Sinteza nanokompozitnog hidrogela korištenjem ultrazvučne obrade
Nanokompozitni hidrogelovi ili nanogeli su višenamjenske 3D strukture s visokom učinkovitošću kao nosači lijekova i sustavi za kontrolirano otpuštanje lijekova. Ultrasonication promiče disperziju nano-veličine, čestice polimernog hidrogela, kao i naknadno uključivanje/inkorporiranje nanočestica u te polimerne strukture.
Ultrazvučna sinteza nanogela
Nanokompozitni hidrogelovi trodimenzionalne su materijalne strukture i mogu se dizajnirati da pokažu specifične značajke, što ih čini moćnim nosačima lijekova i sustavima za kontrolirano otpuštanje lijeka. Ultrasonication promiče sintezu funkcionaliziranih čestica nano veličine, kao i naknadno uključivanje/inkorporiranje nanočestica u trodimenzionalne polimerne strukture. Budući da ultrazvučno sintetizirani nanogeli mogu uhvatiti bioaktivne spojeve unutar svoje jezgre nanomjere, ovi hidrogelovi nano veličine nude izvrsne funkcionalnosti.
Nanogeli su vodena disperzija nanočestica hidrogela, koje su fizički ili kemijski umrežene kao hidrofilna polimerna mreža. Budući da je ultrazvuk visokih performansi vrlo učinkovit u proizvodnji nano-disperzija, ultrazvučni uređaji tipa sonde ključan su alat za brzu i pouzdanu proizvodnju nanogela s superiornom funkcionalnošću.
Ultrazvučni uređaj UIP1000hdT sa staklenim reaktorom za sintezu nanokompozitnog hidrogela
Funkcionalnosti ultrazvučno proizvedenih nanogela
- izvrsna koloidna stabilnost i velika specifična površina
- može biti gusto nabijen nanočesticama
- omogućuju kombiniranje tvrdih i mekih čestica u hibridnom nanogelu jezgra/ljuska
- visok hidratacijski potencijal
- promicanje bioraspoloživosti
- visoka svojstva bubrenja / uklanjanja bubrenja
Ultrazvučno sintetizirani nanogeli koriste se u brojnim aplikacijama i industrijama, npr
- za farmaceutsku i medicinsku primjenu: npr. nosač lijeka, antibakterijski gel, antibakterijski zavoj za rane
- u biokemiji i biomedicini za dostavu gena
- kao adsorbent/biosorbent u kemijskim i ekološkim primjenama
- u tkivnom inženjerstvu jer hidrogelovi mogu oponašati fizikalna, kemijska, električna i biološka svojstva mnogih prirodnih tkiva
Studija slučaja: Sinteza cinkovog nanogela sonokemijskim putem
Hibridne nanočestice ZnO mogu se stabilizirati u Carbopol gelu putem jednostavnog ultrazvučnog procesa: sonikacija se koristi za poticanje taloženja nanočestica cinka, koje se zatim ultrazvučno umrežuju s Carbopolom kako bi se formirao nano-hidrogel.
Ismail i sur. (2021) istaložili su nanočestice cinkovog oksida lakim sonokemijskim putem. (Ovdje pronađite protokol za sonokemijsku sintezu nanočestica ZnO).
Nakon toga, nanočestice su korištene za sintezu ZnO nanogela. Stoga su proizvedeni ZnO NP isprani dvostruko deioniziranom vodom. 0,5 g Carbopola 940 otopljeno je u 300 mL dvostruko deionizirane vode, nakon čega su dodani svježe isprani ZnO NP. Budući da je Carbopol prirodno kiseo, otopina zahtijeva neutralizaciju pH vrijednosti, inače se ne bi zgusnula. Dakle, smjesa je podvrgnuta kontinuiranoj sonikaciji pomoću Hielscher ultrasonicatora UP400S s amplitudom od 95 i ciklusom od 95% tijekom 1 sata. Zatim je dodano kap po kap 50 mL trimetilamina (TEA) kao neutralizirajućeg sredstva (podižući pH na 7) uz kontinuiranu sonikaciju dok nije došlo do stvaranja bijelog gela ZnO. Zgušnjavanje Carbopola počelo je kada je pH bio blizu neutralnog pH.
Istraživački tim objašnjava izvanredno pozitivne učinke ultrazvuka na stvaranje nanogela pojačanom interakcijom čestica-čestica. Ultrazvučno pokrenuto molekularno miješanje sastojaka u reakcijskoj smjesi pojačava proces zgušnjavanja potaknut međudjelovanjem polimera i otapala. Osim toga, sonikacija potiče otapanje Carbopola. Osim toga, zračenje ultrazvučnim valovima pojačava interakciju polimer-ZnO NP i poboljšava viskoelastična svojstva pripremljenog Carbopol/ZnO hibridnog gela nanočestica.
Gornji shematski dijagram toka prikazuje sintezu ZnO NP i Carbopol/ZnO hibridnog gela nanočestica. U istraživanju je korišten ultrazvučni uređaj UP400St za taloženje nanočestica ZnO i stvaranje nanogela. (preuzeto iz Ismail et al., 2021.)
ZnO NP sintetiziran metodom kemijske precipitacije pod utjecajem ultrazvučne obrade, gdje je (a) u vodenoj otopini, a (b) ultrazvučno raspršen u stabilni hidrogel na bazi Carbopola.
(studija i slika: Ismail et al., 2021.)
Studija slučaja: Ultrazvučna priprema nanogela poli(metakrilne kiseline)/montmorilonita (PMA/nMMT)
Khan i sur. (2020.) demonstrirao je uspješnu sintezu poli(metakrilne kiseline)/montmorilonita (PMA/nMMT) nanokompozitnog hidrogela putem redoks polimerizacije potpomognute ultrazvukom. Tipično, 1,0 g nMMT-a je dispergirano u 50 mL destilirane vode uz ultrazvučnu obradu tijekom 2 sata da se dobije homogena disperzija. Sonikacija poboljšava disperziju gline, što rezultira poboljšanim mehaničkim svojstvima i kapacitetom adsorpcije hidrogelova. Monomer metakrilne kiseline (30 mL) dodan je kap po kap u suspenziju. U smjesu je dodan inicijator amonijev persulfat (APS) (0,1 M), a zatim 1,0 mL TEMED akceleratora. Disperzija je snažno miješana 4 sata na 50°C pomoću magnetske miješalice. Rezultirajuća viskozna masa je isprana acetonom i osušena 48 h na 70°C u pećnici. Dobiveni proizvod je samljeven i pohranjen u staklenu bocu. Različiti nanokompozitni gelovi sintetizirani su variranjem nMMT u količinama od 0,5, 1,0, 1,5 i 2,0 g. Nanokompozitni hidrogelovi pripremljeni korištenjem 1,0 g nMMT-a pokazali su bolje rezultate adsorpcije od ostalih kompozita i stoga su korišteni za daljnja istraživanja adsorpcije.
SEM-EDX mikrografije s desne strane pokazuju elementarnu i strukturnu analizu nanogela koji se sastoje od montmorilonita (MMT), nano-montmorilonita (nMMT), poli(metakrilne kiseline)/nano-montmorilonita (PMA/nMMT) i amoksicilina (AMX) )- i diklofenakom (DF) opterećeni PMA/nMMT. SEM mikrografije snimljene pri povećanju od 1,00 KX zajedno s EDX od
- montmorilonit (MMT),
- nano-montmorilonit (nMMT),
- poli(metakrilna kiselina)/nano-montmorilonit (PMA/nMMT),
- i PMA/nMMT pun amoksicilina (AMX) i diklofenaka (DF).
Uočeno je da sirovi MMT ima slojevitu strukturu lista koja pokazuje prisutnost većih zrnaca. Nakon modifikacije, listovi MMT-a se ljušte u sitne čestice, što može biti posljedica eliminacije Si2+ i Al3+ iz oktaedarskih mjesta. EDX spektar nMMT-a pokazuje visok postotak ugljika, što prvenstveno može biti posljedica površinski aktivne tvari korištene za modifikaciju jer je glavni sastojak CTAB-a (C19H42BrN) ugljik (84%). PMA/nMMT prikazuje koherentnu i gotovo ko-kontinuiranu strukturu. Nadalje, nisu vidljive pore, što ukazuje na potpuno eksfolijaciju nMMT-a u PMA matricu. Nakon sorpcije s farmaceutskim molekulama amoksicilina (AMX) i diklofenaka (DF) uočavaju se promjene u morfologiji PMA/nMMT. Površina postaje asimetrična s povećanjem hrapave teksture.
Upotreba i funkcionalnosti hidrogelova nano veličine na bazi gline: Nanokompoziti hidrogela na bazi gline zamišljeni su kao potencijalni super adsorbenti za upijanje anorganskih i/ili organskih kontaminanata iz vodene otopine zbog kombiniranih karakteristika i gline i polimera, kao što su kao što su biorazgradivost, biokompatibilnost, ekonomska održivost, brojnost, visoka specifična površina, trodimenzionalna mreža i svojstva bubrenja / uklanjanja bubrenja.
(usp. Khan i sur., 2020.)
SEM-EDX mikrografije (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT, i (d) AMX- i (e) nanokompozitnih hidrogelova napunjenih DF-om. Nanogeli su pripremljeni ultrazvučnom obradom.
(studija i slike: ©Khan et al. 2020.)
Ultrazvučni uređaji visokih performansi za proizvodnju hidrogela i nanogela
Ultrazvučni uređaji visokih performansi za proizvodnju hidrogela i nanogela
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučnu opremu visokih performansi za sintezu hidrogelova i nanogela s vrhunskim funkcionalnostima. Od malih i srednjih R&D i pilot ultrazvučni uređaji za industrijske sustave za komercijalnu proizvodnju hidrogela u kontinuiranom načinu rada, Hielscher Ultrasonics ima pravi ultrazvučni procesor za pokrivanje vaših zahtjeva za proizvodnju hidrogela / nanogela.
- visoka efikasnost
- Najnovija tehnologija
- pouzdanost & robusnost
- serija & u redu
- za bilo koji volumen
- inteligentni softver
- pametne značajke (npr. protokoliranje podataka)
- jednostavan i siguran za rukovanje
- slabo održavanje
- CIP (čišćenje na mjestu)
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
(Studija i film: Rutgeerts et al., 2019.)
Literatura / Reference
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
Protokol za sonokemijsku sintezu nanočestica ZnO
ZnO NP sintetizirani su metodom kemijske precipitacije pod utjecajem ultrazvučnog zračenja. U tipičnom postupku korišten je cink acetat dihidrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) kao prekursor i otopina amonijaka od 30–33% (NH3) u vodenoj otopini (NH4OH) kao redukcijsko sredstvo. Nanočestice ZnO proizvedene su otapanjem odgovarajuće količine cinkovog acetata u 100 mL deionizirane vode kako bi se proizvelo 0,1 M otopine cinkovih iona. Zatim je otopina iona cinka podvrgnuta zračenju ultrazvučnim valovima pomoću Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Njemačka) pri amplitudi od 79% i ciklusu od 0,76 tijekom 5 minuta pri temperaturi od 40 ◦C. Zatim je otopina amonijaka dodana kap po kap otopini iona cinka pod djelovanjem ultrazvučnih valova. Nakon nekoliko trenutaka ZnO NP su se počeli taložiti i rasti, a otopina amonijaka je kontinuirano dodavana sve dok nije došlo do potpunog taloženja ZnO NP.
Dobiveni ZnO NP isprani su deioniziranom vodom nekoliko puta i ostavljeni da se talože. Nakon toga, dobiveni precipitat je osušen na sobnoj temperaturi.
(Ismail i sur., 2021.)
Što su Nanogeli?
Nanogeli ili nanokompozitni hidrogelovi su vrsta hidrogelova koji u svoju strukturu uključuju nanočestice, obično u rasponu od 1-100 nanometara. Ove nanočestice mogu biti organske, anorganske ili kombinacija oba.
Nanogeli se formiraju kroz proces poznat kao umrežavanje, koji uključuje kemijsko povezivanje polimernih lanaca u trodimenzionalnu mrežu. Budući da stvaranje hidrogelova i nanogela zahtijeva temeljito miješanje kako bi se hidratizirala polimerna struktura, pospješilo umrežavanje i ugradile nanočestice, ultrazvučna obrada je vrlo učinkovita tehnika za proizvodnju hidrogelova i nanogela. Mreže hidrogela i nanogela sposobne su apsorbirati velike količine vode, čineći nanogele visoko hidratiziranim i stoga prikladnim za širok raspon primjena kao što je isporuka lijekova, tkivni inženjering i biosenzori.
