Nanokompozit hidrogélek szintézise ultrahangos kezeléssel
A nanokompozit hidrogélek vagy nanogélek többfunkciós 3D struktúrák, amelyek nagy hatékonysággal alkalmazhatók gyógyszerhordozóként és szabályozott hatóanyag-leadású gyógyszerbeviteli rendszerként. Az ultrahangos kezelés elősegíti a nanoméretű polimer hidrogélrészecskék diszpergálását, valamint a nanorészecskék ezt követő bevitelét/beépítését ezekbe a polimerstruktúrákba.
Nanogélek ultrahangos szintézise
A nanokompozit hidrogélek háromdimenziós anyagstruktúrák, amelyek meghatározott tulajdonságokkal tervezhetők, így hatékony gyógyszerhordozóként és szabályozott hatóanyag-leadású gyógyszerbeviteli rendszerként alkalmazhatók. Az ultrahangos kezelés elősegíti a funkcionalizált nanoméretű részecskék szintézisét, valamint a nanorészecskék ezt követő bevitelét/beépítését háromdimenziós polimerstruktúrákba. Mivel az ultrahanggal szintetizált nanogélek bioaktív vegyületeket zárhatnak nanoméretű magjukba, ezek a nanoméretű hidrogélek kiváló funkcionális tulajdonságokkal rendelkeznek.
A nanogélek olyan hidrogél-nanorészecskék vizes diszperziói, amelyek fizikailag vagy kémiailag térhálósított hidrofil polimerhálózatot alkotnak. Mivel a nagy teljesítményű ultrahang rendkívül hatékony a nanodiszperziók előállításában, a szondás ultrahangos készülékek kulcsfontosságú eszközök a kiemelkedő funkcionális tulajdonságú nanogélek gyors és megbízható előállításához.
UIP1000hdT ultrahangos készülék üvegreaktorral nanokompozit hidrogélek szintéziséhez
Az ultrahanggal előállított nanogélek funkcionális tulajdonságai
- kiváló kolloidstabilitás és nagy fajlagos felület
- nanorészecskékkel sűrűn tölthetők
- lehetővé teszik kemény és lágy részecskék kombinálását hibrid mag/héj szerkezetű nanogélben
- nagy hidratációs képesség
- a biológiai hozzáférhetőség elősegítése
- nagy duzzadási / visszazsugorodási képesség
Az ultrahanggal szintetizált nanogéleket számos alkalmazásban és iparágban használják, például
- gyógyszerészeti és orvosi alkalmazásokban: például gyógyszerhordozóként, antibakteriális gélként, antibakteriális sebkötöző anyagként
- a biokémiában és a biomedicinában génbevitelre
- adszorbensként/bioszorbensként vegyipari és környezetvédelmi alkalmazásokban
- a szövetmérnökségben, mivel a hidrogélek számos természetes szövet fizikai, kémiai, elektromos és biológiai tulajdonságait utánozhatják
Esettanulmány: cinknanogél szintézise szonokémiai úton
A ZnO hibrid nanorészecskék egyszerű ultrahangos eljárással stabilizálhatók Carbopol gélben: az ultrahangos kezelést a cinknanorészecskék kicsapásának előidézésére használják, majd ezeket ultrahanggal térhálósítják a Carbopollal, hogy nanohidrogélt hozzanak létre.
Ismail és munkatársai (2021) egyszerű szonokémiai úton csaptak ki cink-oxid-nanorészecskéket. (A ZnO-nanorészecskék szonokémiai szintézisének protokollja itt található).
Ezt követően a nanorészecskéket a ZnO-nanogél szintéziséhez használták. Ehhez az előállított ZnO-nanorészecskéket kétszeresen ioncserélt vízzel öblítették le. 0,5 g Carbopol 940-et oldottak fel 300 mL kétszeresen ioncserélt vízben, majd hozzáadták a frissen mosott ZnO-nanorészecskéket. Mivel a Carbopol természeténél fogva savas, az oldat pH-ját semlegesíteni kell, különben nem sűrűsödne be. Ezért a keveréket 1 h időtartamon át folyamatos ultrahangos kezelésnek vetették alá a Hielscher UP400S ultrahangos készülékkel, 95-ös amplitúdóval és 95%-os ciklussal. Ezután folyamatos ultrahangos kezelés mellett cseppenként 50 mL trimetil-amint (TEA) adtak hozzá semlegesítőszerként (a pH-t 7-re emelve), amíg kialakult a fehér ZnO-gél. A Carbopol sűrűsödése akkor kezdődött, amikor a pH megközelítette a semleges pH-t.
