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 spredningen af nano-størrelse, 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 egenskaber, 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 nanoskalakerne, tilbyder disse hydrogeler i nanostørrelse 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 sonde-type ultralydapparater et afgørende værktøj til hurtig og pålidelig produktion af nanogeler med overlegne funktionaliteter.
Ultralydsapparat UIP1000hdT med glasreaktor til nanokomposithydrogelsyntese
Funktioner af ultralydsproducerede nanogeler
- fremragende kolloid stabilitet og det store specifikke overfladeareal
- kan pakkes tæt med nanopartikler
- Gør det muligt at kombinere hårde og bløde partikler i hybrid kerne/skal nanogel
- højt hydreringspotentiale
- fremme af biotilgængelighed
- høje hævelses-/hævelsesegenskaber
Ultralydsyntetiserede nanogeler bruges i adskillige applikationer og industrier, f.eks.
- til farmaceutiske og medicinske anvendelser: f.eks. lægemiddelbærer, antibakteriel gel, antibakteriel sårbandage
- i biokemi og biomedicin til genlevering
- som adsorbent/biosorbent i kemiske og miljømæssige anvendelser
- i vævsteknik, da hydrogeler kan efterligne de fysiske, kemiske, elektriske og biologiske egenskaber af mange naturligt væv
Casestudie: Zink nanogelsyntese via sonokemisk vej
ZnO hybrid nanopartikler kan stabiliseres i en Carbopol-gel via en let ultralydsproces: Sonikering bruges til at drive udfældningen af zink nanopartikler, som efterfølgende ultralyd tværbindes med Carbopol for at danne en nano-hydrogel.
Ismail et al. (2021) udfældede zinkoxid-nanopartikler via en let sonokemisk vej. (Find protokollen for den sonokemiske syntese af ZnO nanopartikler her).
Efterfølgende blev nanopartiklerne brugt til at syntetisere ZnO-nanogelen. 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 hjælp af Hielscher ultralydsapparat UP400S med en amplitude på 95 og en cyklus på 95% i 1 time. Derefter blev 50 ml trimethylamin (TEA) som et neutraliserende middel (hævet pH til 7) tilsat dråbe under kontinuerlig sonikering, indtil dannelsen af ZnO-hvid gel fandt sted. Fortykkelsen af Carbopol startede, når pH-værdien var tæt på en neutral pH-værdi.
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-opløsningsmiddel-interaktionerne. Derudover fremmer sonikering opløsningen af Carbopol. Derudover forbedrer ultralydsbølgebestråling polymer-ZnO NP'ernes interaktion og forbedrer de viskoelastiske egenskaber af den forberedte Carbopol/ZnO hybrid nanopartikelgel.
Det skematiske flowdiagram ovenfor viser syntesen af ZnO NP'er og Carbopol/ZnO hybrid nanopartikelgel. I undersøgelsen blev ultralydsapparatet UP400St brugt til ZnO nanopartikeludfældning og nanogeldannelse. (tilpasset fra Ismail et al., 2021)
ZnO NP'er syntetiseret ved den kemiske udfældningsmetode under påvirkning af ultralydbehandling, hvor (a) er i den vandige opløsning og (b) er ultralydsdispergeret i en stabil Carbopol-baseret hydrogel.
(undersøgelse og billede: Ismail et al., 2021)
Case Stuy: Ultralydspræparat af poly(methacrylsyre)/Montmorillonit (PMA/nMMT) Nanogel
Khan et al. (2020) demonstrerede den vellykkede syntese af en poly(methacrylsyre)/Montmorillonit (PMA/nMMT) nanokomposithydrogel via ultralydsassisteret redoxpolymerisation. Typisk blev 1,0 g nMMT dispergeret i 50 ml destilleret vand med ultralydbehandling i 2 timer for at danne en homogen dispersion. Sonikering forbedrer dispersionen af ler, hvilket resulterer i forbedrede mekaniske egenskaber og adsorptionskapacitet af hydrogelerne. Methacrylsyremonomer (30 ml) blev tilsat dråbe til suspensionen. Initiator ammoniumpersulfat (APS) (0,1 M) blev tilsat til blandingen efterfulgt af 1,0 ml TEMED accelerator. Dispersionen blev kraftigt omrørt i 4 timer ved 50°C af en magnetomrører. Den resulterende tyktflydende masse blev acetonevasket og tørret 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. Nanokomposithydrogelerne fremstillet ved hjælp af 1,0 g nMMT viste bedre adsorptionsresultater end resten af kompositterne og blev derfor brugt til yderligere adsorptionsundersøgelser.
