초음파 처리를 이용한 나노복합 하이드로겔 합성

나노복합 하이드로겔 또는 나노겔은 약물 운반체 및 방출 제어형 약물 전달 시스템으로서 높은 효능을 발휘하는 다기능 3D 구조체입니다. 초음파 처리는 나노 크기의 고분자 하이드로겔 입자의 분산뿐 아니라 이후 이러한 고분자 구조 내부로 나노입자를 포함/도입하는 과정도 촉진합니다.

나노겔의 초음파 합성

나노복합 하이드로겔은 삼차원 재료 구조체로, 특정한 특성을 나타내도록 설계할 수 있어 효과적인 약물 운반체 및 방출 제어형 약물 전달 시스템으로 활용할 수 있습니다. 초음파 처리는 기능화된 나노 크기 입자의 합성뿐 아니라 이후 삼차원 고분자 구조 내부로 나노입자를 포함/도입하는 과정도 촉진합니다. 초음파로 합성한 나노겔은 나노 크기의 코어 내부에 생리활성 화합물을 포획할 수 있으므로, 이러한 나노 크기 하이드로겔은 뛰어난 기능성을 제공합니다.
나노겔은 친수성 고분자 망상구조로 물리적 또는 화학적으로 가교된 하이드로겔 나노입자의 수성 분산체입니다. 고성능 초음파는 나노 분산체 제조에 매우 효율적이므로, 프로브형 초음파 처리기는 우수한 기능성을 갖춘 나노겔을 빠르고 신뢰성 있게 생산하는 데 중요한 도구입니다.

초음파 캐비테이션은 하이드로겔 및 나노겔(나노복합체 하이드로겔) 합성 중 가교와 중합을 촉진합니다. 초음파 분산은 하이브리드 하이드로겔 제조 시 나노물질의 균일한 분포를 용이하게 합니다.

초음파 처리기 UIP1000hdT (나노복합 하이드로겔 합성용 유리 반응기 포함)

초음파로 생산한 나노겔의 기능성

우수한 콜로이드 안정성과 큰 비표면적
나노입자를 조밀하게 충전할 수 있음
하이브리드 코어/셸 나노겔에서 단단한 입자와 부드러운 입자를 결합할 수 있음
높은 수화 능력
생체이용률 향상
높은 팽윤 / 탈팽윤 특성

초음파로 합성한 나노겔은 다음과 같은 다양한 응용 분야와 산업에서 사용됩니다.

제약 및 의료 분야: 예를 들어 약물 운반체, 항균 겔, 항균 창상 피복재
생화학 및 생의학 분야에서 유전자 전달용으로 사용
화학 및 환경 분야에서 흡착제/생물흡착제로 사용
하이드로겔이 다양한 생체 조직의 물리적, 화학적, 전기적 및 생물학적 특성을 모방할 수 있어 조직 공학에 사용

사례 연구: 초음파화학적 경로를 통한 아연 나노겔 합성

ZnO 하이브리드 나노입자는 간단한 초음파 공정을 통해 Carbopol 겔 내에서 안정화할 수 있습니다. 초음파 처리를 통해 아연 나노입자의 침전을 유도한 후, 초음파로 이 입자를 Carbopol과 가교하여 나노 하이드로겔을 형성합니다.
Ismail et al. (2021)은 간단한 초음파화학적 경로를 통해 산화아연 나노입자를 침전시켰습니다. (ZnO 나노입자의 초음파화학적 합성 프로토콜은 여기에서 확인하세요).
이어서 이 나노입자를 사용하여 ZnO 나노겔을 합성했습니다. 이를 위해 생성된 ZnO 나노입자를 이중 탈이온수로 헹궜습니다. Carbopol 940 0.5 g을 이중 탈이온수 300 mL에 용해한 다음, 갓 세척한 ZnO 나노입자를 첨가했습니다. Carbopol은 본래 산성이므로 용액의 pH를 중화해야 하며, 그렇지 않으면 점도가 높아지지 않습니다. 이에 따라 Hielscher 초음파 처리기 UP400S를 사용하여 진폭 95, 사이클 95%로 혼합물을 1 h 동안 연속 초음파 처리했습니다. 그런 다음 연속 초음파 처리 상태에서 중화제인 트리메틸아민(TEA) 50 mL를 한 방울씩 첨가하여 pH를 7로 높였으며, 백색 ZnO 겔이 형성될 때까지 첨가했습니다. Carbopol의 점도 증가는 pH가 중성에 가까워졌을 때 시작되었습니다.
연구팀은 초음파 처리가 나노겔 형성에 미치는 매우 긍정적인 효과를 입자 간 상호작용의 증대로 설명합니다. 초음파에 의해 유발된 반응 혼합물 구성 성분의 분자 운동은 고분자와 용매 간 상호작용으로 촉진되는 점도 증가 과정을 강화합니다. 또한 초음파 처리는 Carbopol의 용해를 촉진합니다. 아울러 초음파 조사는 고분자와 ZnO 나노입자 간 상호작용을 강화하고 제조된 Carbopol/ZnO 하이브리드 나노입자 겔의 점탄성 특성을 개선합니다.
위의 개략적인 흐름도는 ZnO 나노입자와 Carbopol/ZnO 하이브리드 나노입자 겔의 합성을 보여줍니다. 이 연구에서는 ZnO 나노입자 침전과 나노겔 형성에 초음파 처리기 UP400St를 사용했습니다. (Ismail et al., 2021에서 수정 인용)

