Sintesis Hidrogel Nanokomposit menggunakan Ultrasonikasi
Hidrogel nanokomposit atau nanogel adalah struktur 3D multifungsi dengan efektivitas tinggi sebagai pembawa obat dan sistem penghantaran obat dengan pelepasan terkendali. Ultrasonikasi mendorong dispersi partikel hidrogel polimerik berukuran nano serta pemasukan/penggabungan nanopartikel selanjutnya ke dalam struktur polimer ini.
Sintesis Ultrasonik Nanogel
Hidrogel nanokomposit adalah struktur material tiga dimensi dan dapat dirancang untuk menampilkan karakteristik tertentu, yang menjadikannya pembawa obat dan sistem penghantaran obat dengan pelepasan terkendali yang efektif. Ultrasonikasi mendorong sintesis partikel berukuran nano yang difungsionalisasi serta pemasukan/penggabungan nanopartikel selanjutnya ke dalam struktur polimerik tiga dimensi. Karena nanogel yang disintesis secara ultrasonik dapat memerangkap senyawa bioaktif di dalam intinya yang berskala nano, hidrogel berukuran nano ini menawarkan fungsionalitas yang sangat baik.
Nanogel adalah dispersi nanopartikel hidrogel dalam air, yang berikatan silang secara fisik atau kimia membentuk jaringan polimer hidrofilik. Karena ultrasonik berkinerja tinggi sangat efisien dalam menghasilkan nanodispersi, sonikator tipe probe merupakan alat penting untuk produksi nanogel dengan fungsionalitas unggul secara cepat dan andal.
Sonikator UIP1000hdT dengan reaktor kaca untuk sintesis hidrogel nanokomposit
Fungsionalitas Nanogel yang Diproduksi secara Ultrasonik
- stabilitas koloid yang sangat baik dan luas permukaan spesifik yang besar
- dapat diisi nanopartikel dengan kepadatan tinggi
- memungkinkan penggabungan partikel keras dan lunak dalam nanogel hibrida inti/cangkang
- potensi hidrasi tinggi
- meningkatkan bioavailabilitas
- sifat pengembangan / penyusutan yang tinggi
Nanogel yang disintesis secara ultrasonik digunakan dalam berbagai aplikasi dan industri, misalnya
- untuk aplikasi farmasi dan medis: misalnya pembawa obat, gel antibakteri, pembalut luka antibakteri
- dalam biokimia dan biomedis untuk penghantaran gen
- sebagai adsorben/biosorben dalam aplikasi kimia dan lingkungan
- dalam rekayasa jaringan karena hidrogel dapat meniru sifat fisik, kimia, listrik, dan biologis berbagai jaringan alami
Studi Kasus: Sintesis Nanogel Seng melalui Jalur Sonokimia
Nanopartikel hibrida ZnO dapat distabilkan dalam gel Carbopol melalui proses ultrasonik yang sederhana: Sonikasi digunakan untuk mendorong pengendapan nanopartikel seng, yang kemudian diikat silang secara ultrasonik dengan Carbopol untuk membentuk nanohidrogel.
Ismail et al. (2021) mengendapkan nanopartikel seng oksida melalui jalur sonokimia yang sederhana. (Temukan protokol sintesis sonokimia nanopartikel ZnO di sini).
Selanjutnya, nanopartikel tersebut digunakan untuk menyintesis nanogel ZnO. Untuk itu, nanopartikel ZnO yang dihasilkan dibilas dengan air yang dideionisasi dua kali. Sebanyak 0,5 g Carbopol 940 dilarutkan dalam 300 mL air yang dideionisasi dua kali, diikuti dengan penambahan nanopartikel ZnO yang baru dicuci. Karena Carbopol secara alami bersifat asam, nilai pH larutan perlu dinetralkan, jika tidak, larutan tidak akan mengental. Oleh karena itu, campuran menjalani sonikasi kontinu menggunakan sonikator Hielscher UP400S dengan amplitudo 95 dan siklus 95% selama 1 h. Kemudian, 50 mL trimetilamina (TEA) sebagai zat penetral (menaikkan pH menjadi 7) ditambahkan tetes demi tetes dengan sonikasi kontinu hingga terbentuk gel putih ZnO. Pengentalan Carbopol dimulai ketika pH mendekati pH netral.
Tim peneliti menjelaskan bahwa efek ultrasonikasi yang sangat positif terhadap pembentukan nanogel disebabkan oleh peningkatan interaksi antarpartikel. Agitasi molekuler komponen dalam campuran reaksi yang dipicu secara ultrasonik meningkatkan proses pengentalan yang didorong oleh interaksi polimer–pelarut. Selain itu, sonikasi mendorong pelarutan Carbopol. Di samping itu, penyinaran gelombang ultrasonik meningkatkan interaksi polimer–nanopartikel ZnO dan memperbaiki sifat viskoelastis gel nanopartikel hibrida Carbopol/ZnO yang disiapkan.
Diagram alir skematis di atas menunjukkan sintesis nanopartikel ZnO dan gel nanopartikel hibrida Carbopol/ZnO. Dalam penelitian tersebut, sonikator UP400St digunakan untuk pengendapan nanopartikel ZnO dan pembentukan nanogel. (diadaptasi dari Ismail et al., 2021)
Nanopartikel ZnO yang disintesis dengan metode pengendapan kimia di bawah pengaruh ultrasonikasi, dengan (a) berada dalam larutan berair, dan (b) didispersikan secara ultrasonik ke dalam hidrogel berbasis Carbopol yang stabil.
(penelitian dan gambar: Ismail et al., 2021)
Studi Kasus: Pembuatan Nanogel Poli(asam metakrilat)/Montmorilonit (PMA/nMMT) secara Ultrasonik
Khan et al. (2020) menunjukkan keberhasilan sintesis hidrogel nanokomposit poli(asam metakrilat)/montmorilonit (PMA/nMMT) melalui polimerisasi redoks berbantuan ultrasonik. Dalam prosedur yang umum, 1,0 g nMMT didispersikan dalam 50 mL air suling dengan ultrasonikasi selama 2 h untuk membentuk dispersi homogen. Sonikasi meningkatkan dispersi lempung, sehingga meningkatkan sifat mekanis dan kapasitas adsorpsi hidrogel. Monomer asam metakrilat (30 mL) ditambahkan tetes demi tetes ke dalam suspensi. Inisiator amonium persulfat (APS) (0,1 M) ditambahkan ke dalam campuran, diikuti dengan 1,0 mL akselerator TEMED. Dispersi diaduk dengan kuat selama 4 h pada 50°C menggunakan pengaduk magnetik. Massa kental yang dihasilkan dicuci dengan aseton dan dikeringkan selama 48 h pada 70°C dalam oven. Produk yang dihasilkan digiling dan disimpan dalam botol kaca. Berbagai gel nanokomposit disintesis dengan memvariasikan jumlah nMMT sebanyak 0,5, 1,0, 1,5, dan 2,0 g. Hidrogel nanokomposit yang dibuat menggunakan 1,0 g nMMT menunjukkan hasil adsorpsi yang lebih baik dibandingkan komposit lainnya, sehingga digunakan untuk penyelidikan adsorpsi lebih lanjut.
Mikrograf SEM-EDX di sebelah kanan menunjukkan analisis unsur dan struktur nanogel yang terdiri atas montmorilonit (MMT), nano-montmorilonit (nMMT), poli(asam metakrilat)/nano-montmorilonit (PMA/nMMT), serta PMA/nMMT bermuatan amoksisilin (AMX) dan diklofenak (DF). Mikrograf SEM direkam pada perbesaran 1,00 KX beserta EDX dari
- montmorilonit (MMT),
- nano-montmorilonit (nMMT),
- poli(asam metakrilat)/nano-montmorilonit (PMA/nMMT),
- serta PMA/nMMT bermuatan amoksisilin (AMX) dan diklofenak (DF).
Teramati bahwa MMT mentah memiliki struktur lembaran berlapis yang menunjukkan adanya butiran yang lebih besar. Setelah modifikasi, lembaran MMT tereksfoliasi menjadi partikel kecil, yang mungkin disebabkan oleh penghilangan Si2+ dan Al3+ dari situs oktahedral. Spektrum EDX nMMT menunjukkan persentase karbon yang tinggi, yang mungkin terutama disebabkan oleh surfaktan yang digunakan untuk modifikasi, karena komponen utama CTAB (C19H42BrN) adalah karbon (84%). PMA/nMMT menampilkan struktur yang koheren dan hampir kokontinu. Selain itu, tidak terlihat pori-pori, yang menunjukkan eksfoliasi menyeluruh nMMT ke dalam matriks PMA. Setelah sorpsi molekul farmasi amoksisilin (AMX) dan diklofenak (DF), teramati perubahan morfologi PMA/nMMT. Permukaannya menjadi asimetris dengan peningkatan kekasaran tekstur.
