Synthèse d'hydrogel nanocomposite par ultrasons

Les hydrogels nanocomposites ou nanogels sont des structures 3D multifonctionnelles très efficaces en tant que vecteurs de médicaments et systèmes d'administration de médicaments à libération contrôlée. Les ultrasons favorisent la dispersion de particules d'hydrogel polymère de taille nanométrique ainsi que l'inclusion/incorporation ultérieure de nanoparticules dans ces structures polymères.

Synthèse ultrasonique de nanogels

Les hydrogels nanocomposites sont des structures matérielles tridimensionnelles et peuvent être conçus pour présenter des caractéristiques spécifiques, ce qui en fait de puissants vecteurs de médicaments et des systèmes d'administration de médicaments à libération contrôlée. Les ultrasons favorisent la synthèse de nanoparticules fonctionnalisées ainsi que l'inclusion/incorporation ultérieure de nanoparticules dans des structures polymères tridimensionnelles. Comme les nanogels synthétisés par ultrasons peuvent piéger des composés bioactifs à l'intérieur de leur noyau nanométrique, ces hydrogels de taille nanométrique offrent de grandes fonctionnalités.
Les nanogels sont des dispersions aqueuses de nanoparticules d'hydrogel, qui sont physiquement ou chimiquement réticulées sous la forme d'un réseau de polymères hydrophiles. Les ultrasons de haute performance étant très efficaces pour produire des nano-dispersions, les ultrasons de type sonde sont un outil crucial pour la production rapide et fiable de nanogels dotés de fonctionnalités supérieures.

Fonctionnalités des nanogels produits par ultrasons

• une excellente stabilité colloïdale et une grande surface spécifique
• peuvent être densément remplis de nanoparticules
• permettent de combiner des particules dures et molles dans un nanogel hybride cœur/coquille
• potentiel d'hydratation élevé
• favoriser la biodisponibilité
• propriétés de gonflement/dégonflement élevées

 
Les nanogels synthétisés par ultrasons sont utilisés dans de nombreuses applications et industries, par ex.

• pour des applications pharmaceutiques et médicales : par exemple, support de médicament, gel antibactérien, pansement antibactérien pour les plaies
• en biochimie et biomédecine pour l'administration de gènes
• comme adsorbant/biosorbant dans les applications chimiques et environnementales
• dans l'ingénierie tissulaire, car les hydrogels peuvent imiter les propriétés physiques, chimiques, électriques et biologiques de nombreux tissus natifs.

Étude de cas : Synthèse de nanogels de zinc par voie sonochimique

Les nanoparticules hybrides de ZnO peuvent être stabilisées dans un gel de Carbopol par un procédé ultrasonique facile à mettre en œuvre : La sonication est utilisée pour entraîner la précipitation des nanoparticules de zinc, qui sont ensuite réticulées par ultrasons avec le Carbopol pour former un nano-hydrogel.
Ismail et al. (2021) ont précipité des nanoparticules d'oxyde de zinc par une voie sonochimique facile. (Retrouvez le protocole de synthèse sonochimique des nanoparticules de ZnO ici).
Ensuite, les nanoparticules ont été utilisées pour synthétiser le nanogel de ZnO. Les NPs de ZnO produites ont donc été rincées avec de l'eau doublement désionisée. 0,5 g de Carbopol 940 a été dissous dans 300 ml d'eau déminéralisée doublée, puis les NP de ZnO fraîchement lavées ont été ajoutées. Le Carbopol étant naturellement acide, la solution nécessite une neutralisation de la valeur du pH, faute de quoi elle ne s'épaissirait pas. Le mélange a donc été soumis à une sonication continue à l'aide de l'appareil à ultrasons Hielscher UP400S avec une amplitude de 95 et un cycle de 95 % pendant 1 h. Ensuite, 50 ml de triméthylamine (TEA) en tant qu'agent neutralisant (augmentant le pH à 7) ont été ajoutés goutte à goutte sous sonication continue jusqu'à ce que la formation du gel blanc de ZnO se produise. L'épaississement du Carbopol a commencé lorsque le pH était proche d'un pH neutre.
L'équipe de recherche explique les effets extraordinairement positifs des ultrasons sur la formation des nanogels par l'amélioration de l'interaction particule-particule. L'agitation moléculaire des constituants du mélange réactionnel déclenchée par les ultrasons renforce le processus d'épaississement favorisé par les interactions entre le polymère et le solvant. En outre, la sonication favorise la dissolution du Carbopol. En outre, l'irradiation par ultrasons renforce l'interaction entre le polymère et les nanoparticules de ZnO et améliore les propriétés viscoélastiques du gel de nanoparticules hybrides Carbopol/ZnO préparé.
L'organigramme schématique ci-dessus montre la synthèse des nanoparticules de ZnO et du gel de nanoparticules hybrides Carbopol/ZnO. Dans l'étude, l'ultrasonateur UP400St a été utilisé pour la précipitation des nanoparticules de ZnO et la formation du nanogel. (adapté de Ismail et al., 2021)

