סינתזה של הידרוג'ל ננו־מרוכב באמצעות אולטרסוניקציה
הידרוג'לים ננו־מרוכבים, או ננו־ג'לים, הם מבנים תלת־ממדיים (3D) רב־תפקודיים בעלי יעילות גבוהה כנשאי תרופות וכמערכות להובלת תרופות בשחרור מבוקר. אולטרסוניקציה מקדמת את הפיזור של חלקיקי הידרוג'ל פולימריים בגודל ננומטרי, וכן את ההכללה/ההטמעה של ננו־חלקיקים במבנים פולימריים אלה לאחר מכן.
סינתזה אולטרסונית של ננו־ג'לים
הידרוג'לים ננו־מרוכבים הם מבני חומר תלת־ממדיים, וניתן לתכנן אותם כך שיציגו תכונות מסוימות, ההופכות אותם לנשאי תרופות ולמערכות להובלת תרופות בשחרור מבוקר בעלי יעילות רבה. אולטרסוניקציה מקדמת את הסינתזה של חלקיקים בגודל ננומטרי שעברו פונקציונליזציה, וכן את ההכללה/ההטמעה של ננו־חלקיקים במבנים פולימריים תלת־ממדיים לאחר מכן. מכיוון שננו־ג'לים המסונתזים באמצעות אולטרסוניקציה יכולים ללכוד תרכובות פעילות ביולוגית בתוך הליבה הננומטרית שלהם, הידרוג'לים אלה, שגודלם ננומטרי, מציעים תכונות תפקודיות מצוינות.
ננו־ג'לים הם תרחיף מימי של ננו־חלקיקי הידרוג'ל, המצולבים פיזיקלית או כימית כרשת פולימרית הידרופילית. מכיוון שאולטרסאונד רב־עוצמה יעיל מאוד בהפקת תרחיפים ננומטריים, מכשירים אולטרסוניים מסוג גשוש הם כלי חיוני לייצור מהיר ואמין של ננו־ג'לים בעלי תכונות תפקודיות מעולות.
המכשיר האולטרסוני UIP1000hdT עם ריאקטור זכוכית לסינתזה של הידרוג'ל ננו־מרוכב
תכונות תפקודיות של ננו־ג'לים המיוצרים באמצעות אולטרסוניקציה
- יציבות קולואידית מצוינת ושטח פנים סגולי גדול
- ניתן להעמיס בהם ננו־חלקיקים בצפיפות גבוהה
- מאפשרים לשלב חלקיקים קשים ורכים בננו־ג'ל היברידי בעל מבנה ליבה/מעטפת
- פוטנציאל הידרציה גבוה
- קידום הזמינות הביולוגית
- כושר התנפחות / התכווצות גבוה
ננו־ג'לים המסונתזים באמצעות אולטרסוניקציה משמשים ביישומים ובתעשיות רבים, למשל
- ביישומים פרמצבטיים ורפואיים: למשל כנשא תרופות, כג'ל אנטיבקטריאלי וכחבישה אנטיבקטריאלית לפצעים
- בביוכימיה ובביו־רפואה להעברת גנים
- כחומר סופח/סופח ביולוגי ביישומים כימיים וסביבתיים
- בהנדסת רקמות, שכן הידרוג'לים יכולים לחקות את התכונות הפיזיקליות, הכימיות, החשמליות והביולוגיות של רקמות טבעיות רבות
חקר מקרה: סינתזה של ננו־ג'ל אבץ בדרך סונוכימית
ניתן לייצב ננו־חלקיקים היברידיים של ZnO בג'ל Carbopol באמצעות תהליך אולטרסוני פשוט: סוניקציה משמשת להשראת שיקוע של ננו־חלקיקי אבץ, אשר לאחר מכן מצולבים עם Carbopol באמצעות אולטרסוניקציה ליצירת ננו־הידרוג'ל.
Ismail et al. (2021) שיקעו ננו־חלקיקי תחמוצת אבץ בדרך סונוכימית פשוטה. (כאן תוכלו למצוא את הפרוטוקול לסינתזה סונוכימית של ננו־חלקיקי ZnO).
לאחר מכן שימשו הננו־חלקיקים לסינתזה של ננו־ג'ל ZnO. לשם כך נשטפו ננו־חלקיקי ה־ZnO שהופקו במים שעברו דה־יוניזציה כפולה. 0.5 g של Carbopol 940 הומסו ב־300 mL של מים שעברו דה־יוניזציה כפולה, ולאחר מכן נוספו ננו־חלקיקי ה־ZnO שנשטפו זה עתה. מכיוון ש־Carbopol חומצי מטבעו, נדרש לנטרל את ערך ה־pH של התמיסה, אחרת היא לא תסמיך. לפיכך עברה התערובת סוניקציה רציפה באמצעות המכשיר האולטרסוני UP400S של Hielscher במשרעת של 95 ובמחזור של 95% למשך 1 h. לאחר מכן נוספו בטפטוף 50 mL של טרימתילאמין (TEA) כחומר מנטרל (המעלה את ה־pH ל־7), תוך סוניקציה רציפה, עד להיווצרות ג'ל ZnO לבן. ההסמכה של Carbopol החלה כאשר ה־pH היה קרוב לערך ניטרלי.
צוות המחקר מסביר את ההשפעות החיוביות באופן יוצא דופן של הטיפול האולטרסוני על היווצרות הננו־ג'ל בהגברת האינטראקציה בין החלקיקים. התנועה המולקולרית של מרכיבי תערובת התגובה, הנוצרת בהשפעת הטיפול האולטרסוני, מגבירה את תהליך ההסמכה שמקדמות האינטראקציות בין הפולימר לממס. בנוסף, הסוניקציה מקדמת את המסת ה־Carbopol. כמו כן, ההקרנה בגלים אולטרסוניים מגבירה את האינטראקציה בין הפולימר לננו־חלקיקי ה־ZnO ומשפרת את התכונות הוויסקואלסטיות של ג'ל הננו־חלקיקים ההיברידי Carbopol/ZnO שהוכן.
תרשים הזרימה הסכמטי שלעיל מציג את הסינתזה של ננו־חלקיקי ZnO ושל ג'ל ננו־חלקיקים היברידי Carbopol/ZnO. במחקר שימש המכשיר האולטרסוני UP400St לשיקוע ננו־חלקיקי ZnO ולהיווצרות ננו־ג'ל. (מעובד מתוך Ismail et al., 2021)
ננו־חלקיקי ZnO שסונתזו בשיטת השיקוע הכימי בהשפעת טיפול אולטרסוני, כאשר ב־(a) הם נמצאים בתמיסה המימית, וב־(b) הם מפוזרים באמצעות טיפול אולטרסוני בתוך הידרוג'ל יציב על בסיס Carbopol.
(מחקר ותמונה: Ismail et al., 2021)
חקר מקרה: הכנה אולטרסונית של ננו־ג'ל פולי(חומצה מתאקרילית)/מונטמורילוניט (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) הדגימו סינתזה מוצלחת של הידרוג'ל ננו־מרוכב של פולי(חומצה מתאקרילית)/מונטמורילוניט (PMA/nMMT) באמצעות פילמור חמצון־חיזור בסיוע אולטרסאונד. בהליך טיפוסי פוזרו 1.0 g של nMMT ב־50 mL של מים מזוקקים באמצעות טיפול אולטרסוני למשך 2 h ליצירת תרחיף אחיד. סוניקציה משפרת את פיזור החרסית, וכתוצאה מכך משפרת את התכונות המכניות ואת כושר הספיחה של ההידרוג'לים. מונומר של חומצה מתאקרילית (30 mL) נוסף בטפטוף לתרחיף. לתערובת נוסף היזם אמוניום פרסולפט (APS) בריכוז 0.1 M, ולאחריו 1.0 mL של המאיץ TEMED. התרחיף עורבל בעוצמה במשך 4 h בטמפרטורה של 50°C באמצעות בוחש מגנטי. המסה הצמיגה שהתקבלה נשטפה באצטון ויובשה במשך 48 h בטמפרטורה של 70°C בתנור. התוצר שהתקבל נטחן ואוחסן בבקבוק זכוכית. ג'לים ננו־מרוכבים שונים סונתזו באמצעות שינוי כמות ה־nMMT ל־0.5, 1.0, 1.5 ו־2.0 g. ההידרוג'לים הננו־מרוכבים שהוכנו באמצעות 1.0 g של nMMT הראו תוצאות ספיחה טובות יותר משאר החומרים המרוכבים, ולכן שימשו להמשך חקר הספיחה.