SEM-EDX-mikrografierne 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)-belastet PMA/nMMT. SEM-mikrografierne blev optaget med en forstørrelse på 1,00 KX sammen med EDX på
- 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 de oktaedriske steder. EDX-spektret af nMMT udviser en høj procentdel af kulstof, hvilket primært kan skyldes det overfladeaktive stof, der anvendes til modifikation, da hovedbestanddelen af CTAB (C19H42BrN) er kulstof (84%). PMA/nMMT viser en sammenhængende og næsten sammenhængende struktur. Yderligere er ingen porer synlige, hvilket viser den fuldstændige 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 funktionaliteter af lerbaserede hydrogeler i nanostørrelse: Lerbaserede hydrogel-nanokompositter er tænkt som potentielle superadsorbenter til optagelse af uorganiske og/eller organiske forurenende stoffer fra en vandig opløsning på grund af kombinationsegenskaberne af både ler og polymerer, såsom biologisk nedbrydelighed, biokompatibilitet, økonomisk levedygtighed, overflod, højt specifikt overfladeareal, tredimensionelt netværk og hævelses-/de-svulmende egenskaber.
(jf. Khan et al., 2020)
SEM-EDX-mikrobilleder af (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT og (d) AMX- og (e) DF-belastede nanokomposithydrogeler. Nanogelerne blev fremstillet ved hjælp af ultralydbehandling.
(studie og billeder: ©Khan et al. 2020)
Højtydende ultralydapparater til hydrogel- og nanogelproduktion
Højtydende ultralydapparater til hydrogel- og nanogelproduktion
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 / nanogelproduktion.
- høj effektivitet
- Avanceret teknologi
- pålidelighed & Robusthed
- batch & Inline
- til enhver volumen
- Intelligent software
- smarte funktioner (f.eks. dataprotokol)
- Nem og sikker at betjene
- lav vedligeholdelse
- CIP (rengøring på stedet)
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:
| Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 1 til 500 ml | 10 til 200 ml/min | UP100H |
| 10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 til 150L | 3 til 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
(Studie og film: Rutgeerts et al., 2019)
Litteratur / Referencer
- 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, der er værd at vide
Protokol for sonokemisk syntese af ZnO-nanopartikler
ZnO NP'er blev syntetiseret ved hjælp af den kemiske udfældningsmetode under påvirkning af ultralydsbestråling. I en typisk procedure blev zinkacetatdihydrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) som prækursor og en ammoniakopløsning på 30-33% (NH3) i en vandig opløsning (NH4OH) som reduktionsmiddel anvendt. ZnO-nanopartiklerne blev produceret ved at opløse den passende mængde zinkacetat i 100 ml deioniseret vand for at producere 0,1 M af en zinkionopløsning. Efterfølgende blev zinkionopløsningen udsat for ultralydsbølgebestråling ved hjælp af en Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Tyskland) ved en amplitude på 79% og en cyklus på 0,76 i 5 minutter ved en temperatur på 40 ◦C. Derefter blev ammoniakopløsningen tilsat dråbe til zinkionopløsningen under påvirkning af ultralydsbølgerne. Efter få øjeblikke begyndte ZnO NP'erne at udfælde og vokse, og ammoniakopløsningen blev løbende tilsat, indtil den fuldstændige udfældning af ZnO NP'er fandt sted.
De opnåede ZnO NP'er blev vasket med deioniseret vand flere gange og blev efterladt for at slå sig ned. Bagefter blev det opnåede bundfald tørret ved stuetemperatur.
(Ismail et al., 2021)
Hvad er nanogeler?
Nanogeler eller nanokomposithydrogeler er en type hydrogel, der inkorporerer nanopartikler, normalt i området 1-100 nanometer, i deres struktur. Disse nanopartikler kan være organiske, uorganiske eller en kombination af begge.
Nanogeler dannes gennem en proces kendt som tværbinding, som involverer kemisk binding af polymerkæder for at danne et tredimensionelt netværk. Da dannelsen af hydrogeler og nanogeler kræver grundig blanding for at hydrere den polymere struktur, for at fremme tværbindingen og for at inkorporere nanopartiklerne, er ultralydbehandling en meget effektiv teknik til produktion af hydrogeler og nanogeler. Hydrogel- og nanogelnetværk er i stand til at absorbere store mængder vand, hvilket gør nanogeler meget hydrerede og dermed velegnede til en lang række applikationer såsom lægemiddellevering, vævsteknik og biosensorer.
