Synthese von Nanokomposit-Hydrogelen mittels Ultraschall

Nanokomposit-Hydrogele oder Nanogele sind multifunktionale 3D-Strukturen mit hoher Wirksamkeit als Arzneimittelträger und Systeme zur kontrollierten Wirkstoffabgabe. Die Ultraschallbehandlung fördert die Dispersion von polymeren nanoskaligen Hydrogelpartikeln sowie die anschließende Beladung dieser Polymerstrukturen mit Nanopartikeln.

Ultraschall-Synthese von Nanogelen

Ultraschall-Sondenhomogenisator UP400St für die Dispersion und Synthese von Nanokomposit-Hydrogelen oder Nanogelen.Nanokomposit-Hydrogele sind dreidimensionale Materialstrukturen und können so gestaltet werden, dass sie spezifische Eigenschaften aufweisen, was sie zu wirksamen Arzneimittelträgern und Systemen zur kontrollierten Abgabe von Arzneimitteln macht. Die Ultraschallbehandlung fördert die Synthese funktionalisierter Partikel in Nanogröße sowie den anschließenden Einschluss bzw. Einbau von Nanopartikeln in dreidimensionale Polymerstrukturen. Da ultraschallsynthetisierte Nanogele bioaktive Verbindungen in ihrem nanoskaligen Kern einschließen können, bieten diese Hydrogele in Nanogröße große Funktionalitäten.
Nanogele sind wässrige Dispersionen von Hydrogel-Nanopartikeln, die physikalisch oder chemisch als hydrophiles Polymernetzwerk vernetzt sind. Da Hochleistungs-Ultraschall bei der Herstellung von Nanodispersionen sehr effizient ist, sind Sonden-Ultraschallgeräte ein wichtiges Instrument für die schnelle und zuverlässige Herstellung von Nanogelen mit überlegenen Funktionalitäten.

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Die Ultraschallkavitation fördert die Vernetzung und Polymerisation bei der Synthese von Hydrogelen und Nanogelen (Nanokomposit-Hydrogelen). Die Ultraschalldispersion erleichtert die gleichmäßige Verteilung von Nanomaterialien bei der Herstellung von Hybridhydrogelen.

Ultraschallgerät UIP1000hdT mit Glasreaktor für die Synthese von Nanokomposit-Hydrogelen

Funktionalitäten von mit Ultraschall hergestellten Nanogelen

  • ausgezeichnete kolloidale Stabilität und große spezifische Oberfläche
  • können dicht mit Nanopartikeln gepackt werden
  • ermöglichen die Kombination von harten und weichen Partikeln in einem hybriden Kern/Schale-Nanogel
  • hohes Hydratationspotenzial
  • verbesserte Bioverfügbarkeit
  • hohe Quell- und Entquellungseigenschaften



 
Ultraschall-synthetisierte Nanogele werden in zahlreichen Anwendungen und Branchen eingesetzt, z. B.

  • für pharmazeutische und medizinische Anwendungen: z. B. Arzneimittelträger, antibakterielle Gele, antibakterieller Wundverband
  • in der Biochemie und Biomedizin für die Genübertragung
  • als Adsorptionsmittel/Biosorptionsmittel in chemischen und umwelttechnischen Anwendungen
  • in der Gewebezüchtung, da Hydrogele die physikalischen, chemischen, elektrischen und biologischen Eigenschaften vieler nativer Gewebe nachahmen können

