Sintesi di idrogel nanocompositi mediante ultrasuoni
Gli idrogel nanocompositi o nanogel sono strutture 3D multifunzionali altamente efficaci come vettori di farmaci e sistemi di somministrazione di farmaci a rilascio controllato. Il trattamento a ultrasuoni favorisce la dispersione di particelle polimeriche di idrogel di dimensioni nanometriche, nonché la successiva inclusione/incorporazione di nanoparticelle in queste strutture polimeriche.
Sintesi di nanogel mediante ultrasuoni
Gli idrogel nanocompositi sono strutture materiali tridimensionali e possono essere progettati per presentare caratteristiche specifiche, che li rendono efficaci vettori di farmaci e sistemi di somministrazione di farmaci a rilascio controllato. Il trattamento a ultrasuoni favorisce la sintesi di particelle funzionalizzate di dimensioni nanometriche, nonché la successiva inclusione/incorporazione di nanoparticelle in strutture polimeriche tridimensionali. Poiché i nanogel sintetizzati mediante ultrasuoni possono intrappolare composti bioattivi all’interno del proprio nucleo nanometrico, questi idrogel di dimensioni nanometriche offrono notevoli funzionalità.
I nanogel sono dispersioni acquose di nanoparticelle di idrogel, reticolate fisicamente o chimicamente in una rete polimerica idrofila. Poiché gli ultrasuoni ad alte prestazioni sono altamente efficienti nella produzione di nanodispersioni, i sonicatori a sonda sono uno strumento fondamentale per la produzione rapida e affidabile di nanogel con funzionalità superiori.
Sonicatore UIP1000hdT con reattore in vetro per la sintesi di idrogel nanocompositi
Funzionalità dei nanogel prodotti mediante ultrasuoni
- eccellente stabilità colloidale e ampia superficie specifica
- possono essere caricati con nanoparticelle ad alta densità
- consentono di combinare particelle dure e morbide in un nanogel ibrido nucleo/guscio
- elevato potenziale di idratazione
- favoriscono la biodisponibilità
- elevate proprietà di rigonfiamento / des rigonfiamento
I nanogel sintetizzati mediante ultrasuoni sono utilizzati in numerose applicazioni e settori, ad esempio
- per applicazioni farmaceutiche e mediche: ad esempio vettori di farmaci, gel antibatterici, medicazioni antibatteriche per ferite
- in biochimica e biomedicina per il trasferimento genico
- come adsorbenti/biosorbenti in applicazioni chimiche e ambientali
- nell’ingegneria tissutale, poiché gli idrogel possono imitare le proprietà fisiche, chimiche, elettriche e biologiche di molti tessuti nativi
Caso di studio: sintesi di nanogel di zinco per via sonochimica
Le nanoparticelle ibride di ZnO possono essere stabilizzate in un gel di Carbopol mediante un semplice processo a ultrasuoni: la sonicazione viene utilizzata per indurre la precipitazione delle nanoparticelle di zinco, che vengono successivamente reticolate con Carbopol mediante ultrasuoni per formare un nanoidrogel.
Ismail et al. (2021) hanno fatto precipitare nanoparticelle di ossido di zinco mediante una semplice procedura sonochimica. (Il protocollo per la sintesi sonochimica delle nanoparticelle di ZnO è disponibile qui).
Successivamente, le nanoparticelle sono state utilizzate per sintetizzare il nanogel di ZnO. A tal fine, le nanoparticelle di ZnO prodotte sono state risciacquate con acqua sottoposta a doppia deionizzazione. Sono stati disciolti 0,5 g di Carbopol 940 in 300 mL di acqua sottoposta a doppia deionizzazione, quindi sono state aggiunte le nanoparticelle di ZnO appena lavate. Poiché Carbopol è naturalmente acido, la soluzione richiede una neutralizzazione del valore di pH, altrimenti non si addenserebbe. La miscela è stata quindi sottoposta a sonicazione continua utilizzando il sonicatore Hielscher UP400S con un’ampiezza di 95 e un ciclo del 95% per 1 h. Successivamente, sono stati aggiunti goccia a goccia 50 mL di trimetilammina (TEA) come agente neutralizzante (portando il pH a 7), sotto sonicazione continua, fino alla formazione del gel bianco di ZnO. L’addensamento di Carbopol è iniziato quando il pH era prossimo alla neutralità.
Il gruppo di ricerca spiega gli effetti straordinariamente positivi del trattamento a ultrasuoni sulla formazione del nanogel con l’intensificazione dell’interazione particella-particella. L’agitazione molecolare dei componenti della miscela di reazione, indotta dagli ultrasuoni, intensifica il processo di addensamento promosso dalle interazioni polimero-solvente. Inoltre, la sonicazione favorisce la dissoluzione di Carbopol. L’irradiazione con onde ultrasoniche intensifica anche l’interazione tra il polimero e le nanoparticelle di ZnO e migliora le proprietà viscoelastiche del gel di nanoparticelle ibride Carbopol/ZnO preparato.
Il diagramma di flusso schematico riportato sopra mostra la sintesi delle nanoparticelle di ZnO e del gel di nanoparticelle ibride Carbopol/ZnO. Nello studio, il sonicatore UP400St è stato utilizzato per la precipitazione delle nanoparticelle di ZnO e la formazione del nanogel. (adattato da Ismail et al., 2021)
Nanoparticelle di ZnO sintetizzate mediante precipitazione chimica sotto l’effetto del trattamento a ultrasuoni, dove (a) mostra le nanoparticelle nella soluzione acquosa e (b) le mostra disperse mediante ultrasuoni in un idrogel stabile a base di Carbopol.
(studio e immagine: Ismail et al., 2021)
Caso di studio: preparazione mediante ultrasuoni di nanogel di poli(acido metacrilico)/montmorillonite (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) hanno dimostrato la riuscita sintesi di un idrogel nanocomposito di poli(acido metacrilico)/montmorillonite (PMA/nMMT) mediante polimerizzazione redox assistita da ultrasuoni. Nella procedura tipica, 1,0 g di nMMT è stato disperso in 50 mL di acqua distillata mediante trattamento a ultrasuoni per 2 h, per formare una dispersione omogenea. La sonicazione migliora la dispersione dell’argilla, con un conseguente miglioramento delle proprietà meccaniche e della capacità di adsorbimento degli idrogel. Il monomero di acido metacrilico (30 mL) è stato aggiunto goccia a goccia alla sospensione. Alla miscela è stato aggiunto l’iniziatore persolfato di ammonio (APS) (0,1 M), seguito da 1,0 mL di accelerante TEMED. La dispersione è stata agitata vigorosamente per 4 h a 50°C con un agitatore magnetico. La massa viscosa risultante è stata lavata con acetone ed essiccata per 48 h a 70°C in un forno. Il prodotto risultante è stato macinato e conservato in una bottiglia di vetro. Sono stati sintetizzati diversi gel nanocompositi variando la quantità di nMMT: 0,5, 1,0, 1,5 e 2,0 g. Gli idrogel nanocompositi preparati utilizzando 1,0 g di nMMT hanno mostrato risultati di adsorbimento migliori rispetto agli altri compositi e sono stati pertanto utilizzati per ulteriori indagini sull’adsorbimento.
Le micrografie SEM-EDX a destra mostrano l’analisi elementare e strutturale dei nanogel costituiti da montmorillonite (MMT), nano-montmorillonite (nMMT), poli(acido metacrilico)/nano-montmorillonite (PMA/nMMT) e PMA/nMMT caricati con amoxicillina (AMX) e diclofenac (DF). Le micrografie SEM registrate a un ingrandimento di 1,00 KX insieme all’analisi EDX di
- montmorillonite (MMT),
- nano-montmorillonite (nMMT),
- poli(acido metacrilico)/nano-montmorillonite (PMA/nMMT),
- e PMA/nMMT caricati con amoxicillina (AMX) e diclofenac (DF).
Si osserva che la MMT grezza presenta una struttura a lamelle stratificate con grani di dimensioni maggiori. Dopo la modifica, le lamelle di MMT vengono esfoliate in minuscole particelle, il che potrebbe essere dovuto all’eliminazione di Si2+ e Al3+ dai siti ottaedrici. Lo spettro EDX della nMMT mostra un’elevata percentuale di carbonio, che potrebbe essere dovuta principalmente al tensioattivo utilizzato per la modifica, poiché il componente principale del CTAB (C19H42BrN) è il carbonio (84%). Il PMA/nMMT presenta una struttura coerente e quasi co-continua. Inoltre, non sono visibili pori, il che indica l’esfoliazione completa della nMMT nella matrice di PMA. Dopo la sorzione delle molecole farmaceutiche amoxicillina (AMX) e diclofenac (DF), si osservano cambiamenti nella morfologia del PMA/nMMT. La superficie diventa asimmetrica e la sua rugosità aumenta.
Impiego e funzionalità degli idrogel di dimensioni nanometriche a base di argilla: i nanocompositi di idrogel a base di argilla sono considerati potenziali superadsorbenti per la rimozione di contaminanti inorganici e/o organici da una soluzione acquosa, grazie alla combinazione delle caratteristiche delle argille e dei polimeri, quali biodegradabilità, biocompatibilità, sostenibilità economica, abbondanza, elevata superficie specifica, rete tridimensionale e proprietà di rigonfiamento / des rigonfiamento.
(cfr. Khan et al., 2020)
Micrografie SEM-EDX di (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT e idrogel nanocompositi caricati con (d) AMX e (e) DF. I nanogel sono stati preparati mediante trattamento a ultrasuoni.
(studio e immagini: ©Khan et al. 2020)
Sonicatori ad alte prestazioni per la produzione di idrogel e nanogel
Sonicatori ad alte prestazioni per la produzione di idrogel e nanogel
Hielscher Ultrasonics produce apparecchiature a ultrasuoni ad alte prestazioni per la sintesi di idrogel e nanogel con funzionalità superiori. Dai sonicatori di piccole e medie dimensioni per ricerca e sviluppo e impianti pilota ai sistemi industriali per la produzione commerciale di idrogel in modalità continua, Hielscher Ultrasonics dispone del processore a ultrasuoni adatto a soddisfare le vostre esigenze di produzione di idrogel / nanogel.
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- CIP (pulizia in loco)
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:
| Volume del lotto | Portata | Dispositivi consigliati |
|---|---|---|
| da 1 a 500mL | da 10 a 200mL/min | UP100H |
| da 10 a 2000mL | da 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| da 0,1 a 20L | da 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| da 10 a 100L | da 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| da 15 a 150L | da 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | da 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | maggiore | gruppo di UIP16000 |
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(Studio e filmato: Rutgeerts et al., 2019)
Bibliografia / Riferimenti
- 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.
Informazioni utili
Protocollo per la sintesi sonochimica di nanoparticelle di ZnO
Le nanoparticelle di ZnO sono state sintetizzate mediante precipitazione chimica sotto l’effetto dell’irradiazione ultrasonica. Nella procedura tipica sono stati utilizzati acetato di zinco diidrato (Zn(CH3COO)2·2H2O) come precursore e una soluzione di ammoniaca al 30–33% (NH3) in soluzione acquosa (NH4OH) come agente riducente. Le nanoparticelle di ZnO sono state prodotte sciogliendo la quantità appropriata di acetato di zinco in 100 mL di acqua deionizzata per ottenere una soluzione di ioni zinco a 0,1 M. Successivamente, la soluzione di ioni zinco è stata sottoposta a irradiazione con onde ultrasoniche utilizzando un Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlino, Germania) con un’ampiezza del 79% e un ciclo di 0,76 per 5 min a una temperatura di 40 ◦C. La soluzione di ammoniaca è stata quindi aggiunta goccia a goccia alla soluzione di ioni zinco sotto l’effetto delle onde ultrasoniche. Dopo pochi istanti, le nanoparticelle di ZnO hanno iniziato a precipitare e a crescere, e la soluzione di ammoniaca è stata aggiunta continuamente fino alla completa precipitazione delle nanoparticelle di ZnO.
Le nanoparticelle di ZnO ottenute sono state lavate più volte con acqua deionizzata e lasciate sedimentare. Successivamente, il precipitato ottenuto è stato essiccato a temperatura ambiente.
(Ismail et al., 2021)
Che cosa sono i nanogel?
I nanogel o idrogel nanocompositi sono un tipo di idrogel che incorpora nella propria struttura nanoparticelle, generalmente nell’intervallo di 1–100 nanometri. Queste nanoparticelle possono essere organiche, inorganiche o una combinazione di entrambe.
I nanogel si formano attraverso un processo noto come reticolazione, che comporta il legame chimico delle catene polimeriche per formare una rete tridimensionale. Poiché la formazione di idrogel e nanogel richiede una miscelazione accurata per idratare la struttura polimerica, favorire la reticolazione e incorporare le nanoparticelle, il trattamento a ultrasuoni è una tecnica altamente efficace per la produzione di idrogel e nanogel. Le reti di idrogel e nanogel sono in grado di assorbire grandi quantità d’acqua, rendendo i nanogel altamente idratati e quindi adatti a un’ampia gamma di applicazioni, quali la somministrazione di farmaci, l’ingegneria tissutale e i biosensori.
