Σύνθεση υδρογέλης νανοσύνθετης χρησιμοποιώντας υπερήχους

Οι νανοσύνθετες υδρογέλες ή νανογέλες είναι πολυλειτουργικές 3D δομές με υψηλή αποτελεσματικότητα ως φορείς φαρμάκων και συστήματα χορήγησης φαρμάκων ελεγχόμενης αποδέσμευσης. Υπερήχους προωθεί τη διασπορά νανο-μεγέθους, πολυμερών σωματιδίων υδρογέλης, καθώς και την επακόλουθη ένταξη / ενσωμάτωση νανοσωματιδίων σε αυτές τις πολυμερείς δομές.

Υπερηχητική σύνθεση νανογελών

Οι υδρογέλες νανοσύνθετων είναι τρισδιάστατες δομές υλικών και μπορούν να σχεδιαστούν για να παρουσιάζουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, γεγονός που τις καθιστά ισχυρούς φορείς φαρμάκων και συστήματα χορήγησης φαρμάκων ελεγχόμενης αποδέσμευσης. Υπερήχους προωθεί τη σύνθεση των λειτουργικών σωματιδίων νανο-μεγέθους, καθώς και την επακόλουθη ένταξη / ενσωμάτωση των νανοσωματιδίων σε τρισδιάστατες πολυμερείς δομές. Καθώς οι υπερηχητικά συντιθέμενες νανογέλες μπορούν να παγιδεύσουν βιοδραστικές ενώσεις μέσα στον πυρήνα νανοκλίμακας τους, αυτές οι υδρογέλες νανο-μεγέθους προσφέρουν εξαιρετικές λειτουργίες.
Οι νανογέλες είναι υδατική διασπορά νανοσωματιδίων υδρογέλης, τα οποία συνδέονται φυσικά ή χημικά ως υδρόφιλο πολυμερές δίκτυο. Καθώς ο υπέρηχος υψηλής απόδοσης είναι εξαιρετικά αποτελεσματικός στην παραγωγή νανο-διασπορών, οι υπερηχητικοί τύπου ανιχνευτή είναι ένα κρίσιμο εργαλείο για τη γρήγορη και αξιόπιστη παραγωγή νανογελών με ανώτερες λειτουργίες.

Λειτουργίες των υπερηχητικά παραγόμενων νανογελών

• εξαιρετική κολλοειδής σταθερότητα και η μεγάλη ειδική επιφάνεια
• μπορεί να είναι πυκνά συσκευασμένο με νανοσωματίδια
• επιτρέπουν το συνδυασμό σκληρών και μαλακών σωματιδίων σε υβριδικό πυρήνα/νανογέλη κελύφους
• υψηλό δυναμικό ενυδάτωσης
• προώθηση της βιοδιαθεσιμότητας
• υψηλές ιδιότητες διόγκωσης / αποδιογκέντρωσης

 
Οι υπερηχητικά συντιθέμενες νανογέλες χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές και βιομηχανίες, π.χ.

• για φαρμακευτικές και ιατρικές εφαρμογές: π.χ. φορέας φαρμάκων, αντιβακτηριακή γέλη, αντιβακτηριακός επίδεσμος πληγών
• στη βιοχημεία και τη βιοϊατρική για την παράδοση γονιδίων
• ως προσροφητικό/βιοαπορροφητικό σε χημικές και περιβαλλοντικές εφαρμογές
• στη μηχανική ιστών, καθώς οι υδρογέλες μπορούν να μιμηθούν τις φυσικές, χημικές, ηλεκτρικές και βιολογικές ιδιότητες πολλών φυσικών ιστών

