Nanokompozit hidrogél szintézis segítségével ultrahangos kezelés
A nanokompozit hidrogélek vagy nanogélek multifunkcionális 3D-s struktúrák, amelyek nagy hatékonysággal rendelkeznek gyógyszerhordozóként és szabályozott hatóanyag-leadású gyógyszeradagoló rendszerként. Ultrasonication elősegíti a diszperzió nano-méretű, polimer hidrogél részecskék, valamint az azt követő felvétel / beépítése nanorészecskék ezekbe a polimer szerkezetekbe.
Nanogélek ultrahangos szintézise
A nanokompozit hidrogélek háromdimenziós anyagszerkezetek, és úgy tervezhetők, hogy sajátos tulajdonságokkal rendelkezzenek, ami erős gyógyszerhordozókká és szabályozott hatóanyag-leadású gyógyszeradagoló rendszerekké teszi őket. Ultrasonication elősegíti a szintézis funkcionalizált nano-méretű részecskék, valamint az azt követő beépítés / beépítése nanorészecskék háromdimenziós polimer szerkezetek. Mivel az ultrahanggal szintetizált nanogélek bioaktív vegyületeket tudnak befogni nanoméretű magjukba, ezek a nanoméretű hidrogélek nagyszerű funkciókat kínálnak.
A nanogélek a hidrogél nanorészecskék vizes diszperziói, 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 eszközök a kiváló funkciókkal rendelkező nanogélek gyors és megbízható előállításához.
ultrahangos UIP1000hdT üvegreaktorral nanokompozit hidrogélszintézishez
Az ultrahanggal előállított nanogélek funkciói
- kiváló kolloid stabilitás és a nagy fajlagos felület
- sűrűn csomagolható nanorészecskékkel
- Lehetővé teszi a kemény és lágy részecskék kombinálását hibrid mag / héj nanogélben
- magas hidratációs potenciál
- a biológiai hozzáférhetőség előmozdítása
- magas duzzanat / duzzanat megszüntetése
Ultrahangosan szintetizált nanogéleket használnak számos alkalmazásban és iparágban, pl.
- gyógyszerészeti és orvosi alkalmazásokhoz: pl. gyógyszerhordozó, antibakteriális gél, antibakteriális sebkötözés
- a biokémiában és a biomedicinában a 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 Carbopol gélben stabilizálhatók egy facile ultrahangos eljárással: A szonikálást a cink nanorészecskék kicsapódásának elősegítésére használják, amelyeket ezt követően ultrahanggal térhálósítanak a Carbopol-lal, hogy nano-hidrogélt képezzenek.
Ismail et al. (2021) cink-oxid nanorészecskéket csapott ki egy facile sonokémiai úton. (Itt találja meg a ZnO nanorészecskék szonokémiai szintézisének protokollját).
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 kétszeres ioncserélt 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 keveréket folyamatos ultrahangos kezelésnek vetették alá a Hielscher ultrasonicator UP400S segítségével, 95-ös amplitúdóval és 95% -os ciklussal 1 órán keresztül. Ezután 50 ml trimetil-amint (TEA) semlegesítőszerként (a pH-t 7-re emelve) cseppenként adtunk hozzá folyamatos szonikálás mellett, amíg a ZnO fehér gél képződik. A Carbopol 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 megkezdett molekuláris keverése fokozza a polimer-oldószer kölcsönhatások által elősegített sűrűségi folyamatot. Ezenkívül az ultrahangos kezelés elősegíti a Carbopol feloldódását. Ezenkívül az ultrahanghullám-besugárzás fokozza a polimer-ZnO NPs kölcsönhatást és javítja az előkészített Carbopol / ZnO hibrid nanorészecskék gél viszkoelasztikus tulajdonságait.
A fenti sematikus folyamatábra a ZnO NP-k és a Carbopol/ZnO hibrid nanorészecske gél szintézisét mutatja. A vizsgálatban az UP400St ultrahangos készüléket használták ZnO nanorészecske csapadék és nanogél képződés. (Ismail et al., 2021 alapján)
A kémiai kicsapódási módszerrel szintetizált ZnO NP-k ultrahangos kezelés hatására, ahol (a) vizes oldatban van, és (b) ultrahanggal diszpergálódik egy stabil Carbopol-alapú hidrogélbe.
(tanulmány és kép: Ismail et al., 2021)
Stuy eset: Poli(metakrilsav) / montmorillonit (PMA / nMMT) nanogél ultrahangos előkészítése
Khan et al. (2020) egy poli(metakrilsav)/montmorillonit (PMA/nMMT) nanokompozit hidrogél sikeres szintézisét mutatta be ultrahanggal segített redox polimerizációval. Jellemzően 1,0 g nMMT-t diszpergáltunk 50 ml desztillált vízben ultrahangos kezeléssel 2 órán keresztül, hogy homogén diszperziót kapjunk. A szonikálás javítja az agyag diszperzióját, ami a hidrogélek mechanikai tulajdonságainak és adszorpciós kapacitásának javulását eredményezi. Metakrilsav monomert (30 ml) cseppenként adtunk a szuszpenzióhoz. A keverékhez iniciátor-ammónium-perszulfátot (APS) (0,1 M) adtunk, majd 1,0 ml TEMED gyorsítót. A diszperziót mágneses keverővel 4 órán át erőteljesen kevertük 50°C-on. A kapott viszkózus masszát acetonnal mostuk és szárítószekrényben 48 órán át 70°C-on szárítottuk. A kapott terméket őröltük és üvegpalackban 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 készített 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. Az 1,00 KX nagyítással rögzített SEM mikrográfok az EDX
- montmorillonit (MMT),
- nano-montmorillonit (nMMT),
- poli(metakrilsav)/nano-montmorillonit (PMA/nMMT),
- és amoxicillin (AMX) és diklofenak (DF) által betöltött PMA/nMMT.
Megfigyelték, hogy a nyers MMT egy réteges lapszerkezettel tartozik, amely nagyobb szemcsék jelenlétét mutatja. A módosítás után az MMT lapjait apró részecskékké hámlasztják, ami a Si2+ és Al3+ oktaéderes helyekről való eltávolításának tudható be. Az nMMT EDX spektruma nagy széntartalmat mutat, ami elsősorban a módosításhoz használt felületaktív anyagnak tudható be, mivel a CTAB fő összetevője (C19H42BrN) a szén (84%). A PMA/NMMT koherens és közel párhuzamosan folytonos struktúrát jelenít meg. Továbbá nem láthatók pórusok, amelyek az nMMT teljes hámlását ábrázolják a PMA mátrixba. Az amoxicillin (AMX) és a diklofenak (DF) gyógyszermolekulákkal történő szorpció után a PMA/nMMT morfológiájában változások figyelhetők meg. A felület aszimmetrikus lesz a durva textúra növekedésével.
Az agyagalapú nanoméretű hidrogélek használata és funkciói: Az agyagalapú hidrogél nanokompozitokat úgy képzelik el, mint potenciális szuperadszorbenseket a szervetlen és/vagy szerves szennyeződések vizes oldatból történő felvételéhez az agyagok és a polimerek kombinált 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)
(a) MMT, b) nMMT, c) PMA/nMMT és d) AMX- és (e) DF-terhelésű nanokompozit hidrogélek SEM-EDX mikrográfiái. A nanogéleket ultrahangos kezeléssel állítottuk elő.
(tanulmány és képek: ©Khan et al. 2020)
Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek hidrogél és nanogél termeléshez
Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek hidrogél és nanogél termeléshez
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos berendezéseket gyárt a kiváló funkciókkal rendelkező hidrogélek és nanogélek szintéziséhez. Kis és közepes méretű R-ből&D és kísérleti ultrahangos készülékek ipari rendszerekhez kereskedelmi hidrogél gyártáshoz folyamatos üzemmódban, Hielscher Ultrasonics rendelkezik a megfelelő ultrahangos processzorral, hogy fedezze a hidrogél / nanogél termelés igényeit.
