Nanokompozit hidrogél szintézis ultrahangos kezeléssel
A nanokompozit hidrogélek vagy nanogélek többfunkciós 3D struktúrák, amelyek nagy hatékonysággal rendelkeznek gyógyszerhordozóként és szabályozott hatóanyag-leadású gyógyszerszállító rendszerként. Az ultrahangos kezelés elősegíti a nano-méretű, polimer hidrogél részecskék diszperzióját, valamint a nanorészecskék későbbi felvételét / beépítését ezekbe a polimer szerkezetekbe.
Nanogélek ultrahangos szintézise
A nanokompozit hidrogélek háromdimenziós anyagszerkezetek, és úgy tervezhetők, hogy sajátos tulajdonságokat mutassanak, ami erős gyógyszerhordozókká és szabályozott hatóanyag-leadású gyógyszerszállító rendszerekké teszi őket. Az ultrahangos kezelés elősegíti a funkcionalizált nanoméretű részecskék szintézisét, valamint a nanorészecskék későbbi beillesztését / beépítését háromdimenziós polimer szerkezetekbe. Mivel az ultrahanggal szintetizált nanogélek csapdába ejthetik a bioaktív vegyületeket nanoméretű magjukban, ezek a nanoméretű hidrogélek nagyszerű funkciókat kínálnak.
A nanogélek hidrogél nanorészecskék vizes diszperziója, amelyek fizikailag vagy kémiailag térhálósodnak hidrofil polimer hálózatként. Mivel a nagy teljesítményű ultrahang rendkívül hatékony a nano-diszperziók előállításában, a szonda típusú ultrahangos készülékek kulcsfontosságú eszköz a kiváló funkciókkal rendelkező nanogélek gyors és megbízható előállításához.
Ultrahangos UIP1000hdT üvegreaktorral nanokompozit hidrogél szintézishez
Az ultrahanggal előállított nanogélek funkciói
- kiváló kolloid stabilitás és nagy fajlagos felület
- nanorészecskékkel sűrűn tölthető
- Hagyjuk kombinálni a kemény és lágy részecskéket hibrid mag/héj nanogélben
- magas hidratációs potenciál
- A biológiai hozzáférhetőség előmozdítása
- magas duzzanat / duzzanatcsökkentő tulajdonságok
Az ultrahanggal szintetizált nanogéleket számos alkalmazásban és iparágban használják, pl.
- gyógyszerészeti és orvosi alkalmazásokhoz: pl. gyógyszerhordozó, antibakteriális gél, antibakteriális sebkötöző
- biokémiai és biomedicinális génszállításhoz
- adszorbensként/bioszorbensként kémiai és környezeti alkalmazásokban
- a "tissue engineering"-ben, mivel a hidrogélek utánozhatják számos natív szövet fizikai, kémiai, elektromos és biológiai tulajdonságait
Esettanulmány: Cink nanogél szintézis szonokémiai úton
A ZnO hibrid nanorészecskék stabilizálhatók egy karbopol gélben egy facile ultrahangos eljárással: Sonication használják a kicsapódás cink nanorészecskék, amelyek ezt követően ultrahanggal térhálósítják Karbopol, hogy nano-hidrogélt képezzenek.
Ismail et al. (2021) cink-oxid nanorészecskéket csapott ki facile sonokémiai úton. (Keresse meg a ZnO nanorészecskék szonokémiai szintézisének protokollját itt).
Ezt követően a nanorészecskéket a ZnO nanogél szintetizálására használtuk. Ezért az előállított ZnO NP-ket kettős ionmentes vízzel öblítettük. 0,5 g Carbopol 940-et feloldottunk 300 ml megduplázott ionmentes vízben, majd hozzáadtuk a frissen mosott ZnO NP-ket. Mivel a karbopol természetesen savas, az oldat a pH-érték semlegesítését igényli, különben nem sűrűsödne be. Így a keverék folyamatos ultrahangos kezelésen ment keresztül a Hielscher ultrasonicator UP400S amplitúdója 95 amplitúdó és 95% -os ciklus 1 órán keresztül. Ezután 50 ml trimetil-amint (TEA) semlegesítőszerként (a pH-t 7-re emelve) cseppenként hozzáadtunk folyamatos ultrahangos kezelés alatt, amíg a ZnO fehér gél képződik. A karbopol megvastagodása akkor kezdődött, amikor a pH közel volt a semleges pH-hoz.