Μελέτη περίπτωσης: Σύνθεση νανογέλης ψευδαργύρου μέσω sonochemical οδού

Τα υβριδικά νανοσωματίδια ZnO μπορούν να σταθεροποιηθούν σε ένα πήκτωμα Carbopol μέσω μιας εύκολης υπερηχητικής διαδικασίας: Η κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται για να οδηγήσει την καθίζηση των νανοσωματιδίων ψευδαργύρου, τα οποία στη συνέχεια διασταυρώνονται με υπερήχους με το Carbopol για να σχηματίσουν μια νανο-υδρογέλη.
Οι Ismail et al. (2021) καθιζάνουν νανοσωματίδια οξειδίου του ψευδαργύρου μέσω μιας εύκολης ηχοχημικής οδού. (Βρείτε το πρωτόκολλο για τη ηχοχημική σύνθεση των νανοσωματιδίων ZnO εδώ).
Στη συνέχεια, τα νανοσωματίδια χρησιμοποιήθηκαν για τη σύνθεση της νανογέλης ZnO. Ως εκ τούτου, τα παραγόμενα NPs ZnO ξεπλύθηκαν με διπλό απιονισμένο νερό. 0,5 g Carbopol 940 διαλύθηκαν σε 300 mL διπλασιασμένου απιονισμένου νερού, ακολουθούμενη από την προσθήκη των πρόσφατα πλυμένων NPs ZnO. Δεδομένου ότι το Carbopol είναι φυσικά όξινο, το διάλυμα απαιτεί εξουδετέρωση της τιμής του pH, διαφορετικά δεν θα πυκνώσει. Έτσι, το μείγμα είχε υποβληθεί σε συνεχή κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιώντας τον υπερηχητικό Hielscher UP400S με πλάτος 95 και κύκλο 95% για 1 ώρα. Στη συνέχεια, 50 mL τριμεθυλαμίνης (TEA) ως εξουδετερωτικού παράγοντα (αυξάνοντας το pH σε 7) προστέθηκε στάγδην υπό συνεχή κατεργασία με υπερήχους μέχρι να εμφανιστεί ο σχηματισμός της λευκής γέλης ZnO. Η πάχυνση του Carbopol ξεκίνησε όταν το pH ήταν κοντά σε ουδέτερο pH .
Η ερευνητική ομάδα εξηγεί τις εξαιρετικά θετικές επιδράσεις της υπερήχων στο σχηματισμό νανογέλης με ενισχυμένη αλληλεπίδραση σωματιδίων-σωματιδίων. Υπερήχων ξεκίνησε μοριακή ανάδευση των συστατικών στο μείγμα αντίδρασης ενισχύει τη διαδικασία πάχυνσης που προωθείται από τις αλληλεπιδράσεις πολυμερούς-διαλύτη. Επιπλέον, υπερήχηση προωθεί τη διάλυση του Carbopol. Επιπλέον, η ακτινοβολία κύματος υπερήχων ενισχύει την αλληλεπίδραση πολυμερούς-ZnO NPs και βελτιώνει τις ιξωδοελαστικές ιδιότητες της παρασκευασμένης γέλης υβριδικών νανοσωματιδίων Carbopol / ZnO.
Το σχηματικό διάγραμμα ροής παραπάνω δείχνει τη σύνθεση των ZnO NPs και της υβριδικής γέλης νανοσωματιδίων Carbopol /ZnO. Στη μελέτη, ο υπερηχητικός UP400St χρησιμοποιήθηκε για την καθίζηση νανοσωματιδίων ZnO και το σχηματισμό νανογέλης. (διασκευή από τον Ισμαήλ κ.ά., 2021)

ZnO NPs που συντίθεται με τη μέθοδο χημικής καθίζησης υπό την επίδραση υπερήχων, όπου (α) βρίσκεται στο υδατικό διάλυμα και (β) διασκορπίζεται με υπερήχους σε μια σταθερή υδρογέλη με βάση το Carbopol.
(μελέτη και εικόνα: Ισμαήλ κ.ά., 2021)

Υπόθεση Stuy: Υπερηχητική παρασκευή πολυ (μεθακρυλικό οξύ) / μοντμοριλλονίτη (PMA / nMMT) Nanogel