- magas hatásfok
- A legkorszerűbb technológia
- megbízhatóság & robusztusság
- tétel & Sorban
- bármilyen hangerőre
- intelligens szoftver
- intelligens funkciók (pl. adatprotokollozás)
- Könnyen kezelhető és biztonságos
- Alacsony karbantartás
- CIP (helyben tisztítva)
Az alábbi táblázat az ultrahangos készülékek hozzávetőleges feldolgozási kapacitását jelzi:
| Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
|---|---|---|
| 1 - 500 ml | 10-200 ml / perc | UP100H |
| 10-2000 ml | 20-400 ml / perc | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1-20L | 02 - 4 L / perc | UIP2000hdT |
| 10-100 liter | 2 - 10 l / perc | UIP4000hdT |
| 15 és 150L között | 3 és 15 l / perc között | UIP6000hdT |
| na | 10 - 100 l / perc | UIP16000 |
| na | nagyobb | klaszter UIP16000 |
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezz minket!
(Tanulmány és film: Rutgeerts et al., 2019)
Irodalom / Referenciák
- 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.
Tudni érdemes
Protokoll a ZnO nanorészecskék szonokémiai szintéziséhez
A ZnO NP-ket kémiai kicsapódási módszerrel szintetizáltuk ultrahang besugárzás hatására. Egy tipikus eljárásban cink-acetát-dihidrátot (Zn(CH3COO)2·2H2O) használtunk prekurzorként, és 30–33% (NH3) ammóniaoldatot vizes oldatban (NH4OH) redukálószerként. A ZnO nanorészecskéket úgy állítottuk elő, hogy a megfelelő mennyiségű cink-acetátot 100 ml ionmentes vízben feloldottuk, hogy 0,1 M cinkion-oldatot kapjunk. Ezt követően a cinkionok oldatát ultrahangos hullámbesugárzásnak 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 hozzáadtuk a cinkionok oldatához az ultrahangos hullámok hatására. Néhány pillanat múlva a ZnO NP-k elkezdtek kicsapódni és növekedni, és az ammóniaoldatot folyamatosan hozzáadták, amíg a ZnO NP-k teljes kicsapódása meg nem történt.
A kapott ZnO NP-ket többször megmosták ioncserélt vízzel, és kint hagyták, hogy letelepedjenek. Utólag a kapott csapadékot szobahőmérsékleten szárítottuk.
(Ismail et al., 2021)
Mik azok a Nanogels?
A nanogélek vagy nanokompozit hidrogélek olyan hidrogélek, amelyek általában 1-100 nanométeres nanorészecskéket tartalmaznak szerkezetükbe. Ezek a nanorészecskék lehetnek szervesek, szervetlenek vagy a kettő kombinációja.
A nanogéleket a térhálósítás néven ismert eljárással állítják elő, amely magában foglalja a polimer láncok kémiai kötését háromdimenziós hálózat kialakításához. Mivel a hidrogélek és a nanogélek képződése alapos keverést igényel a polimer szerkezet hidratálása, a térhálósodás elősegítése és a nanorészecskék beépítése érdekében, az ultrahangos kezelés rendkívül hatékony technika a hidrogélek és nanogélek előállításához. A hidrogél és a nanogél hálózatok nagy mennyiségű vizet képesek felszívni, így a nanogélek erősen hidratáltak, és így számos alkalmazáshoz alkalmasak, mint például a gyógyszeradagolás, a "tissue engineering" és a bioszenzorok.
A nanogél-hidrogélek jellemzően nanorészecskékből, például szilícium-dioxidból vagy polimer részecskékből állnak, amelyek szétszóródnak a hidrogél mátrixban. Ezek a nanorészecskék különféle módszerekkel szintetizálhatók, beleértve az emulziós polimerizációt, az inverz emulziós polimerizációt és a szol-gél szintézist. Ezek a polimerizációs és szol-gél szintézisek nagy hasznot húznak az ultrahangos keverésből.
A nanokompozit hidrogélek ezzel szemben egy hidrogél és egy nanotöltő kombinációjából állnak, mint például agyag vagy grafén-oxid. A nanofiller hozzáadása javíthatja a hidrogél mechanikai és fizikai tulajdonságait, például merevségét, szakítószilárdságát és szívósságát. Itt az ultrahangos kezelés erőteljes diszperziós kapacitása megkönnyíti a nanorészecskék egyenletes és stabil eloszlását a hidrogél mátrixba.
Összességében a nanogél és a nanokompozit hidrogélek egyedülálló tulajdonságaiknak és funkcióiknak köszönhetően széles körben alkalmazhatók olyan területeken, mint a biomedicina, a környezeti helyreállítás és az energiatárolás.
A Nanogel alkalmazása orvosi kezelésekhez
| A Nanogel típusa | kábítószer | betegség | Tevékenység | Hivatkozások |
| PAMA-DMMA nanogélek | doxorubicin | Rák | A felszabadulási sebesség növekedése a pH-érték csökkenésével. Magasabb citotoxicitás 6,8-as pH-értéknél a sejtek életképességére vonatkozó vizsgálatokban | Du et al. (2010) |
| Hialuronáttal díszített kitozán alapú nanogélek | Fényérzékenyítők, például tetra-fenil-porfirin-tetra-szulfonát (TPPS4), tetra-fenil-klórin-tetra-karboxilát (TPCC4) és klór e6 (Ce6) | Reumás rendellenességek | A makrofágok gyorsan felveszik (4 óra), és citoplazmájukban és organelláikban felhalmozódnak | Schmitt és mtsai (2010) |
| PCEC nanorészecskék pluronic hidrogélekben | Lidokain | Helyi érzéstelenítés | Hosszan tartó, kb. 360 perces infiltrációs anesztézia | Yin és mtsai (2009) |
| Poli(laktid-ko-glikolsav) és kitozán nanorészecske HPMC-ben és Carbopol gélben diszpergálva | Spantid II | Allergiás kontakt dermatitisz és egyéb bőrgyulladásos rendellenességek | Nanogelinncreases potenciál a spantide II perkután beadására | Punit és szerzőtársai (2012) |
| pH-érzékeny polivinil-pirrolidon-poli (akrilsav) (PVP/PAAc) nanogélek | Pilocarpine | A pilokarpin megfelelő koncentrációjának fenntartása a hatás helyén hosszabb ideig | Abd El-Rehim és mtsai (2013) | |
| Térhálósított poli (etilénglikol) és polietil-til-imin | Oligonukleotidok | Neurodegeneratív betegségek | Hatékonyan szállítják át a BBB-n. A transzport hatékonysága tovább nő, ha a nanogél felületét transzferrinnel vagy inzulinnal módosítják | Vinogradov et al. (2004) |
| Koleszterin hordozó pullulán nanogélek | Rekombináns murin interleukin-12 | Tumor immunterápia | Tartós felszabadulású nanogél | Farhana et al. (2013) |
| Poli(N-izopropilakrilamid) és kitozán | A hipertermia rák kezelése és a célzott gyógyszeradagolás | Hőérzékeny mágnesesen modalizált | Farhana et al. (2013) | |
| A polietilénimin és a PEG Polyplexnanogel térhálósított elágazó hálózata | Fludarabin | Rák | Megnövekedett aktivitás és csökkent citotoxicitás | Farhana et al. (2013) |
| A koleszterint hordozó pullulán biokompatibilis nanogélje | Mint mesterséges chaperone | Az Alzheimer-kór kezelése | Gátolja az amiloid β-fehérje aggregációját | Ikeda és szerzőtársai (2006) |
| DNS nanogél fotó térhálósítással | Genetikai anyag | Génterápia | A plazmid DNS szabályozott szállítása | Lee és mtsai (2009) |
| Karbopol/cink-oxid (ZnO) hibrid nanorészecske gél | ZnO nanorészecskék | Antibakteriális aktivitás, bakteriális inhibitor | Ismail et al. (2021) |
Swarnali et al., 2017 alapján adaptált táblázat
Hielscher Ultrahang gyárt nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok Labor nak nek ipari méretben.