A kutatócsoport az ultrahangos kezelés nanogélképződésre gyakorolt rendkívül kedvező hatásait a részecskék közötti fokozott kölcsönhatással magyarázza. A reakciókeverék összetevőinek ultrahanggal előidézett molekuláris mozgatása fokozza a polimer és az oldószer közötti kölcsönhatások által elősegített sűrűsödési folyamatot. Ezenkívül az ultrahangos kezelés elősegíti a Carbopol oldódását. Az ultrahanghullámokkal végzett besugárzás továbbá fokozza a polimer és a ZnO-nanorészecskék közötti kölcsönhatást, és javítja az előállított Carbopol/ZnO hibrid nanorészecskegél viszkoelasztikus tulajdonságait.
A fenti sematikus folyamatábra a ZnO-nanorészecskék és a Carbopol/ZnO hibrid nanorészecskegél szintézisét mutatja. A vizsgálatban az UP400St ultrahangos készüléket használták a ZnO-nanorészecskék kicsapásához és a nanogél kialakításához. (Ismail és munkatársai, 2021 alapján)
Ultrahangos kezelés hatására, kémiai kicsapási módszerrel szintetizált ZnO-nanorészecskék, amelyek (a) vizes oldatban vannak, illetve (b) ultrahanggal stabil, Carbopol-alapú hidrogélbe vannak diszpergálva.
(tanulmány és kép: Ismail és munkatársai, 2021)
Esettanulmány: poli(metakrilsav)/montmorillonit (PMA/nMMT) nanogél ultrahangos előállítása
Khan és munkatársai (2020) bemutatták egy poli(metakrilsav)/montmorillonit (PMA/nMMT) nanokompozit hidrogél sikeres szintézisét ultrahanggal segített redoxpolimerizációval. A szokásos eljárásban 1,0 g nMMT-t diszpergáltak 50 mL desztillált vízben 2 h ultrahangos kezeléssel, homogén diszperzió kialakítása érdekében. Az ultrahangos kezelés javítja az agyag diszpergálását, ezáltal javítja a hidrogélek mechanikai tulajdonságait és adszorpciós kapacitását. Metakrilsav-monomert (30 mL) adtak cseppenként a szuszpenzióhoz. A keverékhez ammónium-perszulfát (APS) iniciátort (0,1 M), majd 1,0 mL TEMED gyorsítót adtak. A diszperziót mágneses keverővel 4 h időtartamon át, 50°C-on intenzíven keverték. A keletkezett viszkózus masszát acetonnal mosták, majd szárítószekrényben 48 h időtartamon át, 70°C-on szárították. Az így kapott terméket megőrölték, és üvegpalackban tárolták. Különböző nanokompozit géleket szintetizáltak az nMMT mennyiségét 0,5, 1,0, 1,5 és 2,0 g között változtatva. Az 1,0 g nMMT felhasználásával készített nanokompozit hidrogélek jobb adszorpciós eredményeket mutattak, mint a többi kompozit, ezért ezeket használták a további adszorpciós vizsgálatokhoz.
A jobb oldali SEM-EDX mikroszkópos felvételek a montmorillonitból (MMT), nano-montmorillonitból (nMMT), poli(metakrilsav)/nano-montmorillonitból (PMA/nMMT), valamint amoxicillinnel (AMX) és diklofenákkal (DF) töltött PMA/nMMT-ből álló nanogélek elemanalitikai és szerkezeti elemzését mutatják. Az 1,00 KX nagyítással rögzített SEM mikroszkópos felvételek és az EDX-elemzések az alábbi anyagokról készültek:
- montmorillonit (MMT),
- nano-montmorillonit (nMMT),
- poli(metakrilsav)/nano-montmorillonit (PMA/nMMT),
- valamint amoxicillinnel (AMX) és diklofenákkal (DF) töltött PMA/nMMT.
Megfigyelhető, hogy a nyers MMT réteges lemezszerkezettel rendelkezik, amely nagyobb szemcsék jelenlétét mutatja. A módosítás után az MMT lemezei apró részecskékre hámlanak szét, ami a Si2+ és Al3+ oktaéderes helyekről történő eltávolításának lehet a következménye. Az nMMT EDX-spektruma nagy szénarányt mutat, ami elsősorban a módosításhoz használt felületaktív anyagnak tulajdonítható, mivel a CTAB (C19H42BrN) fő összetevője a szén (84%). A PMA/nMMT összefüggő és közel ko-folytonos szerkezetet mutat. Ezenkívül nem láthatók pórusok, ami az nMMT teljes exfoliációját jelzi a PMA-mátrixban. Az amoxicillin (AMX) és a diklofenák (DF) gyógyszermolekulák szorpcióját követően változások figyelhetők meg a PMA/nMMT morfológiájában. A felület aszimmetrikussá válik, és a textúrája érdesebb lesz.
