超音波を使用したナノコンポジットヒドロゲル合成

ナノコンポジットヒドロゲルまたはナノゲルは、薬物キャリアおよび制御放出薬物送達システムとして高い有効性を有する多機能3D構造である。超音波処理は、ナノサイズのポリマーヒドロゲル粒子の分散を促進するだけでなく、これらのポリマー構造へのナノ粒子のその後の包含/組み込みを促進する。

ナノゲルの超音波合成

ナノコンポジットヒドロゲルまたはナノゲルの分散および合成のための超音波プローブ型ホモジナイザーUP400St。ナノコンポジットヒドロゲルは三次元材料構造であり、特定の特徴を示すように設計することができ、それはそれらを強力な薬物キャリアおよび制御放出薬物送達システムにする。超音波は、官能化されたナノサイズの粒子の合成だけでなく、三次元ポリマー構造におけるナノ粒子のその後の包含/組み込みを促進する。超音波合成ナノゲルは、ナノスケールコア内に生理活性化合物をトラップすることができるので、これらのナノサイズのヒドロゲルは、優れた機能を提供します。
ナノゲルは、親水性ポリマーネットワークとして物理的または化学的に架橋されているヒドロゲルナノ粒子の水分散液である。高性能超音波はナノ分散液を生成するのに非常に効率的であるため、プローブ型超音波処理器は、優れた機能を備えたナノゲルの迅速かつ信頼性の高い生産のための重要なツールです。

情報要求




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超音波キャビテーションは、ヒドロゲルおよびナノゲル(ナノ複合ヒドロゲル)合成中に架橋および重合を促進する。超音波分散は、ハイブリッドヒドロゲル製造のためのナノ材料の均一な分布を促進する。

超音波処理器 UIP1000hdT ナノコンポジットヒドロゲル合成用ガラス反応器付き

超音波生成ナノゲルの機能

  • 優れたコロイド安定性と大きな比表面積
  • ナノ粒子を密に充填することができます
  • ハイブリッドコア/シェルナノゲルで硬質粒子と軟粒子を組み合わせることができます
  • 高い水分補給ポテンシャル
  • バイオアベイラビリティの促進
  • 高い膨潤・消膨潤性



 
超音波合成ナノゲルは、多くの用途や産業で使用されています。

  • 製薬および医療用途:薬物担体、抗菌ゲル、抗菌創傷被覆材など
  • 遺伝子送達のための生化学および生物医学
  • 化学的および環境的用途における吸着剤/バイオ吸着剤として
  • 組織工学では、ヒドロゲルは多くのネイティブ組織の物理的、化学的、電気的、生物学的特性を模倣することができます

ケーススタディ:ソノケミカルルートによる亜鉛ナノゲル合成

ZnO NPおよびカルボポール/ZnOハイブリッドナノ粒子ゲルの合成のための概略フローチャート。研究では、超音波装置UP400Stは、ZnOナノ粒子沈殿およびナノゲル形成のために使用された。(イスマイルら、2021年から適応)ZnOハイブリッドナノ粒子は、簡単な超音波プロセスを介してカルボポールゲル中で安定化することができます:超音波処理は、その後、ナノヒドロゲルを形成するためにカルボポールと超音波架橋される亜鉛ナノ粒子の沈殿を駆動するために使用されます。
Ismailら(2021)は、簡単なソノケミカル経路を介して酸化亜鉛ナノ粒子を沈殿させた。(ここでZnOナノ粒子のソノケミカル合成のためのプロトコルを見つける)。
続いて、ナノ粒子を用いてZnOナノゲルを合成した。したがって、生成されたZnO NPは二重脱イオン水ですすいだ。0.5gのカルボポール940を300mLの2倍の脱イオン水に溶解し、続いて新たに洗浄したZnO NPsを添加した。カルボポールは自然に酸性であるため、溶液はpH値の中和を必要とし、そうでなければ増粘しません。したがって、混合物は、95の振幅と1時間のための95%のサイクルを有するヒールシャー超音波処理器UP400Sを使用して連続超音波処理を受けていた。次いで、中和剤としてのトリメチルアミン(TEA)の50mL(pHを7に上げる)を、ZnO白色ゲルの形成が起こるまで連続超音波処理下で滴下した。カルボポールの増粘は、pHが中性pHに近いときに始まりました。
研究チームは、強化された粒子 - 粒子相互作用によるナノゲル形成に対する超音波の非常に肯定的な効果を説明します。反応混合物中の成分の超音波開始分子攪拌は、ポリマー - 溶媒相互作用によって促進される増粘プロセスを強化する。さらに、超音波処理はカルボポールの溶解を促進します。さらに、超音波照射は、ポリマー-ZnO NPs相互作用を増強し、調製されたカルボポール/ZnOハイブリッドナノ粒子ゲルの粘弾性特性を改善する。
上記の概略フローチャートは、ZnO NPおよびカルボポール/ZnOハイブリッドナノ粒子ゲルの合成を示しています。研究では、超音波装置UP400Stは、ZnOナノ粒子沈殿およびナノゲル形成のために使用された。(イスマイルら、2021年から適応)

酸化亜鉛ナノ粒子を装填した超音波生成ナノゲル。

超音波の影響下で化学沈殿法によって合成されたZnO NPsは、(a)水溶液中にあり、(b)安定なカルボポールベースのヒドロゲルに超音波分散される。
(研究と写真:イスマイルら、2021年)

ケーススタイ:ポリ(メタクリル酸)/モンモリロナイト(PMA / nMMT)ナノゲルの超音波調製

Khanら(2020)は、超音波支援酸化還元重合を介してポリ(メタクリル酸)/モンモリロナイト(PMA / nMMT)ナノコンポジットヒドロゲルの合成に成功したことを実証した。典型的には、1.0gのnMMTを2時間の超音波処理で50mLの蒸留水に分散させて均質な分散液を形成する。超音波処理は、粘土の分散を改善し、その結果、ヒドロゲルの機械的特性と吸着能力が向上します。メタクリル酸モノマー(30mL)を懸濁液に滴下した。開始剤過硫酸アンモニウム(APS)(0.1 M)を混合物に添加し、続いて1.0 mLのTEMED促進剤を添加しました。分散液をマグネチックスターラーにより50°Cで4時間激しく撹拌した。得られた粘性塊をアセトン洗浄し、オーブン中70°Cで48時間乾燥させた。得られた生成物を粉砕しそしてガラス瓶に貯蔵した。nMMTを0.5、1.0、1.5、および2.0gの量で変化させることによって、異なるナノコンポジットゲルを合成した。1.0 gのnMMTを使用して調製されたナノコンポジットヒドロゲルは、他の複合材料よりも優れた吸着結果を示したため、さらなる吸着調査に使用されました。
右のSEM-EDX顕微鏡写真は、モンモリロナイト(MMT)、ナノモンモリロナイト(nMMT)、ポリ(メタクリル酸)/ナノモンモリロナイト(PMA/nMMT)、およびアモキシシリン(AMX)およびジクロフェナク(DF)担持PMA/nMMTからなるナノゲルの元素および構造分析を示しています。1.00 KXの倍率で記録されたSEM顕微鏡写真は、

  • モンモリロナイト(MMT)、
  • ナノモンモリロナイト(nMMT)、
  • ポリ(メタクリル酸)/ナノモンモリロナイト(PMA / nMMT)、
  • アモキシシリン(AMX)およびジクロフェナク(DF)負荷PMA / nMMT。

生のMMTは、より大きな粒子の存在を示す層状のシート構造を負っていることが観察されています。修飾後、MMTのシートは小さな粒子に剥離しますが、これは八面体部位からSi2+とAl3+が除去されたことが原因である可能性があります。nMMTのEDXスペクトルは炭素の割合が高いが、これは主にCTAB(C19H42BrN)の主成分である炭素(84%)であるため、修飾に利用される界面活性剤に起因する可能性がある。PMA/nMMTは、コヒーレントでほぼ共連続的な構造を示します。さらに、細孔は見えず、PMAマトリックスへのnMMTの完全な剥離を示しています。医薬分子アモキシシリン(AMX)およびジクロフェナク(DF)による収着後、PMA / nMMT形態の変化が観察されます。表面は粗い質感の増加とともに非対称になります。
粘土ベースのナノサイズのヒドロゲルの使用と機能:粘土ベースのヒドロゲルナノ複合材料は、生分解性、生体適合性、経済的実行可能性、存在量、高比表面積、三次元ネットワーク、膨潤/消膨潤特性などの粘土とポリマーの両方の特性を組み合わせるため、水溶液からの無機および/または有機汚染物質の取り込みのための潜在的な超吸着剤であると想定されています。
(カーンら、2020年を参照)

