Nanokomposiittihydrogeelisynteesi ultraäänellä
Nanokomposiittihydrogeelit tai nanogeelit ovat monitoimisia 3D-rakenteita, joilla on korkea tehokkuus lääkeaineina ja kontrolloidusti vapautuvina lääkkeiden annostelujärjestelminä. Ultrasonication edistää nanokokoisten, polymeeristen hydrogeelihiukkasten leviämistä sekä nanohiukkasten myöhempää sisällyttämistä / sisällyttämistä näihin polymeerirakenteisiin.
Nanogeelien ultraäänisynteesi
Nanokomposiittihydrogeelit ovat kolmiulotteisia materiaalirakenteita, ja ne voidaan suunnitella osoittamaan erityispiirteitä, mikä tekee niistä voimakkaita lääkekantajia ja kontrolloidusti vapautuvia lääkkeiden annostelujärjestelmiä. Ultrasonication edistää funktionalisoitujen nanokokoisten hiukkasten synteesiä sekä nanohiukkasten myöhempää sisällyttämistä / sisällyttämistä kolmiulotteisiin polymeerirakenteisiin. Koska ultraäänellä syntetisoidut nanogeelit voivat vangita bioaktiivisia yhdisteitä nanomittakaavan ytimensä sisällä, nämä nanokokoiset hydrogeelit tarjoavat erinomaiset toiminnot.
Nanogeelit ovat hydrogeelinanohiukkasten vesidispersiota, jotka ovat fysikaalisesti tai kemiallisesti silloitettuja hydrofiilisenä polymeeriverkkona. Koska korkean suorituskyvyn ultraääni on erittäin tehokas nanodispersioiden tuottamisessa, koetintyyppiset ultraäänilaitteet ovat ratkaiseva työkalu nanogeelien nopeaan ja luotettavaan tuotantoon, joilla on erinomaiset toiminnot.
Ultrasonicator UIP1000hdT lasireaktorilla nanokomposiittihydrogeelisynteesiä varten
Ultraäänellä tuotettujen nanogeelien toiminnot
- erinomainen kolloidinen stabiilisuus ja suuri ominaispinta-ala
- voidaan pakata tiiviisti nanohiukkasilla
- Sallitaan kovien ja pehmeiden hiukkasten yhdistäminen hybridiytimen / -kuoren nanogeelissä
- korkea nesteytyspotentiaali
- biologisen hyötyosuuden edistäminen
- korkeat turvotus- / turvotusta poistavat ominaisuudet
Ultraäänellä syntetisoituja nanogeelejä käytetään lukuisissa sovelluksissa ja teollisuudenaloilla, esim.
- farmaseuttisiin ja lääketieteellisiin sovelluksiin: esim. lääkeainekantaja, antibakteerinen geeli, antibakteerinen haavasidos
- biokemiassa ja biolääketieteessä geenien toimittamiseen
- adsorbenttina/biosorbenttina kemiallisissa ja ympäristösovelluksissa
- Kudostekniikassa, koska hydrogeelit voivat jäljitellä monien alkuperäisten kudosten fysikaalisia, kemiallisia, sähköisiä ja biologisia ominaisuuksia
Tapaustutkimus: Sinkin nanogeelisynteesi sonokemiallisen reitin kautta
ZnO-hybridinanohiukkaset voidaan stabiloida Carbopol-geelissä helpon ultraääniprosessin avulla: Sonikaatiota käytetään sinkin nanohiukkasten saostumisen ohjaamiseen, jotka myöhemmin ultraäänellä silloitetaan Carbopolin kanssa nanohydrogeelin muodostamiseksi.
(2021) saostivat sinkkioksidin nanohiukkasia helpon sonokemiallisen reitin kautta. (Löydä ZnO-nanohiukkasten sonokemiallisen synteesin protokolla täältä).