Penggunaan dan fungsionalitas hidrogel berukuran nano berbasis lempung: Nanokomposit hidrogel berbasis lempung dipandang berpotensi menjadi superadsorben untuk pengambilan kontaminan anorganik dan/atau organik dari larutan berair karena menggabungkan karakteristik lempung dan polimer, seperti biodegradabilitas, biokompatibilitas, kelayakan ekonomi, kelimpahan, luas permukaan spesifik yang tinggi, jaringan tiga dimensi, dan sifat pengembangan / penyusutan.
(bandingkan Khan et al., 2020)
Mikrograf SEM-EDX dari (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT, serta hidrogel nanokomposit bermuatan (d) AMX dan (e) DF. Nanogel dibuat menggunakan ultrasonikasi.
(penelitian dan gambar: ©Khan et al. 2020)
Sonikator Berkinerja Tinggi untuk Produksi Hidrogel dan Nanogel
Sonikator Berkinerja Tinggi untuk Produksi Hidrogel dan Nanogel
Hielscher Ultrasonics memproduksi peralatan ultrasonik berkinerja tinggi untuk sintesis hidrogel dan nanogel dengan fungsionalitas unggul. Mulai dari sonikator skala kecil dan menengah untuk penelitian dan pengembangan serta skala percontohan hingga sistem industri untuk produksi hidrogel komersial dalam mode kontinu, Hielscher Ultrasonics memiliki prosesor ultrasonik yang tepat untuk memenuhi kebutuhan produksi hidrogel / nanogel Anda.
- efisiensi tinggi
- teknologi mutakhir
- keandalan & ketangguhan
- batch & inline
- untuk volume berapa pun
- perangkat lunak cerdas
- fitur cerdas (misalnya, pencatatan data)
- mudah dan aman dioperasikan
- kebutuhan perawatan rendah
- CIP (pembersihan di tempat)
Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami:
| Volume Batch | Laju Alir | Perangkat yang Direkomendasikan |
|---|---|---|
| 1 hingga 500mL | 10 hingga 200mL/min | UP100H |
| 10 hingga 2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 hingga 20L | 0,2 hingga 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 hingga 100L | 2 hingga 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 hingga 150L | 3 hingga 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 hingga 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lebih besar | kelompok unit UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanyakan kepada Kami!
(Penelitian dan video: Rutgeerts et al., 2019)
Literatur / Referensi
- 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.
Fakta yang Perlu Diketahui
Protokol Sintesis Sonokimia Nanopartikel ZnO
Nanopartikel ZnO disintesis menggunakan metode pengendapan kimia di bawah pengaruh penyinaran ultrasonik. Dalam prosedur yang umum, digunakan seng asetat dihidrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) sebagai prekursor, dan larutan amonia 30–33% (NH3) dalam larutan berair (NH4OH) sebagai zat pereduksi. Nanopartikel ZnO diproduksi dengan melarutkan seng asetat dalam jumlah yang sesuai ke dalam 100 mL air deionisasi untuk menghasilkan larutan ion seng 0,1 M. Selanjutnya, larutan ion seng dikenai penyinaran gelombang ultrasonik menggunakan Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Jerman) pada amplitudo 79% dan siklus 0,76 selama 5 min pada suhu 40 ◦C. Kemudian, larutan amonia ditambahkan tetes demi tetes ke dalam larutan ion seng di bawah pengaruh gelombang ultrasonik. Setelah beberapa saat, nanopartikel ZnO mulai mengendap dan tumbuh, dan larutan amonia terus ditambahkan hingga nanopartikel ZnO mengendap sepenuhnya.
Nanopartikel ZnO yang diperoleh dicuci menggunakan air deionisasi beberapa kali dan dibiarkan mengendap. Setelah itu, endapan yang diperoleh dikeringkan pada suhu ruang.
(Ismail et al., 2021)
Apa Itu Nanogel?
Nanogel atau hidrogel nanokomposit adalah jenis hidrogel yang menggabungkan nanopartikel, biasanya dalam rentang 1–100 nanometer, ke dalam strukturnya. Nanopartikel ini dapat berupa bahan organik, anorganik, atau kombinasi keduanya.
Nanogel terbentuk melalui proses yang dikenal sebagai pengikatan silang, yang melibatkan ikatan kimia antarrantai polimer untuk membentuk jaringan tiga dimensi. Karena pembentukan hidrogel dan nanogel memerlukan pencampuran menyeluruh untuk menghidrasi struktur polimerik, mendorong pengikatan silang, dan menggabungkan nanopartikel, ultrasonikasi merupakan teknik yang sangat efektif untuk produksi hidrogel dan nanogel. Jaringan hidrogel dan nanogel mampu menyerap air dalam jumlah besar, sehingga nanogel sangat terhidrasi dan sesuai untuk berbagai aplikasi seperti penghantaran obat, rekayasa jaringan, dan biosensor.
