Nanokomposiittihydrogeelisynteesi ultrasonicationilla
Nanokomposiittihydrogeelit tai nanogeelit ovat monikäyttöisiä 3D-rakenteita, joilla on korkea teho lääkkeiden kantajina ja kontrolloidusti vapautuvina lääkkeiden annostelujärjestelminä. Ultrasonication edistää nanokokoisten, polymeeristen hydrogeelihiukkasten dispersiota sekä nanohiukkasten myöhempää sisällyttämistä / sisällyttämistä näihin polymeerirakenteisiin.
Nanogeelien ultraäänisynteesi
Nanokomposiittihydrogeelit ovat kolmiulotteisia materiaalirakenteita, ja ne voidaan suunnitella siten, että niillä on erityispiirteitä, mikä tekee niistä voimakkaita lääkeaineita ja kontrolloidusti vapautuvia lääkkeiden annostelujärjestelmiä. Ultrasonication edistää funktionalististen nanokokoisten hiukkasten synteesiä sekä nanohiukkasten myöhempää sisällyttämistä / sisällyttämistä kolmiulotteisiin polymeerirakenteisiin. Koska ultraäänellä syntetisoidut nanogeelit voivat vangita bioaktiivisia yhdisteitä nanomittakaavan ytimeensä, nämä nanokokoiset hydrogeelit tarjoavat suuria toimintoja.
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.
ultraääni UIP1000hdT lasireaktorilla nanokomposiittihydrogeelisynteesiä varten
Ultraäänellä tuotettujen nanogeelien toiminnot
- erinomainen kolloidinen stabiilisuus ja suuri ominaispinta-ala
- voidaan tiivistää nanohiukkasilla
- mahdollistaa kovien ja pehmeiden hiukkasten yhdistämisen hybridisydämen / kuoren nanogeelissä
- korkea nesteytyspotentiaali
- biologisen hyväksikäytön edistäminen
- korkeat turvotus- / turvotusta poistavat ominaisuudet
Ultraäänellä syntetisoituja nanogeelejä käytetään lukuisissa sovelluksissa ja teollisuudessa, esim.
- farmaseuttisiin ja lääketieteellisiin sovelluksiin: esimerkiksi lääkekantaja, antibakteerinen geeli, antibakteerinen haavasidos
- biokemiassa ja biolääketieteessä geenien toimittamiseksi
- adsorbenttina/biosorbenttina kemiallisissa ja ympäristösovelluksissa
- kudostekniikassa, koska hydrogeelit voivat jäljitellä monien kotoperäisten kudosten fysikaalisia, kemiallisia, sähköisiä ja biologisia ominaisuuksia
Tapaustutkimus: Sinkkinanogeelisynteesi sonokemiallisen reitin kautta
ZnO-hybridinanohiukkaset voidaan stabiloida Carbopol-geelissä helpon ultraääniprosessin avulla: Sonikaatiota käytetään sinkkinanohiukkasten saostumiseen, jotka myöhemmin ultraäänellä silloitetaan Carbobolin kanssa nanohydrogeelin muodostamiseksi.
(2021) saostivat sinkkioksidinanohiukkasia 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 pestyt ZnO-NP:t. Koska Carbopol on luonnostaan hapan, liuos vaatii pH-arvon neutraloinnin, muuten se ei sakeudu. Siten seokselle oli tehty jatkuva sonikaatio käyttäen Hielscherin ultraäänilaitetta UP400S, jonka amplitudi oli 95 ja sykli 95% 1 tunnin ajan. Sitten 50 ml trimetyyliamiinia (TEA) neutraloivana aineena (nostamalla pH arvoon 7) lisättiin tipoittain jatkuvassa sonikaatiossa, kunnes ZnO-valkoisen geelin muodostuminen tapahtui. Carbobolin paksuuntuminen alkoi, kun pH oli lähellä neutraalia pH: ta .
Tutkimusryhmä selittää ultrasonicationin poikkeuksellisen positiiviset vaikutukset nanogeelin muodostumiseen tehostetulla hiukkasten ja hiukkasten vuorovaikutuksella. Ultraäänellä aloitettu reaktioseoksen ainesosien molekyyliagitaatio tehostaa polymeeri-liuotinvuorovaikutusten edistämää sakeutusprosessia. Lisäksi sonikaatio edistää Carbobolin liukenemista. Lisäksi ultraääniaaltosäteilytys parantaa polymeerin ja ZnO NP: n vuorovaikutusta ja parantaa valmistetun Carbopol / ZnO-hybridinanohiukkasgeelin viskoelastisia ominaisuuksia.
