Synthèse d’hydrogels nanocomposites par ultrasonication
Les hydrogels nanocomposites ou nanogels sont des structures 3D multifonctionnelles d’une grande efficacité en tant que vecteurs de médicaments et systèmes d’administration de médicaments à libération contrôlée. L’ultrasonication favorise la dispersion de particules d’hydrogel polymériques 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 qui peuvent être conçues pour présenter des caractéristiques spécifiques, ce qui en fait de puissants vecteurs de médicaments et systèmes d’administration de médicaments à libération contrôlée. L’ultrasonication favorise la synthèse de particules fonctionnalisées de taille nanométrique ainsi que l’inclusion/incorporation ultérieure de nanoparticules dans des structures polymériques tridimensionnelles. Comme les nanogels synthétisés par ultrasons peuvent piéger des composés bioactifs à l’intérieur de leur cœur nanométrique, ces hydrogels de taille nanométrique offrent d’excellentes fonctionnalités.
Les nanogels sont des dispersions aqueuses de nanoparticules d’hydrogel, réticulées physiquement ou chimiquement sous forme de réseau polymère hydrophile. Les ultrasons de haute performance étant très efficaces pour produire des nanodispersions, les ultrasonicateurs de type sonde constituent un outil essentiel pour la production rapide et fiable de nanogels aux fonctionnalités supérieures.
Ultrasonicateur UIP1000hdT avec réacteur en verre pour la synthèse d’hydrogels nanocomposites
Fonctionnalités des nanogels produits par ultrasons
- excellente stabilité colloïdale et grande surface spécifique
- peuvent être densément chargés de nanoparticules
- permettent de combiner des particules dures et molles dans un nanogel hybride cœur/coquille
- potentiel d’hydratation élevé
- favorisent la biodisponibilité
- propriétés élevées de gonflement / dégonflement
Les nanogels synthétisés par ultrasons sont utilisés dans de nombreuses applications et industries, par ex.
- pour les applications pharmaceutiques et médicales : par ex. vecteur de médicaments, gel antibactérien, pansement antibactérien
- en biochimie et en biomédecine pour l’administration de gènes
- comme adsorbant/biosorbant dans les applications chimiques et environnementales
- en ingénierie tissulaire, car les hydrogels peuvent imiter les propriétés physiques, chimiques, électriques et biologiques de nombreux tissus natifs
Étude de cas : synthèse de nanogel de zinc par voie sonochimique
Les nanoparticules hybrides de ZnO peuvent être stabilisées dans un gel de Carbopol grâce à un procédé ultrasonique simple : la sonication sert à induire la précipitation de 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 simple. (Retrouvez ici le protocole de synthèse sonochimique des nanoparticules de ZnO).
Les nanoparticules ont ensuite été utilisées pour synthétiser le nanogel de ZnO. Pour ce faire, les NP de ZnO produites ont été rincées à l’eau bidésionisée. 0,5 g de Carbopol 940 ont été dissous dans 300 mL d’eau bidésionisée, puis les NP de ZnO fraîchement lavées ont été ajoutées. Le Carbopol étant naturellement acide, la solution nécessite une neutralisation 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’ultrasonicateur Hielscher UP400S avec une amplitude de 95 et un cycle de 95% pendant 1 h. Ensuite, 50 mL de triméthylamine (TEA) comme agent neutralisant (portant le pH à 7) ont été ajoutés goutte à goutte sous sonication continue jusqu’à la formation du gel blanc de ZnO. L’épaississement du Carbopol a commencé lorsque le pH était proche d’un pH neutre.
L’équipe de recherche explique les effets extraordinairement positifs de l’ultrasonication sur la formation du nanogel par une interaction particule-particule accrue. L’agitation moléculaire des constituants du mélange réactionnel, initiée par les ultrasons, renforce le processus d’épaississement favorisé par les interactions polymère-solvant. De plus, la sonication favorise la dissolution du Carbopol. En outre, l’irradiation par ondes ultrasonores renforce l’interaction polymère–NP de ZnO et améliore les propriétés viscoélastiques du gel de nanoparticules hybrides Carbopol/ZnO préparé.
L’organigramme schématique ci-dessus présente la synthèse des NP de ZnO et du gel de nanoparticules hybrides Carbopol/ZnO. Dans l’étude, l’ultrasonicateur UP400St a été utilisé pour la précipitation des nanoparticules de ZnO et la formation du nanogel. (adapté d’Ismail et al., 2021)
NP de ZnO synthétisées par la méthode de précipitation chimique sous l’effet de l’ultrasonication, où (a) est en solution aqueuse et (b) est dispersé par ultrasons dans un hydrogel stable à base de Carbopol.
