Sinteza nanokompozitnog hidrogela pomoću ultrazvuka
Nanokompozitivni hidrogelovi ili nanogelovi su multifunkcionalne 3D strukture s visokom učinkovitošću kao nositelji lijekova i sustavi za isporuku lijekova s kontroliranim otpuštanjem. Ultrasonication potiče disperziju nano veličine, polimernih čestica hidrogela, kao i naknadno uključivanje / ugradnju nanočestica u ove polimerne strukture.
Ultrazvučna sinteza nanogela
Nanokompozitivni hidrogelovi su trodimenzionalne strukture materijala i mogu se dizajnirati tako da pokazuju specifične značajke, što ih čini moćnim nosačima lijekova i sustavima isporuke lijekova s kontroliranim otpuštanjem. Ultrasonication potiče sintezu funkcionaliziranih čestica nano veličine, kao i naknadno uključivanje / ugradnju nanočestica u trodimenzionalne polimerne strukture. Kako ultrazvučno sintetizirani nanogelovi mogu zarobiti bioaktivne spojeve unutar svoje nanoskalne jezgre, ovi hidrogelovi nano veličine nude izvrsne funkcionalnosti.
Nanogeli su vodena disperzija hidrogelnih nanočestica, koje su fizički ili kemijski umrežene kao hidrofilna polimerna mreža. Budući da je ultrazvuk visokih performansi vrlo učinkovit u proizvodnji nano-disperzija, ultrasonicatori tipa sonde ključni su alat za brzu i pouzdanu proizvodnju nanogela s vrhunskim funkcionalnostima.
ultrasonicator UIP1000hdT sa staklenim reaktorom za sintezu nanokompozitnog hidrogela
Funkcionalnosti ultrazvučno proizvedenih nanogela
- izvrsna koloidna stabilnost i velika specifična površina
- može biti gusto pakiran s nanočesticama
- omogućiti kombiniranje tvrdih i mekih čestica u hibridnom nanogelu jezgre/ ljuske
- visok potencijal hidratacije
- promicanje bioraspoloživosti
- visoka svojstva oteklina / uklanjanja oteklina
Ultrazvučno sintetizirani nanogeli koriste se u brojnim primjenama i industrijama, npr.
- za farmaceutsku i medicinsku primjenu: npr. nositelj lijeka, antibakterijski gel, antibakterijski preljev za rane
- u biokemiji i biomedicini za isporuku gena
- kao adsorbent/biosorbenent u kemijskim i ekološkim primjenama
- u tkivnom inženjerstvu jer hidrogelovi mogu oponašati fizička, kemijska, električna i biološka svojstva mnogih izvornih tkiva
Studija slučaja: Sinteza cinkovog nanogela sonokemijskom rutom
ZnO hibridne nanočestice mogu se stabilizirati u Carbopol gelu putem facile ultrazvučnog procesa: Ultrazvukom se koristi za pokretanje oborina cinkovih nanočestica, koje se nakon toga ultrazvučno križaju s Carbopolom kako bi se stvorio nano-hidrogel.
(2021) taloži nanočestice cinkovog oksida putem facile sonokemijskog puta. (Protokol za sonokemijsku sintezu ZnO nanočestica pronađite ovdje).
Nakon toga, nanočestice su korištene za sintezu ZnO nanogela. Stoga su proizvedeni ZnO NPS isprani dvostrukom deioniziranom vodom. 0,5 g Carbopola 940 otopljeno je u 300 mL udvostručene deionizirane vode, nakon čega je uslijedilo dodavanje svježe opranih ZnO NZ-ova. Budući da je Karbopol prirodno kiselkast, otopina zahtijeva neutralizaciju pH vrijednosti, inače se ne bi zgusnula. Dakle, smjesa je prošla kontinuiranu ultrazvukom pomoću Hielscher ultrasonicator UP400S s amplitudom od 95 i ciklusom od 95% za 1 h. Zatim je dodano 50 mL trimetilamina (TEA) kao neutralizirajućeg sredstva (podizanje pH na 7) pod kontinuiranom ultrazvukom sve dok nije došlo do stvaranja ZnO bijelog gela. Zadebljanje Karbopola započelo je kada je pH bio blizu neutralnog pH .
Istraživački tim objašnjava izuzetno pozitivne učinke ultrazvuka na stvaranje nanogela pojačanom interakcijom čestica i čestica. Ultrazvučno inicirana molekularna uznemirenost sastojaka u reakcijskoj smjesi pojačava proces zadebljanja koji potiču interakcije polimera i otapala. Osim toga, ultrazvukom potiče otapanje Karbopola. Osim toga, zračenje ultrazvučnih valova pojačava interakciju polimera i ZnO NZ-a i poboljšava viskoelastična svojstva pripremljenog Carbopol / ZnO hibridnog gela za nanočestice.
Gornji shematski dijagram toka prikazuje sintezu ZnO NZ-ova i Carbopol /ZnO hibridnog nanočestica gela. U studiji, ultrasonicator UP400St je korišten za ZnO nanočestica oborine i nanogel stvaranje. (prilagođeno od Ismail i sur., 2021)
ZnO NPs sintetizirani metodom kemijskih oborina pod utjecajem ultrazvuka, gdje je (a) u vodenoj otopini, i (b) je ultrazvučno raspršen u stabilan hidrogel na bazi Carbopola.
(studija i slika: Ismail i sur., 2021))
Case Stuy: Ultrazvučna priprema poli(metakrilne kiseline)/Montmorillonita (PMA/nMMT) Nanogela
(2020) pokazala je uspješnu sintezu poli(metakrilne kiseline)/montmorilonitnog (PMA/nMMT) nanokompozitnog hidrogela putem redoks polimerizacije potpomognute ultrazvukom. Tipično, 1,0 g nMMT raspršeno je u 50 mL destilirane vode s ultrazvukom za 2 h kako bi se stvorila homogena disperzija. Ultrazvukom se poboljšava disperzija gline, što rezultira poboljšanim mehaničkim svojstvima i adsorpcijskim kapacitetom hidrogela. Monomer metakrilne kiseline (30 mL) dodan je kapaljično u suspenziju. Inicijator amonijev persulfat (APS) (0,1 M) dodan je smjesi nakon čega slijedi 1,0 mL TEMED akceleratora. Disperzija je snažno promiješana za 4 sata na 50 °C magnetskom miješalicom. Dobivena viskozna masa oprana je acetonom i isušena 48 sati na 70 °C u pećnici. Dobiveni proizvod je mljeven i pohranjen u staklenoj boci. Različiti nanokompozitivni gelovi sintetizirani su promjenom nMMT u količinama od 0,5, 1,0, 1,5 i 2,0 g. Nanokompozitivni hidrogelovi pripremljeni pomoću 1,0 g nMMT-a prikazali su bolje rezultate adsorpcije od ostalih kompozita i stoga su korišteni za daljnja istraživanja adsorpcije.
Mikrografi SEM-EDX s desne strane pokazuju elementarnu i strukturnu analizu nanogela koji se sastoje od montmorilonita (MMT), nano-montmorilonita (nMMT), poli(metakrililne kiseline)/nano-montmorilonita (PMA/nMMT) i PMA/nMMT-a s amoksicilinom (AMX)- i diklofenakom (DF). SEM mikrografi zabilježeni uvećanjem od 1,00 KX zajedno s EDX-om
- montmorilonit (MMT),
- nano-montmorillonit (nMMT),
- poli(metakrilna kiselina)/nano-montmorillonit (PMA/nMMT),
- i amoksicilin (AMX)- i diklofenak (DF) učitan PMA/nMMT.
Primijećeno je da sirovi MMT duguje slojevitu strukturu lima koja pokazuje prisutnost većih zrna. Nakon modifikacije, listovi MMT-a ljušte se u sitne čestice, što može biti posljedica eliminacije Si2+ i Al3+ s oktaedarskih mjesta. EDX spektar nMMT-a pokazuje visok postotak ugljika, što prvenstveno može biti posljedica površinski aktivne tvari koja se koristi za modifikaciju kao glavni sastojak CTAB-a (C19H42BrN) je ugljik (84%). PMA/nMMT prikazuje koherentnu i gotovo su-kontinuiranu strukturu. Nadalje, nisu vidljive pore koje prikazuju potpuni piling nMMT-a u PMA matricu. Nakon sorpcije s farmaceutskim molekulama amoksicilin (AMX) i diklofenak (DF), uočavaju se promjene u morfologiji PMA/nMMT. Površina postaje asimetrična s povećanjem grube teksture.
