سنتز هیدروژل نانوکامپوزیتی با استفاده از فراصوت‌دهی
هیدروژل‌های نانوکامپوزیتی یا نانوژل‌ها ساختارهای 3بعدی چندمنظوره‌ای هستند که به‌عنوان حامل دارو و سامانه‌های دارورسانی با رهایش کنترل‌شده، کارایی بالایی دارند. فراصوت‌دهی، پراکندهسازی ذرات هیدروژل پلیمری با ابعاد نانومتری و همچنین جای‌دهی/ادغام بعدی نانوذرات در این ساختارهای پلیمری را تسهیل می‌کند.
سنتز فراصوتی نانوژل‌ها
هیدروژل‌های نانوکامپوزیتی ساختارهای مادی سه‌بعدی هستند و می‌توان آن‌ها را برای برخورداری از ویژگی‌های مشخص طراحی کرد؛ ویژگی‌هایی که آن‌ها را به حامل‌های مؤثر دارو و سامانه‌های دارورسانی با رهایش کنترل‌شده تبدیل می‌کنند. فراصوت‌دهی، سنتز ذرات عامل‌دارشده با ابعاد نانومتری و همچنین جای‌دهی/ادغام بعدی نانوذرات در ساختارهای پلیمری سه‌بعدی را تسهیل می‌کند. ازآنجاکه نانوژل‌های سنتزشده به روش فراصوتی می‌توانند ترکیبات زیست‌فعال را درون هسته نانومقیاس خود به دام بیندازند، این هیدروژل‌های نانومتری قابلیت‌های عملکردی چشمگیری دارند.
نانوژل‌ها پراکنه‌های آبی نانوذرات هیدروژل هستند که به‌صورت فیزیکی یا شیمیایی در قالب یک شبکه پلیمری آب‌دوست اتصال عرضی یافته‌اند. ازآنجاکه فراصوت با عملکرد بالا در تولید نانوپراکنه‌ها بسیار کارآمد است، دستگاه‌های فراصوت پروبی ابزاری اساسی برای تولید سریع و قابل‌اعتماد نانوژل‌هایی با قابلیت‌های عملکردی برتر هستند.
دستگاه فراصوت UIP1000hdT مجهز به راکتور شیشه‌ای برای سنتز هیدروژل نانوکامپوزیتی
قابلیت‌های عملکردی نانوژل‌های تولیدشده به روش فراصوتی
- پایداری کلوئیدی عالی و سطح ویژه زیاد
- امکان بارگذاری متراکم نانوذرات
- امکان ترکیب ذرات سخت و نرم در نانوژل هیبریدی هسته/پوسته
- ظرفیت بالای آب‌گیری
- افزایش فراهمی زیستی
- قابلیت بالای تورم / کاهش تورم
نانوژل‌های سنتزشده به روش فراصوتی در کاربردها و صنایع متعددی استفاده می‌شوند، برای مثال:
- در کاربردهای دارویی و پزشکی: مانند حامل دارو، ژل ضدباکتری و پانسمان زخم ضدباکتری
- در زیست‌شیمی و زیست‌پزشکی برای انتقال ژن
- به‌عنوان جاذب/جاذب زیستی در کاربردهای شیمیایی و زیست‌محیطی
- در مهندسی بافت، زیرا هیدروژل‌ها می‌توانند ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی، الکتریکی و زیستی بسیاری از بافت‌های طبیعی را تقلید کنند
مطالعه موردی: سنتز نانوژل روی به روش سونوشیمیایی
نانوذرات هیبریدی ZnO را می‌توان با یک فرایند فراصوتی ساده در ژل Carbopol پایدار کرد: از فراصوت‌دهی برای پیشبرد رسوب‌دهی نانوذرات روی استفاده می‌شود و سپس این نانوذرات به کمک فراصوت با Carbopol اتصال عرضی ایجاد می‌کنند تا یک نانوهیدروژل تشکیل شود.
Ismail et al. (2021) نانوذرات اکسید روی را با یک روش سونوشیمیایی ساده رسوب دادند. (پروتکل سنتز سونوشیمیایی نانوذرات ZnO را اینجا ببینید).