Az agyagalapú nanoméretű hidrogélek felhasználása és funkcionális tulajdonságai: az agyagalapú hidrogél-nanokompozitokat potenciális szuperadszorbenseknek tekintik szervetlen és/vagy szerves szennyező anyagok vizes oldatból történő felvételére, mivel egyesítik az agyagok és a polimerek jellemzőit, például a biológiai lebonthatóságot, a biokompatibilitást, a gazdaságosságot, a bőséges rendelkezésre állást, a nagy fajlagos felületet, a háromdimenziós hálózatot és a duzzadási / visszazsugorodási tulajdonságokat.
(vö. Khan és munkatársai, 2020)
SEM-EDX mikroszkópos felvételek (a) MMT-ről, (b) nMMT-ről, (c) PMA/nMMT-ről, valamint (d) AMX-szel és (e) DF-fel töltött nanokompozit hidrogélekről. A nanogéleket ultrahangos kezeléssel készítették.
(tanulmány és képek: ©Khan és munkatársai 2020)
Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek hidrogélek és nanogélek előállításához
Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek hidrogélek és nanogélek előállításához
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos berendezéseket gyárt kiemelkedő funkcionális tulajdonságú hidrogélek és nanogélek szintéziséhez. A kis és közepes méretű kutatás-fejlesztési és kísérleti üzemi ultrahangos készülékektől a folyamatos üzemű kereskedelmi hidrogélgyártás ipari rendszereiig a Hielscher Ultrasonics megfelelő ultrahangos processzort kínál a hidrogél- / nanogélgyártási igények kielégítésére.
- nagy hatékonyság
- korszerű technológia
- megbízhatóság és robusztusság
- szakaszos és sorba épített üzem
- bármilyen térfogathoz
- intelligens szoftver
- intelligens funkciók (például adatnaplózás)
- egyszerű és biztonságos kezelés
- csekély karbantartási igény
- CIP (helyben történő tisztítás)
Az alábbi táblázat ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását mutatja:
| Szakaszosan kezelt térfogat | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | nagyobb | összekapcsolt készülékek: UIP16000 |
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen minket!
(Tanulmány és videó: Rutgeerts és munkatársai, 2019)
Szakirodalom / Hivatkozások
- 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.
Hasznos tudnivalók
A ZnO-nanorészecskék szonokémiai szintézisének protokollja
A ZnO-nanorészecskéket kémiai kicsapási módszerrel, ultrahangos besugárzás hatására szintetizálták. A szokásos eljárásban cink-acetát-dihidrátot (Zn(CH3COO)2·2H2O) használtak prekurzorként, valamint 30–33%-os ammóniaoldatot (NH3) vizes oldatban (NH4OH) redukálószerként. A ZnO-nanorészecskéket úgy állították elő, hogy megfelelő mennyiségű cink-acetátot oldottak fel 100 mL ioncserélt vízben, így 0,1 M koncentrációjú cinkionoldatot készítettek. Ezt követően a cinkionoldatot Hielscher UP400S készülékkel (400 W, 24 kHz, Berlin, Németország) ultrahanghullámokkal sugározták be, 79%-os amplitúdóval és 0,76-os ciklussal, 5 min időtartamon át, 40 ◦C hőmérsékleten. Ezután az ammóniaoldatot cseppenként adták a cinkionoldathoz az ultrahanghullámok hatása alatt. Néhány pillanat múlva a ZnO-nanorészecskék kicsapódni és növekedni kezdtek, és az ammóniaoldatot folyamatosan adagolták mindaddig, amíg a ZnO-nanorészecskék teljes kicsapódása be nem következett.
A kapott ZnO-nanorészecskéket többször mosták ioncserélt vízzel, majd állni hagyták, hogy leülepedjenek. Ezt követően a kapott csapadékot szobahőmérsékleten szárították.
(Ismail és munkatársai, 2021)
Mik a nanogélek?
A nanogélek vagy nanokompozit hidrogélek olyan hidrogélek, amelyek szerkezetükbe általában 1–100 nanométer mérettartományba eső nanorészecskéket építenek be. Ezek a nanorészecskék lehetnek szervesek, szervetlenek vagy a kettő kombinációi.
A nanogélek térhálósításnak nevezett folyamattal képződnek, amelynek során a polimerláncok kémiai kötésekkel kapcsolódnak össze, és háromdimenziós hálózatot alkotnak. Mivel a hidrogélek és nanogélek kialakításához alapos keverés szükséges a polimerstruktúra hidratálása, a térhálósítás elősegítése és a nanorészecskék beépítése érdekében, az ultrahangos kezelés rendkívül hatékony technika a hidrogélek és nanogélek előállítására. A hidrogél- és nanogélhálózatok nagy mennyiségű vizet képesek felvenni, így a nanogélek nagymértékben hidratáltak, és sokféle alkalmazásra alkalmasak, például gyógyszerbevitelre, szövetmérnökségi felhasználásra és bioszenzorok készítésére.