Yllä oleva kaaviokaavio näyttää ZnO NP: n ja Carbopol / ZnO-hybridinanohiukkasgeelin synteesin. Tutkimuksessa ultraäänilaitetta UP400St käytettiin ZnO-nanohiukkasten saostumiseen ja nanogeelin muodostumiseen. (mukautettu teoksesta Ismail et ai., 2021)
ZnO NP: t, jotka syntetisoidaan kemiallisella saostusmenetelmällä ultrasonicationin vaikutuksesta, jossa (a) on vesiliuoksessa ja (b) dispergoituu ultraäänellä stabiiliksi Carbopol-pohjaiseksi hydrogeeliksi.
(tutkimus ja kuva: Ismail et ai., 2021)
Case Stuy: Poly (metakryylihapon) / montmorilloniitin (PMA / nMMT) nanogeelin ultraäänivalmiste
(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 ultrasonicationilla 2 tunnin ajan homogeenisen dispersion muodostamiseksi. Sonikaatio parantaa saven dispersiota, mikä johtaa hydrogeelien mekaanisten ominaisuuksien ja adsorptiokapasiteetin paranemiseen. Metaakryylihappomonomeeria (30 ml) lisättiin tipoittain suspensioon. Seokseen lisättiin initiaattoriammoniumpersulfaattia (APS) (0,1 M) ja sen jälkeen 1,0 ml TEMED-kiihdytintä. Dispersiota sekoitettiin voimakkaasti 4 tunnin ajan 50 °C:ssa magneettisekoittimella. Saatu viskoosi massa pestiin asetonilla ja kuivattiin 48 tunnin ajan 70 °C:ssa uunissa. Tuloksena oleva tuote jauhettiin ja varastoitiin lasipulloon. Erilaisia nanokomposiittigeelejä syntetisoitiin vaihtelemalla nMMT:tä 0,5, 1,0, 1,5 ja 2,0 g:n määrinä. Nanokomposiittihydrogeelit, jotka valmistettiin käyttäen 1,0 g nMMT:tä, antoivat parempia adsorptiotuloksia kuin muut komposiitit, minkä vuoksi niitä käytettiin adsorptiotutkimukseen.
Oikealla olevat SEM-EDX-mikrokuvat osoittavat montmorilloniitista (MMT), nano-montmorilloniitista (nMMT), poly(metakryylihaposta)/nano-montmorilloniitista (PMA/nMMT) ja amoksisilliinista (AMX)- ja diklofenaakkia (DF) sisältävien nanogeelien alkuaine- ja rakenneanalyysin (DF) kuormitetuista PMA/nMMT:stä. SEM-mikrokuvat, jotka on tallennettu 1,00 KX: n suurennuksella yhdessä EDX: n kanssa
- montmorilloniitti (MMT),
- nano-montmorilloniitti (nMMT),
- poly(metakryylihappo)/nano-montmorilloniitti (PMA/nMMT),
- ja amoksisilliini (AMX)- ja diklofenaakki (DF) -kuormitettu PMA/nMMT.
On havaittu, että raaka MMT on velkaa kerrostetun levyrakenteen, joka osoittaa suurempien jyvien läsnäolon. Muutoksen jälkeen MMT-levyt kuoritaan pieniksi hiukkasiksi, mikä voi johtua Si2+: n ja Al3+: n eliminoinnista oktaedrisista kohdista. nMMT: n EDX-spektrillä on suuri prosenttiosuus hiiltä, mikä voi johtua pääasiassa modifiointiin käytetystä pinta-aktiivisesta aineesta, koska CTAB: n (C19H42BrN) pääainesosa on hiili (84%). PMA/nMMT näyttää johdonmukaisen ja lähes samanaikaisen rakenteen. Lisäksi huokosia ei ole näkyvissä, mikä kuvaa nMMT: n täydellistä kuorintaa PMA-matriisiin. Lääkemolekyylien amoksisilliinin (AMX) ja diklofenaakin (DF) kanssa sorption jälkeen havaitaan muutoksia PMA/nMMT-morfologiassa. Pinta muuttuu epäsymmetriseksi karkean tekstuurin lisääntyessä.
Savipohjaisten nanokokoisten hydrogeelien käyttö ja toiminnallisuudet: Savipohjaisten hydrogeelinanokomposiittien on tarkoitus olla potentiaalisia superadsorbentteja epäorgaanisten ja/tai orgaanisten epäpuhtauksien ottamiseksi vesiliuoksesta johtuen sekä savien että polymeerien yhdistävistä ominaisuuksista, kuten biohajoavuudesta, biologisesta yhteensopivuudesta, taloudellisesta elinkelpoisuudesta, runsaudesta, suuresta ominaispinta-alasta, kolmiulotteisesta verkosta ja turvotuksesta / turvotuksesta poistuvista ominaisuuksista.