سپس از نانوذرات برای سنتز نانوژل ZnO استفاده شد. به این منظور، نانوذرات ZnO تولیدشده با آب دوبار یون‌زدایی‌شده شست‌وشو داده شدند. مقدار 0٫5 g از Carbopol 940 در 300 mL آب دوبار یون‌زدایی‌شده حل شد و سپس نانوذرات ZnO تازه شسته‌شده به آن افزوده شدند. ازآنجاکه Carbopol ذاتاً اسیدی است، pH محلول باید خنثی شود؛ در غیر این صورت غلیظ نمی‌شود. بنابراین، مخلوط با دستگاه فراصوت Hielscher مدل UP400S، با دامنه 95 و چرخه 95% به مدت 1 h تحت فراصوت‌دهی پیوسته قرار گرفت. سپس، 50 mL تری‌متیل‌آمین (TEA) به‌عنوان عامل خنثی‌کننده (برای افزایش pH به 7) به‌صورت قطره‌ای و همراه با فراصوت‌دهی پیوسته افزوده شد تا ژل سفید ZnO تشکیل شود. غلیظ‌شدن Carbopol زمانی آغاز شد که pH به مقدار خنثی نزدیک بود.
گروه پژوهشی، اثرات فوق‌العاده مثبت فراصوت‌دهی بر تشکیل نانوژل را با افزایش برهم‌کنش ذره–ذره توضیح می‌دهد. تحریک مولکولی اجزای مخلوط واکنش بر اثر فراصوت، فرایند غلیظ‌شدن ناشی از برهم‌کنش‌های پلیمر–حلال را تقویت می‌کند. همچنین، فراصوت‌دهی انحلال Carbopol را تسهیل می‌کند. افزون بر این، تابش امواج فراصوت برهم‌کنش پلیمر–نانوذرات ZnO را تقویت کرده و خواص ویسکوالاستیک ژل نانوذرات هیبریدی Carbopol/ZnO تهیه‌شده را بهبود می‌دهد.
نمودار جریان شماتیک بالا، سنتز نانوذرات ZnO و ژل نانوذرات هیبریدی Carbopol/ZnO را نشان می‌دهد. در این مطالعه، دستگاه فراصوت UP400St برای رسوب‌دهی نانوذرات ZnO و تشکیل نانوژل استفاده شد. (اقتباس از Ismail et al., 2021)
نانوذرات ZnO سنتزشده به روش رسوب‌دهی شیمیایی تحت تأثیر فراصوت‌دهی؛ در (a) در محلول آبی قرار دارند و در (b) به کمک فراصوت در یک هیدروژل پایدار بر پایه Carbopol پراکنده شده‌اند.
(مطالعه و تصویر: Ismail et al., 2021)
مطالعه موردی: تهیه فراصوتی نانوژل پلی(متاکریلیک اسید)/مونت‌موریلونیت (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) سنتز موفق هیدروژل نانوکامپوزیتی پلی(متاکریلیک اسید)/مونت‌موریلونیت (PMA/nMMT) را با پلیمریزاسیون اکسایش–کاهش به کمک فراصوت نشان دادند. در یک روش معمول، 1٫0 g از nMMT در 50 mL آب مقطر با فراصوت‌دهی به مدت 2 h پراکنده شد تا یک پراکنه همگن تشکیل شود. فراصوت‌دهی پراکندهسازی رس را بهبود می‌دهد و در نتیجه خواص مکانیکی و ظرفیت جذب سطحی هیدروژل‌ها افزایش می‌یابد. مونومر متاکریلیک اسید (30 mL) به‌صورت قطره‌ای به سوسپانسیون افزوده شد. آغازگر آمونیوم پرسولفات (APS) با غلظت (0٫1 M) به مخلوط افزوده شد و سپس 1٫0 mL شتاب‌دهنده TEMED اضافه شد. پراکنه به مدت 4 h در 50°C با همزن مغناطیسی به‌شدت هم زده شد. توده گرانرو حاصل با استون شسته و به مدت 48 h در 70°C در آون خشک شد. محصول حاصل آسیاب و در بطری شیشه‌ای نگهداری شد. ژل‌های نانوکامپوزیتی مختلف با تغییر مقدار nMMT به 0٫5، 1٫0، 1٫5 و 2٫0 g سنتز شدند. هیدروژل‌های نانوکامپوزیتی تهیه‌شده با 1٫0 g از nMMT در مقایسه با سایر کامپوزیت‌ها نتایج جذب سطحی بهتری نشان دادند و ازاین‌رو برای بررسی بیشتر جذب سطحی استفاده شدند.
