Nanokomposit hydrogelsyntese ved hjælp af ultralydbehandling

Nanokomposithydrogeler eller nanogeler er multifunktionelle 3D-strukturer med høj effektivitet som lægemiddelbærere og lægemiddelleveringssystemer med kontrolleret frigivelse. Ultralydbehandling fremmer dispersionen af nanostørrelse, polymere hydrogelpartikler samt den efterfølgende inklusion / inkorporering af nanopartikler i disse polymerstrukturer.

Ultralydsyntese af nanogeler

Nanokomposithydrogeler er tredimensionelle materialestrukturer og kan designes til at udvise specifikke træk, hvilket gør dem til potente lægemiddelbærere og lægemiddelleveringssystemer med kontrolleret frigivelse. Ultralydbehandling fremmer syntesen af funktionaliserede partikler i nanostørrelse samt den efterfølgende inklusion / inkorporering af nanopartikler i tredimensionelle polymere strukturer. Da ultralydsyntetiserede nanogeler kan fange bioaktive forbindelser inde i deres nanoskala kerne, tilbyder disse nano-størrelse hydrogeler store funktionaliteter.
Nanogeler er vandig dispersion af hydrogel nanopartikler, som er fysisk eller kemisk tværbundet som hydrofilt polymernetværk. Da højtydende ultralyd er yderst effektiv til fremstilling af nanodispersioner, er ultralydapparater af sondetypen et afgørende værktøj til hurtig og pålidelig produktion af nanogeler med overlegne funktionaliteter.

Funktionaliteter af ultralyd producerede nanogeler

• fremragende kolloid stabilitet og det store specifikke overfladeareal
• kan være tæt pakket med nanopartikler
• gør det muligt at kombinere hårde og bløde partikler i hybrid kerne / skal nanogel
• højt hydreringspotentiale
• fremme af biotilgængelighed
• høj hævelse / de-hævelse egenskaber

 
Ultralydsyntetiserede nanogeler anvendes i mange applikationer og industrier, f.eks.

• til farmaceutiske og medicinske anvendelser: f.eks. lægemiddelbærer, antibakteriel gel, antibakteriel sårforbinding
• i biokemi og biomedicin til genlevering
• som adsorbent/biosorbent i kemiske og miljømæssige anvendelser
• i vævsteknik som hydrogeler kan efterligne de fysiske, kemiske, elektriske og biologiske egenskaber ved mange indfødte væv

Casestudie: Zink nanogel syntese via sonokemisk rute

ZnO hybrid nanopartikler kan stabiliseres i en Carbopol gel via en letkøbt ultralydsproces: Sonikering bruges til at drive udfældningen af zink nanopartikler, som efterfølgende ultralyd tværbundet med Carbopol til dannelse af en nano-hydrogel.
Ismail et al. (2021) udfældede zinkoxid nanopartikler via en letkøbt sonokemisk rute. (Find protokollen for den sonokemiske syntese af ZnO nanopartikler her).
Derefter blev nanopartiklerne brugt til at syntetisere ZnO nanogel. Derfor blev de producerede ZnO NP'er skyllet med dobbelt deioniseret vand. 0,5 g Carbopol 940 blev opløst i 300 ml fordoblet deioniseret vand efterfulgt af tilsætning af de nyvaskede ZnO NP'er. Da Carbopol er naturligt surt, kræver opløsningen en neutralisering af pH-værdien, ellers ville den ikke blive tykkere. Således havde blandingen gennemgået kontinuerlig sonikering ved anvendelse af Hielscher ultralydator UP400S med en amplitude på 95 og en cyklus på 95% i 1 time. Derefter blev 50 ml trimethylamin (TEA) som neutraliserende middel (hæve pH til 7) tilsat dråbevis under kontinuerlig sonikering, indtil dannelsen af den hvide ZnO-gel opstod. Fortykkelsen af Carbopol startede, da pH var tæt på en neutral pH .
Forskerholdet forklarer de ekstraordinært positive virkninger af ultralydbehandling på nanogeldannelse ved forbedret partikel-partikelinteraktion. Ultralydinitieret molekylær omrøring af bestanddelene i reaktionsblandingen forbedrer fortykningsprocessen, der fremmes af polymer-opløsningsmiddelinteraktionerne. Derudover fremmer sonikering opløsningen af Carbopol. Derudover forbedrer ultralydbølgebestråling polymer-ZnO NP'ernes interaktion og forbedrer de viskoelastiske egenskaber af den fremstillede Carbopol / ZnO hybrid nanopartikler gel.
Det skematiske flowchart ovenfor viser syntesen af ZnO NP'er og Carbopol/ZnO hybrid nanopartikelgel. I undersøgelsen blev ultralydapparatet UP400St brugt til ZnO nanopartikeludfældning og nanogeldannelse. (tilpasset fra Ismail et al., 2021)