Tämän jälkeen nanohiukkasia käytettiin ZnO-nanogeelin syntetisoimiseen. Siksi tuotetut ZnO-NP: t huuhdeltiin kaksinkertaisella deionisoidulla vedellä. 0,5 g Carbopol 940:tä liuotettiin 300 ml:aan kaksinkertaistettua deionisoitua vettä, minkä jälkeen lisättiin juuri pestyjä ZnO-NP:itä. Koska karbopoli on luonnostaan hapan, liuos vaatii pH-arvon neutraloinnin, muuten se ei sakeudu. Siten seos oli käynyt läpi jatkuvan sonikoinnin käyttämällä Hielscher-ultraäänilaitetta UP400S, jonka amplitudi oli 95 ja sykli 95% 1 tunnin ajan. Sitten 50 ml trimetyyliamiinia (TEA) neutraloivana aineena (pH: n nostaminen 7: een) lisättiin tipoittain jatkuvassa sonikaatiossa, kunnes ZnO-valkoisen geelin muodostuminen tapahtui. Karbopolin paksuuntuminen alkoi, kun pH oli lähellä neutraalia pH: ta.
Tutkimusryhmä selittää ultrasonicationin poikkeuksellisen positiiviset vaikutukset nanogeelien muodostumiseen parantamalla hiukkasten ja hiukkasten vuorovaikutusta. Reaktioseoksen ainesosien ultraäänellä aloitettu molekyylisekoitus parantaa polymeeri-liuotinvuorovaikutusten edistämää sakeutumisprosessia. Lisäksi sonikaatio edistää Carbopolin liukenemista. Lisäksi ultraääniaallon säteilytys parantaa polymeerin ja ZnO-NP: n vuorovaikutusta ja parantaa valmistetun Carbopol / ZnO-hybridinanohiukkasgeelin viskoelastisia ominaisuuksia.
Yllä oleva kaavamainen vuokaavio näyttää ZnO-NP: iden ja Carbopol / ZnO-hybridinanopartikkeligeelin synteesin. Tutkimuksessa ultraäänilaitetta UP400St käytettiin ZnO-nanohiukkasten saostumiseen ja nanogeelin muodostumiseen. (mukautettu julkaisusta Ismail et ai., 2021)
ZnO-NP: t, jotka syntetisoidaan kemiallisella saostusmenetelmällä ultrasonicationin vaikutuksesta, jossa (a) on vesiliuoksessa ja (b) on ultraäänellä dispergoitu stabiiliin karbopolipohjaiseen hydrogeeliin.
(tutkimus ja kuva: Ismail et ai., 2021)
Case Stuy: Poly (metakryylihappo) / montmorilloniitti (PMA / nMMT) nanogeelin ultraäänivalmistus
(2020) osoitti poly(metakryylihapon) / montmorilloniitin (PMA / nMMT) nanokomposiittihydrogeelin onnistuneen synteesin ultraääniavusteisen redox-polymeroinnin avulla. Tyypillisesti 1,0 g nMMT: tä dispergoitiin 50 ml: aan tislattua vettä ultraäänellä 2 tunnin ajan homogeenisen dispersion muodostamiseksi. Sonikaatio parantaa saven dispersiota, mikä johtaa hydrogeelien parannettuihin mekaanisiin ominaisuuksiin ja adsorptiokapasiteettiin. Metakryylihappomonomeeri (30 ml) lisättiin tipoittain suspensioon. Seokseen lisättiin initiaattoriammoniumpersulfaattia (APS) (0,1 M), jota seurasi 1,0 ml TEMED-kiihdytintä. Dispersiota sekoitettiin voimakkaasti 4 tunnin ajan 50 °C:ssa magneettisekoittimella. Saatu viskoosi massa asetonipestiin ja kuivattiin 48 tuntia 70 °C:ssa uunissa. Tuloksena oleva tuote jauhettiin ja varastoitiin lasipulloon. Erilaisia nanokomposiittigeelejä syntetisoitiin vaihtelemalla nMMT: tä määrinä 0,5, 1,0, 1,5 ja 2,0 g. Nanokomposiittihydrogeelit, jotka valmistettiin käyttäen 1,0 g nMMT:tä, esittivät parempia adsorptiotuloksia kuin muut komposiitit, ja siksi niitä käytettiin lisäadsorptiotutkimuksiin.