Upotreba i funkcionalnosti nano-veličine hidrogela na bazi gline: Nanokompoziti hidrogela na bazi gline predviđeni su kao potencijalni super adsorbenti za unos anorganskih i/ili organskih zagađivača iz vodene otopine zbog kombiniranih karakteristika gline i polimera, kao što su biorazgradivost, biokompatibilnost, ekonomska održivost, obilje, visoka specifična površina, trodimenzionalna mreža i svojstva oteklina / oticanja.
(usp. Kan i dr., 2020.)
SEM-EDX mikrografi (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT i (d) AMX- i (e) nanokompozitnih hidrogela opterećenih DF-om. Nanogelovi su pripremljeni pomoću ultrazvuka.
(studija i slike: ©Khan i dr. 2020)
High Performance Ultrasonicators za proizvodnju hidrogela i nanogela
High Performance Ultrasonicators za proizvodnju hidrogela i nanogela
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučnu opremu visokih performansi za sintezu hidrogela i nanogela s vrhunskim funkcionalnostima. Od malih i srednjih R&D i pilot ultrasonicators industrijskim sustavima za komercijalnu proizvodnju hidrogela u kontinuiranom načinu rada, Hielscher Ultrasonics ima pravi ultrazvučni procesor za pokrivanje vaših zahtjeva za proizvodnju hidrogela / nanogela.
- visoka efikasnost
- Najmodamoksna tehnologija
- pouzdanost & robusnost
- serija & u redu
- za bilo koji volumen
- inteligentni softver
- pametne značajke (npr. protokoliranje podataka)
- Jednostavan i siguran za rad
- Slabo održavanje
- CIP (čist na mjestu)
Tablica u nastavku daje vam pokazatelj približne mogućnosti obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Batch Volumen | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 mL | 10 do 200 mL / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 mL / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l / min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| N.a. | 10 do 100 l / min | UIP16000 |
| N.a. | veći | grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
(Studija i film: Rutgeerts i sur., 2019.)
Književnost / 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 ZnO nanočestica
ZnO NPs sintetizirani su metodom kemijskih oborina pod utjecajem ultrazvučnog zračenja. U tipičnom postupku korišteni su cinkov acetatni dihidrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) kao prekursor i otopina amonijaka od 30–33% (NH3) u vodenoj otopini (NH4OH) kao redukcijskom sredstvu. Nanočestice ZnO proizvedene su otapanjem odgovarajuće količine cinkovog acetata u 100 mL deionizirane vode za proizvodnju 0,1 M otopine cinkovih iona. Nakon toga, otopina cinkovih iona podvrgnuta je zračenju ultrazvučnih valova pomoću Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Njemačka) na amplitudi od 79% i ciklusu od 0,76 za 5 minuta na temperaturi od 40 ◦C. Zatim je otopina amonijaka dodana kapljično u otopinu cinkovih iona pod utjecajem ultrazvučnih valova. Nakon nekoliko trenutaka, ZnO NP-ovi su se počeli taložiti i rasti, a otopina amonijaka kontinuirano se dodavala sve dok nije došlo do potpunih oborina ZnO nacionalnih regulatornih tijela.
Dobiveni ZnO NP-ovi nekoliko su puta oprani deioniziranom vodom i izostavljeni su da se smire. Posteriorly, dobiveni talog je osušen na sobnoj temperaturi.
(Ismail i sur., 2021)
Što su Nanogelovi?
Nanogelovi ili nanokompozitivni hidrogelovi su vrsta hidrogela koji u svoju strukturu uključuje nanočestice, obično u rasponu od 1-100 nanometara. Ove nanočestice mogu biti organske, anorganske ili kombinacija oboje.
Nanogelovi se formiraju kroz proces poznat kao umrežavanje, koji uključuje kemijsko lijepljenje polimernih lanaca kako bi se stvorila trodimenzionalna mreža. Budući da stvaranje hidrogela i nanogela zahtijeva temeljito miješanje kako bi se hidratizirala polimerna struktura, promicalo umrežavanje i uključile nanočestice, ultrazvuka je vrlo učinkovita tehnika za proizvodnju hidrogela i nanogela. Hidrogelne i nanogelne mreže sposobne su apsorbirati velike količine vode, čineći nanogele visoko hidratiziranima i stoga prikladnim za širok raspon primjena kao što su isporuka lijekova, inženjering tkiva i biosenzori.