Nanogel hidrogelovi obično se sastoje od nanočestica, kao što su čestice silicijevog dioksida ili polimera, koje su raspršene po matrici hidrogela. Te se nanočestice mogu sintetizirati različitim metodama, uključujući emulzijsku polimerizaciju, inverznu emulzijsku polimerizaciju i sol-gel sintezu. Ove polimerizacije i sol-gel sinteze imaju velike koristi od ultrazvučnog miješanja.
Nanokompozitni hidrogelovi, s druge strane, sastoje se od kombinacije hidrogela i nanopunila, poput gline ili grafen oksida. Dodavanje nanopunila može poboljšati mehanička i fizikalna svojstva hidrogela, poput njegove krutosti, vlačne čvrstoće i žilavosti. Ovdje moćni disperzijski kapaciteti sonikacije olakšavaju jednoliku i stabilnu distribuciju nanočestica u matricu hidrogela.
Sve u svemu, nanogel i nanokompozitni hidrogelovi imaju širok raspon potencijalnih primjena u područjima kao što su biomedicina, sanacija okoliša i skladištenje energije zbog svojih jedinstvenih svojstava i funkcionalnosti.
Primjena Nanogela za medicinske tretmane
| Vrsta Nanogela | Droga | bolest | Aktivnost | Reference |
| PAMA-DMMA nanogeli | doksorubicin | Rak | Povećanje brzine otpuštanja kako se pH vrijednost smanjuje. Veća citotoksičnost pri pH 6,8 u studijama preživljavanja stanica | Du i sur. (2010) |
| Nanogeli na bazi hitozana ukrašeni hijaluronatom | Fotosenzibilizatori kao što su tetra-fenil-porfirin-tetra-sulfonat (TPPS4), tetra-fenil-klorin-tetra-karboksilat (TPCC4) i klor e6 (Ce6) | Reumatski poremećaji | Brzo ga preuzimaju (4 h) makrofagi i akumuliraju u njihovoj citoplazmi i organelama | Schmitt i sur. (2010) |
| PCEC nanočestice u Pluronic hidrogelovima | Lidokain | Lokalna anestezija | Proizvedena dugotrajna infiltracijska anestezija od oko 360 min | Yin i sur. (2009) |
| Poli(laktid-ko-glikolna kiselina) i nanočestice hitozana dispergirane u HPMC i Carbopol gelu | Spandida II | Alergijski kontaktni dermatitis i drugi upalni poremećaji kože | Nanogelinn povećava potencijal za perkutanu isporuku spantida II | Punit i sur. (2012) |
| pH-osjetljivi polivinil pirolidon-poli (akrilna kiselina) (PVP/PAAc) nanogeli | pilokarpin | Održavajte odgovarajuću koncentraciju pilokarpina na mjestu djelovanja dulje vrijeme | Abd El-Rehim i dr. (2013) | |
| Umreženi poli (etilen glikol) i polietilenimin | Oligonukleotidi | Neurodegenerativne bolesti | Učinkovito transportiran preko BBB. Učinkovitost transporta dodatno se povećava kada se površina nanogela modificira transferinom ili inzulinom | Vinogradov i sur. (2004) |
| Pululanski nanogeli koji sadrže kolesterol | Rekombinantni mišji interleukin-12 | Imunoterapija tumora | Nanogel s produženim oslobađanjem | Farhana i sur. (2013) |
| Poli(N-izopropilakrilamid) i kitozan | Liječenje raka hipertermijom i ciljana isporuka lijekova | Termoosjetljivi magnetski modalizirani | Farhana i sur. (2013) | |
| Umrežena razgranata mreža polietilenimina i PEG Polyplexnanogela | Fludarabin | Rak | Povećana aktivnost i smanjena citotoksičnost | Farhana i sur. (2013) |
| Biokompatibilni nanogel pululana koji nosi kolesterol | Kao umjetni pratilac | Liječenje Alzheimerove bolesti | Inhibiraju agregaciju amiloidnog β-proteina | Ikeda i sur. (2006) |
| DNA nanogel s foto umrežavanjem | Genetski materijal | Genska terapija | Kontrolirana isporuka plazmidne DNA | Lee i sur. (2009) |
| Karbopol/cinkov oksid (ZnO) hibridni gel nanočestica | ZnO nanočestice | Antibakterijsko djelovanje, bakterijski inhibitor | Ismail i sur. (2021.) |
Tablica prilagođena iz Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.