סינתזת הידרוג'ל ננו-קומפוזיט באמצעות אולטראסוניקציה
הידרוג'לים ננו-קומפוזיטים או ננו-ג'לים הם מבנים תלת-ממדיים רב-תכליתיים בעלי יעילות גבוהה כנשאי תרופות ומערכות אספקת תרופות בשחרור מבוקר. אולטרה-סאונד מקדם את פיזורם של חלקיקי הידרוג'ל פולימריים בגודל ננו, כמו גם את ההכללה/שילוב הבאים של ננו-חלקיקים במבנים פולימריים אלה.
סינתזה קולית של ננו-ג'לים
הידרוג'לים ננו-קומפוזיטים הם מבנים חומריים תלת-ממדיים וניתן לתכנן אותם כך שיציגו תכונות ספציפיות, מה שהופך אותם לנשאי תרופות חזקים ולמערכות אספקת תרופות בשחרור מבוקר. אולטרה-סאונד מקדם סינתזה של חלקיקים פונקציונליים בגודל ננומטרי, כמו גם הכללה/שילוב של ננו-חלקיקים במבנים פולימריים תלת-ממדיים. מכיוון שננו-ג'לים מסונתזים באופן אולטרה-סאונד יכולים לכלוא 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, המקושרים פיזית או כימית כרשת פולימרית הידרופילית. מכיוון שאולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים יעיל ביותר בייצור ננו-פיזורים, אולטרסוניקאטורים מסוג בדיקה הם כלי חיוני לייצור מהיר ואמין של ננו-ג'לים בעלי פונקציונליות מעולה.
אולטראסאונד UIP1000hdT עם כור זכוכית לסינתזת הידרוג'ל ננו-קומפוזיט
פונקציות של ננו-ג'לים המיוצרים באופן אולטראסוני
- יציבות קולואידית מעולה ושטח הפנים הספציפי הגדול
- יכול להיות ארוז בצפיפות עם ננו-חלקיקים
- מאפשרים לשלב חלקיקים קשים ורכים בננוג'ל ליבה/מעטפת היברידית
- פוטנציאל הידרציה גבוה
- קידום זמינות ביולוגית
- תכונות נפיחות / ביטול נפיחות גבוהות
ננו-ג'לים מסונתזים באופן אולטרא-סאונד משמשים ביישומים ובתעשיות רבות, למשל.
- ליישומים פרמצבטיים ורפואיים: למשל נשא תרופות, ג'ל אנטיבקטריאלי, חבישת פצע אנטיבקטריאלי
- בביוכימיה וביו-רפואה להעברת גנים
- כמו ספיחה/ביוסורבנט ביישומים כימיים וסביבתיים
- בהנדסת רקמות כמו הידרוג'ל יכול לחקות את התכונות הפיזיקליות, הכימיות, החשמליות והביולוגיות של רקמות מקומיות רבות
מקרה לדוגמה: סינתזת ננו-ג'ל אבץ דרך מסלול סונוכימי
ננו-חלקיקים היברידיים של ZnO ניתנים לייצוב בג'ל קרבופול באמצעות תהליך על-קולי: סוניקציה משמשת להנעת משקעים של ננו-חלקיקי אבץ, אשר לאחר מכן מוצלבים באופן על-קולי עם קרבופול ליצירת ננו-הידרוג'ל.
Ismail et al. (2021) זירזו ננו-חלקיקים של תחמוצת אבץ באמצעות מסלול סונוכימי. (מצא את הפרוטוקול לסינתזה סונוכימית של ננו-חלקיקי ZnO כאן).
לאחר מכן, הננו-חלקיקים שימשו לסינתזה של ננו-ג'ל ZnO. לכן, ה- ZnO NPs המיוצרים נשטפו במים שעברו דה-יוניזציה כפולה. 0.5 גרם של Carbopol 940 הומס ב 300 מ"ל של מים deionized כפול, ולאחר מכן תוספת של ZnO NPs שטף טרי. מכיוון שקרבופול הוא חומצי באופן טבעי, התמיסה דורשת נטרול של ערך ה-pH, אחרת היא לא תעבה. לפיכך, התערובת עברה סוניקציה רציפה באמצעות אולטראסוניקטור Hielscher 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 רציפה עד שהתרחשה היווצרות הג'ל הלבן ZnO. העיבוי של קרבופול התחיל כאשר ה- pH היה קרוב ל- pH נייטרלי .