Gli idrogel di tipo nanogel sono generalmente composti da nanoparticelle, come particelle di silice o polimeriche, disperse in tutta la matrice dell’idrogel. Queste nanoparticelle possono essere sintetizzate con vari metodi, tra cui la polimerizzazione in emulsione, la polimerizzazione in emulsione inversa e la sintesi sol-gel. Queste polimerizzazioni e sintesi sol-gel traggono grande beneficio dall’agitazione ultrasonica.
Gli idrogel nanocompositi, invece, sono composti da una combinazione di un idrogel e di un nanoriempitivo, come argilla o ossido di grafene. L’aggiunta del nanoriempitivo può migliorare le proprietà meccaniche e fisiche dell’idrogel, quali rigidità, resistenza a trazione e tenacità. In questo caso, le elevate capacità di dispersione della sonicazione facilitano la distribuzione uniforme e stabile delle nanoparticelle nella matrice dell’idrogel.
Nel complesso, i nanogel e gli idrogel nanocompositi presentano un’ampia gamma di potenziali applicazioni in settori quali la biomedicina, il risanamento ambientale e l’accumulo di energia, grazie alle loro proprietà e funzionalità peculiari.
Applicazioni dei nanogel nei trattamenti medici
| Tipo di nanogel | Farmaco | Patologia | Attività | Riferimenti |
| Nanogel PAMA-DMMA | Doxorubicina | Cancro | Aumento della velocità di rilascio al diminuire del valore di pH. Maggiore citotossicità a pH 6,8 negli studi di vitalità cellulare | Du et al. (2010) |
| Nanogel a base di chitosano decorati con ialuronato | Fotosensibilizzanti come tetrafenilporfirina tetrasolfonato (TPPS4), tetrafenilclorina tetracarbossilato (TPCC4) e clorina e6 (Ce6) | Patologie reumatiche | Rapidamente internalizzati (4 h) dai macrofagi e accumulati nel loro citoplasma e nei loro organelli | Schmitt et al. (2010) |
| Nanoparticelle di PCEC in idrogel Pluronic | Lidocaina | Anestesia locale | Hanno prodotto un’anestesia per infiltrazione di lunga durata, pari a circa 360 min | Yin et al. (2009) |
| Nanoparticelle di poli(acido lattico-co-glicolico) e chitosano disperse in gel di HPMC e Carbopol | Spantide II | Dermatite allergica da contatto e altre patologie infiammatorie cutanee | Il nanogel aumenta il potenziale di somministrazione percutanea di Spantide II | Punit et al. (2012) |
| Nanogel di polivinilpirrolidone-poli(acido acrilico) (PVP/PAAc) sensibili al pH | Pilocarpina | Mantengono una concentrazione adeguata di pilocarpina nel sito d’azione per un periodo prolungato | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Poli(etilenglicole) e polietilenimmina reticolati | Oligonucleotidi | Malattie neurodegenerative | Trasportati efficacemente attraverso la barriera ematoencefalica (BBB). L’efficacia del trasporto aumenta ulteriormente quando la superficie del nanogel viene modificata con transferrina o insulina | Vinogradov et al. (2004) |
| Nanogel di pullulano con gruppi di colesterolo | Interleuchina-12 murina ricombinante | Immunoterapia tumorale | Nanogel a rilascio prolungato | Farhana et al. (2013) |
| Poli(N-isopropilacrilammide) e chitosano | Trattamento del cancro mediante ipertermia e somministrazione mirata di farmaci | Termosensibile, modalizzato magneticamente | Farhana et al. (2013) | |
| Rete ramificata reticolata di polietilenimmina e PEG, nanogel poliplesso | Fludarabina | Cancro | Attività elevata e citotossicità ridotta | Farhana et al. (2013) |
| Nanogel biocompatibile di pullulano con gruppi di colesterolo | Come chaperone artificiale | Trattamento della malattia di Alzheimer | Inibisce l’aggregazione della proteina β-amiloide | Ikeda et al. (2006) |
| Nanogel di DNA con fotoreticolazione | Materiale genetico | Terapia genica | Somministrazione controllata di DNA plasmidico | Lee et al. (2009) |
| Gel di nanoparticelle ibride Carbopol/ossido di zinco (ZnO) | Nanoparticelle di ZnO | Attività antibatterica, inibitore batterico | Ismail et al. (2021) |
Tabella adattata da Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni, dalle dimensioni da laboratorio a quelle industriali.