Nanokompozītu hidrogēlu sintēze, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu
Nanokompozītu hidrogēli jeb nanogēli ir daudzfunkcionālas 3D struktūras, kas ir ļoti efektīvas kā zāļu nesēji un zāļu piegādes sistēmas ar kontrolētu izdalīšanos. Apstrāde ar ultraskaņu veicina nanoizmēra polimēru hidrogēla daļiņu disperģēšanu, kā arī turpmāku nanodaļiņu iekļaušanu/iestrādāšanu šajās polimēru struktūrās.
Nanogēlu sintēze ar ultraskaņu
Nanokompozītu hidrogēli ir trīsdimensionālas materiālu struktūras, kuras var izstrādāt tā, lai tām piemistu noteiktas īpašības, padarot tos par efektīviem zāļu nesējiem un zāļu piegādes sistēmām ar kontrolētu izdalīšanos. Apstrāde ar ultraskaņu veicina funkcionalizētu nanoizmēra daļiņu sintēzi, kā arī turpmāku nanodaļiņu iekļaušanu/iestrādāšanu trīsdimensionālās polimēru struktūrās. Tā kā ar ultraskaņu sintezēti nanogēli var ieslēgt bioaktīvus savienojumus savā nanomēroga kodolā, šiem nanoizmēra hidrogēliem piemīt plašas funkcionālās iespējas.
Nanogēli ir hidrogēla nanodaļiņu dispersijas ūdenī, kurās daļiņas ir fizikāli vai ķīmiski šķērssaistītas hidrofilā polimēru tīklā. Tā kā augstas veiktspējas ultraskaņa ir ļoti efektīva nanodispersiju iegūšanā, zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīces ir būtisks instruments ātrai un uzticamai nanogēlu ražošanai ar izcilām funkcionālajām īpašībām.
Ultraskaņas apstrādes ierīce UIP1000hdT ar stikla reaktoru nanokompozītu hidrogēlu sintēzei
Ar ultraskaņu ražotu nanogēlu funkcionālās īpašības
- izcila koloidālā stabilitāte un liels īpatnējās virsmas laukums
- var tikt blīvi piepildīti ar nanodaļiņām
- ļauj apvienot cietas un mīkstas daļiņas hibrīdā kodola/apvalka nanogēlā
- augsts hidratācijas potenciāls
- biopieejamības veicināšana
- augsta uzbriešanas / sarukšanas spēja
Ar ultraskaņu sintezētus nanogēlus izmanto daudzos lietojumos un nozarēs, piemēram,
- farmācijā un medicīnā: piemēram, kā zāļu nesējus, antibakteriālus gēlus, antibakteriālus brūču pārsējus
- bioķīmijā un biomedicīnā gēnu piegādei
- kā adsorbentus/biosorbentus ķīmijas un vides aizsardzības lietojumos
- audu inženierijā, jo hidrogēli var atdarināt daudzu dabisko audu fizikālās, ķīmiskās, elektriskās un bioloģiskās īpašības
Pētījuma piemērs: cinka nanogēla sintēze ar sonoķīmisku metodi
ZnO hibrīdās nanodaļiņas var stabilizēt Carbopol gēlā, izmantojot vienkāršu ultraskaņas procesu: apstrādi ar ultraskaņu izmanto, lai veicinātu cinka nanodaļiņu izgulsnēšanos, un pēc tam tās ar ultraskaņu šķērssaista ar Carbopol, veidojot nanohidrogēlu.
Ismail et al. (2021) izgulsnēja cinka oksīda nanodaļiņas ar vienkāršu sonoķīmisku metodi. (ZnO nanodaļiņu sonoķīmiskās sintēzes protokolu skatiet šeit).
Pēc tam nanodaļiņas izmantoja ZnO nanogela sintēzei. Šim nolūkam iegūtās ZnO nanodaļiņas noskaloja ar divkārt dejonizētu ūdeni. 0,5 g Carbopol 940 izšķīdināja 300 mL divkārt dejonizēta ūdens, pēc tam pievienoja tikko nomazgātās ZnO nanodaļiņas. Tā kā Carbopol dabiski ir skābs, šķīduma pH ir jāneitralizē, citādi tas nesabiezētu. Tādēļ maisījumu 1 h nepārtraukti apstrādāja ar ultraskaņu, izmantojot Hielscher ultraskaņas aparātu UP400S ar amplitūdu 95 un ciklu 95%. Pēc tam nepārtrauktas apstrādes ar ultraskaņu laikā pa pilieniem pievienoja 50 mL trimetilamīna (TEA) kā neitralizējošu līdzekli (paaugstinot pH līdz 7), līdz izveidojās balts ZnO gels. Carbopol sāka sabiezēt, kad pH tuvojās neitrālam pH.
Pētnieku grupa apstrādes ar ultraskaņu ārkārtīgi pozitīvo ietekmi uz nanogela veidošanos skaidro ar pastiprinātu daļiņu savstarpējo mijiedarbību. Ultraskaņas ierosinātā reakcijas maisījuma sastāvdaļu molekulārā kustība pastiprina sabiezēšanas procesu, ko veicina polimēra un šķīdinātāja mijiedarbība. Turklāt apstrāde ar ultraskaņu veicina Carbopol šķīšanu. Papildus tam ultraskaņas viļņu iedarbība pastiprina polimēra un ZnO nanodaļiņu mijiedarbību un uzlabo sagatavotā Carbopol/ZnO hibrīdnanodaļiņu gela viskoelastīgās īpašības.
Iepriekš redzamajā shematiskajā procesa blokshēmā attēlota ZnO nanodaļiņu un Carbopol/ZnO hibrīdnanodaļiņu gela sintēze. Pētījumā ZnO nanodaļiņu izgulsnēšanai un nanogela veidošanai izmantoja ultraskaņas aparātu UP400St. (Pielāgots no Ismail et al., 2021)
ZnO nanodaļiņas, kas sintezētas ar ķīmiskās izgulsnēšanas metodi ultraskaņas iedarbībā, kur (a) tās atrodas ūdens šķīdumā un (b) tās ar ultraskaņu disperģētas stabilā hidrogēlā uz Carbopol bāzes.
(pētījums un attēls: Ismail et al., 2021)
Gadījuma izpēte: poli(metakrilskābes)/montmorilonīta (PMA/nMMT) nanogela sagatavošana ar ultraskaņu
Khan et al. (2020) demonstrēja veiksmīgu poli(metakrilskābes)/montmorilonīta (PMA/nMMT) nanokompozīta hidrogēla sintēzi ar ultraskaņas veicinātu oksidēšanās–reducēšanās polimerizāciju. Tipiskā procedūrā 1,0 g nMMT disperģēja 50 mL destilēta ūdens, 2 h apstrādājot ar ultraskaņu, lai izveidotu viendabīgu dispersiju. Apstrāde ar ultraskaņu uzlabo mālu disperģēšanu, tādējādi uzlabojot hidrogēlu mehāniskās īpašības un adsorbcijas kapacitāti. Suspensijai pa pilieniem pievienoja metakrilskābes monomēru (30 mL). Maisījumam pievienoja iniciatoru amonija persulfātu (APS) (0,1 M), pēc tam pievienoja 1,0 mL TEMED paātrinātāja. Dispersiju 4 h intensīvi maisīja 50°C temperatūrā ar magnētisko maisītāju. Iegūto viskozo masu mazgāja ar acetonu un 48 h žāvēja žāvēšanas skapī 70°C temperatūrā. Iegūto produktu samala un uzglabāja stikla pudelē. Dažādus nanokompozītu gelus sintezēja, mainot nMMT daudzumu: 0,5, 1,0, 1,5 un 2,0 g. Nanokompozītu hidrogēli, kas sagatavoti, izmantojot 1,0 g nMMT, uzrādīja labākus adsorbcijas rezultātus nekā pārējie kompozīti, tādēļ tos izmantoja turpmākai adsorbcijas izpētei.
Labajā pusē redzamās SEM-EDX mikrofotogrāfijas parāda montmorilonīta (MMT), nanomontmorilonīta (nMMT), poli(metakrilskābes)/nanomontmorilonīta (PMA/nMMT), kā arī ar amoksicilīnu (AMX) un ar diklofenaku (DF) bagātināta PMA/nMMT nanogelu elementu sastāva un struktūras analīzi. Ar 1,00 KX palielinājumu uzņemtās SEM mikrofotogrāfijas kopā ar šādu materiālu EDX analīzi:
- montmorilonīta (MMT),
- nanomontmorilonīta (nMMT),
- poli(metakrilskābes)/nanomontmorilonīta (PMA/nMMT),
- un ar amoksicilīnu (AMX) un ar diklofenaku (DF) bagātināta PMA/nMMT.
Novērots, ka neapstrādātam MMT ir slāņaina plākšņu struktūra ar lielākiem graudiem. Pēc modificēšanas MMT plāksnes eksfoliējas sīkās daļiņās, kas var būt saistīts ar Si2+ un Al3+ atdalīšanos no oktaedriskajām pozīcijām. nMMT EDX spektrā ir liels oglekļa procentuālais saturs, kas galvenokārt var būt saistīts ar modificēšanai izmantoto virsmaktīvo vielu, jo CTAB (C19H42BrN) galvenā sastāvdaļa ir ogleklis (84%). PMA/nMMT struktūra ir vienota un gandrīz savstarpēji nepārtraukta. Turklāt nav redzamas poras, kas liecina par pilnīgu nMMT eksfoliāciju PMA matricā. Pēc farmaceitisko vielu amoksicilīna (AMX) un diklofenaka (DF) molekulu sorbcijas novērojamas PMA/nMMT morfoloģijas izmaiņas. Virsma kļūst asimetriska, un tās tekstūra kļūst raupjāka.
Mālu bāzes nanoizmēra hidrogelu izmantošana un funkcionālās īpašības: mālu bāzes hidrogelu nanokompozītus uzskata par potenciāliem superadsorbentiem neorganisko un/vai organisko piesārņotāju uzņemšanai no ūdens šķīduma, jo tajos apvienotas gan mālu, gan polimēru īpašības, piemēram, bioloģiskā noārdāmība, biosaderība, ekonomiskā dzīvotspēja, plaša pieejamība, liels īpatnējās virsmas laukums, trīsdimensiju tīkls un uzbriešanas / sarukšanas īpašības.
(sal. Khan et al., 2020)
SEM-EDX mikroattēli: (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT un nanokompozītu hidrogeli ar iestrādātu (d) AMX un (e) DF. Nanogeli tika sagatavoti, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu.
(pētījums un attēli: ©Khan et al. 2020)
Augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes ierīces hidrogelu un nanogelu ražošanai
Augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes ierīces hidrogelu un nanogelu ražošanai
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtas hidrogelu un nanogelu ar izcilām funkcionālajām īpašībām sintēzei. No mazām un vidēja izmēra ultraskaņas apstrādes ierīcēm pētniecībai un izstrādei un pilotiekārtām līdz rūpnieciskām sistēmām hidrogelu komerciālai ražošanai nepārtrauktā režīmā – Hielscher Ultrasonics piedāvā piemērotu ultraskaņas procesoru jūsu prasībām hidrogelu / nanogelu ražošanā.
- augsta efektivitāte
- vismodernākā tehnoloģija
- uzticamība un izturība
- apstrāde partijās un plūsmas līnijā
- jebkuram tilpumam
- inteliģenta programmatūra
- viedās funkcijas (piemēram, datu reģistrēšana)
- vienkārša un droša lietošana
- neliela apkopes nepieciešamība
- CIP (tīrīšana uz vietas)
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas apstrādes ierīču aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 1 līdz 500mL | 10 līdz 200mL/min | UP100H |
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 līdz 150L | 3 līdz 15L/min | UIP6000hdT |
| nav piemērojams | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| nav piemērojams | lielāks | iekārtu grupa: UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
(Pētījums un videoklips: Rutgeerts et al., 2019)
Literatūra / Atsauces
- 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.
Noderīgi fakti
ZnO nanodaļiņu sonoķīmiskās sintēzes protokols
ZnO nanodaļiņas tika sintezētas ar ķīmiskās izgulsnēšanas metodi ultraskaņas apstarošanas ietekmē. Tipiskā procedūrā kā prekursoru izmantoja cinka acetāta dihidrātu (Zn(CH3COO)2·2H2O), bet kā reducētāju – 30–33% amonjaka (NH3) šķīdumu ūdenī (NH4OH). ZnO nanodaļiņas ieguva, izšķīdinot atbilstošu cinka acetāta daudzumu 100 mL dejonizēta ūdens, lai iegūtu 0,1 M cinka jonu šķīdumu. Pēc tam cinka jonu šķīdumu 5 min apstaroja ar ultraskaņas viļņiem, izmantojot Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlīne, Vācija) ar 79% amplitūdu un 0,76 ciklu 40 ◦C temperatūrā. Tad ultraskaņas viļņu iedarbībā cinka jonu šķīdumam pa pilieniem pievienoja amonjaka šķīdumu. Pēc dažiem mirkļiem ZnO nanodaļiņas sāka izgulsnēties un augt, un amonjaka šķīdumu nepārtraukti pievienoja, līdz ZnO nanodaļiņas bija pilnībā izgulsnējušās.
Iegūtās ZnO nanodaļiņas vairākas reizes mazgāja ar dejonizētu ūdeni un atstāja nostādināties. Pēc tam iegūtās nogulsnes žāvēja istabas temperatūrā.
(Ismail et al., 2021)
Kas ir nanogeli?
Nanogeli jeb nanokompozītu hidrogeli ir hidrogelu veids, kura struktūrā ir iekļautas nanodaļiņas, parasti ar izmēru diapazonā no 1 līdz 100 nanometriem. Šīs nanodaļiņas var būt organiskas, neorganiskas vai abu veidu kombinācija.
Nanogeli veidojas procesā, ko sauc par šķērssaistīšanu un kurā polimēru ķēdes ķīmiski saistās, veidojot trīsdimensiju tīklu. Tā kā hidrogelu un nanogelu veidošanai nepieciešama rūpīga sajaukšana, lai hidratētu polimēra struktūru, veicinātu šķērssaistīšanu un iekļautu nanodaļiņas, apstrāde ar ultraskaņu ir ļoti efektīva hidrogelu un nanogelu ražošanas metode. Hidrogelu un nanogelu tīkli spēj absorbēt lielu ūdens daudzumu, tādēļ nanogeli ir stipri hidratēti un līdz ar to piemēroti plašam lietojumu klāstam, piemēram, zāļu piegādei, audu inženierijai un biosensoriem.
Nanogelu hidrogeli parasti sastāv no nanodaļiņām, piemēram, silīcija dioksīda vai polimēru daļiņām, kas ir izkliedētas visā hidrogela matricā. Šīs nanodaļiņas var sintezēt ar dažādām metodēm, tostarp emulsijas polimerizāciju, apgrieztās emulsijas polimerizāciju un sola–gela sintēzi. Sajaukšana ar ultraskaņu ievērojami uzlabo šos polimerizācijas un sola–gela sintēzes procesus.
Savukārt nanokompozītu hidrogeli sastāv no hidrogela un nanopildvielas, piemēram, māla vai grafēna oksīda, kombinācijas. Nanopildvielas pievienošana var uzlabot hidrogela mehāniskās un fizikālās īpašības, piemēram, stingumu, stiepes izturību un sīkstumu. Šajā gadījumā apstrādes ar ultraskaņu spēcīgā disperģējošā iedarbība veicina vienmērīgu un stabilu nanodaļiņu sadalījumu hidrogela matricā.
Kopumā nanogelu un nanokompozītu hidrogeliem to unikālo īpašību un funkcionalitātes dēļ ir plašs iespējamo lietojumu klāsts tādās jomās kā biomedicīna, vides atveseļošana un enerģijas uzkrāšana.
Nanogelu lietojums ārstniecībā
| Nanogela veids | Zāles | Slimība | Iedarbība | Atsauces |
| PAMA-DMMA nanogeli | Doksorubicīns | Vēzis | Atbrīvošanās ātruma palielināšanās, samazinoties pH vērtībai. Augstāka citotoksicitāte pie pH 6,8 šūnu dzīvotspējas pētījumos | Du et al. (2010) |
| Hitozāna nanogeli ar hialuronātu uz virsmas | Fotosensibilizatori, piemēram, tetrafenilporfirīna tetrasulfonāts (TPPS4), tetrafenilhlorīna tetrakarboksilāts (TPCC4) un hlorīns e6 (Ce6) | Reimatiskas slimības | Makrofāgi tos ātri uzņem (4 h), un tie uzkrājas to citoplazmā un organoīdos | Schmitt et al. (2010) |
| PCEC nanodaļiņas Pluronic hidrogelos | Lidokaīns | Vietējā anestēzija | Nodrošināja ilgstošu infiltrācijas anestēziju aptuveni 360 min garumā | Yin et al. (2009) |
| Poli(laktīda-ko-glikolskābes) un hitozāna nanodaļiņa, kas disperģēta HPMC un Carbopol gelā | Spantide II | Alerģisks kontaktdermatīts un citas ādas iekaisuma slimības | Nanogēls palielina spantīda II perkutānas ievadīšanas iespējas | Punit et al. (2012) |
| Pret pH jutīgi polivinilpirolidona–poli(akrilskābes) (PVP/PAAc) nanogēli | Pilokarpīns | Ilgstoši uztur atbilstošu pilokarpīna koncentrāciju iedarbības vietā | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Šķērssaistīts poli(etilēnglikols) un polietilēnimīns | Oligonukleotīdi | Neirodeģeneratīvas slimības | Efektīvi transportēti caur hematoencefālisko barjeru (BBB). Transporta efektivitāte vēl vairāk palielinās, ja nanogēla virsmu modificē ar transferīnu vai insulīnu | Vinogradov et al. (2004) |
| Holesterīnu saturoša pululāna nanogēli | Rekombinants peļu interleikīns-12 | Audzēju imūnterapija | Nanogēls ar ilgstošu izdalīšanos | Farhana et al. (2013) |
| Poli(N-izopropilakrilamīds) un hitozāns | Vēža ārstēšana ar hipertermiju un mērķēta zāļu piegāde | Termojutīgs, magnētiski modalizēts | Farhana et al. (2013) | |
| Polietilēnimīna un PEG polipleksa nanogēla šķērssaistīts sazarots tīkls | Fludarabīns | Vēzis | Paaugstināta aktivitāte un samazināta citotoksicitāte | Farhana et al. (2013) |
| Biosaderīgs holesterīnu saturoša pululāna nanogēls | Kā mākslīgs šaperons | Alcheimera slimības ārstēšana | Kavē amiloīdā β-proteīna agregāciju | Ikeda et al. (2006) |
| DNS nanogēls ar fotošķērssaistīšanu | Ģenētiskais materiāls | Gēnu terapija | Kontrolēta plazmīdu DNS piegāde | Lee et al. (2009) |
| Carbopol/cinka oksīda (ZnO) hibrīdnanodaļiņu gēls | ZnO nanodaļiņas | Antibakteriāla aktivitāte, baktēriju inhibitors | Ismail et al. (2021) |
Tabula pielāgota no Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no laboratorijas līdz rūpnieciskam mērogam.