Fallstudie: Zink-Nanogel-Synthese auf sonochemischem Weg

Schematisches Flussdiagramm für die Synthese von ZnO NPs und Carbopol/ZnO-Hybrid-Nanopartikelgel. In der Studie wurde der Ultraschallgenerator UP400St für die Ausfällung von ZnO-Nanopartikeln und die Bildung von Nanogel verwendet. (angepasst von Ismail et al., 2021)ZnO-Hybrid-Nanopartikel können durch ein einfaches Ultraschallverfahren in einem Carbopol-Gel stabilisiert werden: Mit Hilfe von Ultraschall werden Zink-Nanopartikel ausgefällt und anschließend mit Carbopol vernetzt, um ein Nano-Hydrogel zu bilden.
Ismail et al. (2021) fällten Zinkoxid-Nanopartikel über einen einfachen sonochemischen Weg. (Das Protokoll für die sonochemische Synthese von ZnO-Nanopartikeln finden Sie hier)
Anschließend wurden die Nanopartikel zur Synthese des ZnO-Nanogels verwendet. Dazu wurden die hergestellten ZnO-Nanopartikel mit doppelt deionisiertem Wasser gespült. 0,5 g Carbopol 940 wurden in 300 mL doppelt deionisiertem Wasser gelöst und anschließend die frisch gewaschenen ZnO NPs hinzugefügt. Da Carbopol von Natur aus sauer ist, muss der pH-Wert der Lösung neutralisiert werden, da sie sonst nicht eindickt. Daher wurde die Mischung mit dem Hielscher-Ultraschallgerät UP400S mit einer Amplitude von 95 und einem Zyklus von 95 % eine Stunde lang kontinuierlich beschallt. Anschließend wurden 50 ml Trimethylamin (TEA) als Neutralisierungsmittel (Anhebung des pH-Werts auf 7) tropfenweise unter kontinuierlicher Beschallung zugegeben, bis sich das weiße ZnO-Gel bildete. Die Verdickung des Carbopols setzte ein, als der pH-Wert nahe dem neutralen Wert lag.
Das Forscherteam erklärt die außerordentlich positiven Auswirkungen der Ultraschallbehandlung auf die Bildung von Nanogelen mit der verstärkten Wechselwirkung zwischen Partikeln und Teilchen. Die durch Ultraschall initiierte molekulare Bewegung der Bestandteile in der Reaktionsmischung verstärkt den Verdickungsprozess, der durch die Wechselwirkungen zwischen Polymer und Lösungsmittel gefördert wird. Darüber hinaus fördert die Beschallung das Auflösen von Carbopol. Darüber hinaus verstärkt die Bestrahlung mit Ultraschallwellen die Wechselwirkung zwischen Polymer und ZnO-Nanopartikeln und verbessert die viskoelastischen Eigenschaften des hergestellten Carbopol/ZnO-Hybrid-Nanopartikel-Gels.
Das obige schematische Flussdiagramm zeigt die Synthese von ZnO-Nanopartikeln und Carbopol/ZnO-Hybrid-Nanopartikelgel. In der Studie wurde der Ultraschallgenerator UP400St für die Ausfällung von ZnO-Nanopartikeln und die Bildung von Nanogel verwendet. (angepasst von Ismail et al., 2021)

Mit Ultraschall hergestelltes Nanogel, das mit Zinkoxid-Nanopartikeln beladen ist.

ZnO NPs synthetisiert durch die chemische Fällungsmethode unter der Wirkung von Ultraschall, wobei (a) in der wässrigen Lösung und (b) durch Ultraschall in einem stabilen Hydrogel auf Carbopolbasis dispergiert ist.
(Studie und Bild: Ismail et al., 2021)

Fallbeispiel: Herstellung von Poly(methacrylsäure)/Montmorillonit (PMA/nMMT) Nanogel mit Ultraschall

Khan et al. (2020) zeigten die erfolgreiche Synthese eines Poly(methacrylsäure)/Montmorillonit (PMA/nMMT)-Nanokomposithydrogels durch ultraschallunterstützte Redoxpolymerisation. Üblicherweise wurden 1,0 g nMMT in 50 ml destilliertem Wasser dispergiert und 2 Stunden lang mit Ultraschall behandelt, um eine homogene Dispersion zu bilden. Durch die Beschallung wird die Dispersion des Tons verbessert, was zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Adsorptionskapazität der Hydrogele führt. Methacrylsäuremonomer (30 ml) wurde tropfenweise zu der Suspension gegeben. Der Initiator Ammoniumpersulfat (APS) (0,1 M) wurde der Mischung hinzugefügt, gefolgt von 1,0 ml TEMED-Beschleuniger. Die Dispersion wurde 4 Stunden lang bei 50°C mit einem Magnetrührer kräftig gerührt. Die resultierende zähflüssige Masse wurde mit Aceton gewaschen und 48 Stunden lang bei 70 °C im Ofen getrocknet. Das resultierende Produkt wurde gemahlen und in einer Glasflasche aufbewahrt. Es wurden verschiedene Nanokomposit-Gele synthetisiert, indem das nMMT in Mengen von 0,5, 1,0, 1,5 und 2,0 g variiert wurde. Das Nanokomposit-Hydrogel, das mit 1,0 g nMMT hergestellt wurde, zeigte bessere Adsorptionsergebnisse als die übrigen Komposite und wurde daher für weitere Adsorptionsuntersuchungen verwendet.
Die REM-EDX-Mikroaufnahmen rechts zeigen die Element- und Strukturanalyse der Nanogele, die aus Montmorillonit (MMT), Nanomontmorillonit (nMMT), Poly(methacrylsäure)/Nanomontmorillonit (PMA/nMMT) und mit Amoxicillin (AMX) und Diclofenac (DF) beladenem PMA/nMMT bestehen. Die bei einer Vergrößerung von 1,00 KX aufgenommenen REM-Aufnahmen sowie das EDX von

