סינתזת הידרוג'ל ננו-מרוכבים באמצעות אולטרה-סוניקציה
הידרוג'לים ננו-מרוכבים או ננו-ג'לים הם מבנים תלת-ממדיים רב-תפקודיים בעלי יעילות גבוהה כנשאי תרופות ומערכות אספקת תרופות בשחרור מבוקר. אולטרה-סוניקציה מקדמת פיזור של חלקיקי הידרוג'ל פולימריים בגודל ננומטרי, כמו גם הכללה/שילוב של ננו-חלקיקים במבנים פולימריים אלה.
סינתזה קולית של ננוג'לים
הידרוג'לים ננו-מרוכבים הם מבני חומר תלת-ממדיים וניתן לתכנן אותם כך שיציגו תכונות ספציפיות, מה שהופך אותם לנשאי תרופות חזקים ולמערכות אספקת תרופות בשחרור מבוקר. אולטרה-סוניקציה מקדמת סינתזה של חלקיקים ננומטריים פונקציונליים, כמו גם הכללה/שילוב של ננו-חלקיקים במבנים פולימריים תלת-ממדיים. מכיוון שננו-ג'לים מסונתזים באולטרה-סאונד יכולים ללכוד תרכובות ביו-אקטיביות בתוך הליבה הננומטרית שלהם, הידרוג'לים בגודל ננומטרי אלה מציעים פונקציות נהדרות.
ננו-ג'לים הם פיזור מימי של ננו-חלקיקי הידרוג'ל, אשר מקושרים פיזית או כימית כרשת פולימרים הידרופילית. מכיוון שאולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים יעיל מאוד בייצור ננו-פיזור, אולטרסאונד מסוג בדיקה הוא כלי חיוני לייצור מהיר ואמין של ננו-ג'לים עם פונקציות מעולות.
Ultrasonicator UIP1000hdT עם כור זכוכית לסינתזה של הידרוג'ל ננו-מרוכב
פונקציות של ננו-ג'לים המיוצרים באולטרסאונד
- יציבות קולואידית מעולה ושטח הפנים הספציפי הגדול
- יכול להיות ארוז בצפיפות עם ננו-חלקיקים
- אפשר לשלב חלקיקים קשים ורכים בננו-ג'ל היברידי של הליבה/מעטפת
- פוטנציאל הידרציה גבוה
- קידום זמינות ביולוגית
- נפיחות גבוהה / תכונות de-נפיחות
ננו-ג'לים מסונתזים באולטרה-סאונד משמשים ביישומים ובתעשיות רבות, למשל.
- עבור יישומים פרמצבטיים ורפואיים: כגון נשא תרופות, ג'ל אנטיבקטריאלי, חבישת פצעים אנטיבקטריאלית
- בביוכימיה וביו-רפואה להעברת גנים
- כמו adsorbent/biosorbent ביישומים כימיים וסביבתיים
- בהנדסת רקמות כמו הידרוג'ל יכול לחקות את התכונות הפיזיקליות, הכימיות, החשמליות והביולוגיות של רקמות מקומיות רבות
מקרה מבחן: סינתזת ננו-ג'ל אבץ במסלול סונוכימי
ניתן לייצב ננו-חלקיקים היברידיים של ZnO בג'ל קרבופול באמצעות תהליך על-קולי קל: סוניקציה משמשת להנעת משקעים של ננו-חלקיקי אבץ, אשר לאחר מכן מוצלבים באולטרה-סאונד עם קרבופול ליצירת ננו-הידרוג'ל.
Ismail et al. (2021) זירזו ננו-חלקיקים של תחמוצת אבץ באמצעות מסלול סונוכימי קל. (מצא את הפרוטוקול לסינתזה סונוכימית של ננו-חלקיקי ZnO כאן).
לאחר מכן, הננו-חלקיקים שימשו לסנתוז ננו-ג'ל ZnO. לכן, NPs ZnO המיוצרים נשטפו במים כפולים שעברו דה-יוניזציה. 0.5 גרם של קרבופול 940 הומס ב -300 מ"ל של מים דה-יוניים כפולים, ואחריו נוספו NPs ZnO שזה עתה נשטפו. מכיוון שקרבופול הוא חומצי באופן טבעי, התמיסה דורשת נטרול של ערך ה- pH, אחרת היא לא הייתה מתעבה. לפיכך, התערובת עברה סוניקציה רציפה באמצעות Hielscher ultrasonicator UP400S עם משרעת של 95 ומחזור של 95% במשך 1 שעות. לאחר מכן, 50 מ"ל של טרימתילאמין (TEA) כחומר מנטרל (העלאת ה- pH ל -7) נוספו טיפה תחת סוניקציה מתמשכת עד להיווצרות הג'ל הלבן ZnO. התעבות הקרבופול החלה כאשר ה- pH היה קרוב ל- pH נייטרלי .
צוות המחקר מסביר את ההשפעות החיוביות במיוחד של אולטרה-סוניקציה על היווצרות ננו-ג'ל על ידי אינטראקציה משופרת בין חלקיקים לחלקיקים. תסיסה מולקולרית יזומה באולטרסאונד של המרכיבים בתערובת התגובה משפרת את תהליך העיבוי המקודם על ידי אינטראקציות פולימר-ממס. בנוסף, סוניקציה מקדמת את המסת קרבופול. בנוסף, הקרנת גלי אולטרסאונד משפרת את האינטראקציה בין פולימר ל-ZnO NPs ומשפרת את התכונות הויסקו-אלסטיות של ננו-חלקיקים היברידיים Carbopol/ZnO שהוכנו.
תרשים הזרימה הסכמטי לעיל מראה את הסינתזה של NPs ZnO וג'ל ננו-חלקיקים היברידי Carbopol/ZnO. במחקר, האולטרסאונד UP400St שימש למשקעים ננו-חלקיקי ZnO והיווצרות ננו-ג'ל. (מעובד מתוך Ismail et al., 2021)
ZnO NPs מסונתז בשיטת המשקעים הכימיים תחת השפעת אולטרה-סוניקציה, כאשר (א) נמצא בתמיסה המימית, ו-(ב) מפוזר באולטרסאונד להידרוג'ל יציב מבוסס קרבופול.
(מחקר ותמונה: איסמעיל ואחרים, 2021)
Case Stuy: הכנה קולית של פולי(חומצה מטאקרילית)/מונטמורילוניט (PMA/nMMT) ננו-ג'ל
Khan et al. (2020) הדגימו סינתזה מוצלחת של הידרוג'ל ננו-מרוכב פולי(חומצה מטאקרילית)/מונטמורילוניט (PMA/nMMT) באמצעות פילמור חמצון-חיזור בסיוע אולטרסאונד. בדרך כלל, 1.0 גרם של nMMT פוזרו ב 50 מ"ל של מים מזוקקים עם ultrasonication במשך 2 שעות כדי ליצור פיזור הומוגני. סוניקציה משפרת את פיזור החימר, וכתוצאה מכך תכונות מכניות משופרות ויכולת ספיחה של ההידרוג'לים. מונומר חומצה מתאקרילית (30 מ"ל) נוסף טיפה לתרחיף. יוזם אמוניום פרסולפט (APS) (0.1 M) נוסף לתערובת ואחריו 1.0 מ"ל של מאיץ TEMED. הפיזור עורבב במרץ במשך 4 שעות בטמפרטורה של 50 מעלות צלזיוס על ידי בוחש מגנטי. המסה הצמיגית שהתקבלה נשטפה באצטון ויובשה במשך 48 שעות ב-70 מעלות צלזיוס בתנור. המוצר שהתקבל נטחן ואוחסן בבקבוק זכוכית. ג'לים ננו-מרוכבים שונים סונתזו על ידי שינוי ה-nMMT בכמויות של 0.5, 1.0, 1.5 ו-2.0 גרם. ההידרוג'לים הננו-מרוכבים שהוכנו באמצעות 1.0 גרם של nMMT תיארו תוצאות ספיחה טובות יותר משאר המרוכבים ולכן שימשו לחקירת ספיחה נוספת.
המיקרוגרפים של SEM-EDX מימין מראים את הניתוח היסודי והמבני של הננו-ג'לים המורכבים במונטמורילוניט (MMT), ננו-מונטמורילוניט (nMMT), פולי(חומצה מטאקרילית)/ננו-מונטמורילוניט (PMA/nMMT), ואמוקסיצילין (AMX) ודיקלופנק (DF)-טעון PMA/nMMT. מיקרוגרפים SEM נרשמו בהגדלה של 1.00 KX יחד עם EDX של
- מונטמורילוניט (MMT),
- ננו-מונטמורילוניט (nMMT),
- פולי(חומצה מטאקרילית)/ננו-מונטמורילוניט (PMA/nMMT),
- ו amoxicillin (AMX) ו diclofenac (DF) טעון PMA/nMMT.
הוא ציין כי MMT גלם חייב מבנה גיליון שכבות מראה את נוכחותם של דגנים גדולים יותר. לאחר שינוי, יריעות MMT מתקלפות לחלקיקים זעירים, אשר עשויים להיות עקב חיסול Si2+ ו- Al3+ מהאתרים האוקטהדרליים. ספקטרום EDX של nMMT מציג אחוז גבוה של פחמן, אשר עשוי להיות בעיקר בשל פעילי שטח המשמש לשינוי כמו המרכיב העיקרי של CTAB (C19H42BrN) הוא פחמן (84%). PMA/nMMT מציג מבנה קוהרנטי וכמעט רציף. יתר על כן, לא נראות נקבוביות, מה שמתאר את הפילינג המלא של nMMT לתוך מטריצת PMA. לאחר ספיחה עם מולקולות התרופות אמוקסיצילין (AMX) ודיקלופנק (DF), שינויים במורפולוגיה PMA / nMMT נצפים. פני השטח הופכים אסימטריים עם עלייה במרקם המחוספס.
שימוש ופונקציונליות של הידרוג'לים ננומטריים מבוססי חימר: ננו-מרוכבים הידרוג'ל מבוססי חימר צפויים להיות סופר-סופגים פוטנציאליים לספיגה של מזהמים אנאורגניים ו / או אורגניים מתמיסה מימית בשל תכונות השילוב של חרסיות ופולימרים כאחד, כגון מתכלה, תאימות ביולוגית, כדאיות כלכלית, שפע, שטח פנים ספציפי גבוה, רשת תלת מימדית ותכונות נפיחות / הפחתת נפיחות.
(ראה: חאן ואחרים, 2020)
מיקרוגרפים SEM-EDX של (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT, ו-(d) הידרוג'לים ננו-מרוכבים AMX ו-(e) DF. הננו-ג'לים הוכנו באמצעות אולטרסוניקציה.
(מחקר ותמונות: ©Khan et al. 2020)
אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים לייצור הידרוג'ל וננו-ג'ל
אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים לייצור הידרוג'ל וננו-ג'ל
Hielscher Ultrasonics מייצרת ציוד קולי בעל ביצועים גבוהים לסינתזה של הידרוג'לים וננו-ג'לים עם פונקציות מעולה. מ R קטן ובינוני&D ו טייס ultrasonicators למערכות תעשייתיות לייצור הידרוג'ל מסחרי במצב רציף, Hielscher Ultrasonics יש את המעבד קולי הנכון כדי לכסות את הדרישות שלך לייצור הידרוג'ל / ננוג'ל.
- יעילות גבוהה
- טכנולוגיה חדישה
- מהימנות & חוסן
- אצווה & מוטבעים
- עבור כל אמצעי אחסון
- תוכנה חכמה
- תכונות חכמות (למשל, פרוטוקול נתונים)
- קל ובטוח לתפעול
- תחזוקה נמוכה
- CIP (נקי במקום)
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:
| נפח אצווה | קצב זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500 מ"ל | 10 עד 200 מ"ל/דקה | UP100H |
| 10 עד 2000 מ"ל | 20 עד 400 מ"ל/דקה | UP200Ht, UP400ST |
| 00.1 עד 20 ליטר | 00.2 עד 4L/דקה | UIP2000hdT |
| 10 עד 100 ליטר | 2 עד 10 ליטר/דקה | UIP4000hdT |
| 15 עד 150 ליטר | 3 עד 15 ליטר/דקה | UIP6000hdT |
| נ.א. | 10 עד 100 ליטר/דקה | UIP16000 |
| נ.א. | גדול | אשכול של UIP16000 |
צרו קשר! / שאל אותנו!