צוות המחקר מסביר את ההשפעות החיוביות יוצאות הדופן של אולטרה-סאונד על היווצרות ננו-ג'ל על ידי אינטראקציה משופרת בין חלקיקים לחלקיקים. תסיסה מולקולרית יזומה אולטראסונית של המרכיבים בתערובת התגובה משפרת את תהליך העיבוי המקודם על ידי האינטראקציות בין פולימר לממס. בנוסף, סוניקציה מקדמת את המסת קרבופול. בנוסף, קרינת גלי אולטרסאונד משפרת את האינטראקציה בין פולימר ל-ZnO NPs ומשפרת את התכונות הצמיגיות של ג'ל הננו-חלקיקים ההיברידיים Carbopol/ZnO המוכנים.
תרשים הזרימה הסכמטי לעיל מציג את הסינתזה של ZnO NPs וג'ל ננו-חלקיקים היברידי Carbopol/ZnO. במחקר, האולטרסוניקטור UP400St שימש למשקעים ננו-חלקיקי ZnO ולהיווצרות ננו-ג'ל. (מעובד מתוך Ismail et al., 2021)
ZnO NPs מסונתזים בשיטת המשקעים הכימיים בהשפעת אולטרסאונד, כאשר (א) נמצא בתמיסה המימית, ו-(ב) מתפזר באופן אולטראסוני להידרוג'ל יציב מבוסס קרבופול.
(מחקר ותמונה: איסמעיל ואח', 2021)
מקרה סטוי: הכנה אולטראסונית של פולי (חומצה מתקרילית)/מונטמורילוניט (PMA/nMMT) ננו-ג'ל
Khan et al. (2020) הדגימו את הסינתזה המוצלחת של הידרוג'ל ננו-קומפוזיט פולי(חומצה מתקרילית)/מונטמורילוניט (PMA/nMMT) באמצעות פולימריזציה של חמצון-חיזור בסיוע אולטרסאונד. בדרך כלל, 1.0 גרם של nMMT פוזר ב 50 מ"ל של מים מזוקקים עם אולטרה סאונד במשך 2 שעות כדי ליצור פיזור הומוגני. סוניקציה משפרת את פיזור החרסית, וכתוצאה מכך תכונות מכניות משופרות ויכולת ספיחה של ההידרוג'לים. מונומר חומצה מתקרילית (30 מ"ל) נוסף טיפה למתלים. אמוניום פרסולפט יוזם (APS) (0.1 M) נוסף לתערובת ואחריו 1.0 מ"ל של מאיץ TEMED. הפיזור עורר במרץ במשך 4 שעות בטמפרטורה של 50 מעלות צלזיוס על ידי מערבל מגנטי. המסה הצמיגית שנוצרה נשטפה באצטון וייבשה במשך 48 שעות ב-70 מעלות צלזיוס בתנור. המוצר שהתקבל נטחן ואוחסן בבקבוק זכוכית. ג'לים ננו-קומפוזיטים שונים סונתזו על ידי שינוי ה-nMMT בכמויות של 0.5, 1.0, 1.5 ו-2.0 גרם. ההידרוג'לים הננו-קומפוזיטים שהוכנו באמצעות 1.0 גרם של nMMT תיארו תוצאות ספיחה טובות יותר משאר החומרים המרוכבים ולכן שימשו לחקירת ספיחה נוספת.
