelu, který do své struktury začleňuje nanočástice, obvykle v rozsahu 1–100 nanometrů. Tyto nanočástice mohou být organické, anorganické nebo kombinací obou.
Nanogely vznikají procesem známým jako zesíťování, který zahrnuje chemické vázání polymerních řetězců za vzniku trojrozměrné sítě. Protože tvorba hydrogelů a nanogelů vyžaduje důkladné promíchání za účelem hydratace polymerní struktury, podpory zesíťování a začlenění nanočástic, je sonikace vysoce účinnou technikou pro výrobu hydrogelů a nanogelů. Sítě hydrogelů a nanogelů jsou schopny absorbovat velké množství vody, díky čemuž jsou nanogely vysoce hydratované, a tudíž vhodné pro široké spektrum aplikací, jako je podávání léčiv, tkáňové inženýrství a biosenzory.
Nanogelové hydrogely se obvykle skládají z nanočástic, například z oxidu křemičitého nebo polymerních částic, které jsou dispergovány v celé hydrogelové matrici. Tyto nanočástice lze syntetizovat různými metodami, včetně emulzní polymerace, inverzní emulzní polymerace a syntézy sol-gel. Tyto polymerace a syntézy sol-gel velmi těží z ultrazvukového míchání.
Nanokompozitní hydrogely se naproti tomu 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 výkonné disperzní schopnosti sonikace usnadňují rovnoměrnou a stabilní distribuci nanočástic do hydrogelové matrice.
Celkově mají nanogely a nanokompozitní hydrogely díky svým jedinečným vlastnostem a funkčnostem široké spektrum potenciálních aplikací v oblastech, jako je biomedicína, sanace životního prostředí a skladování energie.
Použití nanogelů v léčbě
| Typ nanogelu | Léčivo | Onemocnění | Účinek | Reference |
| Nanogely PAMA-DMMA | Doxorubicin | Rakovina | Zvýšení rychlosti uvolňování s klesající hodnotou pH. Vyšší cytotoxicita při pH 6,8 ve studiích viability buněk | Du et al. (2010) |
| Nanogely na bázi chitosanu dekorované hyaluronátem | Fotosenzibilizátory jako tetra-fenyl-porfyrin-tetra-sulfonát (TPPS4), tetra-fenyl-chlorin-tetra-karboxylát (TPCC4) a chlorin e6 (Ce6) | Revmatická onemocnění | Rychle (4 h) vychytávány makrofágy a akumulovány v jejich cytoplazmě a organelách | Schmitt et al. (2010) |
| Nanočástice PCEC v hydrogelech Pluronic | Lidokain | Lokální anestezie | Vyvolaly dlouhotrvající infiltrační anestezii po dobu přibližně 360 min | Yin et al. (2009) |
| Nanočástice poly(laktid-co-glykolové kyseliny) a chitosanu dispergované v HPMC a gelu Carbopol | Spantide II | Alergická kontaktní dermatitida a další zánětlivá onemocnění kůže | Nanogel zvyšuje potenciál perkutánního podávání spantidu II | Punit et al. (2012) |
| pH-senzitivní nanogely polyvinylpyrrolidon-poly (kyselina akrylová) (PVP/PAAc) | Pilokarpin | Udržení dostatečné koncentrace pilokarpinu v místě účinku po delší dobu | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Zesíťovaný poly (ethylenglykol) a polyethylenimin | Oligonukleotidy | Neurodegenerativní onemocnění | Účinně transportovány přes BBB. Účinnost transportu se dále zvyšuje, pokud je povrch nanogelu modifikován transferinem nebo inzulinem | Vinogradov et al. (2004) |
| Pullulanové nanogely nesoucí cholesterol | Rekombinantní myší interleukin-12 | Imunoterapie nádorů | Nanogel s prodlouženým uvolňováním | Farhana et al. (2013) |
| Poly(N-isopropylakrylamid) a chitosan | Léčba rakoviny hypertermií a cílené podávání léčiv | Termosenzitivní, magneticky modalizovaný | Farhana et al. (2013) | |
| Zesíťovaná rozvětvená síť polyethyleniminu a PEG polyplexový nanogel | Fludarabin | Rakovina | Zvýšená aktivita a snížená cytotoxicita | Farhana et al. (2013) |
| Biokompatibilní nanogel z pullulanu nesoucího cholesterol | Jako umělý chaperon | Léčba Alzheimerovy choroby | Inhibice agregace amyloidního β-proteinu | Ikeda et al. (2006) |
| DNA nanogel s fotozesíťováním | Genetický materiál | Genová terapie | Řízené podávání plazmidové DNA | Lee et al. (2009) |
| Gel hybridních nanočástic Carbopol/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 laboratorní po průmyslovou velikost.