  • Montmorillonit (MMT),
  • Nano-Montmorillonit (nMMT),
  • Poly(methacrylsäure)/Nano-Montmorillonit (PMA/nMMT),
  • und mit Amoxicillin (AMX) und Diclofenac (DF) beladenes PMA/nMMT.

Es ist zu beobachten, dass MMT im Rohzustand eine geschichtete Blattstruktur aufweist, die das Vorhandensein größerer Körner zeigt. Nach der Modifizierung sind die MMT-Schichten in winzige Partikel zerfallen, was auf die Eliminierung von Si2+ und Al3+ aus den oktaedrischen Bereichen zurückzuführen sein könnte. Das EDX-Spektrum von nMMT weist einen hohen Anteil an Kohlenstoff auf, was in erster Linie auf das für die Modifizierung verwendete Tensid zurückzuführen sein könnte, da der Hauptbestandteil von CTAB (C19H42BrN) Kohlenstoff ist (84 %). PMA/nMMT weist eine kohärente und nahezu kontinuierliche Struktur auf. Außerdem sind keine Poren sichtbar, was auf die vollständige Exfoliation von nMMT in die PMA-Matrix hindeutet. Nach der Sorption der pharmazeutischen Moleküle Amoxicillin (AMX) und Diclofenac (DF) sind Veränderungen in der Morphologie von PMA/nMMT zu beobachten. Die Oberfläche wird asymmetrisch mit einer Zunahme der rauen Textur.
Verwendung und Funktionalitäten von Hydrogelen in Nanogröße auf Tonbasis: Hydrogel-Nanokomposite auf Tonbasis werden als potenzielle Superadsorptionsmittel für die Aufnahme anorganischer und/oder organischer Schadstoffe aus einer wässrigen Lösung angesehen, da sie die Eigenschaften von Ton und Polymeren in sich vereinen, wie z. B. biologische Abbaubarkeit, Biokompatibilität, Wirtschaftlichkeit, Fülle, hohe spezifische Oberfläche, dreidimensionales Netzwerk und Quell-/Entquellungseigenschaften.
(vgl. Khan et al., 2020)

Ultraschall-synthetisierte Nanogele, die mit verschiedenen Nanopartikeln wie Nano-Montmorillonit beladen sind.

SEM-EDX-Aufnahmen von (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT und (d) AMX- und (e) DF-beladenen Nanokomposit-Hydrogelen. Die Nanogele wurden durch Ultraschallbehandlung hergestellt.
(Studie und Bilder: ©Khan et al. 2020)

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Hydrogel- und Nanogelproduktion

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Hydrogel- und Nanogelproduktion
Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Synthese von Hydrogelen und Nanogelen mit überlegenen Funktionalitäten her. Von kleinen und mittelgroßen R&D und Pilot-Ultraschallanlagen bis hin zu industriellen Systemen für die kommerzielle Hydrogelherstellung im kontinuierlichen Betrieb hat Hielscher Ultrasonics den richtigen Ultraschallprozessor für Ihre Anforderungen in der Hydrogel-/Nanogelproduktion.

Warum Hielscher Ultrasonics?

