Syntéza nanokompozitního hydrogelu pomocí ultrazvuku
Nanokompozitní hydrogely nebo nanogely jsou multifunkční 3D struktury s vysokou účinností jako nosiče léčiv a systémy dodávání léčiv s řízeným uvolňováním. Ultrazvuku podporuje disperzi nano-velkých, polymerních hydrogelových částic, stejně jako 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 nanočástic velikosti a také následné začlenění? začlenění nanočástic do trojrozměrných polymerních struktur. Vzhledem k tomu, že ultrazvukem syntetizované nanogely mohou zachytit bioaktivní sloučeniny uvnitř svého jádra v nanoměřítku, nabízejí tyto nano hydrogely 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, jsou ultrazvuky typu sondy klíčovým nástrojem pro rychlou a spolehlivou výrobu nanogelů s vynikajícími funkcemi.
Ultrasonicator UIP1000hdT se skleněným reaktorem pro nanokompozitní hydrogelovou syntézu
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 jádro/obal
- vysoký hydratační potenciál
- Podpora biologické dostupnosti
- vysoké bobtnající? debobtnající vlastnosti
Ultrazvukem syntetizované nanogely se používají v mnoha aplikacích a průmyslových odvětvích, např.
- pro farmaceutické a lékařské aplikace: např. nosič léčiv, antibakteriální gel, antibakteriální obvaz na rány
- v biochemii a biomedicíně pro dodávání genů
- jako adsorbent/biosorbent v chemických a environmentálních aplikacích
- v tkáňovém inženýrství jako hydrogely mohou napodobovat fyzikální, chemické, elektrické a biologické vlastnosti mnoha přirozených tkání
Případová studie: Syntéza zinkového nanogelu sonochemickou cestou
Hybridní nanočástice ZnO mohou být stabilizovány v gelu Carbopol pomocí snadného ultrazvukového procesu: Sonikace se používá k řízení srážení nanočástic zinku, které jsou následně ultrazvukem zesíťovány s Carbopolem za vzniku nanohydrogelu.
Ismail et al. (2021) vysráželi nanočástice oxidu zinečnatého snadnou sonochemickou cestou. (Protokol pro sonochemickou syntézu nanočástic ZnO naleznete zde).
Následně byly nanočástice použity k syntéze nanogelu ZnO. Vyrobené ZnO NPs byly proto opláchnuty dvojitou deionizovanou vodou. 0,5 g Carbopolu 940 bylo rozpuštěno ve 300 ml zdvojnásobené deionizované vody, následované přidáním čerstvě promytých ZnO NPs. Vzhledem k tomu, že Carbopol je přirozeně kyselý, roztok vyžaduje neutralizaci hodnoty pH, jinak by nezhoustnul. Směs tedy prošla kontinuální sonikací pomocí Hielscher ultrasonikator UP400S s amplitudou 95 a cyklem 95% po dobu 1 hodiny. Poté bylo po kapkách přidáno 50 ml trimethylaminu (TEA) jako neutralizační činidlo (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 nanogelu zvýšenou interakcí částic s částicemi. Ultrazvukem iniciované molekulární míchání složek v reakční směsi zvyšuje proces zahušťování podporovaný interakcemi polymer-rozpouštědlo. Kromě toho sonikace podporuje rozpouštění Carbopolu. Ozařování ultrazvukovými vlnami navíc zvyšuje interakci polymer-ZnO NPs a zlepšuje viskoelastické vlastnosti připraveného gelu hybridních nanočástic Carbopol/ZnO.
Výše uvedený schematický vývojový diagram ukazuje syntézu ZnO NPs a hybridního nanočásticového gelu Carbopol/ZnO. Ve studii byl ultrasonicator UP400St použit pro srážení nanočástic ZnO a tvorbu nanogelů. (převzato z Ismail et al., 2021)
ZnO NPs syntetizované metodou chemického srážení pod vlivem ultrazvuku, kde (a) je ve vodném roztoku a (b) je ultrazvukem dispergován do stabilního hydrogelu na bázi karbopolu.
Case Stuy: Ultrazvuková příprava nanogelu kyseliny poly(methakrylové)/montmorillonitu (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) prokázali úspěšnou syntézu nanokompozitního hydrogelu poly(methakrylové kyseliny)/montmorillonitu (PMA/nMMT) pomocí ultrazvukem asistované redoxní polymerace. Typicky byl 1,0 g nMMT dispergován v 50 ml destilované vody ultrazvukem po dobu 2 hodin, aby se vytvořila homogenní disperze. Sonikace zlepšuje disperzi jílu, což má za následek zlepšení mechanických vlastností a adsorpční kapacity hydrogelů. Monomer kyseliny methakrylové (30 ml) byl přidán po kapkách do suspenze. Do směsi byl přidán iniciátor persíran amonný (APS) (0,1 M) a následně 1,0 ml urychlovače TEMED. Disperze byla intenzivně míchána po dobu 4 hodin při teplotě 50 °C magnetickým míchadlem. Výsledná viskózní hmota byla promyta acetonem a sušena po dobu 48 hodin při teplotě 70 °C v peci. Výsledný produkt byl rozemlet a skladován ve skleněné láhvi. Různé nanokompozitní gely byly syntetizovány změnou nMMT v množství 0,5, 1,0, 1,5 a 2,0 g. Nanokompozitní hydrogely připravené s použitím 1,0 g nMMT vykazovaly lepší adsorpční výsledky než ostatní kompozity, a proto byly použity pro další výzkum adsorpce.