(étude et image : Ismail et al., 2021)
Étude de cas : préparation ultrasonique 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 ultrasonication pendant 2 h afin de former une dispersion homogène. La sonication améliore la dispersion de l’argile, ce qui se traduit par de meilleures propriétés mécaniques et une meilleure capacité d’adsorption des hydrogels. Le monomère d’acide méthacrylique (30 mL) a été ajouté goutte à goutte à la suspension. L’amorceur 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 h à 50°C à l’aide d’un agitateur magnétique. La masse visqueuse obtenue a été lavée à l’acétone et séchée pendant 48 h à 70°C dans une étuve. Le produit obtenu a été broyé et conservé dans un flacon en verre. Différents gels nanocomposites ont été synthétisés en faisant varier la quantité de nMMT : 0,5, 1,0, 1,5 et 2,0 g. Les hydrogels nanocomposites préparés avec 1,0 g de nMMT ont présenté de meilleurs résultats d’adsorption que les autres composites et ont donc été utilisés pour la suite de l’étude d’adsorption.
Les micrographies MEB-EDX à droite présentent l’analyse élémentaire et structurale des nanogels constitués de montmorillonite (MMT), de nano-montmorillonite (nMMT), de poly(acide méthacrylique)/nano-montmorillonite (PMA/nMMT) et de PMA/nMMT chargé en amoxicilline (AMX) et en 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 chargé en amoxicilline (AMX) et en diclofénac (DF).
On observe que la MMT brute présente une structure en feuillets stratifiés montrant la présence de grains plus gros. Après modification, les feuillets de MMT sont exfoliés en minuscules particules, ce qui pourrait être dû à l’élimination de Si2+ et Al3+ des sites octaédriques. Le spectre EDX de la nMMT présente un pourcentage élevé de carbone, ce qui pourrait principalement être dû au tensioactif utilisé pour la modification, le principal constituant du CTAB (C19H42BrN) étant le carbone (84%). Le PMA/nMMT présente une structure cohérente et quasi co-continue. En outre, aucun pore n’est visible, ce qui traduit l’exfoliation complète de la nMMT dans la matrice PMA. Après sorption des molécules pharmaceutiques amoxicilline (AMX) et diclofénac (DF), des modifications de la morphologie du PMA/nMMT sont observées. La surface devient asymétrique, avec une texture de plus en plus rugueuse.
Utilisation et fonctionnalités des hydrogels de taille nanométrique à base d’argile : les nanocomposites d’hydrogel à base d’argile sont envisagés comme de potentiels super-adsorbants pour la captation de contaminants inorganiques et/ou organiques en solution aqueuse, en raison de la combinaison des caractéristiques 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)
Micrographies MEB-EDX de (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT, et des hydrogels nanocomposites chargés en (d) AMX et (e) DF. Les nanogels ont été préparés par ultrasonication.
(étude et images : ©Khan et al. 2020)
Ultrasonicateurs haute performance pour la production d’hydrogels et de nanogels
Ultrasonicateurs haute performance pour la production d’hydrogels et de nanogels
Hielscher Ultrasonics fabrique des équipements ultrasoniques haute performance pour la synthèse d’hydrogels et de nanogels aux fonctionnalités supérieures. Des ultrasonicateurs de R&D et pilotes de petite et moyenne taille aux systèmes industriels pour la fabrication commerciale d’hydrogels en mode continu, Hielscher Ultrasonics dispose du processeur à ultrasons adapté à vos exigences en matière de production d’hydrogels / nanogels.
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- faible maintenance
- CIP (nettoyage en place)
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :
| Volume du lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 à 20L | 0,2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 à 150L | 3 à 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | supérieur | cluster de UIP16000 |
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(Étude et vidéo : Rutgeerts et al., 2019)
Bibliographie / Références
- 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.
Faits à connaître
Protocole de synthèse sonochimique de nanoparticules de ZnO
Les NP de ZnO ont été synthétisées par la méthode de précipitation chimique sous l’effet d’une irradiation ultrasonore. Selon une procédure typique, on a utilisé de l’acétate de zinc dihydraté (Zn(CH3COO)2·2H2O) comme précurseur et une solution d’ammoniaque à 30–33% (NH3) en solution aqueuse (NH4OH) comme agent réducteur. Les nanoparticules de ZnO ont été produites en dissolvant la quantité appropriée d’acétate de zinc dans 100 mL d’eau désionisée afin d’obtenir une solution d’ions zinc à 0,1 M. La solution d’ions zinc a ensuite été soumise à une irradiation par ondes ultrasonores à l’aide d’un Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Allemagne) à une amplitude de 79% et un cycle de 0,76 pendant 5 min à une température de 40 ◦C. Ensuite, la solution d’ammoniaque a été ajoutée goutte à goutte à la solution d’ions zinc sous l’effet des ondes ultrasonores. Après quelques instants, les NP de ZnO ont commencé à précipiter et à croître, et la solution d’ammoniaque a été ajoutée en continu jusqu’à la précipitation complète des NP de ZnO.
Les NP de ZnO obtenues ont été lavées plusieurs fois à l’eau désionisée puis laissées décanter. Le précipité obtenu a ensuite été séché à température ambiante.
(Ismail et al., 2021)
Que sont les nanogels ?
Les nanogels ou hydrogels nanocomposites sont un type d’hydrogel qui incorpore dans sa structure des nanoparticules, généralement de l’ordre de 1-100 nanomètres. Ces nanoparticules peuvent être organiques, inorganiques ou une combinaison des deux.
