Síntesis de hidrogeles nanocompuestos mediante ultrasonidos

Los hidrogeles nanocompuestos o nanogeles son estructuras 3D multifuncionales de gran eficacia como portadores de fármacos y sistemas de liberación controlada de fármacos. La ultrasonicación favorece la dispersión de partículas nanométricas de hidrogeles poliméricos, así como la posterior inclusión/incorporación de nanopartículas en estas estructuras poliméricas.

Síntesis ultrasónica de nanogeles

Homogeneizador ultrasónico tipo sonda UP400St para la dispersión y síntesis de hidrogeles nanocompuestos o nanogeles.Los hidrogeles nanocompuestos son estructuras materiales tridimensionales y pueden diseñarse para que presenten características específicas, lo que los convierte en potentes portadores de fármacos y sistemas de liberación controlada de fármacos. La ultrasonicación favorece la síntesis de partículas nanométricas funcionalizadas, así como la posterior inclusión/incorporación de nanopartículas en estructuras poliméricas tridimensionales. Como los nanogeles sintetizados por ultrasonidos pueden atrapar compuestos bioactivos dentro de su núcleo a nanoescala, estos hidrogeles nanométricos ofrecen grandes funcionalidades.
Los nanogeles son dispersiones acuosas de nanopartículas de hidrogel, reticuladas física o químicamente en forma de red polimérica hidrófila. Dado que los ultrasonidos de alto rendimiento son muy eficaces para producir nanodispersiones, los ultrasonicadores tipo sonda son una herramienta crucial para la producción rápida y fiable de nanogeles con funcionalidades superiores.

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La cavitación ultrasónica favorece la reticulación y la polimerización durante la síntesis de hidrogeles y nanogeles (hidrogeles nanocompuestos). La dispersión ultrasónica facilita la distribución uniforme de nanomateriales para la fabricación de hidrogeles híbridos.

Ultrasonicador UIP1000hdT con reactor de vidrio para la síntesis de hidrogeles nanocompuestos

Funcionalidades de los nanogeles producidos por ultrasonidos

  • excelente estabilidad coloidal y la gran superficie específica
  • pueden estar densamente empaquetadas con nanopartículas
  • permiten combinar partículas duras y blandas en nanogel híbrido núcleo/cáscara
  • alto potencial de hidratación
  • promover la biodisponibilidad
  • altas propiedades de hinchamiento/deshinchamiento



 
Los nanogeles sintetizados por ultrasonidos se utilizan en numerosas aplicaciones e industrias, p. ej.

  • para aplicaciones farmacéuticas y médicas: por ejemplo, portador de fármacos, gel antibacteriano, apósito antibacteriano para heridas
  • en bioquímica y biomedicina para el suministro de genes
  • como adsorbente/biosorbente en aplicaciones químicas y medioambientales
  • en ingeniería tisular, ya que los hidrogeles pueden imitar las propiedades físicas, químicas, eléctricas y biológicas de muchos tejidos nativos.

Estudio de caso: Síntesis de nanogeles de zinc por vía sonoquímica

Diagrama de flujo esquemático para la síntesis de NPs de ZnO y gel de nanopartículas híbridas Carbopol/ZnO. En el estudio, se utilizó el ultrasonicador UP400St para la precipitación de nanopartículas de ZnO y la formación del nanogel. (adaptado de Ismail et al., 2021)Las nanopartículas híbridas de ZnO pueden estabilizarse en un gel de Carbopol mediante un sencillo proceso ultrasónico: La sonicación se utiliza para impulsar la precipitación de nanopartículas de zinc, que posteriormente se reticulan por ultrasonidos con Carbopol para formar un nano-hidrogel.
Ismail et al. (2021) precipitaron nanopartículas de óxido de zinc mediante una ruta sonoquímica fácil. (Encuentre aquí el protocolo para la síntesis sonoquímica de nanopartículas de ZnO).
Posteriormente, las nanopartículas se utilizaron para sintetizar el nanogel de ZnO. Por lo tanto, las NPs de ZnO producidas se enjuagaron con agua doblemente desionizada. Se disolvieron 0,5 g de Carbopol 940 en 300 mL de agua doblemente desionizada y, a continuación, se añadieron las NPs de ZnO recién lavadas. Dado que el Carbopol es naturalmente ácido, la solución requiere una neutralización del valor de pH, de lo contrario no se espesaría. Así pues, la mezcla se sometió a sonicación continua utilizando el ultrasonicador UP400S de Hielscher con una amplitud de 95 y un ciclo de 95% durante 1 h. A continuación, se añadieron 50 mL de trimetilamina (TEA) como agente neutralizante (elevando el pH a 7) gota a gota bajo sonicación continua hasta que se produjo la formación del gel blanco de ZnO. El espesamiento del Carbopol comenzó cuando el pH se acercó a un pH neutro.
El equipo de investigadores explica los efectos extraordinariamente positivos de la ultrasonicación en la formación de nanogeles por la mejora de la interacción partícula-partícula. La agitación molecular iniciada por ultrasonidos de los componentes de la mezcla de reacción mejora el proceso de espesamiento promovido por las interacciones polímero-disolvente. Además, la sonicación promueve la disolución del Carbopol. Además, la irradiación de ondas ultrasónicas potencia la interacción polímero-NPs de ZnO y mejora las propiedades viscoelásticas del gel de nanopartículas híbridas Carbopol/ZnO preparado.
El diagrama de flujo esquemático anterior muestra la síntesis de NPs de ZnO y del gel híbrido de nanopartículas Carbopol/ZnO. En el estudio, se utilizó el ultrasonicador UP400St para la precipitación de nanopartículas de ZnO y la formación del nanogel. (adaptado de Ismail et al., 2021)

Nanogel producido por ultrasonidos cargado con nanopartículas de óxido de zinc.

NPs de ZnO sintetizadas por el método de precipitación química bajo el efecto de la ultrasonicación, donde (a) se encuentra en la solución acuosa, y (b) se dispersa ultrasónicamente en un hidrogel estable a base de Carbopol.
(estudio e imagen: Ismail et al., 2021)

Caso práctico: Preparación por ultrasonidos de nanogel de poli(ácido metacrílico)/monmorillonita (PMA/nMMT)

Khan et al. (2020) demostraron la síntesis satisfactoria de un hidrogel nanocompuesto de poli(ácido metacrílico)/montmorillonita (PMA/nMMT) mediante polimerización redox asistida por ultrasonidos. Típicamente, 1,0 g de nMMT se dispersó en 50 mL de agua destilada con ultrasonidos durante 2 h para formar una dispersión homogénea. La sonicación mejora la dispersión de la arcilla, lo que se traduce en una mejora de las propiedades mecánicas y la capacidad de adsorción de los hidrogeles. El monómero de ácido metacrílico (30 ml) se añadió gota a gota a la suspensión. El iniciador persulfato de amonio (APS) (0,1 M) se añadió a la mezcla seguido de 1,0 mL de acelerador TEMED. La dispersión se agitó vigorosamente durante 4 h a 50°C mediante un agitador magnético. La masa viscosa resultante se lavó con acetona y se desecó durante 48 h a 70°C en un horno. El producto resultante se trituró y se almacenó en un frasco de vidrio. Se sintetizaron diferentes geles nanocompuestos variando el nMMT en cantidades de 0,5, 1,0, 1,5 y 2,0 g. Los hidrogeles nanocompuestos preparados utilizando 1,0 g de nMMT mostraron mejores resultados de adsorción que el resto de compuestos y, por lo tanto, se utilizaron para investigaciones de adsorción posteriores.
Las micrografías SEM-EDX de la derecha muestran el análisis elemental y estructural de los nanogeles compuestos de montmorillonita (MMT), nanomontmorillonita (nMMT), poli(ácido metacrílico)/nanomontmorillonita (PMA/nMMT) y PMA/nMMT cargados de amoxicilina (AMX) y diclofenaco (DF). Las micrografías SEM registradas a un aumento de 1,00 KX junto con las EDX de

  • montmorillonita (MMT),
  • nano-montmorillonita (nMMT),
  • poli(ácido metacrílico)/nano-montmorillonita (PMA/nMMT),
  • y PMA/nMMT cargados con amoxicilina (AMX) y diclofenaco (DF).

Se observa que el MMT en bruto posee una estructura de láminas en capas que muestra la presencia de granos de mayor tamaño. Tras la modificación, las láminas de MMT se exfolian en partículas diminutas, lo que puede deberse a la eliminación de Si2+ y Al3+ de los sitios octaédricos. El espectro EDX del nMMT muestra un alto porcentaje de carbono, que puede deberse principalmente al surfactante utilizado para la modificación, ya que el principal constituyente del CTAB (C19H42BrN) es el carbono (84%). El PMA/nMMT muestra una estructura coherente y casi co-continua. Además, no se aprecian poros, lo que demuestra la completa exfoliación del nMMT en la matriz de PMA. Tras la sorción con las moléculas farmacéuticas amoxicilina (AMX) y diclofenaco (DF), se observan cambios en la morfología del PMA/nMMT. La superficie se vuelve asimétrica con un aumento de la textura rugosa.
Uso y funcionalidades de los hidrogeles nanométricos a base de arcilla: Se prevé que los nanocompuestos de hidrogeles a base de arcilla sean superadsorbentes potenciales para la absorción de contaminantes inorgánicos y/u orgánicos de una solución acuosa debido a la combinación de características tanto de las arcillas como de los polímeros, como la biodegradabilidad, la biocompatibilidad, la viabilidad económica, la abundancia, la elevada superficie específica, la red tridimensional y las propiedades de hinchamiento/deshinchamiento.
(cf. Khan et al., 2020)

Nanogeles sintetizados por ultrasonidos cargados con diversas nanopartículas, como la arcilla nanomontmorillonita.

Micrografías SEM-EDX de (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT, y (d) hidrogeles nanocompuestos cargados con AMX y (e) DF. Los nanogeles se prepararon mediante ultrasonidos.
(estudio e imágenes: ©Khan et al. 2020)

Ultrasonidos de alto rendimiento para la producción de hidrogeles y nanogeles

Ultrasonidos de alto rendimiento para la producción de hidrogeles y nanogeles
Hielscher Ultrasonics fabrica equipos de ultrasonidos de alto rendimiento para la síntesis de hidrogeles y nanogeles con funcionalidades superiores. Desde pequeñas y medianas R&D y ultrasonicadores piloto hasta sistemas industriales para la fabricación comercial de hidrogeles en modo continuo, Hielscher Ultrasonics tiene el procesador ultrasónico adecuado para cubrir sus necesidades de producción de hidrogeles / nanogeles.

¿Por qué Hielscher Ultrasonics?

  • elevada eficiencia
  • tecnología punta
  • fiabilidad & robustez
  • lote & en línea
  • para cualquier volumen
  • software inteligente
  • funciones inteligentes (por ejemplo, protocolling de datos)
  • Manejo sencillo y seguro
  • Bajo mantenimiento
  • CIP (limpieza in situ)

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
15 a 150L De 3 a 15 l/min UIP6000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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En el breve vídeo de arriba, el ultrasonicador UP50H se utiliza para formar un hidrogel utilizando un gelificante de bajo peso molecular. El resultado es un hidrogel supramolecular autorreparable.
(Estudio y película: Rutgeerts et al., 2019)
Dispersión ultrasónica de nanopartículas de sílice en hidrogel: El homogeneizador ultrasónico UP400St de Hielscher dispersa rápida y eficazmente nanopartículas de sílice en un nanogel uniforme con multifuncionalidades.

Dispersión ultrasónica de nanopartículas en hidrogel utilizando el ultrasonicador UP400St

Vídeo en miniatura



Literatura / Referencias

Información interesante

Protocolo de síntesis sonoquímica de nanopartículas de ZnO

Las NPs de ZnO se sintetizaron mediante el método de precipitación química bajo el efecto de irradiación ultrasónica. En un procedimiento típico, se utilizó acetato de zinc dihidratado (Zn(CH3COO)2-2H2O) como precursor, y una solución de amoníaco al 30-33% (NH3) en una solución acuosa (NH4OH) como agente reductor. Las nanopartículas de ZnO se produjeron disolviendo la cantidad adecuada de acetato de zinc en 100 mL de agua desionizada para producir 0,1 M de una solución de iones de zinc. Posteriormente, la solución de iones de zinc se sometió a irradiación con ondas ultrasónicas utilizando un Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlín, Alemania) a una amplitud del 79% y un ciclo de 0,76 durante 5 min a una temperatura de 40 ◦C. A continuación, la solución de amoníaco se añadió gota a gota a la solución de iones de zinc bajo el efecto de las ondas ultrasónicas. Al cabo de unos instantes, las NPs de ZnO empezaron a precipitar y a crecer, y se añadió continuamente la solución de amoníaco hasta que se produjo la precipitación completa de las NPs de ZnO.
Las NPs de ZnO obtenidas se lavaron con agua desionizada varias veces y se dejaron reposar. Posteriormente, el precipitado obtenido se secó a temperatura ambiente.
(Ismail et al., 2021)

¿Qué son los nanogeles?

Los nanogeles o hidrogeles nanocompuestos son un tipo de hidrogel que incorpora nanopartículas, normalmente del orden de 1 a 100 nanómetros, en su estructura. Estas nanopartículas pueden ser orgánicas, inorgánicas o una combinación de ambas.
Los nanogeles se forman mediante un proceso conocido como reticulación, que implica la unión química de cadenas poliméricas para formar una red tridimensional. Dado que la formación de hidrogeles y nanogeles requiere una mezcla minuciosa para hidratar la estructura polimérica, favorecer la reticulación e incorporar las nanopartículas, la ultrasonicación es una técnica muy eficaz para la producción de hidrogeles y nanogeles. Las redes de hidrogeles y nanogeles son capaces de absorber grandes cantidades de agua, lo que hace que los nanogeles estén altamente hidratados y, por tanto, sean adecuados para una amplia gama de aplicaciones, como la administración de fármacos, la ingeniería de tejidos y los biosensores.
Los hidrogeles nanogel suelen estar compuestos por nanopartículas, como partículas de sílice o de polímero, que se dispersan por la matriz del hidrogel. Estas nanopartículas pueden sintetizarse mediante diversos métodos, como la polimerización en emulsión, la polimerización en emulsión inversa y la síntesis sol-gel. Estas síntesis de polimerización y sol-gel se benefician enormemente de la agitación ultrasónica.
Los hidrogeles nanocompuestos, por su parte, se componen de una combinación de un hidrogel y un nanorelleno, como arcilla u óxido de grafeno. La adición del nanorelleno puede mejorar las propiedades mecánicas y físicas del hidrogel, como su rigidez, resistencia a la tracción y tenacidad. En este caso, las potentes capacidades de dispersión de la sonicación facilitan la distribución uniforme y estable de las nanopartículas en la matriz de hidrogel.
En general, los hidrogeles nanogel y nanocompuestos tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales en campos como la biomedicina, la recuperación medioambiental y el almacenamiento de energía, debido a sus propiedades y funcionalidades únicas.

Aplicaciones del nanogel para tratamientos médicos

Tipo de nanogel medicamento enfermedad Actividad Referencias
Nanogeles de PAMA-DMMA doxorrubicina Cáncer Aumento de la velocidad de liberación al disminuir el valor del pH. Mayor citotoxicidad a pH 6,8 en estudios de viabilidad celular. Du et al. (2010)
Nanogeles a base de quitosano decorados con hialuronato Fotosensibilizadores como el tetra-fenil-porfirina-tetra-sulfonato (TPPS4), el tetra-fenil-clorina-tetra-carboxilato (TPCC4) y la clorina e6 (Ce6). Enfermedades reumáticas Rápidamente absorbido (4 h) por los macrófagos y acumulado en su citoplasma y orgánulos Schmitt et al. (2010)
Nanopartículas PCEC en hidrogeles Pluronic Lidocaína Anestesia local Produce una anestesia por infiltración de larga duración de unos 360 min. Yin et al. (2009)
Nanopartículas de poli(lactida-ácido glicólico) y quitosano dispersas en gel HPMC y Carbopol Spantide II Dermatitis alérgica de contacto y otros trastornos inflamatorios de la piel Nanogelincrementa el potencial para la administración percutánea de spantide II Punit et al. (2012)
Nanogeles de polivinilpirrolidona-poli(ácido acrílico) (PVP/PAAc) sensibles al pH Pilocarpina Mantener una concentración adecuada de pilocarpina en el lugar de acción durante un período prolongado Abd El-Rehim et al. (2013)
Poli (etilenglicol) reticulado y polietilenimina Oligonucleótidos Enfermedades neurodegenerativas Se transporta eficazmente a través de la BBB. La eficacia del transporte aumenta aún más cuando la superficie del nanogel se modifica con transferrina o insulina Vinogradov et al. (2004)
Nanogeles de pullulano con colesterol Interleucina-12 murina recombinante Inmunoterapia tumoral Nanogel de liberación sostenida Farhana et al. (2013)
Poli(N-isopropilacrilamida) y quitosano Tratamiento del cáncer mediante hipertermia y administración selectiva de fármacos Termosensible magnéticamente modalizado Farhana et al. (2013)
Red ramificada reticulada de polietilenimina y PEG Polyplexnanogel Fludarabina Cáncer Actividad elevada y citotoxicidad reducida Farhana et al. (2013)
Nanogel biocompatible de pullulan con colesterol Como acompañante artificial Tratamiento de la enfermedad de Alzheimer Inhiben la agregación de la proteína β amiloide Ikeda et al. (2006)
Nanogel de ADN con foto-reticulación Material genético Terapia génica Administración controlada de ADN plasmídico Lee et al. (2009)
Gel híbrido de nanopartículas de carbopol/óxido de zinc (ZnO) Nanopartículas de ZnO Actividad antibacteriana, inhibidor bacteriano Ismail et al. (2021)

Cuadro adaptado de Swarnali et al., 2017.


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