ZnO NP'er syntetiseret ved den kemiske udfældningsmetode under virkningen af ultralydbehandling, hvor (a) er i den vandige opløsning, og (b) er ultralyd spredt i en stabil Carbopol-baseret hydrogel.
(undersøgelse og billede: Ismail et al., 2021)

Case Stuy: Ultralyd Forberedelse af Poly (methacrylsyre)/Montmorillonit (PMA/nMMT) Nanogel

Khan et al. (2020) demonstrerede den vellykkede syntese af en poly (methacrylsyre) / Montmorillonite (PMA / nMMT) nanokomposithydrogel via ultralydassisteret redoxpolymerisation. Typisk blev 1,0 g nMMT spredt i 50 ml destilleret vand med ultralydbehandling i 2 timer for at danne en homogen dispersion. Sonikering forbedrer spredningen af ler, hvilket resulterer i forbedrede mekaniske egenskaber og adsorptionskapacitet af hydrogelerne. Methacrylsyremonomer (30 ml) blev tilsat dråbevis til suspensionen. Initiator ammoniumpersulfat (APS) (0,1 M) blev tilsat til blandingen efterfulgt af 1,0 ml TEMED accelerator. Spredningen blev kraftigt omrørt i 4 timer ved 50 °C af en magnetisk omrører. Den resulterende tyktflydende masse blev acetonevasket og udtørret i 48 timer ved 70 ° C i en ovn. Det resulterende produkt blev malet og opbevaret i en glasflaske. Forskellige nanokompositgeler blev syntetiseret ved at variere nMMT i mængder på 0,5, 1,0, 1,5 og 2,0 g. De nanokomposithydrogeler, der blev fremstillet ved anvendelse af 1,0 g nMMT, viste bedre adsorptionsresultater end resten af kompositterne og blev derfor anvendt til yderligere adsorptionsundersøgelse.
SEM-EDX mikrograferne til højre viser den elementære og strukturelle analyse af nanogelerne bestående af montmorillonit (MMT), nano-montmorillonit (nMMT), poly(methacrylsyre)/nano-montmorillonit (PMA/nMMT) og amoxicillin (AMX)- og diclofenac (DF)-loaded PMA/nMMT. SEM-mikrograferne optaget med en forstørrelse på 1,00 KX sammen med EDX af

• montmorillonit (MMT)
• nano-montmorillonit (nMMT)
• poly(methacrylsyre)/nano-montmorillonit (PMA/nMMT)
• og amoxicillin (AMX)- og diclofenac (DF)-belastet PMA/nMMT.

Det observeres, at rå MMT skylder en lagdelt arkstruktur, der viser tilstedeværelsen af større korn. Efter modifikation eksfolieres pladerne af MMT til små partikler, hvilket kan skyldes eliminering af Si2+ og Al3+ fra oktaederne. EDX-spektret af nMMT udviser en høj procentdel af kulstof, hvilket primært kan skyldes det overfladeaktive stof, der anvendes til modifikation, da hovedbestanddelen i CTAB (C19H42BrN) er kulstof (84%). PMA/nMMT viser en sammenhængende og næsten sammenhængende struktur. Desuden er ingen porer synlige, hvilket viser fuldstændig eksfoliering af nMMT i PMA-matrixen. Efter sorption med de farmaceutiske molekyler amoxicillin (AMX) og diclofenac (DF) observeres ændringer i PMA/nMMT-morfologien. Overfladen bliver asymmetrisk med en stigning i den ru tekstur.
Anvendelse og funktionalitet af lerbaserede hydrogeler i nanostørrelse: Lerbaserede hydrogel nanokompositter forventes at være potentielle superadsorbenter til optagelse af uorganiske og / eller organiske forurenende stoffer fra en vandig opløsning på grund af de kombinerede egenskaber ved både ler og polymerer, såsom bionedbrydelighed, biokompatibilitet, økonomisk levedygtighed, overflod, højt specifikt overfladeareal, tredimensionelt netværk og hævelse / hævelsesegenskaber.
(jf. Khan et al., 2020)

Højtydende ultralydapparater til hydrogel og nanogel produktion

Højtydende ultralydapparater til hydrogel og nanogel produktion
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydsudstyr til syntese af hydrogeler og nanogeler med overlegne funktionaliteter. Fra lille og mellemstor R&D og pilot ultralydapparater til industrielle systemer til kommerciel hydrogelfremstilling i kontinuerlig tilstand, Hielscher Ultrasonics har den rigtige ultralydsprocessor til at dække dine krav til hydrogel / nanogel produktion.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater: