Sinteza nanokompozitnih hidrogelova primjenom ultrazvuka
Nanokompozitni hidrogelovi ili nanogelovi višenamjenske su 3D strukture s visokom učinkovitošću kao nosači lijekova i sustavi za dostavu lijekova s kontroliranim oslobađanjem. Obrada ultrazvukom potiče dispergiranje polimernih čestica hidrogela nanometarskih dimenzija te naknadno uključivanje/ugradnju nanočestica u te polimerne strukture.
Ultrazvučna sinteza nanogelova
Nanokompozitni hidrogelovi trodimenzionalne su strukture materijala koje se mogu oblikovati tako da pokazuju specifična svojstva, što ih čini učinkovitim nosačima lijekova i sustavima za dostavu lijekova s kontroliranim oslobađanjem. Obrada ultrazvukom potiče sintezu funkcionaliziranih čestica nanometarskih dimenzija te naknadno uključivanje/ugradnju nanočestica u trodimenzionalne polimerne strukture. Budući da ultrazvučno sintetizirani nanogelovi mogu zarobiti bioaktivne spojeve unutar svoje jezgre nanometarskih dimenzija, ti hidrogelovi nanometarskih dimenzija nude izvrsne funkcionalnosti.
Nanogelovi su vodene disperzije nanočestica hidrogela koje su fizički ili kemijski umrežene u hidrofilnu polimernu mrežu. Budući da je ultrazvuk visokog učinka vrlo učinkovit u proizvodnji nanodisperzija, ultrazvučni uređaji sa sondom ključan su alat za brzu i pouzdanu proizvodnju nanogelova s vrhunskim funkcionalnostima.
Ultrazvučni uređaj UIP1000hdT sa staklenim reaktorom za sintezu nanokompozitnih hidrogelova
Funkcionalnosti ultrazvučno proizvedenih nanogelova
- izvrsna koloidna stabilnost i velika specifična površina
- mogu se gusto ispuniti nanočesticama
- omogućuju kombiniranje tvrdih i mekih čestica u hibridnom nanogelu sa strukturom jezgra/ljuska
- visok hidratacijski potencijal
- potiču bioraspoloživost
- izražena svojstva bubrenja / skupljanja
Ultrazvučno sintetizirani nanogelovi upotrebljavaju se u brojnim primjenama i industrijama, npr.
- za farmaceutske i medicinske primjene: npr. kao nosači lijekova, antibakterijski gelovi, antibakterijske obloge za rane
- u biokemiji i biomedicini za dostavu gena
- kao adsorbensi/biosorbensi u kemijskim primjenama i primjenama u zaštiti okoliša
- u tkivnom inženjerstvu jer hidrogelovi mogu oponašati fizikalna, kemijska, električna i biološka svojstva mnogih prirodnih tkiva
Studija slučaja: sinteza cinkova nanogela sonokemijskim postupkom
Hibridne nanočestice ZnO mogu se stabilizirati u gelu Carbopol jednostavnim ultrazvučnim postupkom: sonikacija se upotrebljava za poticanje taloženja nanočestica cinka, koje se zatim ultrazvučno umrežavaju s Carbopolom kako bi nastao nanohidrogel.
Ismail i sur. (2021) istaložili su nanočestice cinkova oksida jednostavnim sonokemijskim postupkom. (Ovdje pronađite protokol za sonokemijsku sintezu nanočestica ZnO).
Potom su nanočestice upotrijebljene za sintezu nanogela ZnO. U tu su svrhu proizvedene ZnO NPs isprane dvostruko deioniziranom vodom. U 300 mL dvostruko deionizirane vode otopljeno je 0,5 g Carbopola 940, nakon čega su dodane svježe isprane ZnO NPs. Budući da je Carbopol prirodno kiseo, potrebno je neutralizirati pH vrijednost otopine jer se ona u suprotnom ne bi zgusnula. Stoga je smjesa podvrgnuta kontinuiranoj sonikaciji Hielscher ultrazvučnim uređajem UP400S pri amplitudi od 95 i ciklusu od 95% tijekom 1 h. Zatim je uz kontinuiranu sonikaciju kap po kap dodano 50 mL trimetilamina (TEA) kao sredstva za neutralizaciju (čime se pH povisio na 7), sve dok nije nastao bijeli gel ZnO. Zgušnjavanje Carbopola započelo je kada se pH približio neutralnoj vrijednosti.