초음파 처리의 영향하에서 화학적 침전법으로 합성한 ZnO 나노입자로, (a)는 수용액 내 상태이며, (b)는 초음파로 분산하여 안정적인 Carbopol 기반 하이드로겔을 형성한 상태입니다.
(연구 및 사진: Ismail et al., 2021)

사례 연구: 폴리(메타크릴산)/몬모릴로나이트(PMA/nMMT) 나노겔의 초음파 제조

Khan et al. (2020)은 초음파 보조 산화환원 중합을 통해 폴리(메타크릴산)/몬모릴로나이트(PMA/nMMT) 나노복합 하이드로겔을 성공적으로 합성했음을 입증했습니다. 일반적인 절차에서는 nMMT 1.0 g을 증류수 50 mL에 넣고 2 h 동안 초음파 처리하여 균일한 분산액을 형성했습니다. 초음파 처리는 점토의 분산을 개선하여 하이드로겔의 기계적 특성과 흡착 용량을 향상시킵니다. 메타크릴산 단량체(30 mL)를 현탁액에 한 방울씩 첨가했습니다. 개시제인 과황산암모늄(APS)(0.1 M)을 혼합물에 첨가한 다음 TEMED 촉진제 1.0 mL를 첨가했습니다. 분산액을 자석 교반기로 50°C에서 4 h 동안 강하게 교반했습니다. 생성된 점성 물질을 아세톤으로 세척하고 오븐에서 70°C로 48 h 동안 건조했습니다. 생성물을 분쇄하여 유리병에 보관했습니다. nMMT의 양을 0.5, 1.0, 1.5 및 2.0 g으로 달리하여 여러 나노복합 겔을 합성했습니다. nMMT 1.0 g을 사용하여 제조한 나노복합 하이드로겔이 나머지 복합체보다 더 우수한 흡착 결과를 보여 후속 흡착 연구에 사용되었습니다.
오른쪽의 SEM-EDX 현미경 사진은 몬모릴로나이트(MMT), 나노 몬모릴로나이트(nMMT), 폴리(메타크릴산)/나노 몬모릴로나이트(PMA/nMMT), 그리고 아목시실린(AMX) 및 디클로페낙(DF)을 담지한 PMA/nMMT로 구성된 나노겔의 원소 및 구조 분석을 보여줍니다. 1.00 KX 배율로 촬영한 SEM 현미경 사진과 EDX 분석의 대상은 다음과 같습니다.

몬모릴로나이트(MMT),
나노 몬모릴로나이트(nMMT),
폴리(메타크릴산)/나노 몬모릴로나이트(PMA/nMMT),
그리고 아목시실린(AMX) 및 디클로페낙(DF)을 담지한 PMA/nMMT.

원료 MMT는 더 큰 입자가 존재하는 층상 판상 구조를 갖는 것으로 관찰됩니다. 개질 후 MMT의 판상 구조는 작은 입자로 박리되며, 이는 팔면체 자리에서 Si2+와 Al3+가 제거되기 때문일 수 있습니다. nMMT의 EDX 스펙트럼은 높은 탄소 비율을 나타내는데, 이는 주로 개질에 사용된 계면활성제 때문일 수 있습니다. CTAB (C19H42BrN)의 주요 구성 원소가 탄소(84%)이기 때문입니다. PMA/nMMT는 응집성 있는 구조와 거의 공동 연속적인 구조를 나타냅니다. 또한 기공이 보이지 않는데, 이는 nMMT가 PMA 매트릭스 내에서 완전히 박리되었음을 나타냅니다. 의약품 분자인 아목시실린(AMX)과 디클로페낙(DF)의 수착 후에는 PMA/nMMT의 형태 변화가 관찰됩니다. 표면은 질감이 더 거칠어지면서 비대칭적으로 변합니다.
점토 기반 나노 크기 하이드로겔의 용도와 기능: 점토 기반 하이드로겔 나노복합체는 생분해성, 생체적합성, 경제성, 풍부한 가용성, 높은 비표면적, 삼차원 네트워크, 팽윤 / 탈팽윤 특성 등 점토와 고분자의 특성을 함께 갖추고 있어, 수용액에서 무기 및/또는 유기 오염물질을 흡착하는 잠재적인 초고성능 흡착제로 기대됩니다.
(Khan et al., 2020 참조)

나노 몬모릴로나이트 점토 등 다양한 나노입자를 담지한 초음파 합성 나노겔.

