Nanokomposiittihydrogeelien synteesi ultraäänikäsittelyllä
Nanokomposiittihydrogeelit eli nanogeelit ovat monitoiminnallisia 3D-rakenteita, jotka toimivat erittäin tehokkaasti lääkeaineiden kantajina ja lääkeaineiden hallitun vapautumisen annostelujärjestelminä. Ultraäänikäsittely edistää nanokokoisten polymeeristen hydrogeelihiukkasten dispergoitumista sekä sitä seuraavaa nanohiukkasten sisällyttämistä näihin polymeerirakenteisiin.
Nanogeelien ultraäänisynteesi
Nanokomposiittihydrogeelit ovat kolmiulotteisia materiaalirakenteita, joihin voidaan suunnitella erityisiä ominaisuuksia. Tämä tekee niistä tehokkaita lääkeaineiden kantajia ja lääkeaineiden hallitun vapautumisen annostelujärjestelmiä. Ultraäänikäsittely edistää funktionalisoitujen nanokokoisten hiukkasten synteesiä sekä sitä seuraavaa nanohiukkasten sisällyttämistä kolmiulotteisiin polymeerirakenteisiin. Koska ultraäänellä syntetisoidut nanogeelit voivat vangita bioaktiivisia yhdisteitä nanomittakaavan ytimensä sisään, nämä nanokokoiset hydrogeelit tarjoavat erinomaisia toiminnallisia ominaisuuksia.
Nanogeelit ovat hydrogeelinanohiukkasten vesidispersioita, joissa hiukkaset ovat fysikaalisesti tai kemiallisesti ristisilloittuneet hydrofiiliseksi polymeeriverkostoksi. Koska suurtehoinen ultraääni tuottaa nanodispersioita erittäin tehokkaasti, anturityyppiset ultraäänilaitteet ovat keskeinen väline toiminnallisilta ominaisuuksiltaan ylivoimaisten nanogeelien nopeassa ja luotettavassa tuotannossa.
Ultraäänilaite UIP1000hdT ja lasireaktori nanokomposiittihydrogeelien synteesiin
Ultraäänellä tuotettujen nanogeelien toiminnalliset ominaisuudet
- erinomainen kolloidinen stabiilisuus ja suuri ominaispinta-ala
- voidaan täyttää tiiviisti nanohiukkasilla
- mahdollistavat kovien ja pehmeiden hiukkasten yhdistämisen ytimestä ja kuoresta koostuvaan hybridinanogeeliin
- suuri hydrataatiopotentiaali
- edistävät biologista hyötyosuutta
- voimakas turpoamis- ja kutistumiskyky
Ultraäänellä syntetisoituja nanogeelejä käytetään lukuisissa sovelluksissa ja teollisuudenaloilla, esimerkiksi
- farmaseuttisissa ja lääketieteellisissä sovelluksissa: esimerkiksi lääkeaineiden kantajina, antibakteerisina geeleinä ja antibakteerisina haavasidoksina
- biokemiassa ja biolääketieteessä geenien siirtoon
- adsorbentteina/biosorbentteina kemiallisissa ja ympäristösovelluksissa
- kudosteknologiassa, sillä hydrogeelit voivat jäljitellä monien luontaisten kudosten fysikaalisia, kemiallisia, sähköisiä ja biologisia ominaisuuksia
Tapaustutkimus: sinkkinanogeelin synteesi sonokemiallisella menetelmällä
ZnO-hybridinanohiukkaset voidaan stabiloida Carbopol-geeliin yksinkertaisella ultraääniprosessilla: ultraäänikäsittelyllä edistetään sinkkinanohiukkasten saostumista, minkä jälkeen ne ristisilloitetaan ultraäänellä Carbopolin kanssa nanohydrogeeliksi.
Ismail et al. (2021) saostivat sinkkioksidinanohiukkasia yksinkertaisella sonokemiallisella menetelmällä. (ZnO-nanohiukkasten sonokemiallisen synteesin menetelmäohje on täällä).