ریزنگاره‌های SEM-EDX سمت راست، آنالیز عنصری و ساختاری نانوژل‌های متشکل از مونت‌موریلونیت (MMT)، نانومونت‌موریلونیت (nMMT)، پلی(متاکریلیک اسید)/نانومونت‌موریلونیت (PMA/nMMT) و PMA/nMMT بارگذاری‌شده با آموکسی‌سیلین (AMX) و دیکلوفناک (DF) را نشان می‌دهند. ریزنگاره‌های SEM ثبت‌شده با بزرگ‌نمایی 1٫00 KX همراه با EDX مربوط به
- مونت‌موریلونیت (MMT)،
- نانومونت‌موریلونیت (nMMT)،
- پلی(متاکریلیک اسید)/نانومونت‌موریلونیت (PMA/nMMT)،
- و PMA/nMMT بارگذاری‌شده با آموکسی‌سیلین (AMX) و دیکلوفناک (DF).
مشاهده می‌شود که MMT خام دارای ساختار ورقه‌ای لایه‌لایه است که حضور دانه‌های بزرگ‌تر را نشان می‌دهد. پس از اصلاح، ورقه‌های MMT به ذرات ریز لایه‌برداری می‌شوند که ممکن است ناشی از حذف Si2+ و Al3+ از جایگاه‌های هشت‌وجهی باشد. طیف EDX مربوط به nMMT درصد بالایی از کربن را نشان می‌دهد که ممکن است عمدتاً ناشی از سورفکتانت استفاده‌شده برای اصلاح باشد، زیرا جزء اصلی CTAB (C19H42BrN) کربن است (84%). PMA/nMMT ساختاری منسجم و تقریباً هم‌پیوسته نشان می‌دهد. همچنین، هیچ حفره‌ای دیده نمی‌شود که بیانگر لایه‌برداری کامل nMMT در ماتریس PMA است. پس از جذب مولکول‌های دارویی آموکسی‌سیلین (AMX) و دیکلوفناک (DF)، تغییراتی در ریخت‌شناسی PMA/nMMT مشاهده می‌شود. سطح نامتقارن می‌شود و زبری بافت افزایش می‌یابد.
کاربرد و قابلیت‌های عملکردی هیدروژل‌های نانومتری بر پایه رس: نانوکامپوزیت‌های هیدروژلی بر پایه رس، به دلیل ترکیب ویژگی‌های رس‌ها و پلیمرها مانند زیست‌تخریب‌پذیری، زیست‌سازگاری، توجیه‌پذیری اقتصادی، فراوانی، سطح ویژه زیاد، شبکه سه‌بعدی و قابلیت تورم / کاهش تورم، به‌عنوان ابرجاذب‌های بالقوه برای جذب آلاینده‌های معدنی و/یا آلی از محلول آبی در نظر گرفته می‌شوند.
(رجوع کنید به Khan et al., 2020)
ریزنگاره‌های SEM-EDX از (a) MMT، (b) nMMT، (c) PMA/nMMT و هیدروژل‌های نانوکامپوزیتی بارگذاری‌شده با (d) AMX و (e) DF. نانوژل‌ها با استفاده از فراصوت‌دهی تهیه شدند.
(مطالعه و تصاویر: ©Khan et al. 2020)
دستگاه‌های فراصوت با عملکرد بالا برای تولید هیدروژل و نانوژل
دستگاه‌های فراصوت با عملکرد بالا برای تولید هیدروژل و نانوژل
Hielscher Ultrasonics تجهیزات فراصوتی با عملکرد بالا برای سنتز هیدروژل‌ها و نانوژل‌هایی با قابلیت‌های عملکردی برتر تولید می‌کند. از دستگاه‌های فراصوت کوچک و متوسط برای تحقیق‌وتوسعه و مقیاس پایلوت تا سامانه‌های صنعتی برای تولید تجاری هیدروژل در حالت پیوسته، Hielscher Ultrasonics پردازشگر فراصوتی مناسبی برای تأمین نیازهای شما در تولید هیدروژل / نانوژل دارد.
- بازده بالا
- فناوری پیشرفته روز
- قابلیت اطمینان و استحکام
- ناپیوسته و درون‌خطی
- برای هر حجم
- نرم‌افزار هوشمند
- قابلیت‌های هوشمند (مانند ثبت داده‌ها)
- کاربری آسان و ایمن
- نیاز کم به نگهداری
- CIP (شست‌وشو در محل)
جدول زیر، ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوت ما را نشان می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 تا 150L | 3 تا 15L/min | UIP6000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
(مطالعه و فیلم: Rutgeerts et al., 2019)
منابع / مراجع
- 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.
نکات دانستنی
پروتکل سنتز سونوشیمیایی نانوذرات ZnO
نانوذرات ZnO با روش رسوب‌دهی شیمیایی تحت تأثیر تابش فراصوت سنتز شدند. در یک روش معمول، از استات روی دی‌هیدرات (Zn(CH3COO)2·2H2O) به‌عنوان پیش‌ماده و محلول آمونیاک 30–33% (NH3) در محلول آبی (NH4OH) به‌عنوان عامل کاهنده استفاده شد. نانوذرات ZnO با حل‌کردن مقدار مناسب استات روی در 100 mL آب یون‌زدایی‌شده برای تهیه محلول یون‌های روی با غلظت 0٫1 M تولید شدند. سپس، محلول یون‌های روی با دستگاه Hielscher UP400S (400 W، 24 kHz، برلین، آلمان)، با دامنه 79% و چرخه 0٫76 به مدت 5 min در دمای 40 ◦C تحت تابش امواج فراصوت قرار گرفت. سپس محلول آمونیاک تحت تأثیر امواج فراصوت به‌صورت قطره‌ای به محلول یون‌های روی افزوده شد. پس از چند لحظه، رسوب‌دهی و رشد نانوذرات ZnO آغاز شد و افزودن پیوسته محلول آمونیاک تا رسوب‌دهی کامل نانوذرات ZnO ادامه یافت.
نانوذرات ZnO حاصل چندین بار با آب یون‌زدایی‌شده شسته شدند و برای ته‌نشینی به حال خود رها شدند. سپس رسوب حاصل در دمای اتاق خشک شد.
(Ismail et al., 2021)
نانوژل‌ها چه هستند؟
نانوژل‌ها یا هیدروژل‌های نانوکامپوزیتی نوعی هیدروژل هستند که نانوذرات، معمولاً در محدوده 1–100 نانومتر، در ساختار آن‌ها جای می‌گیرند. این نانوذرات می‌توانند آلی، معدنی یا ترکیبی از هر دو باشند.
نانوژل‌ها طی فرایندی به نام ایجاد اتصال عرضی تشکیل می‌شوند که در آن زنجیره‌های پلیمری با پیوندهای شیمیایی به یکدیگر متصل می‌شوند تا شبکه‌ای سه‌بعدی شکل بگیرد. ازآنجاکه تشکیل هیدروژل‌ها و نانوژل‌ها برای آب‌گیری ساختار پلیمری، تقویت ایجاد اتصال عرضی و جای‌دهی نانوذرات به اختلاط کامل نیاز دارد، فراصوت‌دهی روشی بسیار مؤثر برای تولید هیدروژل‌ها و نانوژل‌ها است. شبکه‌های هیدروژلی و نانوژلی قادر به جذب مقادیر زیادی آب هستند؛ در نتیجه نانوژل‌ها آب‌گیری بالایی دارند و برای طیف گسترده‌ای از کاربردها مانند دارورسانی، مهندسی بافت و زیست‌حسگرها مناسب‌اند.
هیدروژل‌های نانوژلی معمولاً از نانوذراتی مانند ذرات سیلیکا یا پلیمر تشکیل شده‌اند که در سراسر ماتریس هیدروژل پراکنده هستند. این نانوذرات را می‌توان با روش‌های مختلفی از جمله پلیمریزاسیون امولسیونی، پلیمریزاسیون امولسیونی معکوس و سنتز سل–ژل سنتز کرد. این فرایندهای پلیمریزاسیون و سنتز سل–ژل از هم‌زدن فراصوتی بسیار بهره می‌برند.
از سوی دیگر، هیدروژل‌های نانوکامپوزیتی از ترکیب یک هیدروژل و یک نانوپرکننده، مانند رس یا اکسید گرافن، تشکیل می‌شوند. افزودن نانوپرکننده می‌تواند خواص مکانیکی و فیزیکی هیدروژل، مانند سفتی، استحکام کششی و چقرمگی آن را بهبود دهد. در اینجا، توانایی بالای فراصوت‌دهی در پراکندهسازی، توزیع یکنواخت و پایدار نانوذرات در ماتریس هیدروژل را تسهیل می‌کند.