A kutatócsoport elmagyarázza az ultrahangos kezelés rendkívül pozitív hatásait a nanogél képződésére fokozott részecske-részecske kölcsönhatással. A reakcióelegyben lévő összetevők ultrahanggal kezdeményezett molekuláris keverése fokozza a polimer-oldószer kölcsönhatások által elősegített sűrűségi folyamatot. Továbbá, szonikáció elősegíti a feloldódását Carbopol. Ezenkívül az ultrahanghullám besugárzás fokozza a polimer-ZnO NP-k kölcsönhatását és javítja az elkészített Carbopol / ZnO hibrid nanorészecskék gél viszkoelasztikus tulajdonságait.
A fenti sematikus folyamatábra a ZnO NP-k és a karbopol/ZnO hibrid nanorészecske gél szintézisét mutatja. A vizsgálatban az UP400St ultrahangos készüléket használták ZnO nanorészecskék kicsapására és nanogél képződésére. (Ismail et al., 2021 alapján)
ZnO NP-k kémiai kicsapódási módszerrel szintetizálva ultrahangos kezelés hatására, ahol (a) vizes oldatban van, és (b) ultrahanggal diszpergálódik egy stabil karbopol alapú hidrogélbe.
(tanulmány és kép: Ismail et al., 2021)
Case Stuy: Ultrahangos készítmény poli(metakrilsav) / Montmorillonit (PMA / nMMT) nanogél
Khan et al. (2020) bizonyította egy poli(metakrilsav) / Montmorillonite (PMA / nMMT) nanokompozit hidrogél sikeres szintézisét ultrahanggal segített redox polimerizációval. Jellemzően 1,0 g nMMT-t diszpergáltunk 50 ml desztillált vízben ultrahangos kezeléssel 2 órán keresztül, hogy homogén diszperziót képezzünk. Az ultrahangos kezelés javítja agyag diszperzióját, ami a hidrogélek fokozott mechanikai tulajdonságait és adszorpciós kapacitását eredményezi. Metakrilsav monomert (30 ml) cseppenként adtunk a szuszpenzióhoz. Iniciátor ammónium-perszulfátot (APS) (0,1 M) adtunk az elegyhez, majd 1,0 ml TEMED gyorsítót adtunk az elegyhez. A diszperziót mágneses keverővel erőteljesen kevertük 4 órán keresztül 50 °C-on. A kapott viszkózus masszát acetonnal mosottuk, és kemencében 48 órán át 70 °C-on szárítottuk. A kapott terméket őröltük és üvegben tároltuk. Különböző nanokompozit géleket szintetizáltunk az nMMT 0,5, 1,0, 1,5 és 2,0 g mennyiségben történő változtatásával. Az 1,0 g nMMT felhasználásával előállított nanokompozit hidrogélek jobb adszorpciós eredményeket mutattak, mint a többi kompozit, ezért további adszorpciós vizsgálatokhoz használták őket.
A jobb oldali SEM-EDX mikrográfok a montmorillonitból (MMT), nano-montmorillonitból (nMMT), poli(metakrilsav)/nano-montmorillonitból (PMA/nMMT), valamint amoxicillinből (AMX) és diklofenakból (DF) töltött PMA/nMMT-ből álló nanogélek elemi és szerkezeti elemzését mutatják. A SEM mikrográfok 1,00 KX nagyítással rögzítették az EDX
- montmorillonit (MMT),
- nano-montmorillonit (nMMT),
- poli(metakrilsav)/nano-montmorillonit (PMA/nMMT),
- és amoxicillinnel (AMX) és diklofenakkal (DF) töltött PMA/nMMT.
Megfigyelhető, hogy a nyers MMT réteges lemezszerkezettel rendelkezik, amely nagyobb szemcsék jelenlétét mutatja. A módosítás után az MMT lemezei apró részecskékké válnak, ami az Si2+ és Al3+ oktaéderes helyekről történő eltávolításának köszönhető. Az nMMT EDX spektruma nagy százalékban tartalmaz szenet, ami elsősorban a módosításhoz használt felületaktív anyagnak köszönhető, mivel a CTAB (C19H42BrN) fő alkotóeleme a szén (84%). A PMA/nMMT koherens és közel kofolytonos szerkezetet mutat. Továbbá nem láthatók pórusok, amelyek az nMMT teljes hámlását ábrázolják a PMA mátrixba. Az amoxicillin (AMX) és diklofenak (DF) gyógyszermolekulákkal történő szorpciót követően a PMA/nMMT morfológiájának változásai figyelhetők meg. A felület aszimmetrikussá válik a durva textúra növekedésével.
