Nanokomposiit hüdrogeeli süntees ultraheli abil
Nanokomposiithüdrogeelid ehk nanogeelid on multifunktsionaalsed 3D-struktuurid, millel on suur efektiivsus ravimikandjatena ja kontrollitud vabanemisega ravimite manustamissüsteemid. Ultraheli soodustab nanosuuruses polümeersete hüdrogeeliosakeste dispersiooni, samuti nanoosakeste järgnevat lisamist / lisamist nendesse polümeerstruktuuridesse.
Nanogeelide ultraheli süntees
Nanokomposiithüdrogeelid on kolmemõõtmelised materjalistruktuurid ja neid saab kujundada nii, et neil oleksid spetsiifilised omadused, mis muudab need tugevateks ravimikandjateks ja kontrollitud vabanemisega ravimite manustamissüsteemideks. Ultraheliuuring soodustab funktsionaliseeritud nanosuuruste osakeste sünteesi ning sellele järgnevat nanoosakeste lisamist / lisamist kolmemõõtmelistesse polümeersetesse struktuuridesse. Kuna ultraheli sünteesitud nanogeelid võivad oma nanoskaala südamikus bioaktiivseid ühendeid kinni püüda, pakuvad need nanosuuruses hüdrogeelid suurepäraseid funktsioone.
Nanogeelid on hüdrogeeli nanoosakeste vesidispersioon, mis on füüsiliselt või keemiliselt ristseotud hüdrofiilse polümeerivõrguna. Kuna suure jõudlusega ultraheli on nano-dispersioonide tootmisel väga tõhus, on sondi tüüpi ultrasonikaatorid ülioluline vahend suurepäraste funktsioonidega nanogeelide kiireks ja usaldusväärseks tootmiseks.
ultrasonikaator UIP1000hdT klaasreaktoriga nanokomposiithüdrogeeli sünteesiks
Ultraheli toodetud nanogeelide funktsioonid
- suurepärane kolloidne stabiilsus ja suur eripind
- võib olla tihedalt pakitud nanoosakestega
- Laske kombineerida kõvasid ja pehmeid osakesi hübriidsüdamikus/kesta nanogeelis
- kõrge hüdratatsioonipotentsiaal
- biosaadavuse edendamine
- kõrge turse / turse eemaldamise omadused
Ultraheli sünteesitud nanogeele kasutatakse paljudes rakendustes ja tööstusharudes, nt
- farmatseutilistel ja meditsiinilistel eesmärkidel: nt ravimikandja, antibakteriaalne geel, antibakteriaalne haavasideme
- biokeemias ja biomeditsiinis geenide kohaletoimetamiseks
- adsorbendina/biosorbendina keemilistes ja keskkondlikes rakendustes
- koetehnoloogias, kuna hüdrogeelid võivad jäljendada paljude kohalike kudede füüsikalisi, keemilisi, elektrilisi ja bioloogilisi omadusi
Juhtumiuuring: tsingi nanogeeli süntees sonokeemilise marsruudi kaudu
ZnO hübriidseid nanoosakesi saab stabiliseerida Carbopol geelis facile ultraheli protsessi kaudu: Sonikatsiooni kasutatakse tsingi nanoosakeste sadestumise juhtimiseks, mis seejärel ultraheliga ristseotud Carbopoliga nanohüdrogeeli moodustamiseks.
(2021) sadestas tsinkoksiidi nanoosakesi facile sonokeemilisel teel. (ZnO nanoosakeste sonokeemilise sünteesi protokolli leiate siit)
Seejärel kasutati nanoosakesi ZnO nanogeeli sünteesimiseks. Seetõttu loputati toodetud ZnO NP-sid kahekordse deioniseeritud veega. 0,5 g Carbopol 940 lahustati 300 ml kahekordses deioniseeritud vees, millele järgnes värskelt pestud ZnO NP-de lisamine. Kuna karbopol on looduslikult happeline, vajab lahus pH väärtuse neutraliseerimist, vastasel juhul see ei pakseneks. Seega oli segu läbinud pideva ultrahelitöötluse, kasutades Hielscheri ultrasonikaatorit UP400S, mille amplituud oli 95 ja tsükkel 95% 1 h. Seejärel lisati 50 ml trimetüülamiini (TEA) neutraliseeriva ainena (tõstes pH 7-ni) tilkhaaval pideva ultrahelitöötluse all, kuni tekkis ZnO valge geeli moodustumine. Carbopoli paksenemine algas siis, kui pH oli neutraalse pH lähedal .