Istraživački tim objašnjava iznimno pozitivne učinke ultrazvučne obrade na nastajanje nanogela pojačanim međudjelovanjem čestica. Ultrazvučno potaknuto molekularno gibanje sastojaka reakcijske smjese pospješuje proces zgušnjavanja koji potiču međudjelovanja polimera i otapala. Osim toga, sonikacija potiče otapanje Carbopola. Izlaganje ultrazvučnim valovima također pojačava međudjelovanje polimera i ZnO NPs te poboljšava viskoelastična svojstva pripremljenog gela hibridnih nanočestica Carbopol/ZnO.
Gornji shematski dijagram toka prikazuje sintezu ZnO NPs i gela hibridnih nanočestica Carbopol/ZnO. U istraživanju je ultrazvučni uređaj UP400St upotrijebljen za taloženje nanočestica ZnO i nastajanje nanogela. (prilagođeno prema Ismail et al., 2021)
ZnO NPs sintetizirane metodom kemijskog taloženja pod utjecajem ultrazvučne obrade, pri čemu su u (a) u vodenoj otopini, a u (b) ultrazvučno dispergirane u stabilan hidrogel na bazi Carbopola.
(istraživanje i slika: Ismail et al., 2021)
Prikaz slučaja: ultrazvučna priprema nanogela od poli(metakrilne kiseline)/montmorilonita (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) pokazali su uspješnu sintezu nanokompozitnog hidrogela od poli(metakrilne kiseline)/montmorilonita (PMA/nMMT) redoks-polimerizacijom potpomognutom ultrazvukom. U tipičnom postupku 1,0 g nMMT-a dispergirano je u 50 mL destilirane vode ultrazvučnom obradom tijekom 2 h kako bi se dobila homogena disperzija. Sonikacija poboljšava dispergiranje gline, što rezultira poboljšanim mehaničkim svojstvima i adsorpcijskim kapacitetom hidrogelova. Monomer metakrilne kiseline (30 mL) dodan je kap po kap u suspenziju. Smjesi je dodan inicijator amonijev persulfat (APS) (0,1 M), a zatim 1,0 mL ubrzivača TEMED. Disperzija je snažno miješana magnetskom miješalicom tijekom 4 h pri 50°C. Dobivena viskozna masa isprana je acetonom i sušena 48 h pri 70°C u sušioniku. Dobiveni proizvod usitnjen je mljevenjem i pohranjen u staklenu bocu. Različiti nanokompozitni gelovi sintetizirani su mijenjanjem količine nMMT-a, pri čemu su upotrijebljene količine od 0,5, 1,0, 1,5 i 2,0 g. Nanokompozitni hidrogelovi pripremljeni s 1,0 g nMMT-a pokazali su bolje rezultate adsorpcije od ostalih kompozita te su stoga upotrijebljeni za daljnje istraživanje adsorpcije.
SEM-EDX mikrografije desno prikazuju elementnu i strukturnu analizu nanogelova koji se sastoje od montmorilonita (MMT), nanomontmorilonita (nMMT), poli(metakrilne kiseline)/nanomontmorilonita (PMA/nMMT) te PMA/nMMT-a s ugrađenim amoksicilinom (AMX) i PMA/nMMT-a s ugrađenim diklofenakom (DF). SEM mikrografije snimljene pri povećanju od 1,00 KX zajedno s EDX analizom
- montmorilonita (MMT),
- nanomontmorilonita (nMMT),
- poli(metakrilne kiseline)/nanomontmorilonita (PMA/nMMT),
- te PMA/nMMT-a s ugrađenim amoksicilinom (AMX) i PMA/nMMT-a s ugrađenim diklofenakom (DF).
Uočeno je da sirovi MMT ima slojevitu pločastu strukturu u kojoj su prisutna veća zrna. Nakon modifikacije pločice MMT-a eksfoliraju se u sitne čestice, što može biti posljedica uklanjanja Si2+ i Al3+ iz oktaedarskih položaja. EDX spektar nMMT-a pokazuje visok udio ugljika, što može prvenstveno biti posljedica površinski aktivne tvari upotrijebljene za modifikaciju jer je glavni sastojak CTAB-a (C19H42BrN) ugljik (84%). PMA/nMMT pokazuje koherentnu i gotovo sukontinuiranu strukturu. Nadalje, pore nisu vidljive, što upućuje na potpunu eksfolijaciju nMMT-a u matrici PMA. Nakon sorpcije molekula lijekova amoksicilina (AMX) i diklofenaka (DF) uočavaju se promjene u morfologiji PMA/nMMT-a. Površina postaje asimetrična, uz povećanje hrapavosti.