Tämän jälkeen nanohiukkasia käytettiin ZnO-nanogeelin syntetisointiin. Tätä varten tuotetut ZnO-nanohiukkaset huuhdeltiin kahdesti deionisoidulla vedellä. Carbopol 940:tä liuotettiin 0,5 g 300 mL:aan kahdesti deionisoitua vettä, minkä jälkeen lisättiin juuri pestyt ZnO-nanohiukkaset. Koska Carbopol on luonnostaan hapanta, liuoksen pH on neutraloitava, sillä muuten liuos ei paksuuntuisi. Seosta käsiteltiin siksi jatkuvasti ultraäänellä 1 h ajan Hielscherin ultraäänilaitteella UP400S amplitudilla 95 ja syklillä 95 %. Tämän jälkeen lisättiin tipoittain 50 mL trimetyyliamiinia (TEA) neutralointiaineeksi (nostamaan pH arvoon 7) jatkuvan ultraäänikäsittelyn aikana, kunnes valkoinen ZnO-geeli muodostui. Carbopolin paksuuntuminen alkoi, kun pH oli lähellä neutraalia.
Tutkimusryhmä selittää ultraäänikäsittelyn poikkeuksellisen myönteisiä vaikutuksia nanogeelin muodostumiseen hiukkasten välisen vuorovaikutuksen voimistumisella. Ultraäänen käynnistämä reaktioseoksen aineosien molekyylitason liike tehostaa polymeerin ja liuottimen välisten vuorovaikutusten edistämää paksuuntumisprosessia. Lisäksi ultraäänikäsittely edistää Carbopolin liukenemista. Ultraääniaaltojen vaikutus myös voimistaa polymeerin ja ZnO-nanohiukkasten välistä vuorovaikutusta ja parantaa valmistetun Carbopol/ZnO-hybridinanohiukkasgeelin viskoelastisia ominaisuuksia.
Yllä oleva kaaviomainen vuokaavio esittää ZnO-nanohiukkasten ja Carbopol/ZnO-hybridinanohiukkasgeelin synteesiä. Tutkimuksessa ultraäänilaitetta UP400St käytettiin ZnO-nanohiukkasten saostamiseen ja nanogeelin muodostamiseen. (mukailtu lähteestä Ismail et al., 2021)
ZnO-nanohiukkaset syntetisoitiin kemiallisella saostusmenetelmällä ultraäänikäsittelyn vaikutuksesta. Kohdassa (a) ne ovat vesiliuoksessa ja kohdassa (b) ne on dispergoitu ultraäänellä stabiiliin Carbopol-pohjaiseen hydrogeeliin.
(tutkimus ja kuva: Ismail et al., 2021)
Tapaustutkimus: poly(metakryylihappo)/montmorilloniitti (PMA/nMMT) -nanogeelin valmistus ultraäänellä
Khan et al. (2020) osoittivat poly(metakryylihappo)/montmorilloniitti (PMA/nMMT) -nanokomposiittihydrogeelin onnistuneen synteesin ultraääniavusteisella redox-polymeroinnilla. Tyypillisessä menetelmässä 1,0 g nMMT:tä dispergoitiin 50 mL:aan tislattua vettä 2 h kestävällä ultraäänikäsittelyllä homogeenisen dispersion muodostamiseksi. Ultraäänikäsittely parantaa saven dispergoitumista, mikä parantaa hydrogeelien mekaanisia ominaisuuksia ja adsorptiokapasiteettia. Suspensioon lisättiin tipoittain metakryylihappomonomeeria (30 mL). Seokseen lisättiin initiaattorina ammoniumpersulfaattia (APS) (0,1 M) ja sen jälkeen 1,0 mL TEMED-kiihdytintä. Dispersiota sekoitettiin voimakkaasti magneettisekoittimella 4 h ajan 50 °C:ssa. Saatu viskoosi massa pestiin asetonilla ja kuivattiin uunissa 48 h ajan 70 °C:ssa. Saatu tuote jauhettiin ja säilytettiin lasipullossa. Erilaisia nanokomposiittigeelejä syntetisoitiin käyttämällä nMMT:tä määrinä 0,5, 1,0, 1,5 ja 2,0 g. Nanokomposiittihydrogeelit, joiden valmistuksessa käytettiin 1,0 g nMMT:tä, tuottivat parempia adsorptiotuloksia kuin muut komposiitit, joten niitä käytettiin adsorptiota koskevissa jatkotutkimuksissa.