(a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT, (d) AMX 및 (e) DF가 담지된 나노복합 하이드로겔의 SEM-EDX 현미경 이미지. 나노겔은 초음파 처리를 이용하여 제조되었습니다.
(연구 및 사진: ©Khan et al. 2020)

하이드로겔 및 나노겔 생산용 고성능 초음파 처리기

하이드로겔 및 나노겔 생산용 고성능 초음파 처리기
Hielscher Ultrasonics는 뛰어난 기능을 갖춘 하이드로겔과 나노겔의 합성을 위한 고성능 초음파 장비를 제조합니다. 소형 및 중형 연구개발용·파일럿용 초음파 처리기부터 연속 모드의 상업적 하이드로겔 제조를 위한 산업용 시스템까지, Hielscher Ultrasonics는 하이드로겔 / 나노겔 생산 요구사항을 충족하는 적합한 초음파 처리기를 제공합니다.

왜 Hielscher Ultrasonics인가요?

높은 효율
최첨단 기술
신뢰성 및 견고성
배치 및 인라인
모든 용량에 대응
지능형 소프트웨어
스마트 기능(예: 데이터 기록)
쉽고 안전한 조작
적은 유지보수
CIP(정치 세정)

아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:

배치 용량	유량	권장 장치
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
15–150L	3–15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10–100L/min	UIP16000
n.a.	더 높은 유량	클러스터형 UIP16000

연락하세요! / 문의하세요!

위의 짧은 영상에서는 초음파 처리기 UP50H 를 사용하여 저분자량 겔화제로 초분자 하이드로겔을 형성합니다. 그 결과 자가 치유 초분자 하이드로겔이 생성됩니다.
(연구 및 영상: Rutgeerts et al., 2019)

초음파 처리기 UP400St를 이용한 하이드로젤 내 나노입자 초음파 분산

문헌 / 참고문헌

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.

알아두면 좋은 정보

ZnO 나노입자의 초음파화학적 합성 프로토콜

ZnO 나노입자(NPs)는 초음파 조사하에서 화학적 침전법으로 합성하였다. 일반적인 절차에서는 아세트산아연 이수화물(Zn(CH3COO)2·2H2O)을 전구체로 사용하고, 수용액(NH4OH) 내 30–33% 암모니아(NH3) 용액을 환원제로 사용하였다. 적절한 양의 아세트산아연을 탈이온수 100 mL에 용해하여 0.1 M 아연 이온 용액을 제조함으로써 ZnO 나노입자를 생성하였다. 이어서 Hielscher UP400S(400 W, 24 kHz, 독일 베를린)를 사용하여 진폭 79%, 사이클 0.76, 온도 40 ◦C에서 아연 이온 용액에 5 min 동안 초음파를 조사하였다. 그런 다음 초음파 조사하에서 아연 이온 용액에 암모니아 용액을 한 방울씩 첨가하였다. 잠시 후 ZnO NPs가 침전되고 성장하기 시작했으며, ZnO NPs가 완전히 침전될 때까지 암모니아 용액을 계속 첨가하였다.
생성된 ZnO NPs를 탈이온수로 여러 차례 세척한 후 가라앉도록 정치하였다. 이후 얻어진 침전물을 실온에서 건조하였다.
(Ismail et al., 2021)

나노겔이란?

