Σύνθεση νανοσύνθετων υδρογελών με χρήση υπερήχων

Οι νανοσύνθετες υδρογέλες ή νανογέλες είναι πολυλειτουργικές δομές 3D με υψηλή αποτελεσματικότητα ως φορείς φαρμάκων και συστήματα χορήγησης φαρμάκων ελεγχόμενης αποδέσμευσης. Η κατεργασία με υπερήχους προάγει τη διασπορά πολυμερικών σωματιδίων υδρογέλης νανομετρικού μεγέθους, καθώς και τη μετέπειτα εισαγωγή/ενσωμάτωση νανοσωματιδίων σε αυτές τις πολυμερικές δομές.

Σύνθεση νανογελών με υπερήχους

Οι νανοσύνθετες υδρογέλες είναι τρισδιάστατες δομές υλικών και μπορούν να σχεδιαστούν ώστε να εμφανίζουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, γεγονός που τις καθιστά αποτελεσματικούς φορείς φαρμάκων και συστήματα χορήγησης φαρμάκων ελεγχόμενης αποδέσμευσης. Η κατεργασία με υπερήχους προάγει τη σύνθεση λειτουργικοποιημένων σωματιδίων νανομετρικού μεγέθους, καθώς και τη μετέπειτα εισαγωγή/ενσωμάτωση νανοσωματιδίων σε τρισδιάστατες πολυμερικές δομές. Καθώς οι νανογέλες που συντίθενται με υπερήχους μπορούν να εγκλωβίζουν βιοδραστικές ενώσεις στο εσωτερικό του πυρήνα τους, ο οποίος έχει διαστάσεις νανοκλίμακας, αυτές οι υδρογέλες νανομετρικού μεγέθους προσφέρουν εξαιρετικές λειτουργικές δυνατότητες.
Οι νανογέλες είναι υδατικές διασπορές νανοσωματιδίων υδρογέλης, τα οποία διασυνδέονται με φυσικούς ή χημικούς δεσμούς σχηματίζοντας ένα υδρόφιλο πολυμερικό δίκτυο. Καθώς οι υπέρηχοι υψηλής απόδοσης είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικοί στην παραγωγή νανοδιασπορών, οι συσκευές υπερήχων τύπου καθετήρα αποτελούν καθοριστικό εργαλείο για την ταχεία και αξιόπιστη παραγωγή νανογελών με ανώτερες λειτουργικές δυνατότητες.

Λειτουργικές δυνατότητες νανογελών που παράγονται με υπερήχους

• εξαιρετική κολλοειδής σταθερότητα και μεγάλη ειδική επιφάνεια
• μπορούν να περιέχουν νανοσωματίδια σε πυκνή διάταξη
• επιτρέπουν τον συνδυασμό σκληρών και μαλακών σωματιδίων σε υβριδική νανογέλη πυρήνα/κελύφους
• υψηλή ικανότητα ενυδάτωσης
• ενίσχυση της βιοδιαθεσιμότητας
• υψηλή ικανότητα διόγκωσης / αποδιόγκωσης

 
Οι νανογέλες που συντίθενται με υπερήχους χρησιμοποιούνται σε πολυάριθμες εφαρμογές και βιομηχανικούς κλάδους, π.χ.

• σε φαρμακευτικές και ιατρικές εφαρμογές: π.χ. ως φορέας φαρμάκων, αντιβακτηριακή γέλη, αντιβακτηριακό επίθεμα τραυμάτων
• στη βιοχημεία και τη βιοϊατρική για τη μεταφορά γονιδίων
• ως προσροφητικό/βιοπροσροφητικό υλικό σε χημικές και περιβαλλοντικές εφαρμογές
• στη μηχανική ιστών, καθώς οι υδρογέλες μπορούν να μιμούνται τις φυσικές, χημικές, ηλεκτρικές και βιολογικές ιδιότητες πολλών φυσικών ιστών

Μελέτη περίπτωσης: Σύνθεση νανογέλης ψευδαργύρου μέσω ηχοχημικής οδού

Τα υβριδικά νανοσωματίδια ZnO μπορούν να σταθεροποιηθούν σε γέλη Carbopol μέσω μιας απλής διαδικασίας με υπερήχους: Η κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται για να προκαλέσει την καταβύθιση νανοσωματιδίων ψευδαργύρου, τα οποία στη συνέχεια διασυνδέονται με το Carbopol με τη βοήθεια υπερήχων για να σχηματίσουν μια νανοϋδρογέλη.
Οι Ismail et al. (2021) καταβύθισαν νανοσωματίδια οξειδίου του ψευδαργύρου μέσω μιας απλής ηχοχημικής οδού. (Βρείτε εδώ το πρωτόκολλο για την ηχοχημική σύνθεση νανοσωματιδίων ZnO).
Στη συνέχεια, τα νανοσωματίδια χρησιμοποιήθηκαν για τη σύνθεση της νανογέλης ZnO. Για τον σκοπό αυτό, τα παραχθέντα νανοσωματίδια ZnO εκπλύθηκαν με διπλά απιονισμένο νερό. Διαλύθηκαν 0,5 g Carbopol 940 σε 300 mL διπλά απιονισμένου νερού και ακολούθησε η προσθήκη των πρόσφατα πλυμένων νανοσωματιδίων ZnO. Καθώς το Carbopol είναι από τη φύση του όξινο, το διάλυμα απαιτεί εξουδετέρωση της τιμής του pH, διαφορετικά δεν θα έπηζε. Έτσι, το μείγμα υποβλήθηκε σε συνεχή κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιώντας τη συσκευή υπερήχων Hielscher UP400S με πλάτος 95 και κύκλο λειτουργίας 95% για 1 h. Στη συνέχεια, προστέθηκαν στάγδην 50 mL τριμεθυλαμίνης (TEA) ως εξουδετερωτικού παράγοντα (αυξάνοντας το pH στο 7), υπό συνεχή κατεργασία με υπερήχους, έως ότου σχηματίστηκε η λευκή γέλη ZnO. Η πήξη του Carbopol ξεκίνησε όταν το pH πλησίασε το ουδέτερο pH .
Η ερευνητική ομάδα αποδίδει τις εξαιρετικά θετικές επιδράσεις της κατεργασίας με υπερήχους στον σχηματισμό νανογέλης στην ενισχυμένη αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων. Η μοριακή ανάδευση των συστατικών του μείγματος αντίδρασης, η οποία προκαλείται από τους υπερήχους, ενισχύει τη διαδικασία πήξης που προάγεται από τις αλληλεπιδράσεις πολυμερούς–διαλύτη. Επιπλέον, η κατεργασία με υπερήχους προάγει τη διάλυση του Carbopol. Επίσης, η ακτινοβόληση με υπερηχητικά κύματα ενισχύει την αλληλεπίδραση πολυμερούς–νανοσωματιδίων ZnO και βελτιώνει τις ιξωδοελαστικές ιδιότητες της παρασκευασμένης γέλης υβριδικών νανοσωματιδίων Carbopol/ZnO.
Το παραπάνω σχηματικό διάγραμμα ροής παρουσιάζει τη σύνθεση νανοσωματιδίων ZnO και γέλης υβριδικών νανοσωματιδίων Carbopol/ZnO. Στη μελέτη χρησιμοποιήθηκε η συσκευή υπερήχων UP400St για την καταβύθιση νανοσωματιδίων ZnO και τον σχηματισμό νανογέλης. (προσαρμογή από Ismail et al., 2021)

Νανοσωματίδια ZnO που συντέθηκαν με τη μέθοδο της χημικής καταβύθισης υπό την επίδραση κατεργασίας με υπερήχους, όπου στο (a) βρίσκονται στο υδατικό διάλυμα και στο (b) έχουν διασπαρεί με υπερήχους σε μια σταθερή υδρογέλη με βάση το Carbopol.
(μελέτη και εικόνα: Ismail et al., 2021)

Μελέτη περίπτωσης: Παρασκευή νανογέλης πολυ(μεθακρυλικού οξέος)/μοντμοριλλονίτη (PMA/nMMT) με υπερήχους

Οι Khan et al. (2020) κατέδειξαν την επιτυχή σύνθεση μιας νανοσύνθετης υδρογέλης πολυ(μεθακρυλικού οξέος)/μοντμοριλλονίτη (PMA/nMMT) μέσω οξειδοαναγωγικού πολυμερισμού υποβοηθούμενου από υπερήχους. Σε μια τυπική διαδικασία, 1,0 g nMMT διασπάρθηκε σε 50 mL απεσταγμένου νερού με κατεργασία με υπερήχους για 2 h, ώστε να σχηματιστεί ομοιογενής διασπορά. Η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει τη διασπορά της αργίλου, με αποτέλεσμα βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες και ικανότητα προσρόφησης των υδρογελών. Μονομερές μεθακρυλικού οξέος (30 mL) προστέθηκε στάγδην στο εναιώρημα. Στο μείγμα προστέθηκε υπερθειικό αμμώνιο (APS) (0,1 M) ως εκκινητής και ακολούθησε η προσθήκη 1,0 mL επιταχυντή TEMED. Η διασπορά αναδεύτηκε έντονα για 4 h στους 50°C με μαγνητικό αναδευτήρα. Η προκύπτουσα ιξώδης μάζα πλύθηκε με ακετόνη και ξηράνθηκε για 48 h στους 70°C σε κλίβανο. Το προκύπτον προϊόν αλέστηκε και αποθηκεύτηκε σε γυάλινη φιάλη. Συντέθηκαν διαφορετικές νανοσύνθετες γέλες μεταβάλλοντας την ποσότητα του nMMT σε 0,5, 1,0, 1,5 και 2,0 g. Οι νανοσύνθετες υδρογέλες που παρασκευάστηκαν με χρήση 1,0 g nMMT παρουσίασαν καλύτερα αποτελέσματα προσρόφησης από τα υπόλοιπα σύνθετα υλικά και, ως εκ τούτου, χρησιμοποιήθηκαν για περαιτέρω διερεύνηση της προσρόφησης.
Οι μικρογραφίες SEM-EDX στα δεξιά παρουσιάζουν τη στοιχειακή και δομική ανάλυση των νανογελών που αποτελούνται από μοντμοριλλονίτη (MMT), νανομοντμοριλλονίτη (nMMT), πολυ(μεθακρυλικό οξύ)/νανομοντμοριλλονίτη (PMA/nMMT) και PMA/nMMT με ενσωματωμένη αμοξικιλλίνη (AMX) και δικλοφενάκη (DF). Οι μικρογραφίες SEM που καταγράφηκαν σε μεγέθυνση 1,00 KX, μαζί με την ανάλυση EDX του

• μοντμοριλλονίτη (MMT),
• νανομοντμοριλλονίτη (nMMT),
• πολυ(μεθακρυλικού οξέος)/νανομοντμοριλλονίτη (PMA/nMMT),
• και του PMA/nMMT με ενσωματωμένη αμοξικιλλίνη (AMX) και δικλοφενάκη (DF).

Παρατηρείται ότι ο ακατέργαστος MMT διαθέτει στρωματική δομή από φύλλα, με παρουσία μεγαλύτερων κόκκων. Μετά την τροποποίηση, τα φύλλα του MMT αποφυλλώνονται σε μικροσκοπικά σωματίδια, γεγονός που μπορεί να οφείλεται στην απομάκρυνση των Si2+ και Al3+ από τις οκταεδρικές θέσεις. Το φάσμα EDX του nMMT εμφανίζει υψηλό ποσοστό άνθρακα, το οποίο μπορεί να οφείλεται κυρίως στην επιφανειοδραστική ουσία που χρησιμοποιήθηκε για την τροποποίηση, καθώς το κύριο συστατικό του CTAB (C19H42BrN) είναι ο άνθρακας (84%). Το PMA/nMMT εμφανίζει συνεκτική και σχεδόν συνσυνεχή δομή. Επιπλέον, δεν είναι ορατοί πόροι, γεγονός που υποδηλώνει την πλήρη αποφύλλωση του nMMT μέσα στη μήτρα PMA. Μετά τη ρόφηση των φαρμακευτικών μορίων αμοξικιλλίνης (AMX) και δικλοφενάκης (DF), παρατηρούνται αλλαγές στη μορφολογία του PMA/nMMT. Η επιφάνεια γίνεται ασύμμετρη, με αύξηση της τραχύτητας της υφής της.
Χρήση και λειτουργικές ιδιότητες υδροπηκτωμάτων νανομετρικού μεγέθους με βάση την άργιλο: Τα νανοσύνθετα υδροπηκτώματα με βάση την άργιλο θεωρούνται δυνητικά υπερπροσροφητικά υλικά για την απομάκρυνση ανόργανων ή/και οργανικών ρύπων από υδατικό διάλυμα, χάρη στον συνδυασμό των χαρακτηριστικών τόσο των αργίλων όσο και των πολυμερών, όπως η βιοαποδομησιμότητα, η βιοσυμβατότητα, η οικονομική βιωσιμότητα, η αφθονία, η υψηλή ειδική επιφάνεια, το τρισδιάστατο δίκτυο και οι ιδιότητες διόγκωσης / αποδιόγκωσης.
(πρβλ. Khan et al., 2020)

Συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για την παραγωγή υδροπηκτωμάτων και νανοπηκτωμάτων

Συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για την παραγωγή υδροπηκτωμάτων και νανοπηκτωμάτων
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει εξοπλισμό υπερήχων υψηλών επιδόσεων για τη σύνθεση υδροπηκτωμάτων και νανοπηκτωμάτων με ανώτερες λειτουργικές ιδιότητες. Από συσκευές υπερήχων μικρού και μεσαίου μεγέθους για έρευνα και ανάπτυξη και για πιλοτικές εφαρμογές έως βιομηχανικά συστήματα για εμπορική παραγωγή υδροπηκτωμάτων σε συνεχή λειτουργία, η Hielscher Ultrasonics διαθέτει τον κατάλληλο επεξεργαστή υπερήχων για να καλύψει τις απαιτήσεις σας για την παραγωγή υδροπηκτωμάτων / νανοπηκτωμάτων.

Ο παρακάτω πίνακας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας: