초음파를 이용한 나노복합 하이드로겔 합성
나노복합 하이드로겔 또는 나노겔은 약물 전달체 및 제어 방출 약물 전달 시스템으로서 높은 효능을 가진 다기능 3D 구조입니다. 초음파는 나노 크기의 고분자 하이드로겔 입자의 분산뿐만 아니라 이러한 고분자 구조에 나노 입자의 후속 포함 / 통합을 촉진합니다.
나노겔의 초음파 합성
나노복합 하이드로겔은 3차원 물질 구조이며 특정 기능을 나타내도록 설계할 수 있어 강력한 약물 전달체 및 제어 방출 약물 전달 시스템이 됩니다. 초음파는 기능화 된 나노 크기의 입자의 합성뿐만 아니라 3 차원 고분자 구조에 나노 입자의 후속 포함 / 통합을 촉진합니다. 초음파로 합성된 나노겔은 나노 크기의 코어 내부에 생체 활성 화합물을 가둘 수 있기 때문에 이 나노 크기의 하이드로겔은 뛰어난 기능을 제공합니다.
나노겔은 하이드로겔 나노입자의 수성 분산액으로, 친수성 고분자 네트워크로 물리적 또는 화학적으로 가교되어 있습니다. 고성능 초음파는 나노 분산액을 생성하는 데 매우 효율적이기 때문에 프로브 형 초음파기는 우수한 기능을 가진 나노 젤의 빠르고 안정적인 생산을위한 중요한 도구입니다.
초음파기 UIP1000hdT 나노복합 하이드로겔 합성을 위한 유리 반응기 포함
초음파로 생산된 나노겔의 기능
- 우수한 콜로이드 안정성과 큰 비표면적
- 나노 입자로 조밀하게 충전할 수 있습니다.
- 하이브리드 코어/쉘 나노겔에서 단단한 입자와 부드러운 입자를 결합할 수 있습니다.
- 높은 수분 공급 잠재력
- 생체이용률 증진
- 높은 팽창 / 수축 특성
초음파로 합성된 나노겔은 다음과 같은 다양한 응용 분야와 산업에서 사용됩니다.
- 제약 및 의료 응용 분야: 예: 약물 운반체, 항균 젤, 항균 상처 드레싱
- 유전자 전달을 위한 생화학 및 생물의학에서
- 화학 및 환경 응용 분야에서 흡착제/생물 흡착제로
- 조직 공학에서 하이드로겔은 많은 천연 조직의 물리적, 화학적, 전기적, 생물학적 특성을 모방할 수 있습니다
사례 연구: Sonochemical Route를 통한 아연 나노겔 합성
ZnO 하이브리드 나노 입자는 용이한 초음파 공정을 통해 Carbopol 겔에서 안정화 될 수 있습니다 : 초음파 처리는 아연 나노 입자의 침전을 유도하는 데 사용되며, 이는 나중에 Carbopol과 초음파로 가교되어 나노 하이드로 겔을 형성합니다.
Ismail et al. (2021)은 용이한 초음파 화학 경로를 통해 산화 아연 나노 입자를 침전시켰습니다. (ZnO 나노 입자의 초음파 화학 합성을 위한 프로토콜은 여기에서 찾을 수 있습니다.).
이어서, 나노 입자를 사용하여 ZnO 나노 겔을 합성하였다. 따라서 생성된 ZnO NP를 이중 탈이온수로 헹궈냈습니다. Carbopol 940 0.5g을 300mL의 이중 탈이온수에 용해시킨 후 갓 세척한 ZnO NP를 첨가했습니다. Carbopol은 자연적으로 산성이기 때문에 용액은 pH 값의 중화가 필요하며 그렇지 않으면 두꺼워지지 않습니다. 따라서, 혼합물은 진폭이 95이고 1 시간 동안 95 %의주기로 Hielscher 초음파 처리기 UP400S를 사용하여 연속 초음파 처리를 거쳤다. 그런 다음, 중화제 (pH를 7로 상승)로 트리메틸 아민 (TEA) 50mL를 첨가하여 ZnO 백색 겔의 형성이 발생할 때까지 연속 초음파 처리하에 적가시켰다. Carbopol의 두꺼워짐은 pH가 중성 pH에 가까울 때 시작되었습니다.
연구팀은 향상된 입자-입자 상호 작용에 의해 나노겔 형성에 대한 초음파의 매우 긍정적 인 효과를 설명합니다. 반응 혼합물의 구성 성분에 대한 초음파로 시작된 분자 교반은 고분자-용매 상호 작용에 의해 촉진되는 농축 과정을 향상시킵니다. 또한, 초음파 처리는 Carbopol의 용해를 촉진합니다. 또한, 초음파 조사는 고분자-ZnO NP의 상호 작용을 향상시키고 제조된 Carbopol/ZnO 하이브리드 나노입자 겔의 점탄성 특성을 향상시킵니다.
위의 개략도 흐름도는 ZnO NP와 Carbopol/ZnO 하이브리드 나노입자 겔의 합성을 보여줍니다. 이 연구에서 초음파기 UP400St는 ZnO 나노 입자 침전 및 나노 겔 형성에 사용되었습니다. (Ismail et al., 2021에서 발췌)
초음파의 영향하에 화학적 침전 방법으로 합성 된 ZnO NPs는 (a)는 수용액에 있고 (b) 초음파로 안정적인 Carbopol 기반 하이드로 겔에 분산되어 있습니다.
(연구 및 사진: Ismail et al., 2021)
사례 Stuy : 폴리 (메타 크릴산) / 몬 모릴로 나이트 (PMA / nMMT) 나노 겔의 초음파 준비
Khan et al. (2020)은 초음파 보조 산화 환원 중합을 통해 폴리(메타크릴산)/몬모릴로나이트(PMA/nMMT) 나노복합 하이드로겔을 성공적으로 합성했음을 입증했습니다. 전형적으로, 1.0 g의 nMMT를 50 mL의 증류수에 2 시간 동안 초음파로 분산시켜 균질 한 분산액을 형성하였다. 초음파 처리는 점토의 분산을 개선하여 하이드로겔의 기계적 특성과 흡착 능력을 향상시킵니다. 메타크릴산 단량체(30mL)를 현탁액에 적가하였다. 개시제인 과황산암모늄(APS)(0.1M)을 혼합물에 첨가한 후 1.0mL의 TEMED 촉진제를 첨가하였다. 분산액을 자기 교반기에 의해 50°C에서 4시간 동안 격렬하게 교반하였다. 생성된 점성 덩어리를 아세톤으로 세척하고 오븐에서 70°C에서 48시간 동안 건조시켰습니다. 생성된 생성물을 분쇄하여 유리병에 보관했습니다. 다양한 나노복합 겔을 0.5, 1.0, 1.5 및 2.0g의 양으로 nMMT를 변화시켜 합성했습니다. 1.0g의 nMMT를 사용하여 제조된 나노복합 하이드로겔은 나머지 복합재보다 더 나은 흡착 결과를 나타냈으므로 추가 흡착 조사에 사용되었습니다.
오른쪽의 SEM-EDX 현미경 사진은 몬모릴로나이트(MMT), 나노-몬모릴로나이트(nMMT), 폴리(메타크릴산)/나노-몬모릴로나이트(PMA/nMMT), 아목시실린(AMX) 및 디클로페낙(DF) 부하 PMA/nMMT로 구성된 나노겔의 원소 및 구조 분석을 보여줍니다. 1.00 KX의 배율로 기록 된 SEM 현미경 사진과 함께 EDX
- 몬모릴로나이트 (MMT),
- 나노-몬모릴로나이트(nMMT),
- 폴리(메타크릴산)/나노-몬모릴로나이트(PMA/nMMT),
- 및 아목시실린(AMX) 및 디클로페낙(DF) 부하 PMA/nMMT.
원시 MMT는 더 큰 입자의 존재를 보여주는 적층 시트 구조를 빚지고 있는 것으로 관찰됩니다. 수정 후, MMT 시트는 작은 입자로 박리되는데, 이는 팔면체 부위에서 Si2+ 및 Al3+가 제거되었기 때문일 수 있습니다. nMMT의 EDX 스펙트럼은 높은 비율의 탄소를 나타내는데, 이는 주로 CTAB(C19H42BrN)의 주성분이 탄소(84%)이기 때문에 개질에 사용되는 계면활성제 때문일 수 있습니다. PMA/nMMT는 일관되고 거의 연속적인 구조를 나타냅니다. 또한, 기공이 보이지 않으며, 이는 nMMT가 PMA 매트릭스로 완전히 박리되는 것을 나타냅니다. 제약 분자 아목시실린(AMX) 및 디클로페낙(DF)으로 흡착한 후 PMA/nMMT 형태의 변화가 관찰됩니다. 표면은 거친 질감이 증가함에 따라 비대칭이됩니다.
점토 기반 나노 크기 하이드로겔의 사용 및 기능: 점토 기반 하이드로겔 나노복합체는 생분해성, 생체 적합성, 경제적 생존력, 풍부함, 높은 비표면적, 3차원 네트워크 및 팽창/팽창 특성과 같은 점토와 폴리머의 결합 특성으로 인해 수용액에서 무기 및/또는 유기 오염 물질을 흡수하기 위한 잠재적인 슈퍼 흡착제로 구상됩니다.
(참조: Khan et al., 2020)
(a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT, (d) AMX 및 (e) DF 로딩 나노복합 하이드로겔의 SEM-EDX 현미경 사진. 나노 겔은 초음파를 사용하여 제조하였다.
(연구 및 사진: ©Khan et al. 2020)
하이드로겔 및 나노겔 생산을 위한 고성능 초음파발생기
하이드로겔 및 나노겔 생산을 위한 고성능 초음파발생기
Hielscher 초음파는 우수한 기능을 가진 하이드로 겔 및 나노 겔의 합성을위한 고성능 초음파 장비를 제조합니다. 중소형 R에서&연속 모드에서 상업용 하이드로 겔 제조를위한 산업 시스템에 대한 D 및 파일럿 초음파기, Hielscher 초음파는 하이드로 겔 / 나노 겔 생산에 대한 요구 사항을 충족시키는 올바른 초음파 프로세서를 갖추고 있습니다.
- 고능률
- 최첨단 기술
- 신뢰도 & 견고성
- 일괄 & 인라인
- 모든 볼륨에 대해
- 인텔리전트 소프트웨어
- 스마트 기능(예: 데이터 프로토콜링)
- 쉽고 안전한 작동
- 낮은 유지 보수
- CIP(clean-in-place, 클린-인-플레이스)
아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.
| 배치 볼륨(Batch Volume) | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1 내지 500mL | 10 내지 200mL/분 | 업100H |
| 10 내지 2000mL | 20 내지 400mL/분 | UP200HT, UP400ST |
| 0.1 내지 20L | 0.2 내지 4L/min | UIP2000hdT 님 |
| 10에서 100L | 2 내지 10L/min | UIP4000hdt 님 |
| 15에서 150L | 3 내지 15L/min | UIP6000hdT 님 |
| N.A. 개시 | 10 내지 100L/min | UIP16000 |
| N.A. 개시 | 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
문의! / 저희에게 물어보세요!
(연구 및 영화: Rutgeerts et al., 2019)
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.
알아 둘 만한 가치가 있는 사실
ZnO 나노 입자의 Sonochemical 합성을 위한 프로토콜
ZnO NP는 초음파 조사의 영향 하에 화학적 침전법을 사용하여 합성하였다. 일반적인 절차에서는 전구체로 아연 아세테이트 이수화물(Zn(CH3COO)2·2H2O)을 사용하고 환원제로 수용액(NH4OH)에 30-33%(NH3)의 암모니아 용액을 사용했습니다. ZnO 나노 입자는 100mL의 탈 이온수에 적당량의 아연 아세테이트를 용해시켜 0.1M의 아연 이온 용액을 생성함으로써 생성되었습니다. 그 후, 아연 이온 용액은 Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, 베를린, 독일)를 사용하여 79 %의 진폭과 40 °C의 온도에서 5 분 동안 0.76의 사이클로 초음파 조사를 받았다. 그런 다음, 암모니아 용액을 초음파의 영향으로 아연 이온 용액에 적가시켰다. 잠시 후 ZnO NP가 침전되고 성장하기 시작했으며 ZnO NP의 완전한 침전이 발생할 때까지 암모니아 용액이 지속적으로 첨가되었습니다.
얻어진 ZnO NP를 탈이온수를 사용하여 여러 번 세척하고 침전되도록 방치하였다. 후방으로, 얻어진 침전물을 실온에서 건조시켰다.
(이스마일 외, 2021)
나노겔이란?
나노겔 또는 나노복합 하이드로겔은 일반적으로 1-100나노미터 범위의 나노입자를 구조에 통합하는 하이드로겔 유형입니다. 이러한 나노 입자는 유기, 무기 또는 이 둘의 조합일 수 있습니다.
나노겔은 3차원 네트워크를 형성하기 위해 고분자 사슬의 화학적 결합을 포함하는 가교(crosslinking)로 알려진 과정을 통해 형성됩니다. 하이드로 겔과 나노 겔의 형성은 고분자 구조를 수화하고 가교를 촉진하며 나노 입자를 통합하기 위해 철저한 혼합이 필요하기 때문에 초음파는 하이드로 겔 및 나노 겔 생산에 매우 효과적인 기술입니다. 하이드로겔 및 나노겔 네트워크는 많은 양의 물을 흡수할 수 있어 나노겔을 고수화하여 약물 전달, 조직 공학 및 바이오센서와 같은 광범위한 응용 분야에 적합합니다.
나노겔 하이드로겔은 일반적으로 하이드로겔 매트릭스 전체에 분산되어 있는 실리카 또는 고분자 입자와 같은 나노입자로 구성됩니다. 이러한 나노 입자는 에멀젼 중합, 역 에멀젼 중합 및 졸-겔 합성을 포함한 다양한 방법을 통해 합성할 수 있습니다. 이러한 중합 및 졸-겔 합성은 초음파 교반으로부터 큰 이점을 얻습니다.
반면에 나노복합 하이드로겔은 하이드로겔과 점토 또는 산화그래핀과 같은 나노필러의 조합으로 구성됩니다. 나노필러를 첨가하면 하이드로겔의 강성, 인장 강도 및 인성과 같은 기계적 및 물리적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 여기서, 초음파 처리의 강력한 분산 능력은 나노 입자가 하이드로 겔 매트릭스로 균일하고 안정적으로 분포하는 것을 촉진합니다.
전반적으로 나노겔 및 나노복합 하이드로겔은 고유한 특성과 기능으로 인해 생물 의학, 환경 개선 및 에너지 저장과 같은 분야에서 광범위한 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다.
의학적 치료를 위한 나노겔의 응용
| 나노겔의 종류 | 마약 | 질병 | 활동 | 참조 |
| PAMA-DMMA 나노겔 | 독소루비신 | 암 | pH 값이 감소함에 따라 방출 속도가 증가합니다. 세포 생존도 연구에서 pH 6.8에서 더 높은 세포 독성 | Du 외. (2010) |
| 히알루로네이트로 장식된 키토산계 나노겔 | 테트라-페닐-포르피린-테트라-설포네이트(TPPS4), 테트라-페닐-클로린-테트라-카르복실레이트(TPCC4) 및 클로린 e6(Ce6)와 같은 감광제 | 류마티스 질환 | 대식세포에 의해 급속하게 채택하고 그들의 세포질 및 세포기관에서 축적하는 (4 h) | 슈미트 외 (2010) |
| Pluronic 하이드로겔의 PCEC 나노입자 | 리도카인 | 국소 마취 | 약 360분의 장시간 지속되는 침윤 마취 제작 | Yin 외. (2009) |
| HPMC 및 Carbopol gel에 분산된 Poly(lactide-co-glycolic acid) 및 키토산 나노입자 | 스판타이드 II | 알레르기성 접촉 피부염 및 기타 피부 염증성 질환 | Nanogelinncreases 스판타이드 II의 경피적 전달 가능성 | Punit 외. (2012) |
| pH에 민감한 폴리비닐 피롤리돈-폴리(아크릴산)(PVP/PAAc) 나노겔 | 필로카르핀 | 장기간 동안 작용 부위에서 pilocarpine의 적절한 농도를 유지하십시오. | Abd El-Rehim 외 (2013) | |
| 가교 폴리(에틸렌 글리콜) 및 폴리에틸렌 | 올리고뉴클레오티드 | 신경퇴행성 질환 | BBB를 가로질러 효과적으로 운송됩니다. 수송 효능은 나노겔의 표면이 트랜스페린 또는 인슐린으로 변형될 때 더욱 증가합니다 | Vinogradov 외 (2004) |
| 콜레스테롤 베어링 풀루란 나노겔 | 재조합 쥐 인터루킨-12 | 종양 면역 요법 | 서방형 나노겔 | Farhana 외 (2013) |
| 폴리(N-이소프로필아크릴아미드) 및 키토산 | 온열요법 암 치료 및 표적 약물 전달 | 감열성 자기 모드 처리 | Farhana 외 (2013) | |
| 폴리에틸렌이민과 PEG 폴리플렉스나노겔의 가교 분지 네트워크 | 플루다라빈 | 암 | 활성도 증가 및 세포 독성 감소 | Farhana 외 (2013) |
| 콜레스테롤을 함유한 풀루란의 생체적합성 나노겔 | 인공 보호자로서 | 알츠하이머병의 치료 | 아밀로이드 β 단백질의 응집 억제 | 이케다 외 (2006) |
| 사진 가교가 있는 DNA 나노겔 | 유전 물질 | 유전자 치료 | 플라스미드 DNA의 제어 전달 | Lee 외 (2009) |
| 카르보폴/산화아연(ZnO) 하이브리드 나노입자 겔 | ZnO 나노 입자 | 항균 작용, 세균 억제제 | 이스마일 외. (2021) |
Swarnali et al., 2017에서 발췌한 표