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In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
15 bis 150 Liter 3 bis 15 l/min UIP6000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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In dem kurzen Clip oben wird das Ultraschallgerät UP50H zur Bildung eines Hydrogels unter Verwendung eines niedermolekularen Gelators verwendet. Das Ergebnis ist ein selbstheilendes supramolekulares Hydrogel.
(Studie und Film: Rutgeerts et al., 2019)
Ultraschall-Dispergierung von Silica-Nanopartikeln in Hydrogel: Der Hielscher Ultraschall-Homogenisator UP400St dispergiert Silica-Nanopartikel schnell und effizient in ein einheitliches Nanogel mit Multifunktionalitäten.

Ultraschalldispergierung von Nanopartikeln in Hydrogelen mit dem Ultraschallgerät UP400St

Video-Miniaturansicht



Literatur / Literaturhinweise

Wissenswertes

Protokoll für die sonochemische Synthese von ZnO-Nanopartikeln

ZnO NPs wurden mit der chemischen Fällungsmethode unter der Wirkung von Ultraschallbestrahlung synthetisiert. In einem typischen Verfahren wurden Zinkacetat-Dihydrat (Zn(CH3COO)2-2H2O) als Vorläufer und eine Ammoniaklösung von 30-33% (NH3) in einer wässrigen Lösung (NH4OH) als Reduktionsmittel verwendet. Die ZnO-Nanopartikel wurden hergestellt, indem die entsprechende Menge Zinkacetat in 100 ml entionisiertem Wasser aufgelöst wurde, um eine 0,1 M Zinkionenlösung herzustellen. Anschließend wurde die Zinkionenlösung mit einem Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Deutschland) bei einer Amplitude von 79 % und einem Zyklus von 0,76 für 5 Minuten bei einer Temperatur von 40 ◦C mit Ultraschallwellen beschallt. Dann wurde die Ammoniaklösung unter Einwirkung der Ultraschallwellen tropfenweise zur Zinkionenlösung gegeben. Nach wenigen Augenblicken begannen die ZnO NPs auszufallen und zu wachsen, und die Ammoniaklösung wurde kontinuierlich zugegeben, bis die vollständige Ausfällung der ZnO NPs erfolgte.
Die erhaltenen ZnO-NP wurden mehrmals mit entionisiertem Wasser gewaschen und zum Absetzen belassen. Anschließend wurde der erhaltene Niederschlag bei Raumtemperatur getrocknet.
(Ismail et al., 2021)

Was sind Nanogels?

Nanogele oder Nanokomposit-Hydrogele sind eine Art von Hydrogelen, die Nanopartikel, in der Regel im Bereich von 1-100 Nanometern, in ihre Struktur einschließen. Diese Nanopartikel können organisch, anorganisch oder eine Kombination aus beidem sein.
Nanogele werden durch einen Prozess gebildet, der als Vernetzung bekannt ist und die chemische Bindung von Polymerketten zu einem dreidimensionalen Netzwerk beinhaltet. Da die Bildung von Hydrogelen und Nanogelen eine gründliche Durchmischung erfordert, um die Polymerstruktur zu hydratisieren, die Vernetzung zu fördern und die Nanopartikel einzubringen, ist die Ultraschallbehandlung eine äußerst wirksame Technik für die Herstellung von Hydrogelen und Nanogelen. Hydrogel- und Nanogelnetzwerke sind in der Lage, große Mengen an Wasser zu absorbieren, wodurch Nanogele stark hydratisiert sind und sich daher für eine Vielzahl von Anwendungen eignen, z. B. für die Verabreichung von Arzneimitteln, Gewebezüchtung und Biosensoren.
Nanogel-Hydrogele bestehen in der Regel aus Nanopartikeln wie Siliziumdioxid oder Polymerpartikeln, die in der Hydrogelmatrix dispergiert sind. Diese Nanopartikel können durch verschiedene Methoden synthetisiert werden, darunter Emulsionspolymerisation, inverse Emulsionspolymerisation und Sol-Gel-Synthese. Diese Polymerisations- und Sol-Gel-Synthesen profitieren in hohem Maße von der Bewegung mit Ultraschall.
Nanokomposit-Hydrogele hingegen bestehen aus einer Kombination aus einem Hydrogel und einem Nanofüllstoff, wie Ton oder Graphenoxid. Die Zugabe des Nanofüllstoffs kann die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Hydrogels verbessern, z. B. seine Steifigkeit, Zugfestigkeit und Zähigkeit. Die starken Dispersionskapazitäten der Beschallung erleichtern hier die gleichmäßige und stabile Verteilung der Nanopartikel in der Hydrogelmatrix.
Insgesamt bieten Nanogel- und Nanokomposit-Hydrogele aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und Funktionalitäten ein breites Spektrum an potenziellen Anwendungen in Bereichen wie Biomedizin, Umweltsanierung und Energiespeicherung.