나노겔 또는 나노복합 하이드로겔은 일반적으로 크기가 1–100 나노미터 범위인 나노입자를 구조 내에 포함하는 하이드로겔의 한 유형이다. 이러한 나노입자는 유기물, 무기물 또는 이 둘의 조합일 수 있다.
나노겔은 가교라는 공정을 통해 형성되며, 이 공정에서는 고분자 사슬이 화학적으로 결합하여 삼차원 네트워크를 형성한다. 하이드로겔과 나노겔의 형성에는 고분자 구조의 수화, 가교 촉진 및 나노입자 도입을 위한 충분한 혼합이 필요하므로, 초음파 처리는 하이드로겔과 나노겔 생산에 매우 효과적인 기법이다. 하이드로겔과 나노겔 네트워크는 다량의 물을 흡수할 수 있어 나노겔의 수화도가 높아지므로 약물 전달, 조직 공학 및 바이오센서와 같은 다양한 응용 분야에 적합하다.
나노겔 하이드로겔은 일반적으로 하이드로겔 매트릭스 전체에 분산된 실리카 또는 고분자 입자와 같은 나노입자로 구성된다. 이러한 나노입자는 유화 중합, 역유화 중합 및 졸–겔 합성을 비롯한 다양한 방법으로 합성할 수 있다. 이러한 중합 및 졸–겔 합성은 초음파 교반으로 큰 이점을 얻는다.
한편, 나노복합 하이드로겔은 하이드로겔과 점토 또는 산화 그래핀 같은 나노충전재의 조합으로 구성된다. 나노충전재를 첨가하면 하이드로겔의 강성, 인장 강도 및 인성과 같은 기계적·물리적 특성을 개선할 수 있다. 이때 초음파 처리의 강력한 분산 능력은 나노입자가 하이드로겔 매트릭스 내에 균일하고 안정적으로 분포하도록 돕는다.
전반적으로 나노겔과 나노복합 하이드로겔은 고유한 특성과 기능성으로 인해 생물의학, 환경 복원 및 에너지 저장과 같은 분야에서 광범위한 잠재적 응용 가능성을 지닌다.

의료 치료를 위한 나노겔의 응용

나노겔 유형	약물	질환	작용	참고문헌
PAMA-DMMA 나노겔	독소루비신	암	pH 값이 감소함에 따라 방출 속도가 증가하였다. 세포 생존율 연구에서 pH 6.8일 때 더 높은 세포독성을 나타냈다	Du et al. (2010)
히알루론산염으로 표면을 수식한 키토산 기반 나노겔	테트라페닐포르피린 테트라설포네이트(TPPS4), 테트라페닐클로린 테트라카르복실레이트(TPCC4) 및 클로린 e6(Ce6) 같은 광감작제	류마티스성 질환	대식세포에 빠르게 흡수되어(4 h) 세포질과 세포소기관에 축적되었다	Schmitt et al. (2010)
Pluronic 하이드로겔 내 PCEC 나노입자	리도카인	국소 마취	약 360 min 동안 지속되는 침윤 마취를 유도하였다	Yin et al. (2009)
HPMC 및 Carbopol 겔에 분산된 폴리(락타이드-co-글리콜산) 및 키토산 나노입자	Spantide II	알레르기성 접촉 피부염 및 기타 피부 염증성 질환	나노겔은 spantide II의 경피 전달 가능성을 높입니다	Punit et al. (2012)
pH 감응성 폴리비닐피롤리돈–폴리(아크릴산) (PVP/PAAc) 나노겔	필로카르핀		작용 부위에서 적절한 필로카르핀 농도를 장기간 유지합니다	Abd El-Rehim et al. (2013)
가교된 폴리(에틸렌글리콜)과 폴리에틸렌이민	올리고뉴클레오타이드	신경퇴행성 질환	혈액뇌장벽(BBB)을 가로질러 효과적으로 전달됩니다. 나노겔 표면을 트랜스페린이나 인슐린으로 개질하면 전달 효율이 더욱 높아집니다	Vinogradov et al. (2004)
콜레스테롤이 결합된 풀루란 나노겔	재조합 생쥐 인터루킨-12	종양 면역요법	서방형 나노겔	Farhana et al. (2013)
폴리(N-이소프로필아크릴아미드)와 키토산		암 온열 치료 및 표적 약물 전달	온도 감응성, 자기적으로 양태화됨	Farhana et al. (2013)
폴리에틸렌이민과 PEG의 가교된 분지형 네트워크로 이루어진 폴리플렉스 나노겔	플루다라빈	암	활성 증가 및 세포독성 감소	Farhana et al. (2013)
콜레스테롤이 결합된 풀루란의 생체적합성 나노겔	인공 샤페론으로 사용	알츠하이머병 치료	아밀로이드 β-단백질의 응집을 억제합니다	Ikeda et al. (2006)
광가교된 DNA 나노겔	유전 물질	유전자 치료	플라스미드 DNA의 제어 전달	Lee et al. (2009)
Carbopol/산화아연(ZnO) 하이브리드 나노입자 겔	ZnO 나노입자		항균 활성, 세균 억제제	Ismail et al. (2021)

Swarnali et al., 2017의 표를 수정하여 인용

고성능 초음파 기술! Hielscher의 제품군은 소형 실험실용 초음파 처리기부터 벤치탑 장치와 본격적인 산업용 초음파 시스템까지 전 범위를 아우릅니다.

Hielscher Ultrasonics는 실험실 규모 에서 산업 규모에 이르는 고성능 초음파 균질기를 제조합니다.