Oikealla olevat SEM-EDX-mikroskooppikuvat esittävät montmorilloniittia (MMT), nanomontmorilloniittia (nMMT), poly(metakryylihappoa)/nanomontmorilloniittia (PMA/nMMT) sekä amoksisilliinilla (AMX) ja diklofenaakilla (DF) ladattua PMA/nMMT:tä sisältävien nanogeelien alkuaine- ja rakenneanalyysiä. Suurennoksella 1,00 KX otetut SEM-mikroskooppikuvat ja EDX-analyysit seuraavista materiaaleista:
- montmorilloniitti (MMT),
- nanomontmorilloniitti (nMMT),
- poly(metakryylihappo)/nanomontmorilloniitti (PMA/nMMT),
- sekä amoksisilliinilla (AMX) ja diklofenaakilla (DF) ladattu PMA/nMMT.
Havaitaan, että käsittelemättömällä MMT:llä on kerroksellinen levyrakenne, jossa näkyy suurempia rakeita. Muokkauksen jälkeen MMT:n levyt eksfolioituvat pieniksi hiukkasiksi, mikä saattaa johtua Si2+- ja Al3+-ionien poistumisesta oktaedrisilta paikoilta. nMMT:n EDX-spektrissä näkyy suuri hiilipitoisuus, mikä saattaa johtua pääasiassa muokkauksessa käytetystä pinta-aktiivisesta aineesta, sillä CTAB:n (C19H42BrN) pääainesosa on hiili (84 %). PMA/nMMT:n rakenne on yhtenäinen ja lähes yhteisjatkuva. Lisäksi huokosia ei näy, mikä osoittaa nMMT:n täydellisen eksfolioitumisen PMA-matriisiin. Amoksisilliini- (AMX) ja diklofenaakki- (DF) lääkeainemolekyylien sorption jälkeen PMA/nMMT:n morfologiassa havaitaan muutoksia. Pinta muuttuu epäsymmetriseksi ja sen tekstuuri karkeammaksi.
Savipohjaisten nanokokoisten hydrogeelien käyttö ja toiminnalliset ominaisuudet: savipohjaisia hydrogeelinanokomposiitteja pidetään mahdollisina superadsorbentteina epäorgaanisten ja/tai orgaanisten epäpuhtauksien talteenottoon vesiliuoksesta, koska niissä yhdistyvät sekä savien että polymeerien ominaisuudet, kuten biohajoavuus, bioyhteensopivuus, taloudellinen kannattavuus, runsas saatavuus, suuri ominaispinta-ala, kolmiulotteinen verkosto sekä turpoamis- ja kutistumiskyky.
(vrt. Khan et al., 2020)
SEM-EDX-mikroskooppikuvat materiaaleista (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT sekä (d) AMX:llä ja (e) DF:llä ladatuista nanokomposiittihydrogeeleistä. Nanogeelit valmistettiin ultraäänikäsittelyllä.
(tutkimus ja kuvat: ©Khan et al. 2020)
Suurtehoiset ultraäänilaitteet hydrogeelien ja nanogeelien tuotantoon
Suurtehoiset ultraäänilaitteet hydrogeelien ja nanogeelien tuotantoon
Hielscher Ultrasonics valmistaa suurtehoisia ultraäänilaitteita toiminnallisilta ominaisuuksiltaan ylivoimaisten hydrogeelien ja nanogeelien synteesiin. Hielscher Ultrasonics tarjoaa hydrogeelien / nanogeelien tuotantotarpeisiisi sopivan ultraääniprosessorin pienistä ja keskikokoisista tutkimus-, kehitys- ja pilottilaitteista teollisiin järjestelmiin, joilla hydrogeelejä valmistetaan kaupallisesti jatkuvatoimisessa prosessissa.
- korkea hyötysuhde
- uusinta teknologiaa
- luotettavuus ja kestävyys
- erä- ja inline-käsittely
- kaikille tilavuuksille
- älykäs ohjelmisto
- älykkäät ominaisuudet (esim. tietojen lokitallennus)
- helppo ja turvallinen käyttää
- vähäinen huoltotarve
- CIP (puhdistus paikallaan)
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erätilavuus | Tilavuusvirta | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 1–500 mL | 10–200 mL/min | UP100H |
| 10–2 000 mL | 20–400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20 L | 0,2–4 L/min | UIP2000hdT |
| 10–100 L | 2–10 L/min | UIP4000hdT |
| 15–150 L | 3–15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | laiteryhmä: UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
(Tutkimus ja video: Rutgeerts et al., 2019)
Kirjallisuus / lähteet
- 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.
Hyödyllistä tietoa
Menetelmäohje ZnO-nanohiukkasten sonokemialliseen synteesiin
ZnO-nanohiukkaset syntetisoitiin kemiallisella saostusmenetelmällä ultraääniaaltojen vaikutuksesta. Tyypillisessä menetelmässä käytettiin lähtöaineena sinkkiasetaattidihydraattia (Zn(CH3COO)2·2H2O) ja pelkistimenä 30–33 %:n ammoniakkiliuosta (NH3) vesiliuoksessa (NH4OH). ZnO-nanohiukkaset tuotettiin liuottamalla sopiva määrä sinkkiasetaattia 100 mL:aan deionisoitua vettä, jolloin saatiin 0,1 M sinkki-ioniliuos. Tämän jälkeen sinkki-ioniliuosta käsiteltiin ultraääniaalloilla Hielscher UP400S -laitteella (400 W, 24 kHz, Berliini, Saksa) amplitudilla 79 % ja syklillä 0,76 5 min ajan 40 ◦C:n lämpötilassa. Sen jälkeen ammoniakkiliuosta lisättiin tipoittain sinkki-ioniliuokseen ultraääniaaltojen vaikutuksen aikana. Muutaman hetken kuluttua ZnO-nanohiukkaset alkoivat saostua ja kasvaa, ja ammoniakkiliuoksen lisäämistä jatkettiin, kunnes ZnO-nanohiukkaset olivat saostuneet kokonaan.
Saadut ZnO-nanohiukkaset pestiin useita kertoja deionisoidulla vedellä ja jätettiin laskeutumaan. Tämän jälkeen saatu sakka kuivattiin huoneenlämmössä.
(Ismail et al., 2021)
Mitä nanogeelit ovat?
Nanogeelit eli nanokomposiittihydrogeelit ovat hydrogeelejä, joiden rakenteeseen sisältyy nanohiukkasia, tavallisesti kooltaan 1–100 nanometriä. Nämä nanohiukkaset voivat olla orgaanisia, epäorgaanisia tai näiden yhdistelmiä.
Nanogeelit muodostuvat ristisilloitukseksi kutsutussa prosessissa, jossa polymeeriketjut sitoutuvat kemiallisesti toisiinsa kolmiulotteiseksi verkostoksi. Koska hydrogeelien ja nanogeelien muodostuminen edellyttää perusteellista sekoitusta polymeerirakenteen hydratoimiseksi, ristisilloituksen edistämiseksi ja nanohiukkasten sisällyttämiseksi rakenteeseen, ultraäänikäsittely on erittäin tehokas menetelmä hydrogeelien ja nanogeelien tuotantoon. Hydrogeeli- ja nanogeeliverkostot pystyvät imemään suuria määriä vettä, minkä ansiosta nanogeelit ovat voimakkaasti hydratoituneita ja soveltuvat siten monenlaisiin käyttötarkoituksiin, kuten lääkeaineiden annosteluun, kudosteknologiaan ja biosensoreihin.
Nanogeelihydrogeelit koostuvat tyypillisesti nanohiukkasista, kuten piidioksidi- tai polymeerihiukkasista, jotka on dispergoitu kaikkialle hydrogeelimatriisiin. Näitä nanohiukkasia voidaan syntetisoida eri menetelmillä, kuten emulsiopolymeroinnilla, käänteisellä emulsiopolymeroinnilla ja sooli-geelisynteesillä. Nämä polymeroinnit ja sooli-geelisynteesit hyötyvät suuresti ultraäänisekoituksesta.
Nanokomposiittihydrogeelit puolestaan koostuvat hydrogeelin ja nanotäyteaineen, kuten saven tai grafeenioksidin, yhdistelmästä. Nanotäyteaineen lisääminen voi parantaa hydrogeelin mekaanisia ja fysikaalisia ominaisuuksia, kuten jäykkyyttä, vetolujuutta ja sitkeyttä. Ultraäänikäsittelyn tehokas dispergointikyky edistää nanohiukkasten tasaista ja stabiilia jakautumista hydrogeelimatriisiin.