ナノモンモリロナイト粘土などの様々なナノ粒子を搭載した超音波合成ナノゲル。

(a)MMT、(b)nMMT、(c)PMA/nMMT、および(d)AMXおよび(e)DF負荷ナノコンポジットヒドロゲルのSEM-EDX顕微鏡写真。ナノゲルを超音波を用いて調製した。
(研究と写真:©カーンら2020)

ヒドロゲルおよびナノゲル生産のための高性能超音波装置

ヒドロゲルおよびナノゲル生産のための高性能超音波装置
ヒールシャー超音波は、優れた機能を有するヒドロゲルおよびナノゲルの合成のための高性能超音波装置を製造しています。中小Rから&連続モードでの商業ヒドロゲル製造のための産業システムへのDとパイロット超音波装置、ヒールシャー超音波は、ヒドロゲル/ナノゲル生産のためのあなたの要件をカバーするために右の超音波プロセッサを持っています。

なぜヒールシャー超音波?

  • 高効率
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  • スマート機能(例えば、データプロトコル)
  • 操作が容易で安全
  • 低メンテナンス
  • CIP(クリーンインプレイス)

下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます:

バッチ容量 流量 推奨デバイス
500mLの1〜 200mL /分で10 UP100H
2000mlの10〜 20 400mLの/分 Uf200ःトンUP400St
00.1 20Lへ 04L /分の0.2 UIP2000hdT
100Lへ10 10L /分で2 UIP4000hdT
15から150L 3から15リットル/分 UIP6000hdT
N.A。 10 100L /分 UIP16000
N.A。 大きな のクラスタ UIP16000

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上の短いクリップでは、 超音波装置 UP50H 低分子量ゲル化剤を用いてヒドロゲルを形成するために使用される。その結果、自己修復型の超分子ヒドロゲルが得られます。
(研究と映画:Rutgeertsら、2019)
ヒドロゲルへのシリカナノ粒子の超音波分散:ヒールシャー超音波ホモジナイザーUP400Stは、多機能性を有する均一なナノゲルにシリカナノ粒子を迅速かつ効率的に分散させる。

超音波装置UP400Stを使用したヒドロゲル中のナノ粒子の超音波分散

ビデオサムネイル



文献 / 参考文献

知る価値のある事実

ZnOナノ粒子のソノケミカル合成のためのプロトコル

ZnO NPsは、超音波照射の影響下で化学沈殿法を用いて合成された。典型的な手順では、前駆体として酢酸亜鉛二水和物(Zn(CH3COO)2·2H2O)、および還元剤として水溶液(NH4OH)中の30〜33%(NH3)のアンモニア溶液が使用されました。ZnOナノ粒子は、適量の酢酸亜鉛を100mLの脱イオン水に溶解して0.1Mの亜鉛イオン溶液を生成することによって生成した。続いて、亜鉛イオン溶液をヒールシャーUP400S(400W、24kHz、ベルリン、ドイツ)を用いて振幅79%、0.76サイクルで40°Cの温度で5分間超音波照射を行った。次いで、アンモニア溶液を、超音波の影響下で亜鉛イオン溶液に滴下した。しばらくすると、ZnO NPが沈殿して成長し始め、ZnO NPが完全に沈殿するまでアンモニア溶液を連続的に添加しました。
得られたZnO NPsをイオン交換水を用いて数回洗浄し、放置して沈降させた。後方では、得られた沈殿物を室温で乾燥した。
(イスマイルら、2021年)

ナノゲルとは?

