Sintesi di idrogel nanocompositi mediante ultrasuoni
Gli idrogel nanocompositi o nanogel sono strutture tridimensionali multifunzionali con elevata efficacia come vettori di farmaci e sistemi di rilascio controllato di farmaci. Gli ultrasuoni favoriscono la dispersione di particelle di idrogel polimerico di dimensioni nanometriche e la successiva inclusione/incorporazione di nanoparticelle in queste strutture polimeriche.
Sintesi ultrasonica di nanogel
Gli idrogeli nanocompositi sono strutture materiali tridimensionali e possono essere progettati per presentare caratteristiche specifiche, che li rendono potenti vettori di farmaci e sistemi di rilascio controllato di farmaci. Gli ultrasuoni favoriscono la sintesi di particelle nanometriche funzionalizzate e la successiva inclusione/incorporazione di nanoparticelle in strutture polimeriche tridimensionali. Poiché i nanogel sintetizzati a ultrasuoni possono intrappolare composti bioattivi all'interno del loro nucleo in scala nanometrica, questi idrogel di dimensioni nanometriche offrono grandi funzionalità.
I nanogel sono dispersioni acquose di nanoparticelle idrogel, reticolate fisicamente o chimicamente come rete polimerica idrofila. Poiché gli ultrasuoni ad alte prestazioni sono altamente efficienti nella produzione di nano-dispersioni, gli ultrasonici a sonda sono uno strumento cruciale per la produzione rapida e affidabile di nanogel con funzionalità superiori.

Ultrasuonatore UIP1000hdT con reattore in vetro per la sintesi di idrogel nanocompositi
Funzionalità dei nanogel prodotti con gli ultrasuoni
- eccellente stabilità colloidale e l'ampia area superficiale specifica
- possono essere densamente impacchettati con nanoparticelle
- permettono di combinare particelle dure e morbide in un nanogel ibrido core/shell
- alto potenziale di idratazione
- promuovere la biodisponibilità
- elevate proprietà di rigonfiamento/disgonfiamento
I nanogel sintetizzati a ultrasuoni sono utilizzati in numerose applicazioni e industrie, ad esempio.
- per applicazioni farmaceutiche e mediche: ad esempio, supporto per farmaci, gel antibatterico, medicazione antibatterica per ferite.
- in biochimica e biomedicina per la veicolazione genica
- come adsorbente/biosorbente in applicazioni chimiche e ambientali
- nell'ingegneria tissutale, in quanto gli idrogel possono imitare le proprietà fisiche, chimiche, elettriche e biologiche di molti tessuti nativi.
Caso di studio: Sintesi di nanogel di zinco attraverso la via sonica
Le nanoparticelle ibride di ZnO possono essere stabilizzate in un gel di Carbopol mediante un facile processo a ultrasuoni: La sonicazione viene utilizzata per guidare la precipitazione delle nanoparticelle di zinco, che vengono successivamente reticolate ad ultrasuoni con il Carbopol per formare un nano-idrogel.
Ismail et al. (2021) hanno precipitato nanoparticelle di ossido di zinco attraverso una facile via sicochimica. (Trovate qui il protocollo per la sintesi sonica delle nanoparticelle di ZnO).
Successivamente, le nanoparticelle sono state utilizzate per sintetizzare il nanogel di ZnO. Le NPs di ZnO prodotte sono state quindi risciacquate con acqua deionizzata doppia. 0,5 g di Carbopol 940 sono stati sciolti in 300 mL di acqua deionizzata doppia, quindi sono state aggiunte le NP di ZnO appena lavate. Poiché il Carbopol è naturalmente acido, la soluzione richiede una neutralizzazione del valore di pH, altrimenti non si addenserebbe. Pertanto, la miscela è stata sottoposta a sonicazione continua utilizzando l'ultrasuonatore Hielscher UP400S con un'ampiezza di 95 e un ciclo del 95% per 1 h. Quindi, 50 mL di trimetilammina (TEA) come agente neutralizzante (portando il pH a 7) sono stati aggiunti a goccia sotto sonicazione continua fino alla formazione del gel bianco di ZnO. L'addensamento del Carbopol è iniziato quando il pH si è avvicinato a un pH neutro.
Il team di ricerca spiega gli effetti straordinariamente positivi dell'ultrasuoni sulla formazione di nanogel attraverso una maggiore interazione particella-particella. L'agitazione molecolare dei costituenti nella miscela di reazione, avviata dagli ultrasuoni, aumenta il processo di addensamento promosso dalle interazioni polimero-solvente. Inoltre, la sonicazione favorisce la dissoluzione del Carbopol. Inoltre, l'irradiazione di onde ultrasonore aumenta l'interazione polimero-ZnO NPs e migliora le proprietà viscoelastiche del gel ibrido Carbopol/ZnO nanoparticelle preparato.
Il diagramma di flusso schematico sopra riportato mostra la sintesi delle NP di ZnO e del gel ibrido di nanoparticelle di Carbopol/ZnO. Nello studio è stato utilizzato l'ultrasuonatore UP400St per la precipitazione delle nanoparticelle di ZnO e la formazione del nanogel. (adattato da Ismail et al., 2021)
Caso di studio: Preparazione a ultrasuoni di nanogel di poli(acido metacrilico)/montmorillonite (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) hanno dimostrato il successo della sintesi di un idrogel nanocomposito di poli(acido metacrilico)/Montmorillonite (PMA/nMMT) mediante polimerizzazione redox assistita da ultrasuoni. In genere, 1,0 g di nMMT è stato disperso in 50 mL di acqua distillata con ultrasuoni per 2 ore per formare una dispersione omogenea. La sonicazione migliora la dispersione dell'argilla, con conseguente aumento delle proprietà meccaniche e della capacità di adsorbimento degli idrogel. L'acido metacrilico monomero (30 mL) è stato aggiunto alla sospensione in modo discontinuo. L'iniziatore persolfato di ammonio (APS) (0,1 M) è stato aggiunto alla miscela, seguito da 1,0 mL di acceleratore TEMED. La dispersione è stata agitata vigorosamente per 4 ore a 50°C con un agitatore magnetico. La massa viscosa risultante è stata lavata con acetone ed essiccata per 48 ore a 70°C in un forno. Il prodotto ottenuto è stato macinato e conservato in una bottiglia di vetro. Sono stati sintetizzati diversi gel nanocompositi variando l'nMMT in quantità di 0,5, 1,0, 1,5 e 2,0 g. L'idrogelo nanocomposito preparato con 1,0 g di nMMT ha mostrato risultati di adsorbimento migliori rispetto agli altri compositi ed è stato quindi utilizzato per ulteriori indagini di 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 caricato con amoxicillina (AMX) e diclofenac (DF). Le micrografie SEM registrate a un ingrandimento di 1,00 KX insieme all'EDX di
- montmorillonite (MMT),
- nano-montmorillonite (nMMT),
- poli(acido metacrilico)/nano-montmorillonite (PMA/nMMT),
- e PMA/nMMT caricato con amoxicillina (AMX) e diclofenac (DF).
Si osserva che l'MMT grezzo ha una struttura a fogli stratificati che mostra la presenza di grani più grandi. Dopo la modifica, i fogli di MMT sono esfoliati in particelle minuscole, il che può essere dovuto all'eliminazione di Si2+ e Al3+ dai siti ottaedrici. Lo spettro EDX dell'nMMT mostra un'alta percentuale di carbonio, che potrebbe essere dovuta principalmente al tensioattivo utilizzato per la modifica, poiché il principale costituente del CTAB (C19H42BrN) è il carbonio (84%). Il PMA/nMMT mostra una struttura coerente e quasi co-continua. Inoltre, non sono visibili pori, il che indica la completa esfoliazione dell'nMMT nella matrice di PMA. Dopo l'assorbimento delle molecole farmaceutiche amoxicillina (AMX) e diclofenac (DF), si osservano cambiamenti nella morfologia del PMA/nMMT. La superficie diventa asimmetrica con un aumento della struttura ruvida.
Uso e funzionalità degli idrogel nanometrici a base di argilla: I nanocompositi idrogel a base di argilla sono considerati potenziali super-assorbenti per l'assorbimento di contaminanti inorganici e/o organici da una soluzione acquosa, grazie alle caratteristiche combinate di entrambe le argille e dei polimeri, come la biodegradabilità, la biocompatibilità, la convenienza economica, l'abbondanza, l'elevata area superficiale specifica, la rete tridimensionale e le proprietà di rigonfiamento/de-rigonfiamento.
(cfr. Khan et al., 2020)
Ultrasuonatori ad alte prestazioni per la produzione di idrogel e nanogel
Ultrasuonatori 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. Da piccole e medie dimensioni R&Hielscher Ultrasonics ha il processore a ultrasuoni giusto per soddisfare le vostre esigenze di produzione di idrogel e nanogel.
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- funzioni intelligenti (ad esempio, protocollaggio dei dati)
- Facile e sicuro da usare
- Bassa manutenzione
- CIP (clean-in-place)
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
---|---|---|
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 |
Da 15 a 150L | Da 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
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(Studio e film: Rutgeerts et al., 2019)
Letteratura / 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.
Particolarità / Cose da sapere
Protocollo per la sintesi sonica di nanoparticelle di ZnO
Le NP di ZnO sono state sintetizzate con il metodo della precipitazione chimica sotto l'effetto dell'irradiazione a ultrasuoni. In una procedura tipica, sono stati utilizzati l'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 0,1 M di ioni di zinco. Successivamente, la soluzione di ioni di zinco è stata sottoposta a irradiazione di onde ultrasoniche con un Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlino, Germania) a un'ampiezza del 79% e un ciclo di 0,76 per 5 minuti a una temperatura di 40 ◦C. Quindi, la soluzione di ammoniaca è stata aggiunta a goccia alla soluzione di ioni di zinco sotto l'effetto delle onde ultrasoniche. Dopo pochi istanti, le NP di ZnO hanno iniziato a precipitare e a crescere, e la soluzione di ammoniaca è stata continuamente aggiunta fino alla completa precipitazione delle NP di ZnO.