(vrt. Khan et ai., 2020)
SEM-EDX-mikrokuvat (a) MMT:stä, (b) nMMT:stä, (c) PMA/nMMT:stä ja (d) AMX- ja (e) DF-kuormitetuista nanokomposiittihydrogeeleistä. Nanogeelit valmistettiin ultraäänellä.
(tutkimus ja kuvat: ©Khan et ai. 2020)
Korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteet hydrogeeli- ja nanogeelituotantoon
Korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteet hydrogeeli- ja nanogeelituotantoon
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita hydrogeelien ja nanogeelien synteesiin, joilla on erinomaiset toiminnot. Pienestä ja keskikokoisesta R:stä&D ja pilotti ultraäänilaitteet teollisiin järjestelmiin kaupalliseen hydrogeelivalmistukseen jatkuvassa tilassa, Hielscher Ultrasonicsilla on oikea ultraääniprosessori, joka kattaa hydrogeeli- / nanogeelituotannon vaatimukset.
- korkea hyötysuhde
- Uusi tekniikka
- luotettavuus & kestävyys
- erä & linjassa
- minkä tahansa aseman
- älykkäät ohjelmistot
- älykkäät ominaisuudet (esim. dataprotokolla)
- Helppo ja turvallinen käyttää
- Huono kunnossapito
- CIP (clean-in-place)
Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| erätilavuus | Virtausnopeus | Suositeltavat laitteet |
|---|---|---|
| 1 - 500 ml | 10 - 200 ml / min | UP100H |
| 10 - 2000 ml | 20 - 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2 - 4 l / min | UIP2000hdT |
| 10 - 100 litraa | 2 - 10 l / min | UIP4000hdT |
| 15 - 150L | 3-15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a | 10 - 100 l / min | UIP16000 |
| n.a | suuremmat | klusterin UIP16000 |
Ota meihin yhteyttä! / Kysy meiltä!
(Tutkimus ja elokuva: Rutgeerts et ai., 2019)
Kirjallisuus / Referenssit
- 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.
Tosiasiat, jotka kannattaa tietää
ZnO-nanohiukkasten sonokemiallisen synteesin protokolla
ZnO NP: t syntetisoitiin kemiallisella saostusmenetelmällä ultraäänisäteilytyksen vaikutuksesta. Tyypillisessä menettelyssä käytettiin sinkkiasetaattidihydraattia (Zn(CH3COO)2·2H2O) esiasteena ja 30–33-prosenttista ammoniakkiliuosta (NH3) vesiliuoksessa (NH4OH) pelkistävänä aineena. ZnO-nanohiukkaset tuotettiin liuottamalla sopiva määrä sinkkiasetaattia 100 ml:aan deionisoitua vettä 0,1 M sinkki-ioniliuoksen tuottamiseksi. Tämän jälkeen sinkki-ioniliuokselle tehtiin ultraääniaaltosäteilytys käyttäen Hielscher UP400S: ää (400 W, 24 kHz, Berliini, Saksa) 79%: n amplitudilla ja 0,76: n syklillä 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: n täydellinen saostuminen tapahtui.
Saadut ZnO-NP: t pestiin deionisoidulla vedellä useita kertoja ja jätettiin pois asettumaan. Posteriorisesti saatu sakka kuivattiin huoneenlämpötilassa.
(Ismail et ai., 2021)
Mitä nanogeelit ovat?
Nanogeelit tai nanokomposiittihydrogeelit ovat eräänlainen hydrogeeli, joka sisältää rakenteeseensa nanohiukkasia, yleensä välillä 1-100 nanometriä. Nämä nanohiukkaset voivat olla orgaanisia, epäorgaanisia tai molempien yhdistelmiä.
Nanogeelit muodostetaan prosessissa, joka tunnetaan nimellä silloitus, johon kuuluu 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 nanogeeliverkostot pystyvät absorboimaan suuria määriä vettä, mikä tekee nanogeeleistä erittäin hydratoituja ja siten sopivia monenlaisiin sovelluksiin, kuten lääkkeiden toimittamiseen, kudostekniikkaan ja biosensoreihin.
Nanogeelihydrogeelit koostuvat tyypillisesti nanohiukkasista, kuten piidioksidista tai polymeerihiukkasista, jotka dispergoituvat koko hydrogeelimatriisiin. Nämä nanohiukkaset voidaan syntetisoida erilaisilla menetelmillä, mukaan lukien emulsiopolymerointi, käänteisemulsiopolymerointi ja sol-geelisynteesi. Nämä polymerointi- ja sol-geelisynteesit hyötyvät suuresti ultraääniagitaatiosta.