ナノゲルまたはナノ複合ヒドロゲルは、通常1〜100ナノメートルの範囲のナノ粒子をそれらの構造に組み込むヒドロゲルの一種である。これらのナノ粒子は、有機、無機、またはその両方の組み合わせであり得る。
ナノゲルは、ポリマー鎖の化学結合を含む架橋と呼ばれるプロセスによって形成され、3次元ネットワークを形成します。ヒドロゲルおよびナノゲルの形成は、ポリマー構造を水和し、架橋を促進し、ナノ粒子を組み込むために完全な混合を必要とするので、超音波はヒドロゲルおよびナノゲルの製造のための非常に有効な技術である。ヒドロゲルおよびナノゲルネットワークは大量の水を吸収できるため、ナノゲルは高度に水和されるため、ドラッグデリバリー、組織工学、バイオセンサーなどの幅広いアプリケーションに適しています。
ナノゲルヒドロゲルは、典型的には、ヒドロゲルマトリックス全体に分散しているシリカまたはポリマー粒子などのナノ粒子から構成される。これらのナノ粒子は、乳化重合、逆乳化重合、ゾルゲル合成など様々な方法で合成することができる。これらの重合およびゾルゲル合成は、超音波攪拌から大きな恩恵を受ける。
一方、ナノコンポジットヒドロゲルは、ヒドロゲルと、粘土や酸化グラフェンなどのナノフィラーとの組み合わせで構成されています。ナノフィラーの添加は、その剛性、引張強度、および靭性などのヒドロゲルの機械的および物理的特性を改善することができる。ここで、超音波処理の強力な分散能力は、ヒドロゲルマトリックスへのナノ粒子の均一かつ安定した分布を促進する。
全体として、ナノゲルおよびナノコンポジットヒドロゲルは、その独特の特性および機能性のために、生物医学、環境修復、およびエネルギー貯蔵などの分野で幅広い潜在的な用途を有する。

ナノゲルの医療への応用

ナノゲルの種類 病気 活動 参照
パマ-DMMAナノゲル ドキソルビシン pH値が低下するにつれて放出速度が増加した。細胞生存率試験におけるpH 6.8での細胞毒性の向上 Du et al. (2010)
ヒアルロン酸で修飾されたキトサンベースのナノゲル テトラフェニルポルフィリンテトラスルホン酸塩(TPPS4)、テトラフェニルクロリンテトラカルボン酸塩(TPCC4)、クロリンe6(Ce6)などの光増感剤 リウマチ性疾患 マクロファージによって急速に取り込まれ(4時間)、それらの細胞質および細胞小器官に蓄積された シュミットら(2010)
プルロニックヒドロゲル中のPCECナノ粒子 リドカイン 局所麻酔 約360分の長時間浸潤麻酔を実現 陰ら (2009)
HPMCおよびカルボポールゲルに分散したポリ(ラクチド-co-グリコール酸)およびキトサンナノ粒子 スパンティド2世 アレルギー性接触皮膚炎およびその他の皮膚炎症性疾患 スパンチドIIの経皮的送達のためのナノゲリンクレアゼの可能性 プニットら (2012)
pH感受性ポリビニルピロリドン-ポリ(アクリル酸)(PVP / PAAc)ナノゲル ピロカルピン 作用部位でのピロカルピンの適切な濃度を長期間維持する Abd El-Rehim et al. (2013)
架橋ポリ(エチレングリコール)およびポリエチレンイミン オリゴヌクレオチド 神経変性疾患 BBBを越えて効果的に輸送されます。ナノゲルの表面がトランスフェリンまたはインスリンで修飾されると、輸送効果がさらに増加します。 ヴィノグラドフら (2004)
コレステロール含有プルランナノゲル 組換えマウスインターロイカイン-12 腫瘍免疫療法 徐放性ナノゲル ファルハナら (2013)
ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)とキトサン 温熱療法によるがん治療と標的薬物送達 感熱磁気モダライズ ファルハナら (2013)
ポリエチレンイミンとPEGポリプレックスナノゲルの架橋分岐ネットワーク フルダラビン 活性の上昇と細胞毒性の低下 ファルハナら (2013)
コレステロール含有プルランの生体適合性ナノゲル 人工シャペロンとして アルツハイマー病の治療 アミロイドβタンパク質の凝集を阻害する 池田ら (2006)
光架橋を有するDNAナノゲル 遺伝物質 遺伝子治療 プラスミドDNAの制御送達 Lee et al. (2009)
カルボポール/酸化亜鉛(ZnO)ハイブリッドナノ粒子ゲル ZnOナノ粒子 抗菌活性、細菌阻害剤 イスマイルら(2021)

表はSwarnali et al., 2017から改作


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