Oikealla olevat SEM-EDX-mikrografiat osoittavat montmorilloniitista (MMT), nano-montmorilloniitista (nMMT), poly(metakryylihaposta)/nano-montmorilloniitista (PMA/nMMT) ja amoksisilliinista (AMX) ja diklofenaakista (DF) ladatuista PMA/nMMT:stä koostuvien nanogeelien alkuaine- ja rakenneanalyysin. SEM-mikrografiat tallennettiin suurennuksella 1,00 KX yhdessä EDX: n kanssa
- montmorilloniitti (MMT),
- nano-montmorilloniitti (nMMT),
- poly(metakryylihappo)/nano-montmorilloniitti (PMA/nMMT),
- ja amoksisilliinilla (AMX) ja diklofenaakilla (DF) kuormitettu PMA/nMMT.
Havaitaan, että raaka MMT on velkaa kerrostetun levyrakenteen, joka osoittaa suurempien jyvien läsnäolon. Muuntamisen jälkeen MMT-levyt kuoritaan pieniksi hiukkasiksi, mikä voi johtua Si2+: n ja Al3+: n poistamisesta oktaedrisistä kohdista. nMMT:n EDX-spektrissä on suuri prosenttiosuus hiiltä, mikä voi johtua pääasiassa pinta-aktiivisesta aineesta, jota käytetään modifikaatioon, koska CTAB:n pääainesosa (C19H42BrN) on hiili (84%). PMA/nMMT näyttää johdonmukaisen ja lähes rinnakkaisjatkuvan rakenteen. Lisäksi huokosia ei ole näkyvissä, mikä kuvaa nMMT: n täydellistä kuorintaa PMA-matriisiin. Farmaseuttisten molekyylien amoksisilliinin (AMX) ja diklofenaakin (DF) kanssa tapahtuneen sorption jälkeen havaitaan muutoksia PMA/nMMT-morfologiassa. Pinta muuttuu epäsymmetriseksi karkean tekstuurin lisääntyessä.
Savipohjaisten nanokokoisten hydrogeelien käyttö ja toiminnot: Savipohjaisten hydrogeelinanokomposiittien on tarkoitus olla potentiaalisia superadsorbentteja epäorgaanisten ja / tai orgaanisten epäpuhtauksien ottamiseksi vesiliuoksesta sekä savien että polymeerien yhdistämisominaisuuksien, kuten biohajoavuuden, bioyhteensopivuuden, taloudellisen elinkelpoisuuden, runsauden, suuren ominaispinta-alan, kolmiulotteisen verkon ja turpoamis- / turpoamisominaisuuksien vuoksi.
(vrt. Khan et al., 2020)
SEM-EDX-mikrografiat (a) MMT:stä, (b) nMMT:stä, (c) PMA/nMMT:stä ja (d) huononemiskertoimella ladatuista nanokomposiittihydrogeeleistä. Nanogeelit valmistettiin ultraäänellä.
(tutkimus ja kuvat: ©Khan et al. 2020)
Korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteet hydrogeelien ja nanogeelien tuotantoon
Korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteet hydrogeelien ja nanogeelien tuotantoon
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita hydrogeelien ja nanogeelien synteesiin, joilla on erinomaiset toiminnot. Pienestä ja keskikokoisesta R:stä&D ja pilotoida ultraäänilaitteita teollisiin järjestelmiin kaupalliseen hydrogeelien valmistukseen jatkuvassa tilassa, Hielscher Ultrasonicsilla on oikea ultraääniprosessori, joka kattaa hydrogeelin / nanogeelin tuotannon vaatimukset.