תמונות המיקרוסקופיה מסוג SEM-EDX מימין מציגות את האנליזה היסודית והמבנית של הננו־ג'לים המורכבים ממונטמורילוניט (MMT), ננו־מונטמורילוניט (nMMT), פולי(חומצה מתאקרילית)/ננו־מונטמורילוניט (PMA/nMMT), וכן PMA/nMMT הטעון באמוקסיצילין (AMX) ובדיקלופנק (DF). תמונות ה־SEM צולמו בהגדלה של 1.00 KX ומוצגות לצד ספקטרומי ה־EDX של
- מונטמורילוניט (MMT),
- ננו־מונטמורילוניט (nMMT),
- פולי(חומצה מתאקרילית)/ננו־מונטמורילוניט (PMA/nMMT),
- וכן PMA/nMMT הטעון באמוקסיצילין (AMX) ובדיקלופנק (DF).
ניתן לראות כי ל-MMT הגולמי מבנה של יריעות שכבתיות, שבו ניכרת נוכחותם של גרגרים גדולים יותר. לאחר השינוי, יריעות ה-MMT מתקלפות לחלקיקים זעירים, ייתכן שעקב סילוק Si2+ ו-Al3+ מהאתרים האוקטהדרליים. ספקטרום ה-EDX של nMMT מציג אחוז גבוה של פחמן, שעשוי לנבוע בעיקר מהחומר הפעיל בשטח המשמש לשינוי, שכן המרכיב העיקרי של CTAB (C19H42BrN) הוא פחמן (84%). PMA/nMMT מציג מבנה מלוכד וכמעט רציף במשותף. נוסף על כך, לא נראות נקבוביות, דבר המעיד על התקלפות מלאה של nMMT לתוך מטריצת ה-PMA. לאחר ספיחה של מולקולות התרופות אמוקסיצילין (AMX) ודיקלופנק (DF), נצפים שינויים במורפולוגיה של PMA/nMMT. פני השטח נעשים אסימטריים ומרקמם נעשה מחוספס יותר.
שימוש ותכונות תפקודיות של הידרוג'לים ננומטריים מבוססי חרסית: ננו-מרוכבים של הידרוג'ל מבוסס חרסית נחשבים לסופחי-על פוטנציאליים לקליטת מזהמים אי-אורגניים ו/או אורגניים מתמיסה מימית, הודות לשילוב המאפיינים של חרסיות ופולימרים כאחד, כגון התכלות ביולוגית, תאימות ביולוגית, כדאיות כלכלית, זמינות בשפע, שטח פנים סגולי גבוה, רשת תלת-ממדית ותכונות תפיחה / התכווצות.
(ראו Khan et al., 2020)
תמונות מיקרוסקופיות מסוג SEM-EDX של (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT, ושל הידרוג'לים ננו-מרוכבים הטעונים ב-(d) AMX וב-(e) DF. הננוג'לים הוכנו באמצעות אולטרסאונד.
(מחקר ותמונות: ©Khan et al. 2020)
מכשירי אולטרסאונד בעלי ביצועים גבוהים לייצור הידרוג'לים וננוג'לים
מכשירי אולטרסאונד בעלי ביצועים גבוהים לייצור הידרוג'לים וננוג'לים
Hielscher Ultrasonics מייצרת ציוד אולטרסוני בעל ביצועים גבוהים לסינתזה של הידרוג'לים וננוג'לים בעלי תכונות תפקודיות מעולות. ממכשירי אולטרסאונד קטנים ובינוניים למחקר ופיתוח ולניסויי פיילוט ועד למערכות תעשייתיות לייצור מסחרי רציף של הידרוג'לים, ל-Hielscher Ultrasonics יש מעבד אולטרסוני מתאים למילוי דרישותיכם לייצור הידרוג'לים / ננוג'לים.
- יעילות גבוהה
- טכנולוגיה מהמתקדמות ביותר
- אמינות ועמידות
- עיבוד באצוות ובקו הייצור
- לכל נפח
- תוכנה חכמה
- תכונות חכמות (למשל, רישום נתונים)
- הפעלה קלה ובטוחה
- תחזוקה מועטה
- CIP (ניקוי במקום)
הטבלה שלהלן מספקת אינדיקציה לקיבולת העיבוד המשוערת של מכשירי האולטרסאונד שלנו:
| נפח אצווה | ספיקת זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500mL | 10 עד 200mL/min | UP100H |
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 עד 20L | 0.2 עד 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 עד 100L | 2 עד 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 עד 150L | 3 עד 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 עד 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | גבוהה יותר | מערך של UIP16000 |
צרו איתנו קשר! / שאלו אותנו!
(מחקר וסרטון: 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
ננו־חלקיקי ZnO סונתזו בשיטת השקעה כימית בהשפעת הקרנה אולטרסונית. בהליך טיפוסי נעשה שימוש באצטט אבץ דו־מימי (Zn(CH3COO)2·2H2O) כחומר מוצא ובתמיסת אמוניה בריכוז 30–33% (NH3) בתמיסה מימית (NH4OH) כחומר מחזר. ננו־חלקיקי ZnO יוצרו באמצעות המסת הכמות המתאימה של אצטט אבץ ב-100 mL של מים נטולי יונים, לקבלת תמיסת יוני אבץ בריכוז 0.1 M. לאחר מכן, תמיסת יוני האבץ נחשפה להקרנת גלים אולטרסוניים באמצעות Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, ברלין, גרמניה), במשרעת של 79% ובמחזור פעולה של 0.76 למשך 5 min בטמפרטורה של 40 ◦C. לאחר מכן נוספה תמיסת האמוניה בטפטוף לתמיסת יוני האבץ בהשפעת הגלים האולטרסוניים. כעבור רגעים אחדים החלו ננו־חלקיקי ZnO לשקוע ולגדול, ותמיסת האמוניה נוספה ברציפות עד להשלמת השקעתם של ננו־חלקיקי ZnO.
ננו־חלקיקי ZnO שהתקבלו נשטפו מספר פעמים במים נטולי יונים והושארו לשקוע. בהמשך, המשקע שהתקבל יובש בטמפרטורת החדר.
(Ismail et al., 2021)
מהם ננו־ג'לים?
ננו־ג'לים או הידרוג'לים ננו־מרוכבים הם סוג של הידרוג'ל המשלב במבנהו ננו־חלקיקים, בדרך כלל בטווח של 1–100 ננומטר. ננו־חלקיקים אלה יכולים להיות אורגניים, אי־אורגניים או שילוב של שניהם.
ננו־ג'לים נוצרים בתהליך המכונה צילוב, הכולל יצירת קשרים כימיים בין שרשראות פולימר ליצירת רשת תלת־ממדית. מכיוון שיצירת הידרוג'לים וננו־ג'לים דורשת ערבוב יסודי כדי להרוות את המבנה הפולימרי במים, לקדם את הצילוב ולשלב את ננו־החלקיקים, סוניקציה היא טכניקה יעילה ביותר לייצור הידרוג'לים וננו־ג'לים. רשתות של הידרוג'לים וננו־ג'לים מסוגלות לספוג כמויות גדולות של מים, כך שננו־ג'לים רוויים מאוד במים ולכן מתאימים למגוון רחב של יישומים, כגון הובלת תרופות, הנדסת רקמות וחיישנים ביולוגיים.
הידרוג'לים מסוג ננו־ג'ל מורכבים בדרך כלל מננו־חלקיקים, כגון חלקיקי סיליקה או פולימר, המפוזרים ברחבי מטריצת ההידרוג'ל. ניתן לסנתז ננו־חלקיקים אלה בשיטות שונות, ובהן פילמור באמולסיה, פילמור באמולסיה הפוכה וסינתזת סול-ג'ל. תהליכי פילמור וסינתזת סול-ג'ל אלה מפיקים תועלת רבה מערבול אולטרסוני.
הידרוג'לים ננו־מרוכבים, לעומת זאת, מורכבים משילוב של הידרוג'ל וחומר מילוי ננומטרי, כגון חרסית או תחמוצת גרפן. הוספת חומר המילוי הננומטרי יכולה לשפר את התכונות המכניות והפיזיקליות של ההידרוג'ל, כגון נוקשותו, חוזק המתיחה שלו וחסינותו לשבר. כאן, יכולות הפיזור העוצמתיות של הסוניקציה מקלות על פיזור אחיד ויציב של ננו־חלקיקים בתוך מטריצת ההידרוג'ל.
בסך הכול, להידרוג'לים מסוג ננו־ג'ל ולהידרוג'לים ננו־מרוכבים יש מגוון רחב של יישומים פוטנציאליים בתחומים כגון ביו־רפואה, שיקום סביבתי ואגירת אנרגיה, הודות לתכונותיהם וליכולותיהם התפקודיות הייחודיות.
יישומים של ננו־ג'ל בטיפולים רפואיים
| סוג הננו־ג'ל | תרופה | מחלה | פעילות | מקורות |
| ננו־ג'לים מסוג PAMA-DMMA | דוקסורוביצין | סרטן | עלייה בקצב השחרור עם ירידת ערך ה-pH. רעילות גבוהה יותר לתאים ב-pH 6.8 במחקרי חיות תאים | Du et al. (2010) |
| ננו־ג'לים מבוססי כיטוזן המעוטרים בהיאלורונט | חומרים פוטוסנסיטיביים כגון טטרה-פניל-פורפירין-טטרה-סולפונט (TPPS4), טטרה-פניל-כלורין-טטרה-קרבוקסילט (TPCC4) וכלורין e6 (Ce6) | מחלות ראומטיות | נקלטים במהירות (4 h) על ידי המקרופאגים ומצטברים בציטופלזמה ובאברונים שלהם | Schmitt et al. (2010) |
| ננו־חלקיקי PCEC בהידרוג'לים של Pluronic | לידוקאין | אלחוש מקומי | יצרו אלחוש בהסננה שנמשך כ-360 min | Yin et al. (2009) |
| פולי(לקטיד-קו-חומצה גליקולית) וננו־חלקיק כיטוזן המפוזרים בג'ל HPMC ו-Carbopol | Spantide II | דלקת עור אלרגית ממגע ומחלות דלקתיות אחרות של העור | הננוג'ל מגביר את הפוטנציאל להחדרת ספנטיד II דרך העור | Punit et al. (2012) |
| ננוג'לים רגישים ל-pH של פוליוויניל פירולידון–פולי(חומצה אקרילית) (PVP/PAAc) | פילוקרפין | שמירה על ריכוז מספק של פילוקרפין באתר הפעולה למשך פרק זמן ממושך | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| פולי(אתילן גליקול) ופוליאתילנאימין מצולבים | אוליגונוקלאוטידים | מחלות ניווניות של מערכת העצבים | מועברים ביעילות דרך מחסום הדם–מוח (BBB). יעילות ההעברה עולה עוד יותר כאשר פני השטח של הננוג'ל מותאמים באמצעות טרנספרין או אינסולין | Vinogradov et al. (2004) |
| ננוג'לים של פולולן נושא כולסטרול | אינטרלוקין-12 עכברי רקומביננטי | אימונותרפיה לגידולים | ננוג'ל לשחרור ממושך | Farhana et al. (2013) |
| פולי(N-איזופרופילאקרילאמיד) וכיטוזן | טיפול בסרטן באמצעות היפרתרמיה והובלה ממוקדת של תרופות | רגיש לחום, שעבר מודאליזציה מגנטית | Farhana et al. (2013) | |
| רשת מסועפת ומצולבת של פוליאתילנאימין ו-PEG ננוג'ל פוליפלקס | פלודרבין | סרטן | פעילות מוגברת ורעילות מופחתת לתאים | Farhana et al. (2013) |
| ננוג'ל בעל תאימות ביולוגית של פולולן נושא כולסטרול | כשפרון מלאכותי | טיפול במחלת אלצהיימר | עיכוב הצטברות של חלבון עמילואיד β | Ikeda et al. (2006) |
| ננוג'ל DNA עם צילוב באמצעות אור | חומר גנטי | ריפוי גנטי | הובלה מבוקרת של DNA פלסמידי | Lee et al. (2009) |
| ג'ל ננו-חלקיקים היברידי של Carbopol/תחמוצת אבץ (ZnO) | ננו-חלקיקי ZnO | פעילות אנטיבקטריאלית, עיכוב חיידקים | Ismail et al. (2021) |
הטבלה עובדה מתוך Swarnali et al., 2017