(מחקר וסרט: Rutgeerts et al., 2019)
ספרות / מקורות
- 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.
עובדות שכדאי לדעת
פרוטוקול לסינתזה סונוכימית של ננו-חלקיקי ZnO
ZnO NPs סונתזו בשיטת משקעים כימיים תחת השפעת הקרנת אולטרסאונד. בהליך טיפוסי נעשה שימוש באבץ אצטט דיהידרט (Zn(CH3COO)2·2H2O) כקודמן, ותמיסת אמוניה של 30-33% (NH3) בתמיסה מימית (NH4OH) כחומר מחזר. חלקיקי ZnO נוצרו על ידי המסת הכמות המתאימה של אבץ אצטט ב-100 מ"ל של מים שעברו דה-יוניזציה כדי לייצר 0.1 מ' של תמיסת יוני אבץ. לאחר מכן, תמיסת יוני האבץ הייתה נתונה להקרנת גלים על-קוליים באמצעות Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, ברלין, גרמניה) באמפליטודה של 79% ומחזור של 0.76 למשך 5 דקות בטמפרטורה של 40 ◦C. לאחר מכן, תמיסת האמוניה נוספה טיפתית לתמיסת יוני האבץ בהשפעת הגלים העל-קוליים. לאחר מספר רגעים, NPs ZnO החלו לזרז ולגדול, ותמיסת האמוניה נוספה ברציפות עד שהתרחשו המשקעים המלאים של NPs ZnO.
NPs ZnO שהתקבלו נשטפו באמצעות מים deionized מספר פעמים והושארו בחוץ כדי להתיישב. לאחר מכן, המשקע שהתקבל יובש בטמפרטורת החדר.
(איסמעיל ואח', 2021)
מה זה ננוגלים?
ננו-ג'לים או הידרוג'לים ננו-מרוכבים הם סוג של הידרוג'ל המשלב ננו-חלקיקים, בדרך כלל בטווח של 1-100 ננומטר, במבנה שלהם. ננו-חלקיקים אלה יכולים להיות אורגניים, אי-אורגניים או שילוב של שניהם.
ננו-ג'לים נוצרים בתהליך המכונה crosslinking, הכולל את הקשר הכימי של שרשראות פולימריות ליצירת רשת תלת-ממדית. מכיוון שהיווצרות הידרוג'לים וננו-ג'לים דורשת ערבוב יסודי על מנת ללחלח את המבנה הפולימרי, לקדם את הקרוסלינקינג ולשלב את הננו-חלקיקים, אולטרסוניקציה היא טכניקה יעילה ביותר לייצור הידרוג'לים וננו-ג'לים. רשתות הידרוג'ל וננו-ג'ל מסוגלות לספוג כמויות גדולות של מים, מה שהופך את הננו-ג'לים לרוויים מאוד ולכן מתאימים למגוון רחב של יישומים כגון העברת תרופות, הנדסת רקמות וביו-חיישנים.
הידרוג'ל ננוג'ל מורכב בדרך כלל מננו-חלקיקים, כגון סיליקה או חלקיקי פולימר, המפוזרים ברחבי מטריצת ההידרוג'ל. ניתן לסנתז ננו-חלקיקים אלה בשיטות שונות, כולל פילמור תחליב, פילמור תחליב הפוך וסינתזה של סול-ג'ל. סינתזות פילמור וסול-ג'ל אלה נהנות מאוד מתסיסה קולית.
הידרוג'לים ננו-מרוכבים, לעומת זאת, מורכבים משילוב של הידרוג'ל וננו-מילוי, כגון תחמוצת חימר או גרפן. הוספת הננו-מילוי יכולה לשפר את התכונות המכניות והפיזיקליות של ההידרוג'ל, כגון קשיחותו, חוזק המתיחה והקשיחות שלו. כאן, יכולות הפיזור החזקות של סוניקציה מאפשרות פיזור אחיד ויציב של ננו-חלקיקים לתוך מטריצת ההידרוג'ל.