Az agyagalapú nanoméretű hidrogélek használata és funkciói: Az agyagalapú hidrogél nanokompozitok potenciális szuperadszorbensek lehetnek a szervetlen és/vagy szerves szennyeződések vizes oldatból történő felvételéhez, az agyagok és a polimerek kombinációs jellemzői miatt, mint például a biológiai lebonthatóság, a biokompatibilitás, a gazdasági életképesség, a bőség, a nagy fajlagos felület, a háromdimenziós hálózat és a duzzadási / duzzadási tulajdonságok.
(vö. Khan et al., 2020)
SEM-EDX mikrográfok a) MMT, b) nMMT, c) PMA/nMMT és d) AMX- és e) DF-terhelésű nanokompozit hidrogélekről. A nanogéleket ultrahangos kezeléssel állítottuk elő.
(tanulmány és képek: ©Khan et al. 2020)
Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek hidrogél és nanogél előállításához
Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek hidrogél és nanogél előállításához
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos berendezéseket gyárt hidrogélek és nanogélek szintézisére, kiváló funkciókkal. Kis és közepes méretű R-ből&D és pilóta ultrahangos készülékek ipari rendszerek kereskedelmi hidrogél gyártás folyamatos üzemmódban, Hielscher Ultrasonics rendelkezik a megfelelő ultrahangos processzor, hogy fedezze a hidrogél / nanogél előállításának követelményeit.
- nagy hatékonyság
- A legkorszerűbb technológia
- megbízhatóság & Erőteljesség
- halom & Inline
- bármely kötethez
- intelligens szoftver
- intelligens funkciók (pl. adatprotokoll)
- könnyen és biztonságosan kezelhető
- Alacsony karbantartási igény
- CIP (helyben tisztítható)
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:
| Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
|---|---|---|
| 1–500 ml | 10–200 ml/perc | UP100H |
| 10 és 2000 ml között | 20–400 ml/perc | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1-től 20L-ig | 0.2-től 4 liter/percig | UIP2000hdT |
| 10–100 liter | 2–10 l/perc | UIP4000hdt |
| 15–150 liter | 3–15 l/perc | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100 l/perc | UIP16000 |
| n.a. | Nagyobb | klaszter UIP16000 |
Kapcsolat! / Kérdezzen tőlünk!
(Tanulmány és film: Rutgeerts et al., 2019)
Irodalom / 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.
Tények, amelyeket érdemes tudni
Protokoll a ZnO nanorészecskék szonokémiai szintéziséhez
A ZnO NP-ket kémiai csapadék módszerrel szintetizáltuk ultrahang besugárzás hatására. Egy tipikus eljárásban prekurzorként cink-acetát-dihidrátot (Zn(CH3COO)2·2H2O), redukálószerként pedig vizes oldatban (NH4OH) 30–33% -os ammóniaoldatot (NH4OH) használtunk. A ZnO nanorészecskéket úgy állítottuk elő, hogy a megfelelő mennyiségű cink-acetátot feloldottuk 100 ml ionmentes vízben, hogy 0,1 M cinkion-oldatot kapjunk. Ezt követően a cinkion-oldatot ultrahangos hullámsugárzásnak vetettük alá Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Németország) segítségével 79% -os amplitúdóval és 0,76-os ciklussal 5 percig 40 ◦ C hőmérsékleten. Ezután az ammóniaoldatot cseppenként hozzáadjuk a cinkion-oldathoz az ultrahangos hullámok hatására. Néhány pillanat múlva a ZnO NP-k kicsapódni és növekedni kezdtek, és az ammóniaoldatot folyamatosan hozzáadtuk, amíg a ZnO NP-k teljes kicsapódása be nem következett.
A kapott ZnO NP-ket többször ionmentes vízzel mossuk, és hagyjuk leülepedni. Ezt követően a kapott csapadékot szobahőmérsékleten szárítottuk.
(Ismail et al., 2021)
Mik azok a nanogélek?
A nanogélek vagy nanokompozit hidrogélek olyan típusú hidrogélek, amelyek szerkezetükbe általában 1-100 nanométeres nanorészecskéket tartalmaznak. Ezek a nanorészecskék lehetnek szervesek, szervetlenek vagy a kettő kombinációja.
A nanogéleket a térhálósítás néven ismert eljárással alakítják ki, amely magában foglalja a polimer láncok kémiai kötését háromdimenziós hálózat kialakításához. Mivel a hidrogélek és nanogélek képződése alapos keverést igényel a polimer szerkezet hidratálása, a térhálósodás elősegítése és a nanorészecskék beépítése érdekében, az ultrahangos kezelés rendkívül hatékony technika hidrogélek és nanogélek előállítására. A hidrogél és nanogél hálózatok nagy mennyiségű vizet képesek felvenni, így a nanogélek erősen hidratáltak, és így alkalmasak széles körű alkalmazásokra, például gyógyszeradagolásra, szöveti tervezésre és bioszenzorokra.
