超音波を用いたナノ複合ハイドロゲルの合成

ナノコンポジット・ハイドロゲルまたはナノゲルは、薬物キャリアや放出制御型薬物送達システムとして高い効果を発揮する多機能3次元構造体である。超音波照射は、ナノサイズの高分子ハイドロゲル粒子の分散を促進し、その後のナノ粒子の高分子構造への包接/取り込みを促進する。

ナノゲルの超音波合成

ナノコンポジット・ハイ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るため、強力な薬物キャリアや放出制御型ドラッグデリバリーシステムとなる。超音波照射は、官能基化されたナノサイズ粒子の合成を促進し、その後の三次元高分子構造へのナノ粒子の包接/包含を促進する。超音波合成されたナノゲルは、そのナノスケールのコア内部に生理活性化合物を封じ込めることができるため、これらのナノサイズのハイドロゲルは優れた機能性を提供する。
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たハイ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の製造に非常に効率的であるため、プローブ型超音波発生装置は、優れた機能性を持つナノゲルを迅速かつ確実に製造するための重要なツールである。

超音波ナノゲルの機能性

• 優れたコロイド安定性と大きな比表面積
• ナノ粒子を高密度に充填できる
• ハイブリッドコア／シェルナノゲルで硬質粒子と軟質粒子を結合させることができる
• 高水和ポテンシャル
• 生物学的利用能の促進
• 高膨潤性／脱膨潤性

 
超音波で合成されたナノゲルは、多くの用途や産業で使用されている。

• 医薬・医療用途：薬剤キャリア、抗菌ゲル、抗菌創傷被覆材など
• 遺伝子導入のための生化学と生物医学における
• 化学および環境用途の吸着剤／バイオソルベントとして
• ハイドロゲルは、多くの生来の組織の物理的、化学的、電気的、生物学的特性を模倣することができるため、組織工学における

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の合成

ZnOハイブリッドナノ粒子は、簡便な超音波プロセスによってカーボポールゲル中で安定化させることができる：超音波処理によって亜鉛ナノ粒子を沈殿させ、その後にカルボポールと超音波架橋させてナノヒドロゲルを形成させる。
Ismailら(2021)は、簡便な超音波化学的経路で酸化亜鉛ナノ粒子を沈殿させた。(ZnOナノ粒子のソノケミカル合成プロトコルはこちら).
その後、このナノ粒子を用いてZnOナノゲルを合成した。そこで、生成したZnO NPを二重脱イオン水で洗浄した。0.5gのカーボポール940を300mLの2倍脱イオン水に溶かし、洗浄したばかりのZnO NPを加えた。カーボポールはもともと酸性であるため、溶液はpH値を中和する必要がある。次に、中和剤（pHを7に上げる）としてトリメチルアミン（TEA）50mLを、ZnO白色ゲルが形成されるまで超音波をかけ続けながら滴下した。カーボポールの増粘は、pHが中性に近づいたときに始まった。
研究チームは、粒子間相互作用の強化によってナノゲル形成に超音波が非常に良い効果をもたらすと説明している。反応混合物中の成分を超音波で分子撹拌することで、ポリマーと溶媒の相互作用によって促進される増粘プロセスが促進される。さらに、超音波照射はカーボポールの溶解を促進する。さらに、超音波照射は、ポリマーとZnOナノ粒子の相互作用を促進し、調製したカーボポール/ZnOハイブリッドナノ粒子ゲルの粘弾性特性を向上させた。
上の概略フローチャートは、ZnOナノ粒子とカーボポール/ZnOハイブリッドナノ粒子ゲルの合成を示している。本研究では、ZnOナノ粒子の沈殿とナノゲルの形成に超音波発生装置UP400Stを使用した。(Ismailら、2021年からの引用)

(a)は水溶液中で、(b)は安定なカーボポールベースのハイドロゲルに超音波分散させたものである。
(調査・写真：イスマイル他、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、超音波アシスト酸化還元重合法によってポリ（メタクリル酸）/モンモリロナイト（PMA/nMMT）ナノ複合ハイ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50mLの蒸留水に超音波で2時間分散させ、均一な分散液を形成した。超音波処理によって粘土の分散が改善され、その結果、ハイドロゲルの機械的特性と吸着能が向上した。メタクリル酸モノマー（30 mL）を懸濁液に滴下した。開始剤である過硫酸アンモニウム（APS）（0.1 M）を混合物に添加し、続いてTEMED促進剤（1.0 mL）を添加した。分散液をマグネチックスターラーにより50℃で4時間激しく撹拌した。得られた粘稠な塊をアセトン洗浄し、オーブン中70℃で48時間乾燥させた。得られた生成物を粉砕し、ガラス瓶に保存した。nMMTの量を0.5, 1.0, 1.5, 2.0gと変化させ、異なるナノコンポジットゲルを合成した。1.0gのnMMTを用いて調製したナノコンポジットヒドロゲルは、他のコンポジット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）、アモキシシリン（AMX）およびジクロフェナク（DF）を担持したPMA／nMMTからなるナノゲルの元素分析および構造分析を示している。のEDXとともに1.00KXの倍率で記録したSEM顕微鏡写真である。

• 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。

未加工のMMTは、大きな結晶粒の存在を示す層状のシート構造を有していることが観察された。改質後、MMTのシートは微小粒子に剥離したが、これは八面体サイトからSi2+とAl3+が除去されたためと考えられる。CTAB（C19H42BrN）の主成分は炭素（84%）であるため、これは主に修飾に使用した界面活性剤によるものと考えられる。PMA/nMMTは、コヒーレントでほぼ共連続的な構造を示す。さらに、孔は見られず、これはPMAマトリックス中へのnMMTの完全な剥離を示す。医薬分子であるアモキシシリン（AMX）とジクロフェナク（DF）を吸着させると、PMA/nMMTの形態に変化が観察される。表面は非対称になり、粗いテクスチャーが増加した。
粘土ベースのナノサイズヒドロゲルの用途と機能性：粘土ベースのハイドロゲル・ナノコンポジットは、生分解性、生体適合性、経済性、豊富さ、高い比表面積、三次元ネットワーク、膨潤／脱膨潤特性など、粘土とポリマーの両方の特性を兼ね備えているため、水溶液から無機および／または有機汚染物質を取り込むための潜在的なスーパー吸着剤になると想定されている。
(カーンら、2020参照）。

ハイドロゲルおよびナノゲル製造用高性能超音波発生装置

ハイドロゲルおよびナノゲル製造用高性能超音波発生装置
Hielscher Ultrasonics社は、優れた機能性を持つハイドロゲルやナノゲルを合成するための高性能超音波装置を製造しています。小型から中型のR&ハイエルシャー・ウルトラソニックス社は、ハイドロゲル/ナノゲル製造に必要な超音波プロセッサーを提供しています。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：