המיקרוגרפים של SEM-EDX מימין מראים את הניתוח היסודי והמבני של הננו-ג'לים המורכבים ממונטמורילוניט (MMT), ננו-מונטמורילוניט (nMMT), פולי(חומצה מתקרילית)/ננו-מונטמורילוניט (PMA/nMMT), ואמוקסיצילין (AMX) ודיקלופנק (DF) טעונים ב-PMA/nMMT. המיקרוגרפים של SEM שנרשמו בהגדלה של 1.00 KX יחד עם ה- EDX של
- מונטמורילוניט (MMT),
- ננו-מונטמורילוניט (nMMT),
- פולי (חומצה מתקרילית)/ננו-מונטמורילוניט (PMA/nMMT),
- ואמוקסיצילין (AMX) ודיקלופנק (DF) טעונים PMA/nMMT.
הוא ציין כי MMT גולמי חייב מבנה גיליון שכבות מראה נוכחות של גרגרים גדולים יותר. לאחר השינוי, היריעות של MMT מתקלפות לחלקיקים זעירים, אשר עשויים להיות עקב חיסול של Si2+ ו- Al3+ מהאתרים האוקטהדרליים. ספקטרום EDX של nMMT מציג אחוז גבוה של פחמן, אשר עשוי להיות בעיקר בשל פעילי שטח המשמשים לשינוי כמו המרכיב העיקרי של CTAB (C19H42BrN) הוא פחמן (84%). PMA/nMMT מציג מבנה קוהרנטי וכמעט רציף. יתר על כן, אין נקבוביות גלויות, אשר מתאר את פילינג מלא של nMMT לתוך מטריצת PMA. לאחר ספיחה עם מולקולות התרופות אמוקסיצילין (AMX) ודיקלופנק (DF), נצפים שינויים במורפולוגיה של PMA/nMMT. פני השטח הופכים אסימטריים עם עלייה במרקם המחוספס.
שימוש ופונקציונליות של הידרוג'לים ננומטריים מבוססי חימר: ננו-קומפוזיטים הידרוג'ל מבוססי חימר צפויים להיות ספיחת-על פוטנציאלית לספיגת מזהמים אנאורגניים ו/או אורגניים מתמיסה מימית בשל המאפיינים המשלבים של חרסיות ופולימרים כאחד, כגון מתכלות ביולוגית, תאימות ביולוגית, כדאיות כלכלית, שפע, שטח פנים ספציפי גבוה, רשת תלת-ממדית ותכונות נפיחות / התנפחות.
(ראה: חאן ואח', 2020)
מיקרוגרפים SEM-EDX של (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT, ו-(d) הידרוג'לים ננו-קומפוזיטים טעונים ב-AMX ו-(e) DF. הננוג'לים הוכנו באמצעות אולטראסוניקציה.
(מחקר ותמונות: ©Khan et al. 2020)
אולטראסוניקאטורים בעלי ביצועים גבוהים לייצור הידרוג'ל וננו-ג'ל
אולטראסוניקאטורים בעלי ביצועים גבוהים לייצור הידרוג'ל וננו-ג'ל
Hielscher אולטרסוניקה מייצרת ציוד קולי בעל ביצועים גבוהים לסינתזה של הידרוג'לים וננו-ג'לים עם פונקציות מעולות. מ-R קטן ובינוני&D ו פיילוט אולטרסוניקאטורים למערכות תעשייתיות לייצור הידרוג'ל מסחרי במצב רציף, Hielscher אולטרסוניקה יש את המעבד קולי הנכון כדי לכסות את הדרישות שלך לייצור הידרוג'ל / ננו-ג'ל.
- יעילות גבוהה
- טכנולוגיה מתקדמת
- אֲמִינוּת & חוסן
- קְבוּצָה & בשורה
- עבור כל אמצעי אחסון
- תוכנה אינטליגנטית
- תכונות חכמות (למשל, פרוטוקול נתונים)
- קל ובטוח לתפעול
- תחזוקה נמוכה
- CIP (נקי במקום)
הטבלה להלן נותן לך אינדיקציה של יכולת עיבוד משוער של ultrasonicators שלנו:
| נפח תצווה | קצב זרימה | התקנים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500mL | 10 עד 200mL / min | מעלהay |
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 ל 20L | 0.2 ל 4 ליטר / דקה | UIP2000hdT |
| 10 עד 100 ליטר | 2 עד 10L / min | UIP4000hdT |
| 15 עד 150 ל' | 3 עד 15 ליטר לדקה | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 עד 100L / min | UIP16000 |
| N.A. | יותר גדול | אשכול UIP16000 |
תיצור איתנו קשר! / שאל אותנו!
