Synthese van nanocomposiethydrogels met ultrasone behandeling
Nanocomposiethydrogels of nanogels zijn multifunctionele 3D-structuren die zeer effectief zijn als geneesmiddeldragers en systemen voor geneesmiddelafgifte met gecontroleerde afgifte. Ultrasone behandeling bevordert de dispersie van polymere hydrogeldeeltjes van nanogrootte en de daaropvolgende insluiting/integratie van nanodeeltjes in deze polymeerstructuren.
Ultrasone synthese van nanogels
Nanocomposiethydrogels zijn driedimensionale materiaalstructuren en kunnen worden ontworpen met specifieke eigenschappen, waardoor ze krachtige geneesmiddeldragers en systemen voor geneesmiddelafgifte met gecontroleerde afgifte zijn. Ultrasone behandeling bevordert de synthese van gefunctionaliseerde deeltjes van nanogrootte en de daaropvolgende insluiting/integratie van nanodeeltjes in driedimensionale polymere structuren. Omdat ultrasoon gesynthetiseerde nanogels bioactieve verbindingen in hun kern op nanoschaal kunnen insluiten, bieden deze hydrogels van nanogrootte uitstekende functionaliteiten.
Nanogels zijn waterige dispersies van hydrogelnanodeeltjes die fysisch of chemisch zijn vernet tot een hydrofiel polymeernetwerk. Omdat ultrageluid met hoge prestaties zeer efficiënt is bij het produceren van nanodispersies, zijn ultrasone apparaten met een sonde een essentieel hulpmiddel voor de snelle en betrouwbare productie van nanogels met superieure functionaliteiten.
Ultrasoon apparaat UIP1000hdT met glazen reactor voor de synthese van nanocomposiethydrogels
Functionaliteiten van ultrasoon geproduceerde nanogels
- uitstekende colloïdale stabiliteit en het grote specifieke oppervlak
- kunnen dicht worden gevuld met nanodeeltjes
- maken het mogelijk harde en zachte deeltjes te combineren in een hybride nanogel met een kern/schilstructuur
- hoog hydratatiepotentieel
- bevorderen de biologische beschikbaarheid
- sterke zwel- / ontzweleigenschappen
Ultrasoon gesynthetiseerde nanogels worden gebruikt in talrijke toepassingen en industrieën, bijvoorbeeld
- voor farmaceutische en medische toepassingen: bijvoorbeeld als geneesmiddeldrager, antibacteriële gel, antibacterieel wondverband
- in de biochemie en biomedische wetenschap voor genafgifte
- als adsorbens/biosorbens in chemische en milieutoepassingen
- in de weefseltechnologie, omdat hydrogels de fysische, chemische, elektrische en biologische eigenschappen van veel natuurlijke weefsels kunnen nabootsen
Casestudy: synthese van zinknanogels via een sonochemische route
Hybride ZnO-nanodeeltjes kunnen via een eenvoudig ultrasoon proces in een Carbopol-gel worden gestabiliseerd: sonicatie wordt gebruikt om de precipitatie van zinknanodeeltjes te bevorderen, die vervolgens ultrasoon met Carbopol worden vernet tot een nanohydrogel.
Ismail et al. (2021) precipiteerden zinkoxidenanodeeltjes via een eenvoudige sonochemische route. (Het protocol voor de sonochemische synthese van ZnO-nanodeeltjes vindt u hier).
Vervolgens werden de nanodeeltjes gebruikt om de ZnO-nanogel te synthetiseren. Daartoe werden de geproduceerde ZnO-nanodeeltjes gespoeld met tweemaal gedeïoniseerd water. 0,5 g Carbopol 940 werd opgelost in 300 mL tweemaal gedeïoniseerd water, waarna de vers gewassen ZnO-nanodeeltjes werden toegevoegd. Omdat Carbopol van nature zuur is, moet de pH-waarde van de oplossing worden geneutraliseerd; anders zou de oplossing niet verdikken. Daarom werd het mengsel gedurende 1 h continu gesoniceerd met het ultrasone apparaat UP400S van Hielscher, met een amplitude van 95 en een cyclus van 95%. Vervolgens werd 50 mL trimethylamine (TEA) als neutralisatiemiddel (waarmee de pH tot 7 werd verhoogd) druppelsgewijs toegevoegd onder continue sonicatie, totdat de witte ZnO-gel werd gevormd. De verdikking van Carbopol begon toen de pH dicht bij een neutrale pH lag.
Het onderzoeksteam verklaart de buitengewoon positieve effecten van ultrasone behandeling op de vorming van nanogels door de versterkte interactie tussen deeltjes. Ultrasoon geïnitieerde moleculaire beweging van de bestanddelen in het reactiemengsel versterkt het verdikkingsproces dat door de interacties tussen polymeer en oplosmiddel wordt bevorderd. Daarnaast bevordert sonicatie het oplossen van Carbopol. Bovendien versterkt bestraling met ultrasone golven de interactie tussen het polymeer en de ZnO-nanodeeltjes en verbetert deze de visco-elastische eigenschappen van de bereide hybride gel van Carbopol/ZnO-nanodeeltjes.
