Nanokomposiit hüdrogeeli süntees ultraheli abil
Nanokomposiithüdrogeelid või nanogeelid on multifunktsionaalsed 3D-struktuurid, millel on kõrge efektiivsus ravimikandjatena ja kontrollitud vabanemisega ravimite manustamissüsteemidena. Ultraheli soodustab nanosuuruses polümeersete hüdrogeeliosakeste hajumist, samuti nanoosakeste järgnevat lisamist? lisamist nendesse polümeerstruktuuridesse.
Nanogeelide ultraheli süntees
Nanokomposiithüdrogeelid on kolmemõõtmelised materjalistruktuurid ja neid saab kujundada nii, et neil oleks spetsiifilisi omadusi, mis muudab need tugevateks ravimikandjateks ja kontrollitud vabanemisega ravimite manustamissüsteemideks. Ultraheli soodustab funktsionaliseeritud nanosuuruste osakeste sünteesi, samuti nanoosakeste järgnevat lisamist? lisamist kolmemõõtmelistesse polümeersetesse struktuuridesse. Kuna ultraheli sünteesitud nanogeelid võivad oma nanoskaala südamiku sees bioaktiivseid ühendeid kinni püüda, pakuvad need nanosuuruses hüdrogeelid suurepäraseid funktsioone.
Nanogeelid on hüdrogeeli nanoosakeste vesidispersioon, mis on füüsikaliselt või keemiliselt ristseotud hüdrofiilse polümeeri võrgustikuna. Kuna suure jõudlusega ultraheli on nano-dispersioonide tootmisel väga tõhus, on sondi tüüpi ultrasonikaatorid oluline vahend suurepäraste funktsioonidega nanogeelide kiireks ja usaldusväärseks tootmiseks.
Ultrasonikaator UIP1000hdT klaasreaktoriga nanokomposiithüdrogeeli sünteesiks
Ultraheli toodetud nanogeelide funktsionaalsus
- suurepärane kolloidne stabiilsus ja suur eripind
- võib olla tihedalt pakitud nanoosakestega
- Võimaldada kombineerida kõvasid ja pehmeid osakesi hübriidsüdamiku/kestaga nanogeelis
- kõrge hüdratatsioonipotentsiaal
- biosaadavuse edendamine
- Kõrge turse? turse eemaldamine
Ultraheli sünteesitud nanogeele kasutatakse paljudes rakendustes ja tööstusharudes, nt
- farmaatsia- ja meditsiinirakendused: nt ravimi kandja, antibakteriaalne geel, antibakteriaalne haavaside
- biokeemias ja biomeditsiinis geenide edastamiseks
- adsorbendina/biosorbendina keemilistes ja keskkonnarakendustes
- koetehnoloogias, kuna hüdrogeelid võivad jäljendada paljude looduslike kudede füüsikalisi, keemilisi, elektrilisi ja bioloogilisi omadusi
Juhtumiuuring: tsingi nanogeeli süntees sonokeemilisel teel
ZnO hübriidseid nanoosakesi saab stabiliseerida Carbopol geelis facile ultraheli protsessi abil: Sonikatsiooni kasutatakse tsingi nanoosakeste sadestumise juhtimiseks, mis seejärel on ultraheliga ristseotud Carbopoliga, et moodustada nano-hüdrogeel.
(2021) sadestasid 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 Carbopol on looduslikult happeline, nõuab lahus pH väärtuse neutraliseerimist, vastasel juhul see ei pakseneks. Seega oli segu läbinud pideva ultrahelitöötluse, kasutades Hielscheri ultrasonikaatorit UP400S amplituudiga 95 ja tsükliga 95% 1 tunni jooksul. Seejärel lisati neutraliseeriva ainena 50 ml trimetüülamiini (TEA) (pH tõstmine 7-ni) tilkhaaval pideva ultrahelitöötluse all, kuni tekkis ZnO valge geeli moodustumine. Karbopoli paksenemine algas siis, kui pH oli neutraalse pH lähedal .
Uurimisrühm selgitab ultraheliuuringu erakordselt positiivset mõju nanogeeli moodustumisele osakeste ja osakeste vahelise interaktsiooni abil. Reaktsioonisegu koostisosade ultraheli algatatud molekulaarne agitatsioon suurendab polümeeri-lahusti interaktsioonide poolt soodustatud paksenemisprotsessi. Lisaks soodustab ultrahelitöötlus Carbopoli lahustumist. Lisaks suurendab ultraheli laine kiiritamine polümeeri ja ZnO NP-de koostoimet ja parandab ettevalmistatud Carbopol/ZnO hübriidsete nanoosakeste geeli viskoelastseid omadusi.
Ülaltoodud skemaatiline vooskeem näitab ZnO NP-de ja Carbopol/ZnO hübriid-nanoosakeste geeli sünteesi. Uuringus kasutati ultrasonikaatorit UP400St ZnO nanoosakeste sadestamiseks ja nanogeeli moodustamiseks. (kohandatud Ismail et al., 2021)
ZnO NP-d, mis on sünteesitud keemilise sadestamise meetodil ultraheli mõjul, kus (a) on vesilahuses ja (b) on ultraheli dispergeeritud stabiilseks Carbopolil põhinevaks hüdrogeeliks.
Juhtum Stuy: polü(metakrüülhappe)? montmorilloniidi (PMA? nMMT) nanogeeli ultrahelipreparaat
(2020) näitasid polü(metakrüülhappe)? montmorilloniidi (PMA? nMMT) nanokomposiidi hüdrogeeli edukat sünteesi ultraheli abil redokspolümerisatsiooni abil. 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 paremad mehaanilised omadused ja adsorptsioonivõime. Suspensioonile lisati tilkhaaval metakrüülhappe monomeeri (30 ml). Segule lisati initsiaator ammooniumpersulfaat (APS) (0,1 M), millele järgnes 1,0 ml TEMED kiirendit. Dispersiooni segati magnetsegajaga tugevalt 4 tundi temperatuuril 50 °C. Saadud viskoosne mass pesti atsetooniga ja kuivatati 48 tundi 70 °C juures ahjus. Saadud toode jahvatati ja säilitati klaaspudelis. Sünteesiti erinevad nanokomposiitgeelid, muutes nMMT-d kogustes 0,5, 1,0, 1,5 ja 2,0 g. 1,0 g nMMT-ga valmistatud nanokomposiithüdrogeelid näitasid paremaid adsorptsioonitulemusi kui ülejäänud komposiidid ja seetõttu kasutati neid edasiseks adsorptsiooniuuringuks.
Paremal asuvad SEM-EDX mikrograafid näitavad nanogeelide elementaar- ja struktuurianalüüsi, mis koosneb montmorilloniidist (MMT), nano-montmorilloniidist (nMMT), polü(metakrüülhappest)? nano-montmorilloniidist (PMA/nMMT) ning amoksitsilliinist (AMX)- ja diklofenakist (DF) laetud PMA/nMMT-st. SEM-i mikrograafid, mis on salvestatud suurendusega 1,00 KX koos EDX-iga
- montmorilloniit (MMT),
- nano-montmorilloniit (nMMT),
- polü(metakrüülhape)/nano-montmorilloniit (PMA/nMMT),
- ning amoksitsilliini (AMX)- ja diklofenaki (DF) laaditud PMA/nMMT.
On täheldatud, et toores MMT võlgneb kihilise lehtstruktuuri, mis näitab suuremate terade olemasolu. Pärast modifitseerimist kooritakse MMT lehed väikesteks osakesteks, mis võib olla tingitud Si2+ ja Al3+ kõrvaldamisest oktaeedrilistest kohtadest. NMMT EDX-spektril on suur süsinikusisaldus, mis võib olla peamiselt tingitud modifitseerimiseks kasutatavast pindaktiivsest ainest, kuna CTAB (C19H42BrN) peamine koostisosa on süsinik (84%). PMA/nMMT kuvab sidusa ja peaaegu pideva struktuuri. Lisaks ei ole poorid nähtavad, mis kujutab nMMT täielikku koorimist PMA maatriksisse. Pärast sorptsiooni farmatseutiliste molekulidega amoksitsilliin (AMX) ja diklofenak (DF) täheldatakse muutusi PMA/nMMT morfoloogias. Pind muutub asümmeetriliseks töötlemata tekstuuri suurenemisega.
Savipõhiste nanosuuruses hüdrogeelide kasutamine ja funktsioonid: Savipõhised hüdrogeeli nanokomposiidid on potentsiaalsed superadsorbendid anorgaaniliste ja/või orgaaniliste saasteainete omastamiseks vesilahusest nii savi kui ka polümeeride kombineerimisomaduste tõttu, nagu biolagunduvus, bioloogiline kokkusobivus, majanduslik elujõulisus, arvukus, suur eripind, kolmemõõtmeline võrk ja turse/paisutusomadused.
(vrd Khan et al., 2020)
SEM-EDX mikrograafid a) MMT, b) nMMT, c) PMA/nMMT ja d) AMX- ja e) DF-koormusega nanokomposiithüdrogeelidest. Nanogeelid valmistati ultraheli abil.
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, millel on suurepärased funktsioonid. Väikesest ja keskmise suurusega R-st&D ja piloot ultrasonikaatorid tööstuslikele süsteemidele kaubandusliku hüdrogeeli tootmiseks pidevas režiimis, Hielscher Ultrasonicsil on õige ultraheli protsessor, mis katab teie nõuded hüdrogeeli? nanogeeli tootmiseks.
- kõrge kasutegur
- Kaasaegne tehnoloogia
- Usaldusväärsuse & töökindlus
- partii & Inline
- mis tahes mahu jaoks
- Intelligentne tarkvara
- Nutikad funktsioonid (nt andmete protokollimine)
- lihtne ja ohutu kasutada
- madal hooldus
- CIP (puhas kohapeal)
Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
| Partii maht | Voolukiirus | 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 20L | 0.2 kuni 4L? min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 kuni 150L | 3 kuni 15L/min | UIP6000hdT |
| mujal liigitamata | 10 kuni 100 L? min | UIP16000 |
| mujal liigitamata | Suurem | klaster UIP16000 |
Võta meiega ühendust!? Küsi meilt!
(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, mida tasub teada
ZnO nanoosakeste sonokeemilise sünteesi protokoll
ZnO NP-d sünteesiti keemilise sadestamise meetodi abil ultraheli kiirituse mõjul. Tüüpilises protseduuris kasutati prekursorina tsinkatsetaatdihüdraati (Zn(CH3COO)2·2H2O) ja redutseerijana ammoniaagilahust 30–33% (NH3) vesilahuses (NH4OH). ZnO nanoosakesed toodeti, lahustades sobiva koguse tsinkatsetaati 100 ml deioniseeritud vees, et saada 0,1 M tsingiioonide lahust. Seejärel viidi tsingiioonide lahus läbi ultraheli laine kiiritamise, kasutades Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berliin, Saksamaa) amplituudiga 79% ja tsükliga 0,76 5 minutit temperatuuril 40 �C. Seejärel lisati ammoniaagilahus tilkhaaval tsingiioonide lahusele ultraheli lainete mõjul. 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 rahunema. Pärast seda kuivatati saadud sade toatemperatuuril.
(Ismail et al., 2021)
Mis on nanogeelid?
Nanogeelid või nanokomposiithüdrogeelid on teatud tüüpi hüdrogeel, mis sisaldab nende struktuuri nanoosakesi, tavaliselt vahemikus 1-100 nanomeetrit. Need nanoosakesed võivad olla orgaanilised, anorgaanilised või mõlema kombinatsioon.
Nanogeelid moodustatakse protsessi kaudu, mida nimetatakse ristsidumiseks, mis hõlmab polümeerahelate keemilist sidumist kolmemõõtmelise võrgu moodustamiseks. Kuna hüdrogeelide ja nanogeelide moodustumine nõuab põhjalikku segamist, et hüdraatida polümeerset struktuuri, edendada ristsidumist ja lisada nanoosakesi, on ultraheliuuring väga tõhus meetod hüdrogeelide ja nanogeelide tootmiseks. Hüdrogeeli- ja nanogeelivõrgud on võimelised absorbeerima suures koguses vett, muutes nanogeelid väga hüdraadituks ja seega sobivad 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 emulsioonipolümerisatsiooniga, pöördemulsiooni polümerisatsiooniga ja sol-geeli sünteesiga. Need polümerisatsiooni ja sol-geeli sünteesid saavad ultraheli agitatsioonist suurt kasu.
Nanokomposiithüdrogeelid seevastu koosnevad hüdrogeeli ja nanotäiteaine kombinatsioonist, nagu savi või grafeenoksiid. Nanotäiteaine lisamine võib parandada hüdrogeeli mehaanilisi ja füüsikalisi omadusi, nagu selle jäikus, tõmbetugevus ja sitkus. Siin hõlbustavad ultrahelitöötluse võimsad dispersioonivõimed nanoosakeste ühtlast ja stabiilset jaotumist hüdrogeeli maatriksisse.
Üldiselt on nanogeelidel ja nanokomposiithüdrogeelidel oma ainulaadsete omaduste ja funktsioonide tõttu palju 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, kui pH väärtus vähenes. Suurem tsütotoksilisus pH 6,8 juures rakkude eluvõimelisuse uuringutes | Du jt (2010) |
| Kitosaanipõhised nanogeelid, mis on kaunistatud hüaluronaadiga | Fotosensibilisaatorid nagu tetra-fenüül-porfüriin-tetra-sulfonaat (TPPS4), tetra-fenüül-kloor-tetra-karboksülaat (TPCC4) ja kloor e6 (Ce6) | Reumaatilised häired | Makrofaagide poolt kiiresti (4 h) omastatud ja kogunenud nende tsütoplasmasse ja organellidesse | Schmitt jt (2010) |
| PCEC nanoosakesed pluroonilistes hüdrogeelides | Lidokaiin | Lokaalanesteesia | Tehtud pikaajaline infiltratsioonianesteesia umbes 360 min | Yin jt (2009) |
| Polü(laktiid-ko-glükoolhape) ja kitosaani nanoosakesed, mis on dispergeeritud HPMC-s ja Carbopol geelis | Spantide II | Allergiline kontaktdermatiit ja muud naha põletikulised häired | Nanogelinncrease potentsiaal spantiidi II perkutaanseks manustamiseks | Punit jt (2012) |
| pH-tundlikud polüvinüülpürrolidoon-polü (akrüülhape) (PVP/PAAc) nanogeelid | Pilokarpiin | Säilitada pilokarpiini piisav kontsentratsioon toimekohas pikema aja jooksul | Abd El-Rehim jt (2013) | |
| Ristseotud polü (etüleenglükool) ja polüetülenimine | Oligonukleotiidid | Neurodegeneratiivsed haigused | Tõhusalt transporditud 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 vähiravi ja sihipärane ravimite manustamine | Termotundlik magnetiliselt modaliseeritud | Farhana jt (2013) | |
| Polüetüleenamiini ja PEG polüpleksnanogeeli ristseotud hargnenud võrk | Fludarabiin | Vähktõbi | Kõrgenenud aktiivsus ja vähenenud tsütotoksilisus | Farhana jt (2013) |
| Kolesterooli kandva pullulaani bioühilduv nanogeel | Nagu kunstlik šaperon | Treatment of Alzheimer’s disease | Inhibeerige amüloidi β-valgu agregatsiooni | Ikeda jt (2006) |
| DNA nanogeel foto ristsidumisega | Geneetiline materjal | Geeniteraapia | Plasmiidi DNA kontrollitud kohaletoimetamine | Lee jt (2009) |
| Karbopoli/tsinkoksiidi (ZnO) hübriidne nanoosakeste geel | ZnO nanoosakesed | Antibakteriaalne toime, bakteriaalne inhibiitor | Ismail jt (2021) |
Tabel on kohandatud Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates Lab kuni tööstuslik suurus.