Nanokomposiittihydrogeelit puolestaan koostuvat hydrogeelin ja nanofillerin, kuten saven tai grafeenioksidin, yhdistelmästä. Nanofillerin lisääminen voi parantaa hydrogeelin mekaanisia ja fysikaalisia ominaisuuksia, kuten sen jäykkyyttä, vetolujuutta ja sitkeyttä. Tässä sonikoinnin voimakkaat dispersiokapasiteetit helpottavat nanohiukkasten tasaista ja stabiilia jakautumista hydrogeelimatriisiin.
Kaiken kaikkiaan nanogeeli- ja nanokomposiittihydrogeeleillä on ainutlaatuisten ominaisuuksiensa ja toimintojensa vuoksi laaja valikoima potentiaalisia sovelluksia esimerkiksi biolääketieteessä, ympäristön kunnostamisessa ja energian varastoinnissa.
Nanogeelin sovellukset lääketieteellisiin hoitoihin
| Nanogeelin tyyppi | lääke | sairaus | Aktiviteetti | Viittaukset |
| PAMA-DMMA-nanogeelit | doksorubisiini | Syöpä | Vapautumisnopeuden kasvu, kun pH-arvo laski. Korkeampi sytotoksisuus pH:ssa 6,8 solujen elinkykyisyystutkimuksissa | (2010) |
| Chitosan-pohjaiset nanogeelit, jotka on koristeltu hyaluronaatilla | Valoherkistäjät, kuten tetrafenyyli-porfyriini-tetra-sulfonaatti (TPPS4), tetrafenyylikloori-tetra-karboksylaatti (TPCC4) ja kloori e6 (Ce6) | Reumaattiset häiriöt | Makrofagit imeytyvät nopeasti (4 tuntia) ja kertyvät sytoplasmaan ja organelleihin | Schmitt ym. (2010) |
| PCEC-nanohiukkaset Ploronic-hydrogeeleissä | Lidokaiini | Paikallispuudutus | Tuotti pitkäkestoista infiltraatioanestesiaa noin 360 min | (2009) |
| Poly(laktidi-ko-glykolihappo) ja kitosaaninanopartikkeli, joka on dispergoitu HPMC: hen ja Carbopol-geeliin | Spantidi II | Allerginen kosketusihottuma ja muut ihon tulehdussairaudet | Nanogelinncreases potentiaali spantidi II:n perkutaanisessa annostelussa | (2012) |
| pH-herkkä polyvinyylipyrrolidonipoly (akryylihappo) (PVP/PAAc) nanogeelit | Pilocarpine | Säilytä pilokarpiinin riittävä pitoisuus vaikutuskohdassa pitkään | Abd El-Rehim et ai. (2013) | |
| Silloitettu poly (etyleeniglykoli) ja polyetyleeni | Oligonukleotidit | Neurodegeneratiiviset sairaudet | Kuljetettu tehokkaasti BBB: n yli. Kuljetusteho paranee entisestään, kun nanogeelin pintaa modifioidaan transferriinilla tai insuliinilla | Vinogradov et ai. (2004) |
| Kolesterolia kantavat pullulan nanogeelit | Rekombinantti hiiren interleukiini-12 | Kasvaimen immunoterapia | Pitkävaikutteinen nanogeeli | Farhana ym. (2013) |
| Poly(N-isopropyyliakryyliamidi) ja kitosaani | Hypertermiasyövän hoito ja kohdennettu lääkkeen antaminen | Lämpöherkkä magneettisesti modalisoitu | Farhana ym. (2013) | |
| Polyetyylieimiinin ja PEG Polyplexnanogelin silloitettu haarautunut verkko | Fludarabiini | Syöpä | Kohonnut aktiivisuus ja vähentynyt sytotoksisuus | Farhana ym. (2013) |
| Kolesterolia sisältävän pullulanin bioyhteensopiva nanogeeli | Keinotekoisena chaperonena | Alzheimerin taudin hoito | Estä amyloidi- β-proteiinin aggregaatiota | (2006) |
| DNA-nanogeeli, jossa on valokuvien ristiinlinkitys | Geneettinen materiaali | Geeniterapia | Plasmidi-DNA:n kontrolloitu annostelu | Lee ym. (2009) |
| Karbopoli/sinkkioksidi (ZnO) hybridinanopartikkeligeeli | ZnO-nanohiukkaset | Antibakteerinen vaikutus, bakteeri-inhibiittori | (2021) |
Taulukko mukautettu Swarnali et ai., 2017
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkealaatuisia ultraäänihomygenisoijia laboratorio että teollisen koon mukaan.