در مجموع، هیدروژل‌های نانوژلی و نانوکامپوزیتی به دلیل خواص و قابلیت‌های عملکردی منحصربه‌فرد خود، کاربردهای بالقوه گسترده‌ای در حوزه‌هایی مانند زیست‌پزشکی، پالایش محیط‌زیست و ذخیره‌سازی انرژی دارند.
کاربردهای نانوژل در درمان‌های پزشکی
| نوع نانوژل | دارو | بیماری | فعالیت | مراجع |
| نانوژل‌های PAMA-DMMA | دوکسوروبیسین | سرطان | افزایش سرعت رهایش با کاهش مقدار pH. سمیت سلولی بیشتر در pH برابر با 6٫8 در مطالعات زنده‌مانی سلولی | Du et al. (2010) |
| نانوژل‌های بر پایه کیتوسان با سطح آراسته به هیالورونات | حساس‌کننده‌های نوری مانند تترافنیل‌پورفیرین‌تتراسولفونات (TPPS4)، تترافنیل‌کلرین‌تتراکربوکسیلات (TPCC4) و کلرین e6 (Ce6) | اختلالات روماتیسمی | جذب سریع (4 h) توسط ماکروفاژها و تجمع در سیتوپلاسم و اندامک‌های آن‌ها | Schmitt et al. (2010) |
| نانوذرات PCEC در هیدروژل‌های Pluronic | لیدوکائین | بی‌حسی موضعی | ایجاد بی‌حسی نفوذی طولانی‌مدت به مدت حدود 360 min | Yin et al. (2009) |
| نانوذرات پلی(لاکتید-کو-گلیکولیک اسید) و کیتوسان پراکنده‌شده در ژل HPMC و Carbopol | Spantide II | درماتیت تماسی آلرژیک و سایر اختلالات التهابی پوست | نانوژل، قابلیت رسانش پوستی spantide II را افزایش می‌دهد | Punit et al. (2012) |
| نانوژل‌های پلی‌وینیل پیرولیدون–پلی(اکریلیک اسید) (PVP/PAAc) حساس به pH | پیلوکارپین | حفظ غلظت کافی پیلوکارپین در محل اثر برای مدت طولانی | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| پلی(اتیلن گلیکول) و پلی‌اتیلن‌ایمین دارای اتصال عرضی | الیگونوکلئوتیدها | بیماری‌های تحلیل‌برنده عصبی | انتقال مؤثر از سد خونی–مغزی (BBB). با اصلاح سطح نانوژل با ترانسفرین یا انسولین، کارایی انتقال بیشتر افزایش می‌یابد | Vinogradov et al. (2004) |
| نانوژل‌های پولولان حامل کلسترول | اینترلوکین-12 نوترکیب موشی | ایمنی‌درمانی تومور | نانوژل با رهایش پایدار | Farhana et al. (2013) |
| پلی(N-ایزوپروپیل‌آکریل‌آمید) و کیتوسان | درمان سرطان با هایپرترمی و دارورسانی هدفمند | حساس به دما و تعدیل‌شده به‌صورت مغناطیسی | Farhana et al. (2013) | |
| شبکه شاخه‌دار دارای اتصال عرضی از پلی‌اتیلن‌ایمین و PEG، نانوژل پلی‌پلکس | فلودارابین | سرطان | افزایش فعالیت و کاهش سمیت سلولی | Farhana et al. (2013) |
| نانوژل زیست‌سازگار از پولولان حامل کلسترول | به‌عنوان شاپرون مصنوعی | درمان بیماری آلزایمر | مهار تجمع پروتئین آمیلوئید β | Ikeda et al. (2006) |
| نانوژل DNA با اتصال عرضی نوری | ماده ژنتیکی | ژن‌درمانی | رسانش کنترل‌شده DNA پلاسمیدی | Lee et al. (2009) |
| ژل نانوذرات هیبریدی Carbopol/اکسید روی (ZnO) | نانوذرات ZnO | فعالیت ضدباکتری، مهارکننده باکتری | Ismail et al. (2021) |
جدول اقتباس‌شده از Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در مقیاس‌های آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.