Hidrogel nanogel biasanya tersusun atas nanopartikel, seperti partikel silika atau polimer, yang terdispersi di seluruh matriks hidrogel. Nanopartikel ini dapat disintesis melalui berbagai metode, termasuk polimerisasi emulsi, polimerisasi emulsi terbalik, dan sintesis sol-gel. Proses polimerisasi dan sintesis sol-gel ini memperoleh manfaat besar dari agitasi ultrasonik.
Di sisi lain, hidrogel nanokomposit tersusun atas kombinasi hidrogel dan bahan pengisi nano, seperti lempung atau grafena oksida. Penambahan bahan pengisi nano dapat meningkatkan sifat mekanis dan fisik hidrogel, seperti kekakuan, kekuatan tarik, dan ketangguhannya. Dalam hal ini, kemampuan dispersi sonikasi yang kuat memfasilitasi distribusi nanopartikel yang seragam dan stabil ke dalam matriks hidrogel.
Secara keseluruhan, nanogel dan hidrogel nanokomposit memiliki berbagai potensi aplikasi dalam bidang seperti biomedis, remediasi lingkungan, dan penyimpanan energi berkat sifat dan fungsionalitasnya yang unik.
Aplikasi Nanogel untuk Perawatan Medis
| Jenis Nanogel | Obat | Penyakit | Aktivitas | Referensi |
| Nanogel PAMA-DMMA | Doksorubisin | Kanker | Peningkatan laju pelepasan seiring penurunan nilai pH. Sitotoksisitas lebih tinggi pada pH 6,8 dalam penelitian viabilitas sel | Du et al. (2010) |
| Nanogel berbasis kitosan yang dihiasi hialuronat | Fotosensitiser seperti tetra-fenil-porfirin-tetra-sulfonat (TPPS4), tetra-fenil-klorin-tetra-karboksilat (TPCC4), dan klorin e6 (Ce6) | Gangguan rematik | Diambil dengan cepat (4 h) oleh makrofag dan terakumulasi dalam sitoplasma serta organelnya | Schmitt et al. (2010) |
| Nanopartikel PCEC dalam hidrogel Pluronic | Lidokain | Anestesi lokal | Menghasilkan anestesi infiltrasi yang bertahan lama, sekitar 360 min | Yin et al. (2009) |
| Nanopartikel poli(laktida-ko-asam glikolat) dan kitosan yang terdispersi dalam gel HPMC dan Carbopol | Spantide II | Dermatitis kontak alergi dan gangguan peradangan kulit lainnya | Nanogel meningkatkan potensi penghantaran perkutan spantide II | Punit et al. (2012) |
| Nanogel polivinil pirolidon-poli(asam akrilat) (PVP/PAAc) yang peka terhadap pH | Pilokarpin | Mempertahankan konsentrasi pilokarpin yang memadai di lokasi kerja untuk jangka waktu yang lama | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Poli(etilena glikol) dan polietilenimina berikatan silang | Oligonukleotida | Penyakit neurodegeneratif | Diangkut secara efektif melintasi sawar darah–otak (BBB). Efektivitas pengangkutan semakin meningkat ketika permukaan nanogel dimodifikasi dengan transferin atau insulin | Vinogradov et al. (2004) |
| Nanogel pululan yang mengandung kolesterol | Interleukin-12 mencit rekombinan | Imunoterapi tumor | Nanogel dengan pelepasan berkelanjutan | Farhana et al. (2013) |
| Poli(N-isopropilakrilamida) dan kitosan | Pengobatan kanker dengan hipertermia dan penghantaran obat tertarget | Termosensitif, dimodalisasi secara magnetik | Farhana et al. (2013) | |
| Jaringan bercabang berikatan silang dari polietilenimina dan nanogel polipleks PEG | Fludarabin | Kanker | Peningkatan aktivitas dan penurunan sitotoksisitas | Farhana et al. (2013) |
| Nanogel biokompatibel dari pululan yang mengandung kolesterol | Sebagai chaperone buatan | Pengobatan penyakit Alzheimer | Menghambat agregasi protein β-amiloid | Ikeda et al. (2006) |
| Nanogel DNA dengan pengikatan silang foto | Materi genetik | Terapi gen | Penghantaran DNA plasmid secara terkendali | Lee et al. (2009) |
| Gel nanopartikel hibrida Carbopol/seng oksida (ZnO) | Nanopartikel ZnO | Aktivitas antibakteri, penghambat bakteri | Ismail et al. (2021) |
Tabel diadaptasi dari Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi mulai dari skala laboratorium hingga industri.