A nanogél-hidrogélek jellemzően olyan nanorészecskékből állnak, például szilícium-dioxid- vagy polimerrészecskékből, amelyek a hidrogélmátrix egészében diszpergálva vannak. Ezek a nanorészecskék különböző módszerekkel szintetizálhatók, többek között emulziós polimerizációval, inverz emulziós polimerizációval és szol-gél szintézissel. Az ultrahangos keverés jelentősen kedvez ezeknek a polimerizációs és szol-gél szintézisfolyamatoknak.
A nanokompozit hidrogélek ezzel szemben egy hidrogél és egy nanotöltőanyag, például agyag vagy grafén-oxid kombinációjából állnak. A nanotöltőanyag hozzáadása javíthatja a hidrogél mechanikai és fizikai tulajdonságait, például merevségét, szakítószilárdságát és szívósságát. Itt az ultrahangos kezelés nagy diszpergálási képessége elősegíti a nanorészecskék egyenletes és stabil eloszlását a hidrogélmátrixban.
Összességében a nanogél- és nanokompozit hidrogélek egyedi tulajdonságaiknak és funkcióiknak köszönhetően számos lehetséges alkalmazással rendelkeznek olyan területeken, mint a biomedicina, a környezeti kármentesítés és az energiatárolás.
A nanogélek alkalmazása orvosi kezelésekben
| A nanogél típusa | Gyógyszer | Betegség | Hatás | Hivatkozások |
| PAMA-DMMA nanogélek | Doxorubicin | Rák | A hatóanyag-leadás sebessége nőtt a pH-érték csökkenésével. Nagyobb citotoxicitás pH 6,8 mellett a sejtéletképességi vizsgálatokban | Du és munkatársai (2010) |
| Hialuronáttal díszített kitozánalapú nanogélek | Fotoszenzibilizátorok, például tetrafenil-porfirin-tetraszulfonát (TPPS4), tetrafenil-klorin-tetrakarboxilát (TPCC4) és klorin e6 (Ce6) | Reumás betegségek | A makrofágok gyorsan (4 h) felveszik őket, és felhalmozódnak azok citoplazmájában és sejtorganellumaiban | Schmitt és munkatársai (2010) |
| PCEC-nanorészecskék Pluronic hidrogélekben | Lidokain | Helyi érzéstelenítés | Hosszan tartó, körülbelül 360 min időtartamú infiltrációs érzéstelenítést eredményezett | Yin és munkatársai (2009) |
| HPMC- és Carbopol gélben diszpergált poli(laktid-ko-glikolsav)- és kitozán-nanorészecske | Spantide II | Allergiás kontakt dermatitisz és egyéb gyulladásos bőrbetegségek | A nanogél növeli a spantide II perkután bevitelének lehetőségét | Punit és munkatársai (2012) |
| pH-érzékeny poli(vinil-pirrolidon)–poli(akrilsav) (PVP/PAAc) nanogélek | Pilokarpin | Hosszabb ideig fenntartják a pilokarpin megfelelő koncentrációját a hatás helyén | Abd El-Rehim és munkatársai (2013) | |
| Térhálósított poli(etilén-glikol) és polietilén-imin | Oligonukleotidok | Neurodegeneratív betegségek | Hatékonyan átjutnak a vér–agy gáton (BBB). A transzport hatékonysága tovább nő, ha a nanogél felületét transzferrinnel vagy inzulinnal módosítják | Vinogradov és munkatársai (2004) |
| Koleszterint hordozó pullulán-nanogélek | Rekombináns egér-interleukin-12 | Daganat-immunterápia | Elnyújtott hatóanyag-leadású nanogél | Farhana és munkatársai (2013) |
| Poli(N-izopropil-akrilamid) és kitozán | Hipertermiás rákkezelés és célzott gyógyszerbevitel | Hőérzékeny, mágnesesen modalizált | Farhana és munkatársai (2013) | |
| Polietilén-imin és PEG poliplex-nanogél térhálósított, elágazó hálózata | Fludarabin | Rák | Fokozott aktivitás és csökkent citotoxicitás | Farhana és munkatársai (2013) |
| Koleszterint hordozó pullulán biokompatibilis nanogélje | Mesterséges chaperonként | Az Alzheimer-kór kezelése | Gátolják az amiloid β-fehérje aggregációját | Ikeda és munkatársai (2006) |
| Fototérhálósított DNS-nanogél | Genetikai anyag | Génterápia | Plazmid-DNS szabályozott bevitele | Lee és munkatársai (2009) |
| Carbopol/cink-oxid (ZnO) hibrid nanorészecskegél | ZnO-nanorészecskék | Antibakteriális aktivitás, baktériumgátló hatás | Ismail és munkatársai (2021) |
A táblázat Swarnali és munkatársai, 2017 alapján készült
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt a laboratóriumi mérettől az ipari méretig.