Primjena i funkcionalnosti hidrogelova nanometarskih dimenzija na bazi gline: nanokompoziti hidrogelova na bazi gline smatraju se potencijalnim superadsorbensima za vezanje anorganskih i/ili organskih onečišćivala iz vodene otopine zbog kombinacije svojstava glina i polimera, kao što su biorazgradivost, biokompatibilnost, ekonomska isplativost, obilna dostupnost, velika specifična površina, trodimenzionalna mreža te svojstva bubrenja / skupljanja.
(usp. Khan et al., 2020)
SEM-EDX mikrografije (a) MMT-a, (b) nMMT-a, (c) PMA/nMMT-a te nanokompozitnih hidrogelova s ugrađenim (d) AMX-om i (e) DF-om. Nanogelovi su pripremljeni primjenom ultrazvuka.
(istraživanje i slike: ©Khan et al. 2020)
Ultrazvučni uređaji visokih performansi za proizvodnju hidrogelova i nanogelova
Ultrazvučni uređaji visokih performansi za proizvodnju hidrogelova i nanogelova
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučnu opremu visokih performansi za sintezu hidrogelova i nanogelova s vrhunskim funkcionalnostima. Od malih i srednjih ultrazvučnih uređaja za istraživanje i razvoj te pilot-primjene do industrijskih sustava za komercijalnu proizvodnju hidrogelova u kontinuiranom načinu rada, Hielscher Ultrasonics ima odgovarajući ultrazvučni procesor koji zadovoljava vaše zahtjeve za proizvodnju hidrogelova / nanogelova.
- visoka učinkovitost
- najsuvremenija tehnologija
- pouzdanost i robusnost
- šaržna i protočna obrada
- za bilo koji volumen
- inteligentan softver
- pametne značajke (npr. bilježenje podataka)
- jednostavno i sigurno rukovanje
- mali zahtjevi za održavanje
- CIP (čišćenje na mjestu)
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/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 |
| nije primjenjivo | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| nije primjenjivo | veći | skupina uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
(Istraživanje i videozapis: 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.
Korisne činjenice
Protokol za sonokemijsku sintezu nanočestica ZnO
Nanočestice ZnO sintetizirane su metodom kemijskog taloženja pod utjecajem ultrazvučnog zračenja. U tipičnom postupku upotrijebljeni su cinkov acetat dihidrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) kao prekursor i otopina amonijaka koncentracije 30–33% (NH3) u vodenoj otopini (NH4OH) kao redukcijsko sredstvo. Nanočestice ZnO proizvedene su otapanjem odgovarajuće količine cinkova acetata u 100 mL deionizirane vode kako bi se dobila otopina cinkovih iona koncentracije 0,1 M. Zatim je otopina cinkovih iona izložena zračenju ultrazvučnim valovima s pomoću uređaja Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Njemačka) pri amplitudi od 79% i ciklusu od 0,76 tijekom 5 min na temperaturi od 40 ◦C. Potom je otopina amonijaka dodavana kap po kap u otopinu cinkovih iona pod utjecajem ultrazvučnih valova. Nakon nekoliko trenutaka nanočestice ZnO počele su se taložiti i rasti, a otopina amonijaka kontinuirano je dodavana sve dok nije došlo do potpunog taloženja nanočestica ZnO.
Dobivene nanočestice ZnO nekoliko su puta isprane deioniziranom vodom i ostavljene da se slegnu. Nakon toga dobiveni je talog osušen na sobnoj temperaturi.
(Ismail et al., 2021)
Što su nanogelovi?
Nanogelovi ili nanokompozitni hidrogelovi vrsta su hidrogela koji u svoju strukturu uključuju nanočestice, obično u rasponu od 1–100 nanometara. Te nanočestice mogu biti organske, anorganske ili kombinacija obiju vrsta.
Nanogelovi nastaju procesom poznatim kao umrežavanje, koji uključuje kemijsko povezivanje polimernih lanaca radi stvaranja trodimenzionalne mreže. Budući da nastajanje hidrogelova i nanogelova zahtijeva temeljito miješanje kako bi se hidratizirala polimerna struktura, potaknulo umrežavanje i ugradile nanočestice, sonikacija je vrlo djelotvorna tehnika za proizvodnju hidrogelova i nanogelova. Mreže hidrogelova i nanogelova mogu apsorbirati velike količine vode, zbog čega su nanogelovi visoko hidratizirani i stoga prikladni za širok raspon primjena, poput isporuke lijekova, tkivnog inženjerstva i biosenzora.