(מחקר וסרט: Rutgeerts et al., 2019)
ספרות/הפניות
- 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 שראוי לדעת
פרוטוקול לסינתזה סונוכימית של ננו-חלקיקי ZnO
ZnO NPs היו מסונתזים באמצעות שיטת משקעים כימיים תחת השפעת הקרנה אולטרסאונד. בהליך טיפוסי, אבץ אצטט דיהידרט (Zn(CH3COO)2·2H2O) כמבשר, ותמיסת אמוניה של 30-33% (NH3) בתמיסה מימית (NH4OH) כחומר מחזרים, שימשו. הננו-חלקיקים ZnO נוצרו על ידי המסת הכמות המתאימה של אבץ אצטט ב-100 מ"ל של מים שעברו דה-יוניזציה כדי לייצר 0.1 M של תמיסת יוני אבץ. לאחר מכן, תמיסת יוני האבץ הייתה נתונה להקרנה של גלים על-קוליים באמצעות Hielscher UP400S (400 W, 24 קילוהרץ, ברלין, גרמניה) באמפליטודה של 79% ומחזור של 0.76 למשך 5 דקות בטמפרטורה של 40 ◦C. לאחר מכן, תמיסת האמוניה נוספה לתמיסת יוני האבץ בהשפעת הגלים העל-קוליים. לאחר כמה רגעים, NPs ZnO החלו לזרז ולגדול, ותמיסת האמוניה נוספה ברציפות עד שהתרחשה המשקעים המלאים של ZnO NPs.
ה- ZnO NPs שהושגו נשטפו באמצעות מים שעברו דה-יוניזציה מספר פעמים והושארו בחוץ כדי להתיישב. מאחור, המשקע המתקבל יובש בטמפרטורת החדר.
(איסמעיל ואח', 2021)
מהם ננו-ג'לים?
ננו-ג'לים או הידרוג'לים ננו-קומפוזיטים הם סוג של הידרוג'ל המשלב ננו-חלקיקים, בדרך כלל בטווח של 1-100 ננומטר, במבנה שלהם. ננו-חלקיקים אלה יכולים להיות אורגניים, אנאורגניים, 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 ללחח את המבנה הפולימרי, לקדם את ההצלבה ולשלב את הננו-חלקיקים, אולטרה-סאונד היא טכניקה יעילה ביותר לייצור הידרוג'לים וננו-ג'לים. רשתות הידרוג'ל וננו-ג'ל מסוגלות לספוג כמויות גדולות של מים, מה שהופך ננו-ג'לים ללחות גבוהה ולכן מתאימים למגוון רחב של יישומים כגון אספקת תרופות, הנדסת רקמות וביוסנסורים.
הידרוג'ל ננו-ג'ל מורכב בדרך כלל מננו-חלקיקים, כגון חלקיקי סיליקה או פולימרים, המפוזרים לאורך מטריצת ההידרוג'ל. ניתן לסנתז ננו-חלקיקים אלה בשיטות שונות, כולל פולימריזציה של תחליב, פולימריזציה של תחליב הפוך וסינתזת סול-ג'ל. סינתזות פילמור וסול-ג'ל אלה מפיקות תועלת רבה מתסיסה על-קולית.
הידרוג'לים ננו-קומפוזיטים, לעומת זאת, מורכבים משילוב של הידרוג'ל וננו-פילר, כגון חימר או תחמוצת גרפן. תוספת הננו-פילר יכולה לשפר את התכונות המכניות והפיזיקליות של ההידרוג'ל, כגון קשיחותו, חוזק המתיחה וקשיחותו. כאן, יכולות הפיזור החזקות של הסוניקציה מאפשרות התפלגות אחידה ויציבה של ננו-חלקיקים לתוך מטריצת ההידרוג'ל.
