Synthese von Nanokomposit-Hydrogelen mittels Ultraschall

Nanokomposit-Hydrogele oder Nanogele sind multifunktionale 3D-Strukturen mit hoher Wirksamkeit als Wirkstoffträger und Systeme zur kontrollierten Wirkstofffreisetzung. Die Ultraschallbehandlung fördert die Dispergierung nanoskaliger polymerer Hydrogelpartikel sowie den anschließenden Einschluss bzw. die Einbettung von Nanopartikeln in diese Polymerstrukturen.

Ultraschallsynthese von Nanogelen

Nanokomposit-Hydrogele sind dreidimensionale Materialstrukturen und können gezielt mit spezifischen Eigenschaften ausgestattet werden, die sie zu leistungsfähigen Wirkstoffträgern und Systemen zur kontrollierten Wirkstofffreisetzung machen. Die Ultraschallbehandlung fördert die Synthese funktionalisierter nanoskaliger Partikel sowie den anschließenden Einschluss bzw. die Einbettung von Nanopartikeln in dreidimensionale Polymerstrukturen. Da mittels Ultraschall synthetisierte Nanogele bioaktive Verbindungen in ihrem nanoskaligen Kern einschließen können, bieten diese nanoskaligen Hydrogele vielfältige Funktionalitäten.
Nanogele sind wässrige Dispersionen von Hydrogel-Nanopartikeln, die physikalisch oder chemisch zu einem hydrophilen Polymernetzwerk vernetzt sind. Da Hochleistungsultraschall bei der Herstellung von Nanodispersionen hocheffizient ist, sind Ultraschallgeräte mit Sonotrode ein entscheidendes Werkzeug für die schnelle und zuverlässige Herstellung von Nanogelen mit herausragenden Funktionalitäten.

Funktionalitäten ultraschallgestützt hergestellter Nanogele

• ausgezeichnete kolloidale Stabilität und große spezifische Oberfläche
• können dicht mit Nanopartikeln beladen werden
• ermöglichen die Kombination harter und weicher Partikel in einem hybriden Kern-Schale-Nanogel
• hohes Hydratationspotenzial
• Förderung der Bioverfügbarkeit
• ausgeprägtes Quell- und Entquellvermögen

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

• für pharmazeutische und medizinische Anwendungen: z. B. Wirkstoffträger, antibakterielle Gele, antibakterielle Wundauflagen
• in der Biochemie und Biomedizin für den Gentransfer
• als Adsorbens/Biosorbens in chemischen und umwelttechnischen Anwendungen
• im Tissue Engineering, da Hydrogele die physikalischen, chemischen, elektrischen und biologischen Eigenschaften vieler natürlicher Gewebe nachahmen können

Fallstudie: Sonochemische Synthese von Zink-Nanogelen

ZnO-Hybrid-Nanopartikel lassen sich durch ein einfaches Ultraschallverfahren in einem Carbopol-Gel stabilisieren: Die Beschallung fördert die Fällung von Zink-Nanopartikeln, die anschließend mittels Ultraschall mit Carbopol vernetzt werden, um ein Nano-Hydrogel zu bilden.
Ismail et al. (2021) fällten Zinkoxid-Nanopartikel über einen einfachen sonochemischen Syntheseweg. (Das Protokoll zur sonochemischen Synthese von ZnO-Nanopartikeln finden Sie hier).
Anschließend wurden die Nanopartikel zur Synthese des ZnO-Nanogels verwendet. Dazu wurden die hergestellten ZnO-Nanopartikel mit zweifach deionisiertem Wasser gespült. 0,5 g Carbopol 940 wurden in 300 mL zweifach deionisiertem Wasser gelöst. Anschließend wurden die frisch gewaschenen ZnO-Nanopartikel zugegeben. Da Carbopol von Natur aus sauer ist, muss der pH-Wert der Lösung neutralisiert werden, da sie andernfalls nicht eindicken würde. Daher wurde die Mischung mit dem Ultraschallgerät UP400S von Hielscher bei einer Amplitude von 95 und einem Zyklus von 95% für 1 h kontinuierlich beschallt. Anschließend wurden unter kontinuierlicher Beschallung 50 mL Trimethylamin (TEA) als Neutralisationsmittel (zur Anhebung des pH-Werts auf 7) tropfenweise zugegeben, bis sich das weiße ZnO-Gel bildete. Das Eindicken des Carbopols begann, als sich der pH-Wert einem neutralen pH-Wert näherte.
Das Forschungsteam erklärt die außerordentlich positiven Auswirkungen der Ultraschallbehandlung auf die Nanogelbildung durch eine verstärkte Partikel-Partikel-Wechselwirkung. Die durch Ultraschall angeregte molekulare Bewegung der Bestandteile im Reaktionsgemisch verstärkt den durch Polymer-Lösungsmittel-Wechselwirkungen geförderten Eindickungsprozess. Zudem fördert die Beschallung das Auflösen von Carbopol. Darüber hinaus verstärkt die Einwirkung von Ultraschallwellen die Wechselwirkung zwischen dem Polymer und den ZnO-Nanopartikeln und verbessert die viskoelastischen Eigenschaften des hergestellten Carbopol/ZnO-Hybrid-Nanopartikelgels.
Das obige schematische Flussdiagramm zeigt die Synthese von ZnO-Nanopartikeln und Carbopol/ZnO-Hybrid-Nanopartikelgel. In der Studie wurde das Ultraschallgerät UP400St zur Fällung von ZnO-Nanopartikeln und zur Nanogelbildung verwendet. (Nach Ismail et al., 2021)