- korkea hyötysuhde
- Uusinta teknologiaa
- luotettavuus & rotevuus
- erä & Inline
- mille tahansa tilavuudelle
- Älykäs ohjelmisto
- Älykkäät ominaisuudet (esim. dataprotokollat)
- Helppo ja turvallinen käyttää
- vähän huoltoa vaativa
- CIP (puhdas paikan päällä)
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 1 - 500 ml | 10 - 200 ml / min | UP100H |
| 10 - 2000ml | 20–400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2–4 l/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 - 10L / min | UIP4000hdT |
| 15-150L | 3 - 15L / min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10-100L / min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | klusteri UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
(Tutkimus ja elokuva: Rutgeerts et ai., 2019)
Kirjallisuus / Viitteet
- 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.
Faktoja, jotka kannattaa tietää
ZnO-nanohiukkasten sonokemiallisen synteesin protokolla
ZnO-NP: t syntetisoitiin käyttämällä kemiallista saostusmenetelmää ultraäänisäteilytyksen vaikutuksesta. Tyypillisessä menetelmässä lähtöaineena käytettiin sinkkiasetaattidihydraattia (Zn(CH3COO)2·2H2O) ja pelkistävänä aineena 30–33-prosenttista ammoniakkiliuosta (NH3) vesiliuoksessa (NH4OH). ZnO-nanohiukkaset valmistettiin liuottamalla sopiva määrä sinkkiasetaattia 100 ml: aan deionisoitua vettä, jolloin saatiin 0,1 M sinkki-ioniliuosta. Tämän jälkeen sinkki-ioniliuokselle tehtiin ultraääniaaltosäteilytys Hielscher UP400S: llä (400 W, 24 kHz, Berliini, Saksa) amplitudilla 79% ja syklillä 0,76 5 minuutin ajan 40 ° C: n lämpötilassa. Sitten ammoniakkiliuos lisättiin tipoittain sinkki-ioniliuokseen ultraääniaaltojen vaikutuksesta. Muutaman hetken kuluttua ZnO-NP: t alkoivat saostua ja kasvaa, ja ammoniakkiliuosta lisättiin jatkuvasti, kunnes ZnO-NP: iden täydellinen saostuminen tapahtui.
Saadut ZnO-NP: t pestiin deionisoidulla vedellä useita kertoja ja jätettiin laskeutumaan. Posteriorisesti saatu sakka kuivattiin huoneenlämpötilassa.
(Ismail et ai., 2021)
Mitä nanogeelit ovat?
Nanogeelit tai nanokomposiittihydrogeelit ovat eräänlainen hydrogeeli, joka sisältää nanohiukkasia, yleensä alueella 1-100 nanometriä, niiden rakenteeseen. Nämä nanohiukkaset voivat olla orgaanisia, epäorgaanisia tai molempien yhdistelmiä.
Nanogeelit muodostetaan prosessilla, joka tunnetaan nimellä silloitus, johon liittyy polymeeriketjujen kemiallinen sidos kolmiulotteisen verkon muodostamiseksi. Koska hydrogeelien ja nanogeelien muodostuminen vaatii perusteellista sekoittamista polymeerirakenteen hydratoimiseksi, silloituksen edistämiseksi ja nanohiukkasten sisällyttämiseksi, ultrasonication on erittäin tehokas tekniikka hydrogeelien ja nanogeelien valmistukseen. Hydrogeeli- ja nanogeeliverkot kykenevät absorboimaan suuria määriä vettä, mikä tekee nanogeeleistä erittäin hydratoituja ja soveltuu siten monenlaisiin sovelluksiin, kuten lääkkeiden toimittamiseen, kudostekniikkaan ja bioantureihin.
Nanogeelihydrogeelit koostuvat tyypillisesti nanohiukkasista, kuten piidioksidista tai polymeerihiukkasista, jotka dispergoituvat koko hydrogeelimatriisiin. Nämä nanohiukkaset voidaan syntetisoida eri menetelmillä, mukaan lukien emulsiopolymerointi, käänteinen emulsiopolymerointi ja sol-geelisynteesi. Nämä polymerointi- ja sol-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 sen jäykkyyttä, vetolujuutta ja sitkeyttä. Tässä sonikaatioiden voimakkaat dispersiokapasiteetit helpottavat nanohiukkasten tasaista ja vakaata jakautumista hydrogeelimatriisiin.
Kaiken kaikkiaan nanogeeli- ja nanokomposiittihydrogeeleillä on laaja valikoima potentiaalisia sovelluksia esimerkiksi biolääketieteessä, ympäristön kunnostamisessa ja energian varastoinnissa ainutlaatuisten ominaisuuksiensa ja toimintojensa vuoksi.
Nanogeelin sovellukset lääketieteellisiin hoitoihin
| Nanogeelin tyyppi | Lääke | sairaus | Aktiviteetti | Viittaukset |
| PAMA-DMMA nanogeelit | doksorubisiini | Syöpä | Vapautumisnopeuden kasvu, kun pH-arvo laski. Suurempi sytotoksisuus pH:ssa 6,8 solujen elinkykyä koskevissa tutkimuksissa | Du et ai. (2010) |
| Kitosaanipohjaiset nanogeelit, jotka on koristeltu hyaluronaatilla | Valoherkistimet, kuten tetra-fenyyli-porfyriini-tetrasulfonaatti (TPPS4), tetra-fenyyliklooritetra-karboksylaatti (TPCC4) ja kloori e6 (Ce6) | Reumaattiset häiriöt | Makrofagit ottavat sen nopeasti (4 h) ja kertyvät niiden sytoplasmaan ja organelleihin | Schmitt et ai. (2010) |
| PCEC-nanohiukkaset moniarvoisissa hydrogeeleissä | Lidokaiini | Paikallispuudutus | Tuotti pitkäkestoisen noin 360 minuutin infiltraatioanestesian | (2009) |
| Poly(laktidi-koglykolihappo) ja kitosaanin nanopartikkeli, dispergoituna HPMC:ssä ja karbopoligeelissä | Spantide II | Allerginen kosketusihottuma ja muut ihon tulehdussairaudet | Nanogelinnrypistää spantidi II:n perkutaanisen annostelun potentiaalia | Punit et ai. (2012) |
| pH-herkät polyvinyylipyrrolidoni-poly (akryylihappo) (PVP/PAAc) nanogeelit | Pilocarpine | Pilokarpiinin pitoisuus on pidettävä riittävänä vaikutusalueella pitkään | Abd El-Rehim et ai. (2013) | |
| Silloitettu poly (etyleeniglykoli) ja polyetyleenimeeni | Oligonukleotidit | Neurodegeneratiiviset sairaudet | Kuljetetaan tehokkaasti BBB: n yli. Kuljetusteho kasvaa entisestään, kun nanogeelin pintaa muokataan transferriinilla tai insuliinilla | Vinogradov ym. (2004) |
| Kolesterolia sisältävät pullulaaninanogeelit | Rekombinantti hiiri interleukiini-12 | Kasvaimen immunoterapia | Pitkävaikutteinen nanogeeli | (2013) |
| Poly(N-isopropyyliakryyliamidi) ja kitosaani | Hypertermiasyövän hoito ja kohdennettu lääkkeiden annostelu | Lämpöherkkä magneettisesti modalisoitu | (2013) | |
| Silloitettu haarautunut polyeteenimiinin ja PEG-polypleksinanogeelin verkko | Fludarabiini | Syöpä | Kohonnut aktiivisuus ja vähentynyt sytotoksisuus | (2013) |
| Bioyhteensopiva kolesterolia sisältävän pullulaanin nanogeeli | Keinotekoisena chaperonina | Alzheimerin taudin hoito | Estä amyloidi- β-proteiinin aggregaatiota | (2006) |
| DNA-nanogeeli, jossa on valokuvan silloitus | Geneettinen materiaali | Geeniterapia | Plasmidi-DNA:n hallittu annostelu | (2009) |
| Karbopoli/sinkkioksidi (ZnO) hybridinanopartikkeligeeli | ZnO-nanohiukkaset | Antibakteerinen vaikutus, bakteerien estäjä | (2021) |
Taulukko mukautettu julkaisusta Swarnali et ai., 2017
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita laboratorio jotta Teollisuuden koko.