Οι Khan et al. (2020) έδειξαν την επιτυχή σύνθεση ενός πολυ(μεθακρυλικού οξέος)/μονμοριλλονίτη (PMA/nMMT) νανοσύνθετης υδρογέλης μέσω πολυμερισμού οξειδοαναγωγής με υπερήχους. Συνήθως, 1,0 g nMMT διασκορπίστηκε σε 50 mL απεσταγμένου νερού με υπερήχους για 2 ώρες για να σχηματιστεί ομοιογενής διασπορά. Κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει τη διασπορά του πηλού, με αποτέλεσμα την ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων και της ικανότητας προσρόφησης των υδρογέλων. Το μονομερές μεθακρυλικού οξέος (30 mL) προστέθηκε στάγδην στο εναιώρημα. Ο εκκινητής υπερθειικού αμμωνίου (APS) (0,1 M) προστέθηκε στο μείγμα ακολουθούμενο από 1,0 mL επιταχυντή TEMED. Η διασπορά αναδεύτηκε έντονα επί 4 ώρες στους 50°C με μαγνητικό αναδευτήρα. Η προκύπτουσα ιξώδης μάζα πλύθηκε με ακετόνη και αποξηράνθηκε επί 48 ώρες στους 70°C σε κλίβανο. Το προκύπτον προϊόν αλέθεται και αποθηκεύεται σε γυάλινη φιάλη. Συντέθηκαν διαφορετικά πηκτώματα νανοσύνθετων μεταβάλλοντας το nMMT σε ποσότητες 0,5, 1,0, 1,5 και 2,0 g. Οι υδρογέλες νανοσύνθετων που παρασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας 1,0 g nMMT απεικόνισαν καλύτερα αποτελέσματα προσρόφησης από τα υπόλοιπα σύνθετα υλικά και ως εκ τούτου χρησιμοποιήθηκαν για περαιτέρω διερεύνηση της προσρόφησης.
Οι μικρογραφίες SEM-EDX στα δεξιά δείχνουν τη στοιχειακή και δομική ανάλυση των νανογελών που αποτελούνται από μοντμοριλλονίτη (MMT), νανο-μοντμοριλλονίτη (nMMT), πολυ(μεθακρυλικό οξύ)/νανο-μοντμοριλλονίτη (PMA/nMMT) και φορτωμένο με αμοξικιλλίνη (AMX)- και δικλοφενάκη (DF)-φορτωμένο PMA/nMMT. Οι μικρογραφίες SEM που καταγράφηκαν σε μεγέθυνση 1,00 KX μαζί με το EDX του

• μοντμοριλλονίτης (MMT),
• νανο-μοντμοριλλονίτης (nMMT),
• πολυ(μεθακρυλικό οξύ)/νανο-μοντμοριλλονίτη (PMA/nMMT),
• και με φορτίο αμοξικιλλίνης (AMX) και δικλοφενάκης (DF) PMA/nMMT.

Παρατηρείται ότι το ακατέργαστο MMT οφείλει μια πολυεπίπεδη δομή φύλλου που δείχνει την παρουσία μεγαλύτερων κόκκων. Μετά την τροποποίηση, τα φύλλα του MMT απολεπίζονται σε μικροσκοπικά σωματίδια, τα οποία μπορεί να οφείλονται στην αποβολή των Si2+ και Al3+ από τις οκταεδρικές θέσεις. Το φάσμα EDX του nMMT παρουσιάζει υψηλό ποσοστό άνθρακα, το οποίο μπορεί να οφείλεται κυρίως στην επιφανειοδραστική ουσία που χρησιμοποιείται για τροποποίηση, καθώς το κύριο συστατικό του CTAB (C19H42BrN) είναι ο άνθρακας (84%). Το PMA/nMMT εμφανίζει μια συνεκτική και σχεδόν συν-συνεχή δομή. Επιπλέον, δεν είναι ορατοί πόροι, γεγονός που απεικονίζει την πλήρη απολέπιση του nMMT στη μήτρα PMA. Μετά από ρόφηση με τα φαρμακευτικά μόρια αμοξικιλλίνη (AMX) και δικλοφενάκη (DF), παρατηρούνται αλλαγές στη μορφολογία του PMA/nMMT. Η επιφάνεια γίνεται ασύμμετρη με αύξηση της τραχιάς υφής.
Χρήση και λειτουργίες υδρογέλων νανο-μεγέθους με βάση την άργιλο: Τα νανοσύνθετα υδρογέλης με βάση την άργιλο οραματίζονται να είναι πιθανά υπερπροσροφητικά για την πρόσληψη ανόργανων ή / και οργανικών ρύπων από ένα υδατικό διάλυμα λόγω των συνδυαστικών 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 / αποδιογκέντρωσης.
(πρβλ. Χαν κ.ά., 2020)

Υπερήχων υψηλής απόδοσης για την παραγωγή υδρογέλης και νανογέλης

Υπερήχων υψηλής απόδοσης για την παραγωγή υδρογέλης και νανογέλης
Hielscher Υπέρηχοι κατασκευάζει υψηλής απόδοσης υπερηχητικό εξοπλισμό για τη σύνθεση υδρογέλες και νανογέλες με ανώτερες λειτουργίες. Από μικρό και μεσαίο μέγεθος R&D και πιλοτικοί υπερηχητικοί σε βιομηχανικά συστήματα για την εμπορική κατασκευή υδρογέλης σε συνεχή λειτουργία, Hielscher Ultrasonics έχει το σωστό υπερηχητικό επεξεργαστή για να καλύψει τις απαιτήσεις σας για την παραγωγή υδρογέλης / νανογέλης.

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη για την κατά προσέγγιση ικανότητα επεξεργασίας των υπερήχων μας: