Synthes vu Nanokomposit-Hydrogeler mat Ultraschall
Nanokomposit-Hydrogeler oder Nanogeler si multifunktionell 3D-Strukture mat héijer Wierksamkeet als Wierkstoffdréier a Systemer fir d’Verabreechung vu Medikamenter mat kontrolléierter Fräisetzung. D’Ultraschallbehandlung fërdert d’Dispersioun vun nanoskaléierte polymere Hydrogelpartikelen an och dat uschléissend Aschléissen/Abaue vun Nanopartikelen an dës Polymerstrukturen.
Ultraschallsynthes vun Nanogeler
Nanokomposit-Hydrogeler sinn dräidimensional Materialstrukturen a kënne sou entworf ginn, datt si spezifesch Eegenschaften opweisen, wat si zu leeschtungsstaarke Wierkstoffdréier a Systemer fir d’Verabreechung vu Medikamenter mat kontrolléierter Fräisetzung mécht. D’Ultraschallbehandlung fërdert d’Synthes vu funktionaliséierten nanoskaléierte Partikelen an och dat uschléissend Aschléissen/Abaue vun Nanopartikelen an dräidimensional polymer Strukturen. Well mat Ultraschall synthetiséiert Nanogeler bioaktiv Verbindungen an hirem nanoskaléierte Kär aschléisse kënnen, bidden dës nanoskaléiert Hydrogeler grouss funktionell Méiglechkeeten.
Nanogeler si wässereg Dispersioune vun Hydrogelnanopartikelen, déi physikalesch oder cheemesch zu engem hydrophille Polymernetzwierk vernetzt sinn. Well Héichleeschtungsultraschall bei der Produktioun vun Nanodispersiounen héich effizient ass, sinn Ultraschallapparater mat Sond en entscheedend Instrument fir déi séier an zouverlässeg Produktioun vun Nanogeler mat iwwerleeëne Funktionalitéiten.
Ultraschallapparat UIP1000hdT mat Glasreaktor fir d’Synthes vu Nanokomposit-Hydrogeler
Funktionalitéite vu mat Ultraschall produzéierten Nanogeler
- exzellent kolloidal Stabilitéit an déi grouss spezifesch Uewerfläch
- kënnen dicht mat Nanopartikele gefëllt ginn
- erlaben et, haart a mëll Partikelen an engem hybride Kär/Schuel-Nanogel ze kombinéieren
- héicht Hydratatiounspotenzial
- Fërderung vun der Bioverfügbarkeet
- ausgepräägt Quell- / Entquelleegenschaften
Mat Ultraschall synthetiséiert Nanogeler ginn a villen Uwendungen an Industrien agesat, z. B.
- fir pharmazeutesch a medezinesch Uwendungen: z. B. Wierkstoffdréier, antibakterielle Gel, antibakterielle Wonnverband
- an der Biochemie an der Biomedizin fir de Gentransfer
- als Adsorptiounsmëttel/Biosorptiounsmëttel a cheemeschen an ëmwelttechneschen Uwendungen
- am Tissue Engineering, well Hydrogeler déi physikalesch, cheemesch, elektresch a biologesch Eegenschafte vu villen natierleche Gewëss nomaache kënnen
Fallstudie: Synthes vun Zénk-Nanogel iwwer e sonocheemesche Wee
ZnO-Hybridnanopartikele kënnen duerch en einfachen Ultraschallprozess an engem Carbopol-Gel stabiliséiert ginn: D’Ultraschallbehandlung gëtt agesat, fir d’Ausfällung vun Zénknanopartikelen ze dreiwen, déi uschléissend mat Ultraschall mat Carbopol vernetzt ginn, fir en Nano-Hydrogel ze bilden.
Ismail et al. (2021) hunn Zénkoxidnanopartikelen iwwer en einfache sonocheemesche Wee ausgefällt. (Hei fannt Dir de Protokoll fir déi sonocheemesch Synthes vun ZnO-Nanopartikelen).
Uschléissend goufen d’Nanopartikele benotzt, fir den ZnO-Nanogel ze synthetiséieren. Dofir goufen déi hiergestallt ZnO-NPe mat zweemol deioniséiertem Waasser gespullt. 0,5 g Carbopol 940 goufen an 300 mL zweemol deioniséiertem Waasser opgeléist, duerno goufen déi frësch gewäschen ZnO-NPen derbäigesat. Well Carbopol vun Natur aus sauer ass, muss de pH-Wäert vun der Léisung neutraliséiert ginn, well se soss net géif andécken. Dofir gouf d’Mëschung mam Hielscher-Ultraschallapparat UP400S bei enger Amplitud vun 95 an engem Zyklus vun 95% fir 1 h kontinuéierlech mat Ultraschall beschallt. Duerno goufen 50 mL Trimethylamin (TEA) als Neutralisatiounsmëttel (dat de pH-Wäert op 7 erhéicht) ënner kontinuéierlecher Ultraschallbeschallung drëpseweis derbäigesat, bis sech de wäissen ZnO-Gel gebilt hat. D’Andécke vum Carbopol huet ugefaangen, wéi de pH-Wäert no bei engem neutrale pH-Wäert louch.
D’Fuerschungsekipp erkläert déi aussergewéinlech positiv Auswierkunge vun der Ultraschallbeschallung op d’Nanogelbildung duerch eng verstäerkt Wiesselwierkung tëscht de Partikelen. Déi duerch Ultraschall ausgeléiste molekular Beweegung vun de Bestanddeeler an der Reaktiounsmëschung verstäerkt den Andéckungsprozess, dee vun de Wiesselwierkungen tëscht Polymer a Léisungsmëttel gefërdert gëtt. Zousätzlech fërdert d’Ultraschallbeschallung d’Opléise vum Carbopol. Ausserdeem verstäerkt d’Bestralung mat Ultraschallwellen d’Wiesselwierkung tëscht dem Polymer an den ZnO-NPen a verbessert d’viskoelastesch Eegenschafte vum hiergestallte Carbopol/ZnO-Hybridnanopartikelgel.
Dat schematescht Oflafdiagramm uewen weist d’Synthees vun ZnO-NPen a vum Carbopol/ZnO-Hybridnanopartikelgel. An der Etüd gouf den Ultraschallapparat UP400St fir d’Ausfällung vun ZnO-Nanopartikelen an d’Nanogelbildung benotzt. (ugepasst no Ismail et al., 2021)
ZnO-NPen, déi mat der cheemescher Ausfällungsmethod ënner dem Afloss vun Ultraschallbeschallung synthetiséiert goufen, woubäi (a) an der Léisung op Waasserbasis virläit an (b) duerch Ultraschall an engem stabilen Hydrogel op Carbopol-Basis dispergéiert ass.
(Etüd a Bild: Ismail et al., 2021)
Fallstudie: Hierstellung vu Poly(methacrylsaier)/Montmorillonit-Nanogel (PMA/nMMT) mat Ultraschall
Khan et al. (2020) hunn déi erfollegräich Synthees vun engem Poly(methacrylsaier)/Montmorillonit-Nanokomposithydrogel (PMA/nMMT) duerch ultraschallënnerstëtzt Redoxpolymerisatioun demonstréiert. Typescherweis goufen 1,0 g nMMT an 50 mL destilléiertem Waasser fir 2 h mat Ultraschall dispergéiert, fir eng homogen Dispersioun ze bilden. D’Ultraschallbeschallung verbessert d’Dispersioun vum Toun, wat zu verbesserte mechaneschen Eegenschaften an enger méi héijer Adsorptiounskapazitéit vun den Hydrogeler féiert. Methacrylsaiermonomer (30 mL) gouf drëpseweis an d’Suspensioun derbäigesat. Den Initiator Ammoniumpersulfat (APS) (0,1 M) gouf an d’Mëschung derbäigesat, gefollegt vun 1,0 mL TEMED-Beschleuneger. D’Dispersioun gouf fir 4 h bei 50°C mat engem Magnéitréierer kräfteg geréiert. Déi entstane viskos Mass gouf mat Aceton gewäsch a fir 48 h bei 70°C an engem Uewen gedréchent. Dat entstanent Produkt gouf gemuel an an enger Glasfläsch gelagert. Verschidde Nanokompositgeler goufen duerch d’Variatioun vun der nMMT-Quantitéit op 0,5, 1,0, 1,5 an 2,0 g synthetiséiert. Déi mat 1,0 g nMMT hiergestallten Nanokomposithydrogeler hu besser Adsorptiounsresultater gewisen ewéi déi aner Kompositten a goufen dofir fir weider Adsorptiounsënnersichunge benotzt.
D’SEM-EDX-Mikroopname riets weisen d’Element- a Strukturanalys vun den Nanogeler, déi aus Montmorillonit (MMT), Nano-Montmorillonit (nMMT), Poly(methacrylsaier)/Nano-Montmorillonit (PMA/nMMT) a mat Amoxicillin (AMX) respektiv Diclofenac (DF) beluedenem PMA/nMMT bestinn. D’SEM-Mikroopnamen, déi bei enger Vergréisserung vun 1,00 KX opgeholl goufen, zesumme mat den EDX-Analysë vu
- Montmorillonit (MMT),
- Nano-Montmorillonit (nMMT),
- Poly(methacrylsaier)/Nano-Montmorillonit (PMA/nMMT),
- a mat Amoxicillin (AMX) respektiv Diclofenac (DF) beluedenem PMA/nMMT.
Et gëtt observéiert, datt réie MMT eng geschichte Plackestruktur huet, an där méi grouss Käre siichtbar sinn. No der Modifikatioun ginn d’MMT-Placken a winzeg Partikelen exfoliéiert, wat op d’Eliminatioun vu Si2+ an Al3+ aus den oktaedresche Plazen zeréckzeféiere ka sinn. Den EDX-Spektrum vun nMMT weist en héije Kuelestoffundeel, wat haaptsächlech op den Tensid zeréckzeféiere ka sinn, dee fir d’Modifikatioun benotzt gëtt, well den Haaptbestanddeel vu CTAB (C19H42BrN) Kuelestoff (84%) ass. PMA/nMMT weist eng kohärent a bal kokontinuéierlech Struktur. Ausserdeem si keng Pore siichtbar, wat déi komplett Exfoliatioun vun nMMT an d’PMA-Matrix weist. No der Sorptioun mat de pharmazeutesche Moleküllen Amoxicillin (AMX) an Diclofenac (DF) ginn Ännerungen an der Morphologie vu PMA/nMMT observéiert. D’Uewerfläch gëtt asymmetresch an hir Textur gëtt méi rau.
Asaz a Funktionalitéite vu leembaséierten Hydrogelen an Nanogréisst: Leembaséiert Hydrogel-Nanokompositte ginn als potenziell Superadsorbenter fir d’Opnam vun anorganeschen an/oder organesche Veronrengegungen aus enger wässerlecher Léisung ugesinn, well si Eegenschafte vu Leem a Polymere verbannen, wéi biologesch Ofbaubarkeet, Biokompatibilitéit, wirtschaftlech Rentabilitéit, Heefegkeet, eng héich spezifesch Uewerfläch, en dräidimensionaalt Netzwierk a Quell- / Entquelleegenschaften.
(vgl. Khan et al., 2020)
SEM-EDX-Mikroopname vun (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT an Nanokomposit-Hydrogelen, déi mat (d) AMX an (e) DF beluede sinn. D’Nanogele goufe mat Ultraschall hiergestallt.
(Etüd a Biller: ©Khan et al. 2020)
Héichleeschtungs-Ultraschallapparater fir d’Produktioun vun Hydrogelen an Nanogelen
Héichleeschtungs-Ultraschallapparater fir d’Produktioun vun Hydrogelen an Nanogelen
Hielscher Ultrasonics fabrizéiert héichleeschtungsfäeg Ultraschallausrüstung fir d’Synthees vun Hydrogelen an Nanogele mat iwwerleeëne Funktionalitéiten. Vu klengen a mëttelgroussen Ultraschallapparater fir Fuerschung an Entwécklung a Pilotversich bis zu industrielle Systemer fir déi kommerziell Hydrogelproduktioun am kontinuéierleche Betrib huet Hielscher Ultrasonics dee passenden Ultraschallprozessor, fir Är Ufuerderungen un d’Produktioun vun Hydrogelen / Nanogelen ze erfëllen.
- héich Effizienz
- Technologie um neiste Stand
- Zouverlässegkeet & Robustheet
- Chargebetrib & Inline-Betrib
- fir all Volumen
- intelligent Software
- intelligent Funktiounen (z. B. Dateprotokolléierung)
- einfach a sécher ze bedéngen
- wéineg Ënnerhalt
- CIP (Botzen op der Plaz)
Déi folgend Tabell gëtt Iech en Unhaltspunkt iwwer déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:
| Chargevolumen | Duerchflossrate | Recommandéiert Apparater |
|---|---|---|
| 1 bis 500mL | 10 bis 200mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 bis 150L | 3 bis 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | méi héich | Grupp vun UIP16000 |
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
(Etüd a Film: Rutgeerts et al., 2019)
Literatur / Referenzen
- 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.
Wëssenswäertes
Protokoll fir déi sonochemesch Synthees vun ZnO-Nanopartikelen
D’ZnO-NPs goufe mat der cheemescher Fällungsmethod ënner dem Afloss vun Ultraschallbestralung synthetiséiert. Bei engem typesche Verfare goufen Zénkacetat-Dihydrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) als Virleefer an eng Ammoniakléisung vun 30–33% (NH3) an enger wässerlecher Léisung (NH4OH) als Reduktiounsmëttel benotzt. D’ZnO-Nanopartikele goufen hiergestallt, andeems déi entspriechend Quantitéit Zénkacetat an 100 mL deioniséiertem Waasser opgeléist gouf, fir eng Zénkioneléisung vun 0,1 M ze kréien. Uschléissend gouf d’Zénkioneléisung mat engem Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Däitschland) bei enger Amplitud vun 79% an engem Zyklus vun 0,76 fir 5 min bei enger Temperatur vu 40 ◦C mat Ultraschallwelle bestraalt. Duerno gouf d’Ammoniakléisung ënner dem Afloss vun den Ultraschallwellen drëpseweis an d’Zénkioneléisung bäigefüügt. No e puer Momenter hunn d’ZnO-NPs ugefaangen auszefalen an ze wuessen, an d’Ammoniakléisung gouf kontinuéierlech bäigefüügt, bis d’ZnO-NPs vollstänneg ausgefall waren.
Déi erhale ZnO-NPs goufen e puer Mol mat deioniséiertem Waasser gewäsch an duerno stoe gelooss, fir datt se sech ofsetze konnten. Duerno gouf den erhale Nidderschlag bei Raumtemperatur gedréchent.
(Ismail et al., 2021)
Wat sinn Nanogeler?
Nanogeler oder Nanokomposit-Hydrogeler sinn eng Zort Hydrogel, déi Nanopartikelen, normalerweis am Beräich vun 1–100 Nanometer, an hir Struktur abannen. Dës Nanopartikele kënnen organesch, anorganesch oder eng Kombinatioun vu béidem sinn.
Nanogeler entstinn duerch e Prozess, deen als Vernetzung bekannt ass an bei deem Polymerketten duerch cheemesch Bindunge matenee verbonne ginn, fir en dräidimensionaalt Netzwierk ze bilden. Well d’Bildung vun Hydrogeler an Nanogeler eng grëndlech Vermëschung erfuerdert, fir d’polymer Struktur ze hydratiséieren, d’Vernetzung ze fërderen an d’Nanopartikelen anzebannen, ass d’Ultraschallbehandlung eng héichwierksam Technik fir d’Produktioun vun Hydrogeler an Nanogeler. Hydrogel- an Nanogelnetzwierker kënne grouss Quantitéite Waasser ophuelen, wouduerch Nanogeler staark hydratiséiert sinn an domat fir eng breet Palett vun Uwendunge wéi d’Verabreechung vu Medikamenter, d’Gewebezuchtung a Biosensore gëeegent sinn.
Nanogel-Hydrogeler bestinn typescherweis aus Nanopartikelen, wéi Siliziumdioxid- oder Polymerpartikelen, déi an der ganzer Hydrogelmatrix dispergéiert sinn. Dës Nanopartikele kënnen duerch verschidde Methode synthetiséiert ginn, dorënner Emulsiounspolymerisatioun, invers Emulsiounspolymerisatioun a Sol-Gel-Synthes. Dës Polymerisatiounen a Sol-Gel-Synthese profitéiere staark vun der Beweegung duerch Ultraschall.
Nanokomposit-Hydrogeler bestinn hirersäits aus enger Kombinatioun vun engem Hydrogel an engem Nanofëllstoff, wéi Toun oder Graphenoxid. D’Zousaz vum Nanofëllstoff kann déi mechanesch a physikalesch Eegenschafte vum Hydrogel verbesseren, wéi seng Steifegkeet, Zuchfestegkeet an Zähegkeet. Hei erliichtert dat staarkt Dispersiounsverméige vun der Ultraschallbehandlung déi gläichméisseg a stabil Verdeelung vun Nanopartikelen an der Hydrogelmatrix.
Am Ganze bidden Nanogel- an Nanokomposit-Hydrogeler duerch hir eenzegaarteg Eegenschaften a Funktionalitéiten eng breet Palett vu potenziellen Uwendungen a Beräicher wéi der Biomedizin, der Ëmweltsanéierung an der Energiespäicherung.
Uwendunge vun Nanogel fir medezinesch Behandlungen
| Zort Nanogel | Medikament | Krankheet | Wierkung | Referenzen |
| PAMA-DMMA-Nanogeler | Doxorubicin | Kriibs | Erhéijung vun der Fräisetzungsquot beim Ofhuele vum pH-Wäert. Méi héich Zytotoxizitéit bei pH 6,8 a Studie vun der Zellviabilitéit | Du et al. (2010) |
| Nanogeler op Chitosanbasis, déi mat Hyaluronat dekoréiert sinn | Fotosensibilisatore wéi Tetraphenylporphyrintetrasulfonat (TPPS4), Tetraphenylchlorintetracarboxylat (TPCC4) a Chlorin e6 (Ce6) | Rheumatesch Erkrankungen | Séier (4 h) vun de Makrophagen opgeholl an an hirem Zytoplasma an hiren Organellen ugeräichert | Schmitt et al. (2010) |
| PCEC-Nanopartikelen a Pluronic-Hydrogeler | Lidocain | Lokal Anästhesie | Huet eng laang unhalend Infiltratiounsanästhesie vun ongeféier 360 min bewierkt | Yin et al. (2009) |
| Poly(lactid-co-glykolsäure) a Chitosan-Nanopartikel, dispergéiert an HPMC- a Carbopol-Gel | Spantide II | Allergesch Kontaktdermatitis an aner entzündlech Hauterkrankungen | Den Nanogel erhéicht d’Potenzial fir d’perkutan Verabreechung vu Spantide II | Punit et al. (2012) |
| pH-empfindlech Polyvinylpyrrolidon-Poly(acrylsäure)-Nanogelen (PVP/PAAc) | Pilocarpin | Erhalen eng adequat Konzentratioun vu Pilocarpin op der Wierkplaz iwwer e längeren Zäitraum | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Vernetzt Poly(ethylenglykol) a Polyethylenimin | Oligonukleotiden | Neurodegenerativ Erkrankungen | Effektiv duerch d’Blutt-Hir-Barriär (BBB) transportéiert. D’Transporteffikassitéit gëtt weider erhéicht, wann d’Uewerfläch vum Nanogel mat Transferrin oder Insulin modifizéiert gëtt | Vinogradov et al. (2004) |
| Pullulan-Nanogelen, déi Cholesterin droen | Rekombinant murint Interleukin-12 | Tumorimmuntherapie | Nanogel mat verlängert Fräisetzung | Farhana et al. (2013) |
| Poly(N-isopropylacrylamid) a Chitosan | Kriibsbehandlung duerch Hyperthermie a geziilt Medikamentenofgab | Thermosensibel, magnetesch modaliséiert | Farhana et al. (2013) | |
| Vernetzt, verzweigt Netzwierk aus Polyethylenimin a PEG-Polyplexnanogel | Fludarabin | Kriibs | Erhéicht Aktivitéit a reduzéiert Zytotoxizitéit | Farhana et al. (2013) |
| Biokompatibelen Nanogel aus Pullulan, dee Cholesterin dréit | Als kënschtleche Chaperon | Behandlung vun der Alzheimer-Krankheet | Hemmt d’Aggregatioun vum Amyloid-β-Protein | Ikeda et al. (2006) |
| DNA-Nanogel mat Photovernetzung | Genetescht Material | Gentherapie | Kontrolléiert Ofgab vu Plasmid-DNA | Lee et al. (2009) |
| Carbopol/Zinkoxid-(ZnO)-Hybridnanopartikelgel | ZnO-Nanopartikelen | Antibakteriell Aktivitéit, Hemmstoff géint Bakterien | Ismail et al. (2021) |
Tabell adaptéiert no Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics produzéiert héichleeschtungsfäeg Ultraschallhomogenisateure vun Labogréisst bis zu Industriegréisst.