Mikrofotografie SEM-EDX vpravo ukazují elementární a strukturní analýzu nanogelů skládajících se z montmorillonitu (MMT), nano-montmorillonitu (nMMT), poly(methakrylové kyseliny)/nano-montmorillonitu (PMA/nMMT) a amoxicilinu (AMX) a diklofenaku (DF) naloženého PMA/nMMT. Mikrofotografie SEM zaznamenané při zvětšení 1,00 KX spolu s EDX
- montmorillonit (MMT),
- nano-montmorillonit (nMMT),
- kyselina poly(methakrylová)/nano-montmorillonit (PMA/nMMT),
- a amoxicilin (AMX) a diklofenak (DF) naložené PMA/nMMT.
Bylo pozorováno, že surový MMT vděčí za vrstvenou listovou strukturu, která ukazuje přítomnost větších zrn. Po úpravě se listy MMT odlupují na drobné 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 použitou pro modifikaci, protože hlavní složkou CTAB (C19H42BrN) je uhlík (84 %). PMA/nMMT vykazuje koherentní a téměř kokontinuální strukturu. Dále nejsou vidět žádné póry, což znázorňuje úplnou exfoliaci nMMT do matrice PMA. Po sorpci farmaceutickými molekulami amoxicilinem (AMX) a diklofenakem (DF) jsou pozorovány změny v morfologii PMA/nMMT. Povrch se stává asymetrickým se zvýšením hrubé textury.
Použití a funkce nano hydrogelů na bázi jílu: Hydrogelové nanokompozity na bázi jílu jsou považovány za potenciální superadsorbenty pro absorpci anorganických a/nebo organických kontaminantů z vodného roztoku díky kombinačním vlastnostem jílů i polymerů, jako je biologická rozložitelnost, biokompatibilita, ekonomická životaschopnost, hojnost, vysoký specifický povrch, trojrozměrná síť a bobtnající? debobtnající vlastnosti.
(srov. Khan et al., 2020)
SEM-EDX mikrosnímky (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT a (d) AMX- a (e) DF-naložených nanokompozitních hydrogelů. Nanogely byly připraveny pomocí ultrazvuku.
Vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro výrobu hydrogelů a nanogelů
Vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro výrobu hydrogelů a nanogelů
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové zařízení pro syntézu hydrogelů a nanogelů s vynikajícími funkcemi. Od malých a středně velkých R&D a pilotní ultrasonicators pro průmyslové systémy pro komerční výrobu hydrogelů v kontinuálním režimu, Hielscher Ultrasonics má ten správný ultrazvukový procesor, který pokryje vaše požadavky na výrobu hydrogelu? nanogelu.
- Vysoká efektivita
- Nejmodernější technologie
- spolehlivost & Robustnost
- várka & Vložené
- pro libovolný svazek
- Inteligentní software
- Chytré funkce (např. datové protokolování)
- Snadná a bezpečná obsluha
- Nízké nároky na údržbu
- CIP (čištění na místě)
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml? min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l? min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás!? Zeptejte 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, která stojí za to vědět
Protokol pro sonochemickou syntézu nanočástic ZnO
ZnO NPs byly syntetizovány metodou chemického srážení pod vlivem ultrazvukového ozáření. V typickém postupu byl jako prekurzor použit dihydrát octanu zinečnatého (Zn(CH3COO)2·2H2O) a jako redukční činidlo roztok amoniaku 30–33 % (NH3) ve vodném roztoku (NH4OH). Nanočástice ZnO byly vyrobeny rozpuštěním vhodného množství octanu zinečnatého ve 100 ml deionizované vody za vzniku 0,1 M roztoku iontů zinečnatého. Následně byl roztok iontů zinku podroben ozařování ultrazvukovými vlnami 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 pod vlivem ultrazvukových vln. Po několika okamžicích se ZnO NP začaly srážet a růst a roztok amoniaku byl kontinuálně přidáván, dokud nedošlo k úplnému vysrážení ZnO NP.
Získané ZnO NP byly několikrát promyty deionizovanou vodou a ponechány usadit. Následně byla získaná sraženina sušena při pokojové teplotě.
(Ismail et al., 2021)
Co jsou nanogely?