Nanogelhydrogeler er typisk sammensat af nanopartikler, såsom silica eller polymerpartikler, der er spredt gennem hydrogelmatrixen. Disse nanopartikler kan syntetiseres gennem forskellige metoder, herunder emulsionspolymerisation, invers emulsionspolymerisation og sol-gel-syntese. Disse polymerisations- og sol-gel-synteser har stor gavn af ultralydsomrøring.
Nanokomposithydrogeler er på den anden side sammensat af en kombination af en hydrogel og et nanofyldstof, såsom ler eller grafenoxid. Tilsætningen af nanofiller kan forbedre hydrogelens mekaniske og fysiske egenskaber, såsom dens stivhed, trækstyrke og sejhed. Her letter de kraftige dispersionskapaciteter ved sonikering den ensartede og stabile fordeling af nanopartikler i hydrogelmatrixen.
Samlet set har nanogel- og nanokomposithydrogeler en bred vifte af potentielle anvendelser inden for områder som biomedicin, miljøsanering og energilagring på grund af deres unikke egenskaber og funktionaliteter.
Anvendelser af nanogel til medicinske behandlinger
| Type af nanogel | Lægemiddel | sygdom | Aktivitet | Referencer |
| PAMA-DMMA nanogeler | Doxorubicin | Kræft | Stigning i frigivelseshastigheden, da pH-værdien faldt. Højere cytotoksicitet ved pH 6,8 i cellelevedygtighedsundersøgelser | Du et al. (2010) |
| Chitosan-baserede nanogeler dekoreret med hyaluronat | Fotosensibilisatorer som tetra-phenyl-porphyrin-tetra-sulfonat (TPPS4), tetra-phenyl-chlor-tetra-carboxylat (TPCC4) og chlorin e6 (Ce6) | Reumatiske lidelser | Optages hurtigt (4 timer) af makrofagerne og akkumuleres i deres cytoplasma og organeller | Schmitt et al. (2010) |
| PCEC-nanopartikler i pluroniske hydrogeler | Lidocain | Lokalbedøvelse | Producerede langvarig infiltrationsanæstesi på ca. 360 min | Yin et al. (2009) |
| Poly(lactid-co-glykolsyre) og chitosan nanopartikel dispergeret i HPMC og Carbopol gel | Spantide II | Allergisk kontakteksem og andre hudbetændelsessygdomme | Nanogelinncreases potentiale for perkutan levering af spantide II | Punit et al. (2012) |
| pH-følsomme polyvinylpyrrolidon-poly (acrylsyre) (PVP/PAAc) nanogeler | Pilocarpine | Oprethold en tilstrækkelig koncentration af pilocarpin på virkningsstedet i længere tid | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Tværbundet poly (ethylenglycol) og polyethylenimin | Oligonukleotider | Neurodegenerative sygdomme | Transporteres effektivt over BBB. Transporteffekten øges yderligere, når nanogelens overflade modificeres med transferrin eller insulin | Vinogradov et al. (2004) |
| Kolesterolbærende pullulan nanogeler | Rekombinant murine interleukine-12 | Tumor immunterapi | Nanogel med forlænget frigivelse | Farhana et al. (2013) |
| Poly(N-isopropylacrylamid) og chitosan | Hypertermi kræftbehandling og målrettet lægemiddellevering | Termofølsom magnetisk modaliseret | Farhana et al. (2013) | |
| Tværbundet forgrenet netværk af polyethyleneimin og PEG Polyplexnanogel | Fludarabin | Kræft | Forhøjet aktivitet og nedsat cytotoksicitet | Farhana et al. (2013) |
| Biokompatibel nanogel af kolesterolbærende pullulan | Som kunstig chaperone | Behandling af Alzheimers sygdom | Hæmmer aggregering af amyloid β-protein | Ikeda et al. (2006) |
| DNA-nanogel med foto-tværbinding | Genetisk materiale | Genterapi | Kontrolleret levering af plasmid-DNA | Lee et al. (2009) |
| Carbopol/zinkoxid (ZnO) hybrid nanopartikelgel | ZnO nanopartikler | Antibakteriel aktivitet, bakteriehæmmer | Ismail et al. (2021) |
Tabel tilpasset fra Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra Lab til industriel størrelse.