A nanogél-hidrogélek jellemzően nanorészecskékből, például szilícium-dioxidból vagy polimer részecskékből állnak, amelyek a hidrogél mátrixban diszpergálódnak. Ezek a nanorészecskék különböző módszerekkel szintetizálhatók, beleértve az emulziós polimerizációt, az inverz emulziós polimerizációt és a szol-gél szintézist. Ezek a polimerizáció és szol-gél szintézisek nagy hasznot húznak az ultrahangos keverésből.
A nanokompozit hidrogélek viszont hidrogél és nanofiller, például agyag vagy grafén-oxid kombinációjából állnak. A nanofiller hozzáadása javíthatja a hidrogél mechanikai és fizikai tulajdonságait, például merevségét, szakítószilárdságát és szívósságát. Itt az ultrahangos erőteljes diszperziós kapacitások megkönnyítik a nanorészecskék egyenletes és stabil eloszlását a hidrogél mátrixba.
Összességében a nanogélek és nanokompozit hidrogélek egyedülálló tulajdonságaik és funkcióik miatt széles körű alkalmazási lehetőségekkel rendelkeznek olyan területeken, mint a biomedicina, a környezeti kármentesítés és az energiatárolás.
Nanogél alkalmazása orvosi kezelésekhez
| A nanogél típusa | Kábítószer | betegség | Tevékenység | Hivatkozások |
| PAMA-DMMA nanogélek | doxorubicin | Rák | A felszabadulási sebesség növekedése a pH-érték csökkenésével. Magasabb citotoxicitás 6,8-as pH-nál a sejtéletképességi vizsgálatokban | Du és mtsai (2010) |
| Hialuronáttal díszített kitozán alapú nanogélek | Fényérzékenyítők, például tetra-fenil-porfirin-tetraszulfonát (TPPS4), tetra-fenil-klór-tetra-karboxilát (TPCC4) és klór e6 (Ce6) | Reumás rendellenességek | A makrofágok gyorsan felveszik (4 óra), és felhalmozódnak citoplazmájukban és organelláikban | Schmitt és mtsai (2010) |
| PCEC nanorészecskék pluronos hidrogélekben | Lidokain | Helyi érzéstelenítés | Hosszan tartó, kb. 360 perces infiltrációs érzéstelenítést eredményezett | Yin és mtsai (2009) |
| HPMC-ben és karbopolgélben diszpergált poli(laktid-koglikolsav) és kitozán nanorészecske | Spantide II | Allergiás kontakt dermatitis és egyéb bőrgyulladásos rendellenességek | Nanogelinncreases potenciál a Spantid II perkután beadására | Punit és mtsai (2012) |
| pH-érzékeny polivinil-pirrolidon-poli (akrilsav) (PVP/PAAc) nanogélek | pilokarpin | Tartsa fenn a pilokarpin megfelelő koncentrációját a hatás helyén hosszabb ideig | Abd El-Rehim és mások (2013) | |
| Térhálósított poli (etilénglikol) és polietilén-enimin | Oligonukleotidok | Neurodegeneratív betegségek | Hatékonyan szállítják a BBB-n. A transzport hatékonyságát tovább növeli, ha a nanogél felületét transzferrinnel vagy inzulinnal módosítják | Vinogradov és munkatársai (2004) |
| Koleszterintartalmú pullulán nanogélek | Rekombináns egér interleukin-12 | Tumor immunterápia | Tartós felszabadulású nanogél | Farhana és mtsai (2013) |
| Poli(N-izopropil-akrilamid) és kitozán | Hipertermia, rákkezelés és célzott gyógyszeradagolás | Hőérzékeny mágnesesen módosított | Farhana és mtsai (2013) | |
| Polietilénimin és PEG poliplexnanogél térhálós, elágazó hálózata | fludarabin | Rák | Fokozott aktivitás és csökkent citotoxicitás | Farhana és mtsai (2013) |
| Biokompatibilis nanogél koleszterintartalmú pullulánból | Mesterséges kísérőként | Alzheimer-kór kezelése | Az amiloid β-fehérje aggregációjának gátlása | Ikeda és munkatársai (2006) |
| DNS nanogél fotó térhálósítással | Genetikai anyag | Génterápia | A plazmid DNS ellenőrzött szállítása | Lee és mtsai (2009) |
| Karbopoli/cink-oxid (ZnO) hibrid nanorészecske gél | ZnO nanorészecskék | Antibakteriális aktivitás, bakteriális inhibitor | Ismail és munkatársai (2021) |
A táblázat forrása: Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics gyárt nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok labor hoz ipari méret.