NPs de ZnO synthétisées par la méthode de précipitation chimique sous l'effet des ultrasons, où (a) est dans la solution aqueuse, et (b) est dispersé par ultrasons dans un hydrogel stable à base de Carbopol.
(étude et illustration : Ismail et al., 2021)

Étude de cas : Préparation par ultrasons d'un nanogel de poly(acide méthacrylique)/montmorillonite (PMA/nMMT)

Khan et al. (2020) ont démontré la synthèse réussie d'un hydrogel nanocomposite de poly(acide méthacrylique)/Montmorillonite (PMA/nMMT) par polymérisation redox assistée par ultrasons. Typiquement, 1,0 g de nMMT a été dispersé dans 50 ml d'eau distillée par ultrasons pendant 2 heures pour former une dispersion homogène. La sonication améliore la dispersion de l'argile, ce qui se traduit par une amélioration des propriétés mécaniques et de la capacité d'adsorption des hydrogels. Le monomère d'acide méthacrylique (30 ml) a été ajouté goutte à goutte à la suspension. L'initiateur, le persulfate d'ammonium (APS) (0,1 M), a été ajouté au mélange, suivi de 1,0 ml d'accélérateur TEMED. La dispersion a été vigoureusement agitée pendant 4 heures à 50°C à l'aide d'un agitateur magnétique. La masse visqueuse obtenue a été lavée à l'acétone et desséchée pendant 48 heures à 70°C dans un four. Le produit résultant a été broyé et stocké dans une bouteille en verre. Différents gels nanocomposites ont été synthétisés en faisant varier les quantités de nMMT de 0,5, 1,0, 1,5 et 2,0 g. Les hydrogels nanocomposites préparés à l'aide de 1,0 g de nMMT présentaient de meilleurs résultats d'adsorption que les autres composites et ont donc été utilisés pour la suite de l'étude sur l'adsorption.
Les micrographies SEM-EDX de droite montrent l'analyse élémentaire et structurelle des nanogels composés de montmorillonite (MMT), de nano-montmorillonite (nMMT), de poly(acide méthacrylique)/nano-montmorillonite (PMA/nMMT), et de PMA/nMMT chargés d'amoxicilline (AMX) et de diclofénac (DF). Les micrographies MEB enregistrées à un grossissement de 1,00 KX ainsi que l'EDX de

• montmorillonite (MMT),
• nano-montmorillonite (nMMT),
• poly(acide méthacrylique)/nano-montmorillonite (PMA/nMMT),
• et PMA/nMMT chargés d'amoxicilline (AMX) et de diclofénac (DF).

On observe que le MMT brut présente une structure de feuillets en couches, avec la présence de grains plus gros. Après modification, les feuilles de MMT sont exfoliées en minuscules particules, ce qui peut être dû à l'élimination de Si2+ et Al3+ des sites octaédriques. Le spectre EDX du nMMT présente un pourcentage élevé de carbone, qui peut être principalement dû à l'agent tensioactif utilisé pour la modification, car le principal constituant du CTAB (C19H42BrN) est le carbone (84 %). Le PMA/nMMT présente une structure cohérente et presque continue. En outre, aucun pore n'est visible, ce qui témoigne de l'exfoliation complète du nMMT dans la matrice de PMA. Après sorption des molécules pharmaceutiques amoxicilline (AMX) et diclofénac (DF), des changements dans la morphologie du PMA/nMMT sont observés. La surface devient asymétrique avec une augmentation de la texture rugueuse.
Utilisation et fonctionnalités des hydrogels nanométriques à base d'argile : Les nanocomposites d'hydrogel à base d'argile sont considérés comme des super adsorbants potentiels pour l'absorption des contaminants inorganiques et/ou organiques d'une solution aqueuse en raison des caractéristiques combinées des argiles et des polymères, telles que la biodégradabilité, la biocompatibilité, la viabilité économique, l'abondance, la surface spécifique élevée, le réseau tridimensionnel et les propriétés de gonflement/dégonflement.
(cf. Khan et al., 2020)

Ultrasons à haute performance pour la production d'hydrogels et de nanogels

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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :