Síntesis de hidrogeles nanocompuestos mediante ultrasonicación
Los hidrogeles nanocompuestos o nanogeles son estructuras 3D multifuncionales con una elevada eficacia como vehículos de fármacos y sistemas de administración de fármacos de liberación controlada. La ultrasonicación favorece la dispersión de partículas poliméricas de hidrogel de tamaño nanométrico, así como la posterior inclusión/incorporación de nanopartículas en estas estructuras poliméricas.
Síntesis ultrasónica de nanogeles
Los hidrogeles nanocompuestos son estructuras materiales tridimensionales que pueden diseñarse para presentar características específicas, lo que los convierte en vehículos de fármacos y sistemas de administración de fármacos de liberación controlada muy eficaces. La ultrasonicación favorece la síntesis de partículas funcionalizadas de tamaño nanométrico, así como la posterior inclusión/incorporación de nanopartículas en estructuras poliméricas tridimensionales. Dado que los nanogeles sintetizados por ultrasonidos pueden encapsular compuestos bioactivos en su núcleo nanométrico, estos hidrogeles de tamaño nanométrico ofrecen excelentes funcionalidades.
Los nanogeles son dispersiones acuosas de nanopartículas de hidrogel reticuladas física o químicamente para formar una red polimérica hidrófila. Dado que los ultrasonidos de alto rendimiento son muy eficientes para producir nanodispersiones, los ultrasonicadores de sonda son una herramienta fundamental para la producción rápida y fiable de nanogeles con funcionalidades superiores.
Ultrasonicador UIP1000hdT con reactor de vidrio para la síntesis de hidrogeles nanocompuestos
Funcionalidades de los nanogeles producidos por ultrasonidos
- excelente estabilidad coloidal y gran superficie específica
- pueden cargarse densamente con nanopartículas
- permiten combinar partículas duras y blandas en un nanogel híbrido de núcleo/cubierta
- alto potencial de hidratación
- favorecen la biodisponibilidad
- elevada capacidad de hinchamiento / deshinchamiento
Los nanogeles sintetizados por ultrasonidos se utilizan en numerosas aplicaciones y sectores, por ejemplo:
- en aplicaciones farmacéuticas y médicas: por ejemplo, vehículos de fármacos, geles antibacterianos y apósitos antibacterianos para heridas
- en bioquímica y biomedicina para la transferencia génica
- como adsorbentes/biosorbentes en aplicaciones químicas y medioambientales
- en ingeniería de tejidos, ya que los hidrogeles pueden imitar las propiedades físicas, químicas, eléctricas y biológicas de muchos tejidos nativos
Caso práctico: síntesis de nanogel de zinc por vía sonoquímica
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 con Carbopol mediante ultrasonidos para formar un nanohidrogel.
Ismail et al. (2021) precipitaron nanopartículas de óxido de zinc mediante una sencilla vía sonoquímica. (Consulte aquí el protocolo de síntesis sonoquímica de nanopartículas de ZnO).
Posteriormente, las nanopartículas se utilizaron para sintetizar el nanogel de ZnO. Para ello, las nanopartículas 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 nanopartículas de ZnO recién lavadas. Dado que el Carbopol es ácido por naturaleza, es necesario neutralizar el pH de la solución; de lo contrario, no se espesaría. Por ello, la mezcla se sometió a sonicación continua con el ultrasonicador Hielscher UP400S, con una amplitud de 95 y un ciclo del 95% durante 1 h. A continuación, se añadieron gota a gota 50 mL de trimetilamina (TEA) como agente neutralizante (elevando el pH a 7), bajo sonicación continua, hasta que se formó el gel blanco de ZnO. El espesamiento del Carbopol comenzó cuando el pH se aproximó a un valor neutro.
El equipo de investigación explica los efectos extraordinariamente positivos de la ultrasonicación sobre la formación del nanogel por la mejora de la interacción entre partículas. La agitación molecular de los componentes de la mezcla de reacción, iniciada por ultrasonidos, intensifica el proceso de espesamiento promovido por las interacciones entre el polímero y el disolvente. Además, la sonicación favorece la disolución del Carbopol. Asimismo, la irradiación con ondas ultrasónicas intensifica la interacción entre el polímero y las nanopartículas de ZnO y mejora las propiedades viscoelásticas del gel híbrido de nanopartículas Carbopol/ZnO preparado.
El diagrama de flujo esquemático anterior muestra la síntesis de nanopartículas 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)
Nanopartículas de ZnO sintetizadas mediante el método de precipitación química bajo el efecto de la ultrasonicación, donde (a) corresponde a la solución acuosa y (b) a su dispersión por ultrasonidos en un hidrogel estable a base de Carbopol.
(estudio e imagen: Ismail et al., 2021)
Caso práctico: preparación ultrasónica de un nanogel de poli(ácido metacrílico)/montmorillonita (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. En un procedimiento típico, se dispersaron 1,0 g de nMMT en 50 mL de agua destilada mediante ultrasonicación durante 2 h para formar una dispersión homogénea. La sonicación mejora la dispersión de la arcilla, lo que mejora las propiedades mecánicas y la capacidad de adsorción de los hidrogeles. Se añadió gota a gota el monómero de ácido metacrílico (30 mL) a la suspensión. Se añadió a la mezcla el iniciador persulfato de amonio (APS) (0,1 M), seguido de 1,0 mL del acelerador TEMED. La dispersión se agitó vigorosamente durante 4 h a 50 °C con un agitador magnético. La masa viscosa resultante se lavó con acetona y se secó durante 48 h a 70 °C en un horno. El producto resultante se molió y se almacenó en un frasco de vidrio. Se sintetizaron distintos geles nanocompuestos variando la cantidad de nMMT entre 0,5, 1,0, 1,5 y 2,0 g. Los hidrogeles nanocompuestos preparados con 1,0 g de nMMT mostraron mejores resultados de adsorción que el resto de los materiales compuestos y, por tanto, se utilizaron para los estudios posteriores de adsorción.
Las micrografías SEM-EDX de la derecha muestran el análisis elemental y estructural de los nanogeles constituidos por montmorillonita (MMT), nanomontmorillonita (nMMT), poli(ácido metacrílico)/nanomontmorillonita (PMA/nMMT) y PMA/nMMT cargado con amoxicilina (AMX) y diclofenaco (DF). Las micrografías SEM obtenidas con un aumento de 1,00 KX, junto con el análisis EDX, corresponden a
- montmorillonita (MMT),
- nanomontmorillonita (nMMT),
- poli(ácido metacrílico)/nanomontmorillonita (PMA/nMMT),
- y PMA/nMMT cargado con amoxicilina (AMX) y diclofenaco (DF).
Se observa que la MMT sin tratar presenta una estructura laminar en capas con granos de mayor tamaño. Tras la modificación, las láminas de MMT se exfolian en partículas diminutas, lo que podría deberse a la eliminación de Si2+ y Al3+ de los sitios octaédricos. El espectro EDX de nMMT muestra un alto porcentaje de carbono, que podría deberse principalmente al tensioactivo utilizado para la modificación, ya que el principal componente del CTAB (C19H42BrN) es el carbono (84%). El PMA/nMMT presenta una estructura coherente y casi cocontinua. Además, no se observan poros, lo que indica la exfoliación completa de la nMMT en la matriz de PMA. Tras la sorción de las moléculas farmacéuticas amoxicilina (AMX) y diclofenaco (DF), se observan cambios en la morfología del PMA/nMMT. La superficie se vuelve asimétrica y aumenta su rugosidad.
Uso y funcionalidades de los hidrogeles de tamaño nanométrico a base de arcilla: los nanocompuestos de hidrogel a base de arcilla se consideran potenciales superadsorbentes para la captación de contaminantes inorgánicos y/u orgánicos de una solución acuosa, gracias a la combinación de características de las arcillas y los polímeros, como biodegradabilidad, biocompatibilidad, viabilidad económica, abundancia, elevada superficie específica, red tridimensional y capacidad de hinchamiento / deshinchamiento.
(cf. Khan et al., 2020)
Micrografías SEM-EDX de (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT e hidrogeles nanocompuestos cargados con (d) AMX y (e) DF. Los nanogeles se prepararon mediante ultrasonicación.
(estudio e imágenes: ©Khan et al. 2020)
Ultrasonicadores de alto rendimiento para la producción de hidrogeles y nanogeles
Ultrasonicadores de alto rendimiento para la producción de hidrogeles y nanogeles
Hielscher Ultrasonics fabrica equipos ultrasónicos de alto rendimiento para la síntesis de hidrogeles y nanogeles con funcionalidades superiores. Desde ultrasonicadores pequeños y medianos para I+D y plantas piloto hasta sistemas industriales para la fabricación comercial de hidrogeles en modo continuo, Hielscher Ultrasonics dispone del procesador ultrasónico adecuado para satisfacer sus requisitos de producción de hidrogeles / nanogeles.
- alta eficiencia
- tecnología de vanguardia
- fiabilidad y robustez
- por lotes y en línea
- para cualquier volumen
- software inteligente
- funciones inteligentes (por ejemplo, registro de datos)
- manejo sencillo y seguro
- bajo mantenimiento
- CIP (limpieza in situ)
La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores:
| Volumen del lote | Caudal | Equipos 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 150 L | 3 a 15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | conjunto de UIP16000 |
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(Estudio y vídeo: Rutgeerts et al., 2019)
Bibliografía / Referencias
- Ismail, S.H.; Hamdy, A.; Ismail, T.A.; Mahboub, H.H.; Mahmoud, W.H.; Daoush, W.M. (2021): Synthesis and Characterization of Antibacterial Carbopol/ZnO Hybrid Nanoparticles Gel. Crystals 2021, 11, 1092.
- Khan, Suhail; Fuzail Siddiqui, Mohammad; Khan, Tabrez Alam (2020): Synthesis of poly(methacrylic acid)/montmorillonite hydrogel nanocomposite for efficient adsorption of Amoxicillin and Diclofenac from aqueous environment: Kinetic, isotherm, reusability, and thermodynamic investigations. ACS Omega. 5, 2020. 2843–2855.
- Rutgeerts, Laurens A. J.; Soultan, Al Halifa; Subramani, Ramesh; Toprakhisar, Burak; Ramon, Herman; Paderes, Monissa C.; De Borggraeve, Wim M.; Patterson, Jennifer (2019): Robust scalable synthesis of a bis-urea derivative forming thixotropic and cytocompatible supramolecular hydrogels. Chemical Communications Issue 51, 2019.
Información de interés
Protocolo de síntesis sonoquímica de nanopartículas de ZnO
Las nanopartículas de ZnO se sintetizaron mediante el método de precipitación química bajo el efecto de la irradiación ultrasónica. En un procedimiento típico, se utilizaron acetato de zinc dihidratado (Zn(CH3COO)2·2H2O) como precursor y una solución de amoníaco al 30–33% (NH3) en 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 obtener una solución de iones de zinc de 0,1 M. Posteriormente, la solución de iones de zinc se sometió a irradiación con ondas ultrasónicas utilizando un Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlín, Alemania), con una amplitud del 79% y un ciclo de 0,76 durante 5 min a una temperatura de 40 ◦C. A continuación, se añadió gota a gota la solución de amoníaco a la solución de iones de zinc bajo el efecto de las ondas ultrasónicas. Tras unos instantes, las nanopartículas de ZnO comenzaron a precipitar y crecer, y se siguió añadiendo la solución de amoníaco hasta que se produjo la precipitación completa de las nanopartículas de ZnO.
Las nanopartículas de ZnO obtenidas se lavaron varias veces con agua desionizada y se dejaron reposar para que sedimentaran. 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, generalmente en el intervalo de 1-100 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 consiste en la unión química de cadenas poliméricas para formar una red tridimensional. Dado que la formación de hidrogeles y nanogeles requiere una mezcla exhaustiva para hidratar la estructura polimérica, favorecer la reticulación e incorporar las nanopartículas, la ultrasonicación es una técnica de gran eficacia para la producción de hidrogeles y nanogeles. Las redes de hidrogeles y nanogeles pueden absorber grandes cantidades de agua, lo que proporciona a los nanogeles un elevado grado de hidratación y los hace adecuados para una amplia variedad de aplicaciones, como la administración de fármacos, la ingeniería de tejidos y los biosensores.
Los hidrogeles de nanogel suelen estar compuestos por nanopartículas, como partículas de sílice o de polímeros, dispersas por toda 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 polimerizaciones y síntesis sol-gel se benefician considerablemente de la agitación ultrasónica.
Los hidrogeles nanocompuestos, por su parte, están compuestos por una combinación de un hidrogel y una nanocarga, como arcilla u óxido de grafeno. La adición de la nanocarga puede mejorar las propiedades mecánicas y físicas del hidrogel, como su rigidez, resistencia a la tracción y tenacidad. En este caso, la elevada capacidad de dispersión de la sonicación facilita la distribución uniforme y estable de las nanopartículas en la matriz del hidrogel.
En conjunto, los hidrogeles de nanogel y los hidrogeles nanocompuestos tienen una amplia variedad de aplicaciones potenciales en campos como la biomedicina, la remediación ambiental y el almacenamiento de energía, gracias a sus propiedades y funcionalidades únicas.
Aplicaciones de los nanogeles en tratamientos médicos
| Tipo de nanogel | Fármaco | Enfermedad | Actividad | Referencias |
| Nanogeles PAMA-DMMA | Doxorrubicina | Cáncer | Aumento de la velocidad de liberación al disminuir el pH. Mayor citotoxicidad a pH 6,8 en estudios de viabilidad celular | Du et al. (2010) |
| Nanogeles a base de quitosano funcionalizados con hialuronato | Fotosensibilizadores como tetrafenilporfirina tetrasulfonato (TPPS4), tetrafenilclorina tetracarboxilato (TPCC4) y clorina e6 (Ce6) | Trastornos reumáticos | Captados rápidamente (4 h) por los macrófagos y acumulados en su citoplasma y orgánulos | Schmitt et al. (2010) |
| Nanopartículas de PCEC en hidrogeles de Pluronic | Lidocaína | Anestesia local | Produjeron una anestesia por infiltración de larga duración, de aproximadamente 360 min | Yin et al. (2009) |
| Nanopartículas de poli(lactida-co-ácido glicólico) y quitosano dispersas en gel de HPMC y Carbopol | Spantide II | Dermatitis alérgica de contacto y otros trastornos inflamatorios de la piel | El nanogel aumenta el potencial de administración percutánea de spantide II | Punit et al. (2012) |
| Nanogeles de polivinilpirrolidona-poli(ácido acrílico) (PVP/PAAc) sensibles al pH | Pilocarpina | Mantienen una concentración adecuada de pilocarpina en el lugar de acción durante un periodo prolongado | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Poli(etilenglicol) y polietilenimina reticulados | Oligonucleótidos | Enfermedades neurodegenerativas | Transportados eficazmente a través de la barrera hematoencefálica (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 pululano 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 dirigida de fármacos | Termosensible y modalizado magnéticamente | Farhana et al. (2013) | |
| Nanogel de poliplejos de una red ramificada reticulada de polietilenimina y PEG | Fludarabina | Cáncer | Mayor actividad y menor citotoxicidad | Farhana et al. (2013) |
| Nanogel biocompatible de pululano con colesterol | Como chaperona artificial | Tratamiento de la enfermedad de Alzheimer | Inhiben la agregación de la proteína β-amiloide | Ikeda et al. (2006) |
| Nanogel de ADN con fotorreticulación | 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) |
Tabla adaptada de Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde escala de laboratorio hasta escala industrial.