Nanogeeli- ja nanokomposiittihydrogeeleillä on kaiken kaikkiaan monia mahdollisia käyttötarkoituksia esimerkiksi biolääketieteessä, ympäristön kunnostuksessa ja energian varastoinnissa niiden ainutlaatuisten ominaisuuksien ja toiminnallisuuksien ansiosta.
Nanogeelin sovellukset lääketieteellisissä hoidoissa
| Nanogeelin tyyppi | Lääkeaine | Sairaus | Vaikutus | Lähteet |
| PAMA-DMMA-nanogeelit | Doksorubisiini | Syöpä | Vapautumisnopeuden kasvu pH-arvon laskiessa. Suurempi sytotoksisuus pH:ssa 6,8 solujen elinkykyä koskevissa tutkimuksissa | Du et al. (2010) |
| Hyaluronaatilla koristellut kitosaanipohjaiset nanogeelit | Valoherkistäjät, kuten tetrafenyyliporfyriinitetrasulfonaatti (TPPS4), tetrafenyylikloriinitetrakarboksylaatti (TPCC4) ja kloriini e6 (Ce6) | Reumasairaudet | Makrofagit ottivat ne nopeasti sisäänsä (4 h), ja ne kertyivät makrofagien solulimaan ja soluelimiin | Schmitt et al. (2010) |
| PCEC-nanohiukkaset Pluronic-hydrogeeleissä | Lidokaiini | Paikallispuudutus | Tuottivat pitkäkestoisen, noin 360 min kestävän infiltraatiopuudutuksen | Yin et al. (2009) |
| Poly(laktidi-ko-glykolihappo)- ja kitosaaninanohiukkanen dispergoituna HPMC- ja Carbopol-geeliin | Spantide II | Allerginen kosketusihottuma ja muut ihon tulehdussairaudet | Nanogeeli lisää spantide II:n ihon läpi tapahtuvan annostelun mahdollisuuksia | Punit et al. (2012) |
| pH-herkät polyvinyylipyrrolidoni-poly(akryylihappo) (PVP/PAAc) -nanogeelit | Pilokarpiini | Ylläpitävät riittävää pilokarpiinipitoisuutta vaikutuskohdassa pitkän ajan | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Ristisilloitetut poly(etyleeniglykoli) ja polyetyleeni-imiini | Oligonukleotidit | Hermoston rappeumasairaudet | Kulkeutuivat tehokkaasti veri-aivoesteen (BBB) läpi. Kuljetustehokkuus kasvaa edelleen, kun nanogeelin pintaa muokataan transferriinillä tai insuliinilla | Vinogradov et al. (2004) |
| Kolesterolia sisältävät pullulaaninanogeelit | Rekombinantti hiiren interleukiini-12 | Kasvainten immunoterapia | Pitkävaikutteisesti vapauttava nanogeeli | Farhana et al. (2013) |
| Poly(N-isopropyyliakryyliamidi) ja kitosaani | Syövän hypertermiahoito ja kohdennettu lääkeaineiden annostelu | Lämpöherkkä, magneettisesti modalisoitu | Farhana et al. (2013) | |
| Polyetyleeni-imiinin ja PEG:n ristisilloitettu haarautunut verkosto, polypleksinanogeeli | Fludarabiini | Syöpä | Lisääntynyt aktiivisuus ja vähentynyt sytotoksisuus | Farhana et al. (2013) |
| Kolesterolia sisältävän pullulaanin bioyhteensopiva nanogeeli | Keinotekoisena kaperonina | Alzheimerin taudin hoito | Estävät amyloidi-β-proteiinin aggregoitumista | Ikeda et al. (2006) |
| Valolla ristisilloitettu DNA-nanogeeli | Geneettinen materiaali | Geeniterapia | Plasmidi-DNA:n hallittu annostelu | Lee et al. (2009) |
| Carbopol/sinkkioksidi (ZnO) -hybridinanohiukkasgeeli | ZnO-nanohiukkaset | Antibakteerinen aktiivisuus, bakteerien kasvun estäjä | Ismail et al. (2021) |
Taulukko mukailtu lähteestä Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics valmistaa suurtehoisia ultraäänihomogenisaattoreita laboratoriokoosta aina teolliseen kokoon asti.