ZnO-Nanopartikel, die durch chemische Fällung unter Ultraschalleinwirkung synthetisiert wurden: (a) in wässriger Lösung und (b) mittels Ultraschall in einem stabilen Hydrogel auf Carbopol-Basis dispergiert.
(Studie und Bild: Ismail et al., 2021)

Fallstudie: Ultraschallgestützte Herstellung eines Poly(methacrylsäure)/Montmorillonit-Nanogels (PMA/nMMT)

Khan et al. (2020) zeigten die erfolgreiche Synthese eines Poly(methacrylsäure)/Montmorillonit-Nanokomposit-Hydrogels (PMA/nMMT) durch ultraschallgestützte Redoxpolymerisation. Üblicherweise wurden 1,0 g nMMT in 50 mL destilliertem Wasser für 2 h mittels Ultraschall dispergiert, um eine homogene Dispersion zu bilden. Die Beschallung verbessert die Dispergierung des Tons, wodurch die mechanischen Eigenschaften und die Adsorptionskapazität der Hydrogele verbessert werden. Methacrylsäuremonomer (30 mL) wurde der Suspension tropfenweise zugegeben. Der Mischung wurde der Initiator Ammoniumpersulfat (APS) (0,1 M) zugesetzt, gefolgt von 1,0 mL des Beschleunigers TEMED. Die Dispersion wurde für 4 h bei 50°C mit einem Magnetrührer kräftig gerührt. Die entstandene viskose Masse wurde mit Aceton gewaschen und für 48 h bei 70°C in einem Ofen getrocknet. Das entstandene Produkt wurde gemahlen und in einer Glasflasche aufbewahrt. Durch Variation der nMMT-Menge auf 0,5, 1,0, 1,5 und 2,0 g wurden verschiedene Nanokomposit-Gele synthetisiert. Die mit 1,0 g nMMT hergestellten Nanokomposit-Hydrogele zeigten bessere Adsorptionsergebnisse als die übrigen Komposite und wurden daher für weitere Adsorptionsuntersuchungen verwendet.
Die SEM-EDX-Aufnahmen rechts zeigen die Element- und Strukturanalyse der Nanogele aus Montmorillonit (MMT), Nano-Montmorillonit (nMMT), Poly(methacrylsäure)/Nano-Montmorillonit (PMA/nMMT) sowie mit Amoxicillin (AMX) und Diclofenac (DF) beladenem PMA/nMMT. Die bei einer Vergrößerung von 1,00 KX aufgenommenen SEM-Bilder werden zusammen mit den EDX-Analysen folgender Materialien gezeigt:

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

Es wird beobachtet, dass unbehandeltes MMT eine geschichtete Plättchenstruktur mit größeren Körnern aufweist. Nach der Modifikation sind die MMT-Schichten zu winzigen Partikeln exfoliert, was auf die Entfernung von Si2+ und Al3+ aus den oktaedrischen Gitterplätzen zurückzuführen sein könnte. Das EDX-Spektrum von nMMT zeigt einen hohen Kohlenstoffanteil, der hauptsächlich auf das zur Modifikation verwendete Tensid zurückzuführen sein könnte, da Kohlenstoff (84%) der Hauptbestandteil von CTAB (C19H42BrN) ist. PMA/nMMT weist eine zusammenhängende und nahezu kokontinuierliche Struktur auf. Zudem sind keine Poren sichtbar, was die vollständige Exfolierung von nMMT in der PMA-Matrix zeigt. Nach der Sorption der Wirkstoffmoleküle Amoxicillin (AMX) und Diclofenac (DF) werden Veränderungen der PMA/nMMT-Morphologie beobachtet. Die Oberfläche wird asymmetrisch und ihre Textur rauer.
Anwendung und Funktionalitäten nanoskaliger Hydrogele auf Tonbasis: Hydrogel-Nanokomposite auf Tonbasis gelten als potenzielle Superadsorbentien zur Aufnahme anorganischer und/oder organischer Verunreinigungen aus wässrigen Lösungen. Dies beruht auf der Kombination der Eigenschaften von Tonen und Polymeren, wie biologischer Abbaubarkeit, Biokompatibilität, Wirtschaftlichkeit, reichlicher Verfügbarkeit, großer spezifischer Oberfläche, dreidimensionalem Netzwerk sowie Quell- und Entquellvermögen.
(Vgl. Khan et al., 2020)

Hochleistungs-Ultraschallgeräte zur Herstellung von Hydrogelen und Nanogelen

Hochleistungs-Ultraschallgeräte zur Herstellung von Hydrogelen und Nanogelen
Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallgeräte zur Synthese von Hydrogelen und Nanogelen mit herausragenden Funktionalitäten her. Von kleinen und mittelgroßen Ultraschallgeräten für Forschung und Entwicklung sowie Pilotversuche bis hin zu industriellen Anlagen für die kommerzielle Hydrogelherstellung im kontinuierlichen Betrieb bietet Hielscher Ultrasonics den passenden Ultraschallprozessor für Ihre Anforderungen an die Hydrogel- und Nanogelproduktion.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: