Nanokomposiitse hüdrogeeli süntees ultraheli töötlusega
Nanokomposiitsed hüdrogeelid ehk nanogeelid on multifunktsionaalsed 3D-struktuurid, mis on väga tõhusad ravimikandjatena ja kontrollitud vabanemisega ravimite manustamissüsteemidena. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) soodustab nanosuuruses polümeersete hüdrogeeliosakeste dispergeerimist ning nanoosakeste järgnevat lisamist/kaasamist nendesse polümeerstruktuuridesse.
Nanogeelide ultraheli süntees
Nanokomposiitsed hüdrogeelid on kolmemõõtmelised materjalistruktuurid, mida saab kujundada teatud omadustega, mistõttu on need tugevatoimelised ravimikandjad ja kontrollitud vabanemisega ravimite manustamissüsteemid. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) soodustab funktsionaliseeritud nanosuuruses osakeste sünteesi ning nanoosakeste järgnevat lisamist/kaasamist kolmemõõtmelistesse polümeerstruktuuridesse. Kuna ultraheliga sünteesitud nanogeelid suudavad bioaktiivseid ühendeid oma nanomõõtmelises tuumas kinni püüda, pakuvad need nanosuuruses hüdrogeelid suurepäraseid funktsionaalsusi.
Nanogeelid on hüdrogeeli nanoosakeste vesidispersioon, mille osakesed on füüsikaliselt või keemiliselt ristsidestatud hüdrofiilseks polümeervõrgustikuks. Kuna suure jõudlusega ultraheli on nanodispersioonide tootmisel väga tõhus, on sondtüüpi ultraheli seadmed (sonikaatorid) olulised vahendid nanogeelide kiireks ja usaldusväärseks tootmiseks, millel on suurepärased funktsionaalsused.
Ultraheli seade UIP1000hdT klaasreaktoriga nanokomposiitse hüdrogeeli sünteesiks
Ultraheliga toodetud nanogeelide funktsionaalsused
- suurepärane kolloidne stabiilsus ja suur eripind
- neid saab tihedalt täita nanoosakestega
- võimaldavad ühendada kõvasid ja pehmeid osakesi hübriidses tuum-kest-nanogeelis
- kõrge hüdratatsioonipotentsiaal
- soodustavad biosaadavust
- kõrged paisumis- ja kahanemisomadused
Ultraheliga sünteesitud nanogeele kasutatakse paljudes rakendustes ja tööstusharudes, nt
- farmaatsia- ja meditsiinirakendustes: nt ravimikandja, antibakteriaalne geel, antibakteriaalne haavasidemematerjal
- biokeemias ja biomeditsiinis geenide kohaletoimetamiseks
- adsorbendina/biosorbendina keemia- ja keskkonnarakendustes
- koetehnoloogias, kuna hüdrogeelid võivad jäljendada paljude looduslike kudede füüsikalisi, keemilisi, elektrilisi ja bioloogilisi omadusi
Juhtumiuuring: tsink-nanogeeli süntees sonokeemilisel teel
ZnO hübriidnanoosakesi saab Carbopoli geelis stabiliseerida lihtsa ultraheliprotsessi abil: ultraheli töötlust (sonikeerimist) kasutatakse tsingi nanoosakeste sadestumise esilekutsumiseks, mis seejärel ultraheliga Carbopoliga ristsidestatakse, moodustades nanohüdrogeeli.
Ismail et al. (2021) sadestasid tsinkoksiidi nanoosakesi lihtsa sonokeemilise meetodi abil. (Siit leiate ZnO nanoosakeste sonokeemilise sünteesi protokolli).
Seejärel kasutati nanoosakesi ZnO nanogeeli sünteesimiseks. Selleks loputati saadud ZnO NP-sid kahekordselt deioniseeritud veega. 0,5 g Carbopol 940 lahustati 300 mL kahekordselt deioniseeritud vees, millele lisati värskelt pestud ZnO NP-d. Kuna Carbopol on looduslikult happeline, vajab lahus pH väärtuse neutraliseerimist, vastasel juhul see ei pakseneks. Seetõttu allutati segu pidevale ultraheli töötlusele (sonikeerimisele) Hielscheri ultraheli seadmega UP400S amplituudil 95 ja tsüklil 95% 1 h jooksul. Seejärel lisati pideva ultraheli töötluse all tilkhaaval 50 mL trimetüülamiini (TEA) neutraliseeriva ainena (pH tõstmiseks väärtuseni 7), kuni tekkis ZnO valge geel. Carbopoli pakseneminen algas siis, kui pH oli neutraalse pH lähedal .
Uurimisrühm selgitab ultraheli töötluse erakordselt positiivset mõju nanogeeli moodustumisele tugevdatud osakeste-osakeste vastasmõjuga. Ultrahelist alguse saanud reaktsioonisegu komponentide molekulaarne segunemine tõhustab paksenemisprotsessi, mida soodustab polümeeri ja lahusti vastasmõju. Lisaks soodustab sonikeerimine Carbopoli lahustumist. Peale selle tugevdab ultraheli lainetega kiiritamine polümeeri ja ZnO NP-de vastasmõju ning parandab valmistatud Carbopol/ZnO hübriidnanoosakeste geeli viskoelastseid omadusi.
Ülaltoodud skemaatiline vooskeem näitab ZnO NP-de ja Carbopol/ZnO hübriidnanoosakeste geeli sünteesi. Uuringus kasutati ZnO nanoosakeste sadestamiseks ja nanogeeli moodustamiseks ultraheli seadet UP400St. (kohandatud allikast Ismail et al., 2021)
ZnO NP-d, mis on sünteesitud keemilise sadestamise meetodil ultraheli töötluse mõjul, kus (a) on vesilahuses ja (b) on ultraheliga dispergeeritud stabiilseks Carbopol-põhiseks hüdrogeeliks.
(uuring ja pilt: Ismail et al., 2021)
Juhtumiuuring: poly(metakrüülhappe)/montmorilloniidi (PMA/nMMT) nanogeeli ultraheliga valmistamine
Khan et al. (2020) demonstreerisid poly(metakrüülhappe)/montmorilloniidi (PMA/nMMT) nanokomposiit-hüdrogeeli edukat sünteesi ultraheli abil toimunud redokspolümerisatsiooni teel. Tavapäraselt dispergeeriti 1,0 g nMMT-d 50 mL destilleeritud vees ultraheli töötlusega 2 h, et moodustada homogeenne dispersioon. Sonikeerimine parandab savi dispergeerumist, mille tulemuseks on hüdrogeelide paremad mehaanilised omadused ja adsorptsioonivõime. Metakrüülhappe monomeer (30 mL) lisati suspensioonile tilkhaaval. Initsiaator ammooniumpersulfaat (APS) (0,1 M) lisati segule, millele järgnes 1,0 mL TEMED kiirendit. Dispersiooni segati jõuliselt 4 h temperatuuril 50°C magnetsegajaga. Saadud viskoosne mass pesti atsetooniga ja kuivatati eksikaatoris 48 h temperatuuril 70°C ahjus. Saadud toode jahvatati ja hoiti klaaspudelis. Erinevaid nanokomposiitgeele sünteesiti, muutes nMMT kogust: 0,5, 1,0, 1,5 ja 2,0 g. Nanokomposiit-hüdrogeelid, mis valmistati 1,0 g nMMT-ga, näitasid paremaid adsorptsioonitulemusi kui ülejäänud komposiidid ja neid kasutati seetõttu edasiseks adsorptsiooniuuringuks.
Paremal pool olevad SEM-EDX mikrofotod näitavad nanogeelide elemendilist ja struktuurset analüüsi, mis koosnevad montmorilloniidist (MMT), nano-montmorilloniidist (nMMT), poly(metakrüülhappe)/nano-montmorilloniidist (PMA/nMMT) ning amoksitsilliini (AMX) ja diklofenaagiga (DF) laetud PMA/nMMT-st. SEM mikrofotod salvestati suurendusel 1,00 KX koos EDX-iga järgmistest:
- montmorilloniit (MMT),
- nano-montmorilloniit (nMMT),
- poly(metakrüülhape)/nano-montmorilloniit (PMA/nMMT),
- ning amoksitsilliini (AMX) ja diklofenaagiga (DF) laetud PMA/nMMT.
Täheldatakse, et toor-MMT-l on kihiline lehtstruktuur, milles esineb suuremaid terakesi. Pärast modifitseerimist on MMT lehed eksfolieerunud väikesteks osakesteks, mis võib olla tingitud Si2+ ja Al3+ eemaldamisest oktaeedrilistest asukohtadest. nMMT EDX-spekter näitab suurt süsiniku osakaalu, mis võib peamiselt olla tingitud modifitseerimisel kasutatud pindaktiivsest ainest, kuna CTAB (C19H42BrN) peamine koostisosa on süsinik (84%). PMA/nMMT-l on koherentne ja peaaegu kaaspidev struktuur. Lisaks ei ole poore näha, mis viitab nMMT täielikule eksfolieerumisele PMA maatriksisse. Pärast farmatseutiliste molekulide amoksitsilliini (AMX) ja diklofenaki (DF) sorptsiooni täheldatakse PMA/nMMT morfoloogia muutusi. Pind muutub asümmeetriliseks ja selle konarlik tekstuur suureneb.
Savipõhiste nanomõõtmeliste hüdrogeelide kasutus ja funktsionaalsused: savipõhiseid hüdrogeel-nanokomposiite peetakse potentsiaalseteks üliadsorbentideks anorgaaniliste ja/või orgaaniliste saasteainete eraldamiseks veelahusest tänu nii savide kui ka polümeeride kombineeritud omadustele, nagu biolagunevus, biosobivus, majanduslik otstarbekus, rohkus, suur eripind, kolmemõõtmeline võrgustik ning paisumis- ja kokkutõmbumisomadused.
(vrd Khan et al., 2020)
(a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT ning (d) AMX- ja (e) DF-ga laetud nanokomposiit-hüdrogeelide SEM-EDX mikrofotod. Nanogeelid valmistati ultraheli töötlusega.
(uuring ja pildid: ©Khan et al. 2020)
Suure jõudlusega ultraheli seadmed hüdrogeelide ja nanogeelide tootmiseks
Suure jõudlusega ultraheli seadmed hüdrogeelide ja nanogeelide tootmiseks
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheliseadmeid ülimate funktsionaalsustega hüdrogeelide ja nanogeelide sünteesiks. Alates väikestest ja keskmise suurusega R&D- ja pilootmahuga ultraheli seadmetest kuni tööstuslike süsteemideni hüdrogeelide kommertstootmiseks pidevrežiimis – Hielscher Ultrasonicsil on õige ultraheliprotsessor, mis vastab teie hüdrogeeli / nanogeeli tootmise nõuetele.
- kõrge efektiivsus
- tipptehnoloogia
- töökindlus ja vastupidavus
- partii- ja inline-töötlus
- mis tahes mahule
- intelligentne tarkvara
- nutikad funktsioonid (nt andmete protokollimine)
- lihtne ja ohutu kasutada
- väike hooldusvajadus
- CIP (kohapealpuhastus)
Allolev tabel annab ülevaate meie ultraheli seadmete ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500 mL | 10 kuni 200 mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000 mL | 20 kuni 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20 L | 0,2 kuni 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100 L | 2 kuni 10 L/min | UIP4000hdT |
| 15 kuni 150 L | 3 kuni 15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster seadmetest UIP16000 |
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
(Uuring ja video: Rutgeerts et al., 2019)
Kirjandus / viited
- 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.
Väärt teada
Protokoll ZnO nanoosakeste sonokeemiliseks sünteesiks
ZnO NP-d sünteesiti keemilise sadestamise meetodil ultraheli kiiritamise mõjul. Tüüpilises protseduuris kasutati lähteainena tsinkatsetaatdihüdraati (Zn(CH3COO)2·2H2O) ja redutseerijana 30–33% ammoniaagilahust (NH3) vesilahuses (NH4OH). ZnO nanoosakesed saadi sobiva koguse tsinkatsetaadi lahustamisel 100 mL deioniseeritud vees, et valmistada 0,1 M tsinkioonide lahus. Seejärel allutati tsinkioonide lahus ultraheli lainetega kiiritamisele, kasutades Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berliin, Saksamaa) amplituudil 79% ja tsüklil 0,76 5 min jooksul temperatuuril 40 ◦C. Seejärel lisati ammoniaagilahus ultraheli lainete mõjul tilkhaaval tsinkioonide lahusele. Mõne hetke pärast hakkasid ZnO NP-d sadenema ja kasvama ning ammoniaagilahust lisati pidevalt, kuni ZnO NP-de sadenemine oli täielik.
Saadud ZnO NP-sid pesti mitu korda deioniseeritud veega ning jäeti settima. Seejärel kuivatati saadud sade toatemperatuuril.
(Ismail et al., 2021)
Mis on nanogeelid?
Nanogeelid ehk nanokomposiithüdrogeelid on hüdrogeeli tüüp, mis sisaldab oma struktuuris nanoosakesi, tavaliselt vahemikus 1-100 nanomeetrit. Need nanoosakesed võivad olla orgaanilised, anorgaanilised või mõlema kombinatsioon.
Nanogeelid moodustuvad protsessis, mida tuntakse ristsidumisena ja mis hõlmab polümeeriahelate keemilist sidumist kolmemõõtmeliseks võrgustikuks. Kuna hüdrogeelide ja nanogeelide moodustamine nõuab põhjalikku segamist, et polümeerstruktuuri hüdreerida, ristsidumist soodustada ja nanoosakesi lisada, on ultraheli töötlus (sonikeerimine) väga tõhus tehnika hüdrogeelide ja nanogeelide tootmiseks. Hüdrogeeli- ja nanogeelivõrgustikud suudavad absorbeerida suuri koguseid vett, mistõttu on nanogeelid tugevalt hüdreeritud ja sobivad seega paljudeks rakendusteks, näiteks ravimite kohaletoimetamiseks, koetehnoloogiaks ja biosensoriteks.
Nanogeelhüdrogeelid koosnevad tavaliselt nanoosakestest, näiteks ränidioksiidi- või polümeeriosakestest, mis on hajutatud kogu hüdrogeelimaatriksis. Neid nanoosakesi saab sünteesida erinevate meetoditega, sealhulgas emulsioonpolümerisatsiooni, pöördemulsioonpolümerisatsiooni ja sool-geel-sünteesi abil. Need polümerisatsiooni- ja sool-geel-sünteesid saavad ultraheli segamisest suurt kasu.
Nanokomposiithüdrogeelid seevastu koosnevad hüdrogeeli ja nanotäiteaine, näiteks savi või grafeenoksiidi kombinatsioonist. Nanotäiteaine lisamine võib parandada hüdrogeeli mehaanilisi ja füüsikalisi omadusi, näiteks jäikust, tõmbetugevust ja sitkust. Siin soodustavad ultraheli töötluse (sonikeerimise) võimsad dispergeerimisvõimed nanoosakeste ühtlast ja stabiilset jaotumist hüdrogeelimaatriksis.
Kokkuvõttes on nanogeelidel ja nanokomposiithüdrogeelidel nende ainulaadsete omaduste ja funktsionaalsuste tõttu lai valik potentsiaalseid rakendusi sellistes valdkondades nagu biomeditsiin, keskkonna taastamine ja energia salvestamine.
Nanogeeli rakendused meditsiinilistes ravides
| Nanogeeli tüüp | Ravim | Haigus | Toime | Viited |
| PAMA-DMMA nanogeelid | Doksorubitsiin | Vähk | Vabanemiskiiruse suurenemine pH väärtuse langedes. Suurem tsütotoksilisus pH 6,8 juures rakkude elujõulisuse uuringutes | Du et al. (2010) |
| Hüaluronaadiga kaunistatud kitosaanipõhised nanogeelid | Fotosensibilisaatorid, nagu tetrafenüülporfüriin-tetrasulfonaat (TPPS4), tetrafenüülkloriin-tetrakarboksülaat (TPCC4) ja kloriin e6 (Ce6) | Reumaatilised haigused | Makrofaagid võtsid need kiiresti üles (4 h) ja need akumuleerusid nende tsütoplasmas ja organellides | Schmitt et al. (2010) |
| PCEC nanoosakesed Pluronic hüdrogeelides | Lidokaiin | Lokaalanesteesia | Tekitas pikaajalise infiltratsioonanesteesia kestusega umbes 360 min | Yin et al. (2009) |
| HPMC- ja Carbopol-geelis dispergeeritud poly(laktiid-ko-glükoolhappe) ja kitosaani nanoosakesed | Spantiid II | Allergiline kontaktdermatiit ja muud naha põletikulised häired | Nanogeel suurendab spantiid II perkutaanse manustamise potentsiaali | Punit et al. (2012) |
| pH-tundlikud polüvinüülpürrolidoon-poly(akrüülhape) (PVP/PAAc) nanogeelid | Pilokarpiin | Säilitada pilokarpiini piisav kontsentratsioon toimekohas pikema aja jooksul | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Ristsidestatud poly(etüleenglükool) ja polüetüleenimiin | Oligonukleotiidid | Neurodegeneratiivsed haigused | Transporditakse tõhusalt läbi BBB. Transpordi tõhusus suureneb veelgi, kui nanogeeli pind on modifitseeritud transferriini või insuliiniga | Vinogradov et al. (2004) |
| Kolesterooli sisaldavad pullulaani nanogeelid | Rekombinantne hiire interleukiin-12 | Kasvaja immunoteraapia | Pikendatud vabanemisega nanogeel | Farhana et al. (2013) |
| Poly(N-isopropüülakrüülamiid) ja kitosaan | Hüpertermiaga vähiravi ja sihitud ravimimanustamine | Termotundlik, magnetiliselt modaliseeritud | Farhana et al. (2013) | |
| Polüetüleenimiini ja PEG-i ristsidestatud hargnenud võrgustik, polüpleks-nanogeel | Fludarabiin | Vähk | Suurenenud aktiivsus ja vähenenud tsütotoksilisus | Farhana et al. (2013) |
| Kolesterooli sisaldava pullulaani biosobiv nanogeel | Kunstliku šaperonina | Alzheimeri tõve ravi | Pärsivad amüloid-β-valgu agregatsiooni | Ikeda et al. (2006) |
| Fotoristsidestusega DNA nanogeel | Geneetiline materjal | Geeniravi | Plasmiidse DNA kontrollitud manustamine | Lee et al. (2009) |
| Carbopol/tsinkoksiid (ZnO) hübriidnanoosakeste geel | ZnO nanoosakesed | Antibakteriaalne aktiivsus, bakterite inhibiitor | Ismail et al. (2021) |
Tabel kohandatud allikast Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laborisuurusest kuni tööstusliku suuruseni.