Anwendungen von Nanogel für medizinische Behandlungen

Typ des Nanogels Medikamente Krankheit Tätigkeit Referenzen
PAMA-DMMA-Nanogele Doxorubicin Krebs Anstieg der Freisetzungsrate bei sinkendem pH-Wert. Höhere Zytotoxizität bei pH 6,8 in Studien zur Zellviabilität Du et al. (2010)
Mit Hyaluronat dekorierte Nanogels auf Chitosanbasis Photosensibilisatoren wie Tetra-Phenyl-Porphyrin-Tetra-Sulfonat (TPPS4), Tetra-Phenyl-Chlorin-Tetra-Carboxylat (TPCC4) und Chlorin e6 (Ce6) Rheumatische Erkrankungen Rasche Aufnahme (4 h) durch die Makrophagen und Anreicherung in deren Zytoplasma und Organellen Schmitt et al. (2010)
PCEC-Nanopartikel in Pluronic-Hydrogelen Lidocain Lokale Anästhesie Erzeugt eine lang anhaltende Infiltrationsanästhesie von etwa 360 Minuten Yin et al. (2009)
Poly(lactid-co-glykolsäure) und Chitosan-Nanopartikel, dispergiert in HPMC- und Carbopol-Gel Spantide II Allergische Kontaktdermatitis und andere entzündliche Hautkrankheiten Nanogelinn erhöht das Potenzial für die perkutane Verabreichung von Spantid II Punit et al. (2012)
pH-empfindliche Polyvinylpyrrolidon-Poly(acrylsäure)-Nanogele (PVP/PAAc) Pilocarpine Aufrechterhaltung einer angemessenen Konzentration des Pilocarpins am Wirkort über einen längeren Zeitraum hinweg Abd El-Rehim et al. (2013)
Vernetztes Poly(ethylenglykol) und Polyethylenimin Oligonukleotide Neurodegenerative Krankheiten Effektiver Transport durch die BHS. Die Transporteffizienz wird weiter erhöht, wenn die Oberfläche des Nanogels mit Transferrin oder Insulin modifiziert wird Vinogradov et al. (2004)
Cholesterinhaltige Pullulan-Nanogele Rekombinantes murines Interleukin-12 Tumor-Immuntherapie Nanogel mit verzögerter Freisetzung Farhana et al. (2013)
Poly(N-isopropylacrylamid) und Chitosan Hyperthermie-Krebsbehandlung und gezielte Medikamentenabgabe Thermosensitiv magnetisch modalisiert Farhana et al. (2013)
Vernetztes verzweigtes Netzwerk aus Polyethylenimin und PEG Polyplexnanogel Fludarabin Krebs Erhöhte Aktivität und verringerte Zytotoxizität Farhana et al. (2013)
Biokompatibles Nanogel aus Cholesterin-haltigem Pullulan Als künstliche Anstandsdame Behandlung der Alzheimer-Krankheit Hemmung der Aggregation von amyloidem β-Protein Ikeda et al. (2006)
DNA-Nanogel mit Foto-Vernetzung Genetisches Material Gentherapie Kontrollierte Abgabe von Plasmid-DNA Lee et al. (2009)
Carbopol/Zinkoxid (ZnO)-Hybridgel mit Nanopartikeln ZnO-Nanopartikel Antibakterielle Aktivität, bakterieller Hemmstoff Ismail et al. (2021)

Tabelle angepasst von Swarnali et al., 2017


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