בסך הכל, להידרוג'לים ננו-ג'ל וננו-מרוכבים יש מגוון רחב של יישומים פוטנציאליים בתחומים כגון ביו-רפואה, שיקום סביבתי ואגירת אנרגיה בשל התכונות והפונקציונליות הייחודיות שלהם.
יישומים של ננוג'ל לטיפולים רפואיים
| סוג ננוג'ל | סם | מחלה | פעילות | הפניות |
| ננו-ג'ל PAMA-DMMA | דוקסורוביצין | סרטן | עלייה בקצב השחרור ככל שערך ה- pH ירד. ציטוטוקסיות גבוהה יותר ב-pH 6.8 במחקרי כדאיות תאים | דו ואחרים (2010) |
| ננו-ג'ל על בסיס צ'יטוזאן מעוטר בהיאלורונט | פוטוסנסיטיזרים כמו טטרה-פניל-פורפירין-טטרה-סולפונט (TPPS4), טטרה-פניל-כלורין-טטרה-קרבוקסילט (TPCC4) וכלורין e6 (Ce6) | הפרעות ראומטיות | נקלט במהירות (4 שעות) על ידי המקרופאגים והצטבר בציטופלסמה ובאברונים שלהם | שמיט ואחרים (2010) |
| ננו-חלקיקי PCEC בהידרוג'לים פלורוניים | לידוקאין | הרדמה מקומית | מיוצר בהרדמה חדירה ארוכת טווח של כ-360 דקות | יין ואחרים (2009) |
| פולי(חומצה לקטידית-קו-גליקולית) וננו-חלקיקי צ'יטוזן המפוזרים ב-HPMC ובג'ל קרבופול | ספנטיד II | דרמטיטיס מגע אלרגי והפרעות דלקתיות אחרות בעור | Nanogelinncreases פוטנציאל להעברה מלעורית של spantide II | פוניט ואחרים (2012) |
| ננו-ג'ל פוליוויניל פירולידון-פולי רגיש ל-pH (חומצה אקרילית) (PVP/PAAc) | פילוקרפין | לשמור על ריכוז נאות של pilocarpine באתר הפעולה לתקופה ממושכת של זמן | עבד אל-רחים ואח' (2013) | |
| פולי צולב (אתילן גליקול) ופוליאתילנימין | אוליגונוקלאוטידים | מחלות נוירודגנרטיביות | מועבר ביעילות ברחבי BBB. יעילות ההובלה מוגברת עוד יותר כאשר פני השטח של ננו-ג'ל משתנים עם טרנספרין או אינסולין | Vinogradov et al. (2004) |
| ננו-ג'ל פולולן נושא כולסטרול | רקומביננטי מורין אינטרלוקין-12 | אימונותרפיה של הגידול | ננו-ג'ל בשחרור מושהה | פרחאנה ואחרים (2013) |
| Poly(N-isopropylacrylamide) ו chitosan | טיפול בסרטן היפרתרמיה ומתן תרופות ממוקד | מותאם מגנטית לרגישות לחום | פרחאנה ואחרים (2013) | |
| רשת מסועפת צולבת של פוליאתילניאמין ופוליפלקסננוג'ל PEG | פלודרבין | סרטן | פעילות מוגברת וציטוטוקסיות מופחתת | פרחאנה ואחרים (2013) |
| ננו-ג'ל תואם ביולוגית של פולולן נושא כולסטרול | כמלווה מלאכותי | טיפול במחלת אלצהיימר | עיכוב צבירה של חלבון עמילואיד β | איקדה ואחרים (2006) |
| ננו-ג'ל DNA עם קישור צולב | חומר גנטי | תרפיה גנטית | מסירה מבוקרת של DNA פלסמיד | לי ואחרים (2009) |
| קרבופול/תחמוצת אבץ (ZnO) ג'ל ננו-חלקיקים היברידי | ננו-חלקיקי ZnO | פעילות אנטיבקטריאלית, מעכב חיידקים | איסמעיל ואח' (2021) |
הטבלה אומצה מתוך Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.