Uurimisrühm selgitab ultraheli erakordselt positiivset mõju nanogeeli moodustumisele osakeste ja osakeste täiustatud interaktsiooni abil. Ultraheli algatatud reaktsioonisegu koostisosade molekulaarne segamine suurendab paksenemisprotsessi, mida soodustavad polümeeri-lahusti interaktsioonid. Lisaks soodustab ultrahelitöötlus Carbopoli lahustumist. Lisaks suurendab ultraheli laine kiiritus polümeeri-ZnO NPs koostoimet ja parandab ettevalmistatud Carbopol / ZnO hübriidsete nanoosakeste geeli viskoelastseid omadusi.
Ülaltoodud skemaatiline vooskeem näitab ZnO NP-de ja Carbopol/ZnO hübriidse nanoosakeste geeli sünteesi. Uuringus kasutati ZnO nanoosakeste sadestamiseks ja nanogeeli moodustumiseks ultrasonikaatorit UP400St. (kohandatud raamatust Ismail et al., 2021)
ZnO NP-d, mis sünteesitakse keemilise sadestumise meetodil ultraheli mõjul, kus (a) on vesilahuses ja (b) on ultraheli dispergeeritud stabiilsesse Carbopoli-põhisesse hüdrogeeli.
(uuring ja pilt: Ismail et al., 2021)
Juhtum Stuy: Polü(metakrüülhappe) / montmorilloniidi (PMA / nMMT) nanogeeli ultraheli ettevalmistamine
Khan jt (2020) näitasid polü(metakrüülhappe) / montmorilloniidi (PMA / nMMT) nanokomposiithüdrogeeli edukat sünteesi ultraheli abil redokspolümerisatsiooni teel. Tavaliselt dispergeeriti 1,0 g nMMT-d 50 ml destilleeritud vees ultraheliga 2 tundi, et moodustada homogeenne dispersioon. Sonikatsioon parandab savi dispersiooni, mille tulemuseks on hüdrogeelide mehaanilised omadused ja adsorptsioonivõime. Metakrüülhappe monomeer (30 ml) lisati suspensioonile tilkhaaval. Segule lisati initsiaatorammooniumpersulfaat (APS) (0,1 M), millele järgnes 1,0 ml TEMEDi kiirendit. Dispersiooni segati magnetsegajaga jõuliselt 4 tundi 50 °C juures. Saadud viskoosne mass pesti atsetooniga ja kuivatati ahjus 48 tundi 70 °C juures. Saadud toode jahvatati ja ladustati klaaspudelis. Sünteesiti erinevaid nanokomposiitgeele, muutes nMMT-d kogustes 0,5, 1,0, 1,5 ja 2,0 g. 1,0 g nMMT abil valmistatud nanokomposiithüdrogeelid näitasid paremaid adsorptsioonitulemusi kui ülejäänud komposiidid ja seetõttu kasutati neid edasiseks adsorptsiooni uurimiseks.
Paremal asuvad SEM-EDX mikrograafid näitavad montmorilloniidist (MMT), nano-montmorilloniidist (nMMT), polü(metakrüülhappest)/nano-montmorilloniidist (PMMA/nMMT) ning amoksitsilliinist (AMX)- ja diklofenakist (DF) koosnevate nanogeelide elementaarset ja struktuurilist analüüsi. SEM-mikrograafid, mis on registreeritud suurendusega 1,00 KX koos EDX-iga
- montmorilloniit (MMT),
- nano-montmorilloniit (nMMT),
- polü(metakrüülhape)/nano-montmorilloniit (PMA/nMMT),
- ning amoksitsilliini (AMX)- ja diklofenaki (DF) koormusega PMA/nMMT.
On täheldatud, et toores MMT võlgneb kihilise lehtstruktuuri, mis näitab suuremate terade olemasolu. Pärast modifitseerimist kooritakse MMT lehed pisikesteks osakesteks, mis võivad olla tingitud Si2+ ja Al3+ kõrvaldamisest oktaeedrilistest kohtadest. nMMT EDX-spektril on suur süsiniku protsent, mis võib olla peamiselt tingitud modifitseerimiseks kasutatavast pindaktiivsest ainest, kuna CTAB (C19H42BrN) peamine koostisosa on süsinik (84%). PMA/nMMT kuvab sidusa ja peaaegu koostoimiva struktuuri. Lisaks pole näha poore, mis kujutavad nMMT täielikku koorimist PMA-maatriksisse. Pärast sorptsiooni farmatseutiliste molekulidega amoksitsilliin (AMX) ja diklofenak (DF) täheldatakse muutusi PMA/nMMT morfoloogias. Pind muutub asümmeetriliseks kareda tekstuuri suurenemisega.
Savipõhiste nanosuuruses hüdrogeelide kasutamine ja funktsioonid: Savipõhised hüdrogeeli nanokomposiidid on eeldatavalt potentsiaalsed superadsorbendid anorgaaniliste ja/või orgaaniliste saasteainete omastamiseks vesilahusest, kuna nii savid kui ka polümeerid on omavahel seotud, näiteks biolagunevus, bioühilduvus, majanduslik elujõulisus, arvukus, suur eripindala, kolmemõõtmeline võrgustik ja paisumis- / paisumisomadused.
(vrd Khan et al., 2020)
SEM-EDX mikrograafid a) MMT, b) nMMT, c) PMA/nMMT ja d) AMX- ja e) DF-koormusega nanokomposiithüdrogeelid. Nanogeelid valmistati ultraheli abil.
(uuring ja pildid: ©Khan et al. 2020)
Suure jõudlusega ultrasonikaatorid hüdrogeeli ja nanogeeli tootmiseks
Suure jõudlusega ultrasonikaatorid hüdrogeeli ja nanogeeli tootmiseks
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli seadmeid hüdrogeelide ja nanogeelide sünteesiks suurepäraste funktsioonidega. Väikestest ja keskmise suurusega R-idest&D ja piloot ultrasonikaatorid tööstussüsteemidele kaubanduslikuks hüdrogeeli tootmiseks pidevas režiimis, Hielscher Ultrasonics on õige ultraheli protsessor, et katta teie nõuded hüdrogeeli / nanogeeli tootmiseks.
- kõrge efektiivsusega
- Tipptasemel tehnoloogia
- usaldusväärsus & stabiilsus
- partii & järjekorras
- mis tahes mahu puhul
- intelligentne tarkvara
- nutikad funktsioonid (nt andmete protokollimine)
- Lihtne ja ohutu tegutseda
- Madal hooldus
- CIP (puhas koht)
Alljärgnev tabel annab teile ülevaate meie ultrahelihitiste ligikaudse töötlemisvõimsusest:
| partii Köide | flow Rate | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500 ml | 10 kuni 200 ml / min | UP100H |
| 10 kuni 2000 ml | 20 kuni 400 ml / min | Uf200 ः t, 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 |
| e.k. | 10 kuni 100 l / min | UIP16000 |
| e.k. | suurem | klastri UIP16000 |
Võta meiega ühendust! / Küsi meiega!
(Uuring ja film: 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.
Faktid Tasub teada
ZnO nanoosakeste sonokeemilise sünteesi protokoll
ZnO NP-d sünteesiti keemilise sadestumise meetodil ultraheli kiirituse mõjul. Tüüpilises protseduuris kasutati lähteainena tsinkatsetaatdihüdraati (Zn(CH3COO)2·2H2O) ja redutseerijana 30–33% (NH3) ammoniaagilahust vesilahuses (NH4OH). ZnO nanoosakesed toodeti, lahustades sobiva koguse tsinkatsetaati 100 ml deioniseeritud vees, et saada 0,1 M tsingiioonide lahust. Seejärel allutati tsingiioonide lahus ultraheli lainekiirgusele, kasutades Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berliin, Saksamaa) amplituudiga 79% ja tsükliga 0,76 5 minutit temperatuuril 40 ◦C. Seejärel lisati ammoniaagilahus ultraheli lainete mõjul tsingiioonide lahusele tilkhaaval. Mõne hetke pärast hakkasid ZnO NP-d sadestuma ja kasvama ning ammoniaagilahust lisati pidevalt, kuni toimus ZnO NP-de täielik sadestumine.
Saadud ZnO NP-sid pesti mitu korda deioniseeritud veega ja jäeti settima. Hiljem kuivatati saadud sade toatemperatuuril.
(Ismail et al., 2021)
Mis on nanogeelid?
Nanogeelid või nanokomposiithüdrogeelid on teatud tüüpi hüdrogeel, mis sisaldab oma struktuuri nanoosakesi, tavaliselt vahemikus 1-100 nanomeetrit. Need nanoosakesed võivad olla orgaanilised, anorgaanilised või mõlema kombinatsioon.
Nanogeelid moodustuvad protsessi kaudu, mida nimetatakse ristsidumiseks, mis hõlmab polümeerahelate keemilist sidumist, et moodustada kolmemõõtmeline võrk. Kuna hüdrogeelide ja nanogeelide moodustumine nõuab polümeerse struktuuri hüdraatimiseks, ristsidumise soodustamiseks ja nanoosakeste lisamiseks põhjalikku segamist, on ultraheli väga tõhus meetod hüdrogeelide ja nanogeelide tootmiseks. Hüdrogeeli ja nanogeeli võrgud on võimelised absorbeerima suures koguses vett, muutes nanogeelid väga hüdreeritud ja seega sobivaks mitmesugusteks rakendusteks, nagu ravimite manustamine, koetehnoloogia ja biosensorid.
Nanogeeli hüdrogeelid koosnevad tavaliselt nanoosakestest, nagu ränidioksiid või polümeeriosakesed, mis on hajutatud kogu hüdrogeeli maatriksis. Neid nanoosakesi saab sünteesida erinevate meetoditega, sealhulgas emulsiooni polümerisatsioon, pöördemulsiooni polümerisatsioon ja sol-gel süntees. Need polümerisatsioon ja sol-geeli sünteesid saavad ultraheli agitatsioonist suurt kasu.
Nanokomposiithüdrogeelid seevastu koosnevad hüdrogeeli ja nanofilleri kombinatsioonist, nagu savi või grafeenoksiid. Nanofilleri lisamine võib parandada hüdrogeeli mehaanilisi ja füüsikalisi omadusi, nagu selle jäikus, tõmbetugevus ja tugevus. Siin hõlbustavad ultrahelitöötluse võimsad dispersioonivõimed nanoosakeste ühtlast ja stabiilset jaotumist hüdrogeelimaatriksisse.
Üldiselt on nanogeelil ja nanokomposiithüdrogeelidel nende ainulaadsete omaduste ja funktsioonide tõttu lai valik potentsiaalseid rakendusi sellistes valdkondades nagu biomeditsiin, keskkonna parandamine ja energia salvestamine.
Nanogeeli rakendused meditsiiniliseks raviks
| Nanogeeli tüüp | uimasti | tõbi | Aktiivsus | Viited |
| PAMA-DMMA nanogeelid | doksorubitsiin | Vähktõbi | Vabanemiskiiruse suurenemine pH väärtuse vähenemisel. Suurem tsütotoksilisus pH 6,8 juures rakkude eluvõimelisuse uuringutes | Du et al. (2010) |
| Kitosaanipõhised nanogeelid, mis on kaunistatud hüaluronaadiga | Fotosensibilisaatorid nagu tetra-fenüül-porfüriin-tetra-sulfonaat (TPPS4), tetra-fenüül-kloor-tetrakarboksülaat (TPCC4) ja klooriin e6 (Ce6) | Reumaatilised häired | Makrofaagid omastavad kiiresti (4 tundi) ja kogunevad nende tsütoplasmasse ja organellidesse | Schmitt jt (2010) |
| PCEC nanoosakesed pluroonilistes hüdrogeelides | Lidokaiin | Kohalik tuimestus | Pikaajaline infiltratsioonianesteesia kestusega umbes 360 min | (2009) |
| HPMC ja Carbopol geelis dispergeeritud polü(laktiid-koglükoolhape) ja kitosaani nanoosakesed | Spantide II | Allergiline kontaktdermatiit ja muud naha põletikulised häired | Nanogelinnrease potentsiaal spantide II perkutaanseks manustamiseks | Punit jt (2012) |
| pH-tundlikud polüvinüülpürrolidoonpolü (akrüülhappe) nanogeelid (PVP/PAAc) | Pilokarpiin | Säilitada pilokarpiini piisav kontsentratsioon toimekohas pikema aja jooksul | Abd El-Rehim jt (2013) | |
| Ristseotud polü (etüleenglükool) ja polüetülenimiin | Oligonukleotiidid | Neurodegeneratiivsed haigused | Transporditakse tõhusalt üle BBB. Transpordi efektiivsus suureneb veelgi, kui nanogeeli pinda muudetakse transferriini või insuliiniga | Vinogradov jt (2004) |
| Kolesterooli kandvad pullulaani nanogeelid | Rekombinantne hiire interleukiin-12 | Kasvaja immunoteraapia | Püsiva vabanemisega nanogeel | Farhana jt (2013) |
| Polü(N-isopropüülakrüülamiid) ja kitosaan | Hüpertermia vähi ravi ja sihipärane ravimite manustamine | Termosensitiivne magnetiliselt modifitseeritud | Farhana jt (2013) | |
| Polüetüleenemiini ja PEG-polüpleksnanogeeli ristseotud hargnenud võrk | Fludarabiin | Vähktõbi | Kõrgenenud aktiivsus ja vähenenud tsütotoksilisus | Farhana jt (2013) |
| Kolesterooli kandva pullulaani bioühilduv nanogeel | Nagu kunstlik šaperoon | Alzheimeri tõve ravi | Amüloidi β-valgu inhibeerimise pärssimine | (2006) |
| DNA nanogeel koos fotode ristsidumisega | Geneetiline materjal | Geeniteraapia | Kontrollitud plasmiidi DNA kohaletoimetamine | Lee jt (2009) |
| Karbopooli/tsinkoksiidi (ZnO) hübriidne nanoosakeste geel | ZnO nanoosakesed | Antibakteriaalne toime, bakterite inhibiitor | Ismail jt (2021) |
Tabel kohandatud ajakirjast Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid Lab et tööstuslik suurus.