Le NP di ZnO ottenute sono state lavate più volte con acqua deionizzata e lasciate riposare. Successivamente, il precipitato ottenuto è stato essiccato a temperatura ambiente.
(Ismail et al., 2021)
Cosa sono i nanogel?
I nanogel o idrogeli nanocompositi sono un tipo di idrogel che incorpora nella propria struttura nanoparticelle, solitamente dell'ordine 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 prevede il legame chimico delle catene polimeriche per formare una rete tridimensionale. Poiché la formazione di idrogel e nanogel richiede un'accurata miscelazione per idratare la struttura polimerica, promuovere la reticolazione e incorporare le nanoparticelle, gli ultrasuoni sono una tecnica molto efficace per la produzione di idrogel e nanogel. Le reti di idrogel e nanogel sono in grado di assorbire grandi quantità di acqua, rendendo i nanogel altamente idratati e quindi adatti a un'ampia gamma di applicazioni, come la somministrazione di farmaci, l'ingegneria dei tessuti e i biosensori.
Gli idrogeli nanogel sono tipicamente composti da nanoparticelle, come particelle di silice o polimeri, disperse nella matrice dell'idrogel. Queste nanoparticelle possono essere sintetizzate con vari metodi, tra cui la polimerizzazione in emulsione, la polimerizzazione inversa in emulsione e la sintesi sol-gel. Queste sintesi di polimerizzazione e sol-gel traggono grande beneficio dall'agitazione a ultrasuoni.
Gli idrogel nanocompositi, invece, sono composti dalla combinazione di un idrogel e di un nanofiller, come l'argilla o l'ossido di grafene. L'aggiunta del nanofiller può migliorare le proprietà meccaniche e fisiche dell'idrogel, come la rigidità, la resistenza alla trazione e la tenacità. In questo caso, le potenti capacità di dispersione della sonicazione facilitano la distribuzione uniforme e stabile delle nanoparticelle nella matrice idrogel.
Nel complesso, gli idrogeli nanogel e nanocompositi hanno un'ampia gamma di potenziali applicazioni in campi quali la biomedicina, la bonifica ambientale e l'accumulo di energia, grazie alle loro proprietà e funzionalità uniche.
Applicazioni del nanogel per i trattamenti medici
Tipo di nanogel | Farmaco | malattia | Attività | Riferimenti |
Nanogel di PAMA-DMMA | Doxorubicina | Cancro | Aumento della velocità di rilascio al diminuire del valore del pH. Maggiore citotossicità a pH 6,8 negli studi di vitalità cellulare. | Du et al. (2010) |
Nanogel a base di chitosano decorati con ialuronato | Fotosensibilizzatori come il tetra-fenil-porfirina-tetra-solfonato (TPPS4), il tetra-fenil-clorin-tetra-carbossilato (TPCC4) e la clorina e6 (Ce6) | Disturbi reumatici | Assorbito rapidamente (4 ore) dai macrofagi e accumulato nel loro citoplasma e negli organelli | Schmitt et al. (2010) |
Nanoparticelle PCEC in idrogel pluronico | Lidocaina | Anestesia locale | Ha prodotto un'anestesia da infiltrazione di lunga durata di circa 360 min. | Yin et al. (2009) |
Nanoparticelle di poli(lattide-co-acido glicolico) e chitosano disperse in gel di HPMC e Carbopol | Spantide II | Dermatite allergica da contatto e altri disturbi infiammatori della pelle | La nanogelina aumenta il potenziale per la somministrazione percutanea di spantide II | Punit et al. (2012) |
Nanogel di polivinilpirrolidone-poli (acido acrilico) (PVP/PAAc) sensibili al pH | Pilocarpina | Mantenere un'adeguata concentrazione di pilocarpina nel sito d'azione per un periodo di tempo prolungato. | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
Poli (glicole etilenico) e polietilenimina reticolati | Oligonucleotidi | Malattie neurodegenerative | Trasporto efficace attraverso la 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 contenenti colesterolo | Interleuchina-12 murina ricombinante | Immunoterapia dei tumori | Nanogel a rilascio prolungato | Farhana et al. (2013) |
Poli(N-isopropilacrilammide) e chitosano | Trattamento del cancro con ipertermia e somministrazione mirata di farmaci | Termosensibile modalizzato magneticamente | Farhana et al. (2013) | |
Rete ramificata reticolata di polietilenimina e PEG Polyplexnanogel | Fludarabina | Cancro | Elevata attività e ridotta citotossicità | Farhana et al. (2013) |
Nanogel biocompatibile di pullulan contenente colesterolo | Come chaperon artificiale | Trattamento della malattia di Alzheimer | Inibire l'aggregazione della proteina β amiloide | Ikeda et al. (2006) |
Nanogel di DNA con fotoreticolazione | Materiale genetico | Terapia genica | Consegna controllata di DNA plasmidico | Lee et al. (2009) |
Gel ibrido di carbopol e nanoparticelle di 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 da laboratorio a dimensioni industriali.