Nanogel hidrogelovi obično se sastoje od nanočestica, kao što su silikatne ili polimerne čestice, koje se raspršuju po hidrogelnoj matrici. Ove nanočestice mogu se sintetizirati različitim metodama, uključujući emulzijsku polimerizaciju, inverznu emulzijsku polimerizaciju i sintezu sol-gela. Ove polimerizacije i sol-gel sinteze imaju velike koristi od ultrazvučne uznemirenosti.
Nanokompozitivni hidrogelovi, s druge strane, sastoje se od kombinacije hidrogela i nanofillera, kao što su glina ili grafen oksid. Dodavanje nanofillera može poboljšati mehanička i fizička svojstva hidrogela, kao što su njegova krutost, vlačna čvrstoća i žilavost. Ovdje snažni disperzijski kapaciteti ultrazvukom olakšavaju ravnomjernu i stabilnu raspodjelu nanočestica u hidrogelnu matricu.
Sveukupno, nanogel i nanokompozitivni hidrogelovi imaju širok raspon potencijalnih primjena u područjima kao što su biomedicina, sanacija okoliša i skladištenje energije zbog svojih jedinstvenih svojstava i funkcionalnosti.
Primjene Nanogela za medicinske tretmane
| Vrsta Nanogela | lijek | bolest | Aktivnost | Reference |
| PAMA-DMMA nanogelovi | Doksorubicin | Rak | Povećanje stope otpuštanja kako se pH vrijednost smanjivala. Veća citotoksičnost pri pH 6,8 u studijama održivosti stanica | Du et al. (2010) |
| Nanogeli na bazi kitosana ukrašeni hijaluronatom | Fotosenzibilizatori kao što su tetra-fenil-porfirin-tetra-sulfonat (TPPS4), tetra-fenil-klor-tetra-karboksilat (TPCC4) i klor e6 (Ce6) | Reumatski poremećaji | Brzo ih makrofagi uzimaju (4 h) i akumuliraju u citoplazmi i organeli | Schmitt et al. (2010) |
| PCEC nanočestice u pluronskim hidrogelima | Lidokain | Lokalna anestezija | Proizvedena dugotrajna infiltracijska anestezija od oko 360 min | Yin et al. (2009) |
| Poli(laktid-ko-glikolna kiselina) i nanočestica kitosana raspršena u HPMC i Carbopol gelu | Spantide II | Alergijski kontaktni dermatitis i drugi upalni poremećaji kože | Nanogelinncreases potencijal za perkutanu isporuku spantida II | Punit et al. (2012) |
| nanogeli osjetljivi na pH polivinil pirolidon-poli (akrilna kiselina) (PVP/PAAc) | Pilokarpin | Održavati 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-a. Učinkovitost transporta dodatno se povećava kada se površina nanogela modificira transferrinom ili inzulinom | Vinogradov i dr. (2004) |
| Nanogeli koji nose kolesterol koji nosi pullulan | Rekombinantni murin interleukin-12 | Imunoterapija tumora | Nanogel s trajnim otpuštanjem | Farhana i dr. (2013) |
| Poli(N-izopropililamid) i kitozan | Liječenje raka hipertermije i ciljana isporuka lijekova | Termoosjetljivi magnetski modalizirani | Farhana i dr. (2013) | |
| Umrežena razgranata mreža polietilenimina i PEG Polyplexnanogela | Fludarabin | Rak | Povišena aktivnost i smanjena citotoksičnost | Farhana i dr. (2013) |
| Biokompatibilni nanogel pullulana koji nosi kolesterol | Kao umjetni pratitelj | Liječenje Alzheimerove bolesti | Inhibiranje agregacije amiloidnih β-proteina | Ikeda i dr. (2006) |
| DNA nanogel s foto-križanjem | Genetski materijal | Genska terapija | Kontrolirana isporuka plazmidne DNK | Lee i dr. (2009) |
| Hibridni nanočestični gel za karbopol/cinkov oksid (ZnO) | ZnO nanočestice | Antibakterijsko djelovanje, bakterijski inhibitor | Ismail i sur. (2021) |
Tablica prilagođena od Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi Laboratorija do industrijske veličine.