Nanogely nebo nanokompozitní hydrogely jsou typem hydrogelu, který do své struktury začleňuje nanočástice, obvykle v rozmezí 1-100 nanometrů. Tyto nanočástice mohou být organické, anorganické nebo kombinace obou.
Nanogely se tvoří procesem známým jako zesíťování, který zahrnuje chemické spojení polymerních řetězců za vzniku trojrozměrné sítě. Vzhledem k tomu, že tvorba hydrogelů a nanogelů vyžaduje důkladné promíchání, aby se hydratovala polymerní struktura, podpořilo se zesíťování a začlenily nanočástice, je ultrazvuku vysoce účinnou technikou pro výrobu hydrogelů a nanogelů. Hydrogelové a nanogelové sítě jsou schopny absorbovat velké množství vody, díky čemuž jsou nanogely vysoce hydratované, a proto jsou vhodné pro širokou škálu aplikací, jako je dodávání léčiv, tkáňové inženýrství a biosenzory.
Nanogelové hydrogely se obvykle skládají z nanočástic, jako je oxid křemičitý nebo polymerní částice, které jsou dispergovány v hydrogelové matrici. Tyto nanočástice mohou být syntetizovány různými metodami, včetně emulzní polymerace, inverzní emulzní polymerace a syntézy sol-gel. Tyto polymerační a sol-gel syntézy velmi těží z ultrazvukového míchání.
Nanokompozitní hydrogely jsou naproti tomu složeny z kombinace hydrogelu a nanoplniva, jako je jíl nebo oxid grafenu. Přídavek nanoplniva může zlepšit mechanické a fyzikální vlastnosti hydrogelu, jako je jeho tuhost, pevnost v tahu a houževnatost. Zde výkonné disperzní kapacity sonikace usnadňují rovnoměrnou a stabilní distribuci nanočástic do hydrogelové matrice.
Celkově mají nanogely a nanokompozitní hydrogely díky svým jedinečným vlastnostem a funkcím širokou škálu potenciálních aplikací v oblastech, jako je biomedicína, sanace životního prostředí a skladování energie.
Aplikace Nanogelu pro lékařské ošetření
| Typ nanogelu | Lék | nemoc | Aktivita | Odkazy |
| PAMA-DMMA nanogely | doxorubicin | Rakovina | Zvýšení rychlosti uvolňování, když se hodnota pH snižovala. Vyšší cytotoxicita při pH 6,8 ve studiích životaschopnosti buněk | Du et al. (2010) |
| Nanogely na bázi chitosanu zdobené hyaluronátem | Fotosenzibilizátory, jako je tetrafenyl-porfyrin-tetrasulfonát (TPPS4), tetrafenyl-chlorin-tetra-karboxylát (TPCC4) a chlor e6 (Ce6) | Revmatická onemocnění | Rychle vychytáván (4 hodiny) makrofágy a hromaděn v jejich cytoplazmě a organelách | Schmitt et al. (2010) |
| Nanočástice PCEC v pluronových hydrogelech | Lidokain | Lokální anestezie | Vyrobeno dlouhotrvající infiltrační anestezie v délce cca 360 min | Yin et al. (2009) |
| Poly(kyselina laktid-ko-glykolová) a chitosanové nanočástice dispergované v HPMC a Carbopol gelu | Spantide II | Alergická kontaktní dermatitida a další zánětlivá onemocnění kůže | Nanogelinnatury zvyšují potenciál pro perkutánní podávání spantidu II | Punit et al. (2012) |
| Nanogely z polyvinylpyrrolidon-poly (akrylové kyseliny) citlivé na pH (PVP/PAAc) | Pilokarpin | Udržujte přiměřenou koncentraci pilokarpinu v místě působení po delší dobu | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Zesítěný poly (ethylenglykol) a polyethylenimin | Oligonukleotidy | Neurodegenerativní onemocnění | Efektivně přepravováno přes BBB. Transportní účinnost se dále zvyšuje, když je povrch nanogelu modifikován transferinem nebo inzulínem | 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 | Hypertermická léčba rakoviny a cílené podávání léků | Termosenzitivní magneticky modalizované | Farhana et al. (2013) | |
| Zesítěná rozvětvená síť polyetyleniminu a PEG polyplexnanogelu | Fludarabine | Rakovina | Zvýšená aktivita a snížená cytotoxicita | Farhana et al. (2013) |
| Biokompatibilní nanogel pullulan obsahující cholesterol | Jako umělý doprovod | Léčba Alzheimerovy choroby | Inhibuje agregaci amyloidního β-proteinu | Ikeda et al. (2006) |
| DNA nanogel s foto zesíťováním | Genetický materiál | Genová terapie | Kontrolovaný přísun plazmidové DNA | Lee et al. (2009) |
| Hybridní nanočásticový gel karbopol/oxid zinečnatý (ZnO) | Nanočástice ZnO | Antibakteriální aktivita, bakteriální inhibitor | Ismail et al. (2021) |
Tabulka převzata z Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.