Nanogelni hidrogelovi obično se sastoje od nanočestica, poput čestica silicijeva dioksida ili polimernih čestica, koje su dispergirane po cijeloj hidrogelnoj matrici. Te se nanočestice mogu sintetizirati različitim metodama, uključujući emulzijsku polimerizaciju, inverznu emulzijsku polimerizaciju i sol-gel sintezu. Ultrazvučno miješanje znatno pridonosi tim polimerizacijama i sol-gel sintezama.
Nanokompozitni hidrogelovi, s druge strane, sastoje se od kombinacije hidrogela i nanopunila, poput gline ili grafenova oksida. Dodavanje nanopunila može poboljšati mehanička i fizikalna svojstva hidrogela, poput krutosti, vlačne čvrstoće i žilavosti. U tom slučaju snažna sposobnost dispergiranja sonikacijom olakšava ravnomjernu i stabilnu raspodjelu nanočestica u hidrogelnoj matrici.
Općenito, nanogelni i nanokompozitni hidrogelovi imaju širok raspon potencijalnih primjena u područjima kao što su biomedicina, sanacija okoliša i pohrana energije zahvaljujući svojim jedinstvenim svojstvima i funkcionalnostima.
Primjene nanogela u medicinskom liječenju
| Vrsta nanogela | Lijek | Bolest | Djelovanje | Literatura |
| Nanogelovi PAMA-DMMA | Doksorubicin | Rak | Povećanje brzine otpuštanja sa smanjenjem pH-vrijednosti. Veća citotoksičnost pri pH 6,8 u ispitivanjima vijabilnosti stanica | Du et al. (2010) |
| Nanogelovi na bazi kitozana s hijaluronatom na površini | Fotosenzibilizatori poput tetrafenilporfirin-tetrasulfonata (TPPS4), tetrafenilklorin-tetrakarboksilata (TPCC4) i klorina e6 (Ce6) | Reumatske bolesti | Makrofagi ih brzo preuzimaju (4 h) te se nakupljaju u njihovoj citoplazmi i organelima | Schmitt et al. (2010) |
| Nanočestice PCEC u hidrogelovima Pluronic | Lidokain | Lokalna anestezija | Izazvali su dugotrajnu infiltracijsku anesteziju u trajanju od oko 360 min | Yin et al. (2009) |
| Nanočestice poli(laktid-ko-glikolne kiseline) i kitozana dispergirane u gelu HPMC-a i Carbopola | Spantide II | Alergijski kontaktni dermatitis i druge upalne bolesti kože | Nanogel povećava potencijal za perkutanu isporuku spantida II | Punit et al. (2012) |
| Nanogelovi polivinilpirolidona-poli(akrilne kiseline) (PVP/PAAc) osjetljivi na pH | Pilokarpin | Održavaju odgovarajuću koncentraciju pilokarpina na mjestu djelovanja tijekom duljeg razdoblja | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Umreženi poli(etilen-glikol) i polietilenimin | Oligonukleotidi | Neurodegenerativne bolesti | Učinkovito se prenose kroz krvno-moždanu barijeru (BBB). Učinkovitost prijenosa dodatno se povećava kada se površina nanogela modificira transferinom ili inzulinom | Vinogradov et al. (2004) |
| Nanogelovi pululana koji sadrži kolesterol | Rekombinantni mišji interleukin-12 | Imunoterapija tumora | Nanogel s produljenim oslobađanjem | Farhana et al. (2013) |
| Poli(N-izopropilakrilamid) i kitozan | Liječenje raka hipertermijom i ciljana isporuka lijekova | Termoosjetljiv, magnetski modaliziran | Farhana et al. (2013) | |
| Umrežena razgranata mreža polietilenimina i PEG-a – polipleksni nanogel | Fludarabin | Rak | Povećana aktivnost i smanjena citotoksičnost | Farhana et al. (2013) |
| Biokompatibilni nanogel pululana koji sadrži kolesterol | Kao umjetni šaperon | Liječenje Alzheimerove bolesti | Inhibira agregaciju amiloidnog β-proteina | Ikeda et al. (2006) |
| DNA nanogel s fotoumrežavanjem | Genetski materijal | Genska terapija | Kontrolirana isporuka plazmidne DNA | Lee et al. (2009) |
| Gel hibridnih nanočestica Carbopol/cinkov oksid (ZnO) | Nanočestice ZnO | Antibakterijska aktivnost, inhibitor bakterija | Ismail et al. (2021) |
Tablica prilagođena prema Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorijske do industrijske veličine.