באופן כללי, לננו-ג'ל וננו-קומפוזיט יש מגוון רחב של יישומים פוטנציאליים בתחומים כגון ביו-רפואה, שיקום סביבתי ואגירת אנרגיה בשל תכונותיהם ופונקציונליותם הייחודית.
יישומים של ננו-ג'ל לטיפולים רפואיים
| סוג של ננו-ג'ל | סם | מחלה | פעילות | הפניות |
| PAMA-DMMA ננו-ג'לים | 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'לים מבוססי צ'יטוזן מעוטרים בהיאלורונאט | פוטו-סנסיטייזרים כמו טטרה-פניל-פורפירין-טטרה-סולפונט (TPPS4), טטרה-פניל-כלורין-טטרה-קרבוקסילאט (TPCC4) וכלור e6 (Ce6) | הפרעות ראומטיות | נלקח במהירות (4 שעות) על ידי המקרופאגים והצטבר בציטופלסמה ובאברונים שלהם | שמיט ואחרים (2010) |
| ננו-חלקיקי PCEC בהידרוג'לים פלורוניים | לידוקאין | הרדמה מקומית | הרדמה חדירה ארוכת טווח של כ-360 דקות | יין ואח' (2009) |
| פולי (חומצה לקטיד-קו-גליקולית) וננו-חלקיקים צ'יטוזן המפוזרים ב-HPMC ובג'ל קרבופול | ספנטיד 2 | דרמטיטיס מגע אלרגי והפרעות דלקתיות אחרות בעור | ננו-ג'לין פוטנציאל להעברה מלעורית של ספנטיד II | Punit et al. (2012) |
| ננו-ג'לים של פוליוויניל פירולידון-פולי רגישים ל-pH (חומצה אקרילית) (PVP/PAAc) | פילוקרפין | לשמור על ריכוז נאות של pilocarpine באתר של פעולה במשך תקופה ממושכת של זמן | עבד אלרחים ואח' (2013) | |
| פולי צולב (אתילן גליקול) ופוליאתילנימין | אוליגונוקלאוטידים | מחלות נוירודגנרטיביות | מועבר ביעילות על פני BBB. יעילות ההובלה גדלה עוד יותר כאשר פני השטח של הננוג'ל משתנים עם טרנספרין או אינסולין | וינוגרדוב ואחרים (2004) |
| ננו-ג'לים נושאי כולסטרול פולולן | רקומביננטי מורין אינטרלוקין-12 | אימונותרפיה של הגידול | ננו-ג'ל בשחרור מושהה | פרחאנה ואח' (2013) |
| פולי(N-איזופרופילקרילאמיד) וצ'יטוזן | טיפול בסרטן היפרתרמיה ואספקת תרופות ממוקדת | תרמו-רגיש מגנטית מודאלית | פרחאנה ואח' (2013) | |
| רשת מסועפת צולבת של פוליאתילניימין ופוליפלקסנוג'ל PEG | פלודרבין | סרטן | פעילות מוגברת והפחתת ציטוטוקסיות | פרחאנה ואח' (2013) |
| ננו-ג'ל תואם ביולוגית של פולולן נושא כולסטרול | כמלווה מלאכותי | טיפול במחלת אלצהיימר | מעכב צבירה של עמילואיד β-חלבון | איקדה ואחרים (2006) |
| ננו-ג'ל דנ"א עם קישור צולב של תמונות | חומר גנטי | טיפול גנטי | העברה מבוקרת של דנ"א פלסמיד | לי ואחרים (2009) |
| קרבופול/תחמוצת אבץ (ZnO) ג'ל ננו-חלקיקים היברידי | ננו-חלקיקי ZnO | פעילות אנטיבקטריאלית, מעכב חיידקים | איסמעיל ואחרים (2021) |
הטבלה הותאמה מתוך Swarnali et al., 2017
Hielscher אולטרסוניקה מייצרת homogenizers קולי ביצועים גבוהים מ מַעבָּדָה ל גודל תעשייתי.