Les nanogels se forment par un processus appelé réticulation, qui implique la liaison chimique de chaînes polymères pour former un réseau tridimensionnel. Comme la formation d’hydrogels et de nanogels nécessite un mélange intensif pour hydrater la structure polymérique, favoriser la réticulation et incorporer les nanoparticules, l’ultrasonication est une technique très efficace pour la production d’hydrogels et de nanogels. Les réseaux d’hydrogels et de nanogels sont capables d’absorber de grandes quantités d’eau, ce qui rend les nanogels fortement hydratés et donc adaptés à un large éventail d’applications telles que l’administration de médicaments, l’ingénierie tissulaire et les biocapteurs.
Les hydrogels de type nanogel sont généralement composés de nanoparticules, telles que des particules de silice ou de polymère, dispersées dans toute la matrice de l’hydrogel. Ces nanoparticules peuvent être synthétisées par diverses méthodes, notamment la polymérisation en émulsion, la polymérisation en émulsion inverse et la synthèse sol-gel. Ces polymérisations et synthèses sol-gel bénéficient grandement de l’agitation ultrasonique.
Les hydrogels nanocomposites, quant à eux, sont composés d’une combinaison d’un hydrogel et d’une nanocharge, telle que l’argile ou l’oxyde de graphène. L’ajout de la nanocharge peut améliorer les propriétés mécaniques et physiques de l’hydrogel, telles que sa rigidité, sa résistance à la traction et sa ténacité. Ici, les puissantes capacités de dispersion de la sonication facilitent la distribution uniforme et stable des nanoparticules dans la matrice de l’hydrogel.
Dans l’ensemble, les nanogels et les hydrogels nanocomposites offrent un large éventail d’applications potentielles dans des domaines tels que la biomédecine, la dépollution de l’environnement et le stockage de l’énergie, grâce à leurs propriétés et fonctionnalités uniques.
Applications des nanogels pour les traitements médicaux
| Type de nanogel | Médicament | Maladie | Activité | Références |
| Nanogels PAMA-DMMA | Doxorubicine | Cancer | Augmentation de la vitesse de libération à mesure que le pH diminue. Cytotoxicité plus élevée à pH 6,8 dans les études de viabilité cellulaire | Du et al. (2010) |
| Nanogels à base de chitosane décorés d’hyaluronate | Photosensibilisateurs tels que la tétra-phényl-porphyrine-tétra-sulfonate (TPPS4), la tétra-phényl-chlorine-tétra-carboxylate (TPCC4) et la chlorine e6 (Ce6) | Troubles rhumatismaux | Rapidement absorbés (4 h) par les macrophages et accumulés dans leur cytoplasme et leurs organites | Schmitt et al. (2010) |
| Nanoparticules de PCEC dans des hydrogels de Pluronic | Lidocaïne | Anesthésie locale | A produit une anesthésie par infiltration de longue durée d’environ 360 min | Yin et al. (2009) |
| Nanoparticules de poly(lactide-co-acide glycolique) et de chitosane dispersées dans un gel d’HPMC et de Carbopol | Spantide II | Dermatite allergique de contact et autres troubles inflammatoires cutanés | Le nanogel augmente le potentiel d’administration percutanée de la spantide II | Punit et al. (2012) |
| Nanogels de polyvinylpyrrolidone-poly(acide acrylique) (PVP/PAAc) sensibles au pH | Pilocarpine | Maintiennent une concentration adéquate de pilocarpine au site d’action pendant une période prolongée | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Poly(éthylène glycol) et polyéthylènimine réticulés | Oligonucléotides | Maladies neurodégénératives | Transportés efficacement à travers la BHE. L’efficacité du transport est encore accrue lorsque la surface du nanogel est modifiée avec de la transferrine ou de l’insuline | Vinogradov et al. (2004) |
| Nanogels de pullulane porteurs de cholestérol | Interleukine-12 murine recombinante | Immunothérapie tumorale | Nanogel à libération prolongée | Farhana et al. (2013) |
| Poly(N-isopropylacrylamide) et chitosane | Traitement du cancer par hyperthermie et administration ciblée de médicaments | Thermosensible, modalisé magnétiquement | Farhana et al. (2013) | |
| Réseau ramifié réticulé de polyéthylèneimine et de PEG nanogel polyplexe | Fludarabine | Cancer | Activité accrue et cytotoxicité réduite | Farhana et al. (2013) |
| Nanogel biocompatible de pullulane porteur de cholestérol | Comme chaperon artificiel | Traitement de la maladie d’Alzheimer | Inhibent l’agrégation de la protéine β-amyloïde | Ikeda et al. (2006) |
| Nanogel d’ADN avec photoréticulation | Matériel génétique | Thérapie génique | Administration contrôlée d’ADN plasmidique | Lee et al. (2009) |
| Gel de nanoparticules hybrides Carbopol/oxyde de zinc (ZnO) | Nanoparticules de ZnO | Activité antibactérienne, inhibiteur bactérien | Ismail et al. (2021) |
Tableau adapté de Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons haute performance, du laboratoire à la taille industrielle.