Het schematische stroomschema hierboven toont de synthese van ZnO-nanodeeltjes en de hybride gel van Carbopol/ZnO-nanodeeltjes. In de studie werd het ultrasone apparaat UP400St gebruikt voor de precipitatie van ZnO-nanodeeltjes en de vorming van nanogels. (bewerkt naar Ismail et al., 2021)
ZnO-nanodeeltjes gesynthetiseerd met de chemische precipitatiemethode onder invloed van ultrasone behandeling, waarbij (a) zich in de waterige oplossing bevindt en (b) ultrasoon is gedispergeerd in een stabiele hydrogel op basis van Carbopol.
(studie en afbeelding: Ismail et al., 2021)
Casestudy: ultrasone bereiding van een nanogel van poly(methacrylzuur)/montmorilloniet (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) demonstreerden de succesvolle synthese van een nanocomposiethydrogel van poly(methacrylzuur)/montmorilloniet (PMA/nMMT) via ultrasoon ondersteunde redoxpolymerisatie. In een gebruikelijke procedure werd 1,0 g nMMT gedurende 2 h met ultrasone behandeling gedispergeerd in 50 mL gedestilleerd water om een homogene dispersie te vormen. Sonicatie verbetert de dispersie van klei, wat resulteert in verbeterde mechanische eigenschappen en adsorptiecapaciteit van de hydrogels. Methacrylzuurmonomeer (30 mL) werd druppelsgewijs aan de suspensie toegevoegd. De initiator ammoniumpersulfaat (APS) (0,1 M) werd aan het mengsel toegevoegd, gevolgd door 1,0 mL van de versneller TEMED. De dispersie werd gedurende 4 h bij 50°C krachtig geroerd met een magneetroerder. De resulterende viskeuze massa werd gewassen met aceton en gedurende 48 h bij 70°C in een oven gedroogd. Het resulterende product werd vermalen en bewaard in een glazen fles. Verschillende nanocomposietgels werden gesynthetiseerd door de hoeveelheid nMMT te variëren: 0,5, 1,0, 1,5 en 2,0 g. De nanocomposiethydrogels die met 1,0 g nMMT werden bereid, vertoonden betere adsorptieresultaten dan de overige composieten en werden daarom gebruikt voor verder adsorptieonderzoek.
De SEM-EDX-microfoto’s rechts tonen de elementaire en structurele analyse van de nanogels bestaande uit montmorilloniet (MMT), nano-montmorilloniet (nMMT), poly(methacrylzuur)/nano-montmorilloniet (PMA/nMMT) en PMA/nMMT beladen met amoxicilline (AMX) en diclofenac (DF). De SEM-microfoto’s, opgenomen bij een vergroting van 1,00 KX, samen met de EDX van
- montmorilloniet (MMT),
- nano-montmorilloniet (nMMT),
- poly(methacrylzuur)/nano-montmorilloniet (PMA/nMMT),
- en PMA/nMMT beladen met amoxicilline (AMX) en diclofenac (DF).
Er wordt waargenomen dat onbewerkt MMT een gelaagde plaatstructuur heeft waarin grotere korrels aanwezig zijn. Na modificatie worden de platen van MMT geëxfolieerd tot kleine deeltjes, wat mogelijk het gevolg is van de verwijdering van Si2+ en Al3+ uit de octaëdrische posities. Het EDX-spectrum van nMMT vertoont een hoog koolstofpercentage, wat voornamelijk kan worden toegeschreven aan de oppervlakteactieve stof die voor de modificatie wordt gebruikt, aangezien koolstof (84%) het hoofdbestanddeel van CTAB (C19H42BrN) is. PMA/nMMT vertoont een samenhangende en vrijwel co-continue structuur. Verder zijn er geen poriën zichtbaar, wat wijst op de volledige exfoliatie van nMMT in de PMA-matrix. Na sorptie van de farmaceutische moleculen amoxicilline (AMX) en diclofenac (DF) worden veranderingen in de morfologie van PMA/nMMT waargenomen. Het oppervlak wordt asymmetrisch en de textuur wordt ruwer.
Gebruik en functionaliteiten van hydrogels van nanogrootte op basis van klei: nanocomposieten van hydrogels op basis van klei worden gezien als potentiële superadsorbentia voor de opname van anorganische en/of organische verontreinigingen uit een waterige oplossing, dankzij de gecombineerde kenmerken van zowel klei als polymeren, zoals biologische afbreekbaarheid, biocompatibiliteit, economische haalbaarheid, ruime beschikbaarheid, een groot specifiek oppervlak, een driedimensionaal netwerk en zwel- / ontzweleigenschappen.
(vgl. Khan et al., 2020)
SEM-EDX-microfoto’s van (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT en nanocomposiethydrogels beladen met (d) AMX en (e) DF. De nanogels werden bereid met ultrasone behandeling.
(studie en afbeeldingen: ©Khan et al. 2020)
Ultrasone apparaten met hoge prestaties voor de productie van hydrogels en nanogels
Ultrasone apparaten met hoge prestaties voor de productie van hydrogels en nanogels
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone apparatuur met hoge prestaties voor de synthese van hydrogels en nanogels met superieure functionaliteiten. Van kleine en middelgrote ultrasone apparaten voor R&D en proefinstallaties tot industriële systemen voor de commerciële productie van hydrogels in continubedrijf: Hielscher Ultrasonics heeft de juiste ultrasone processor om aan uw eisen voor de productie van hydrogels / nanogels te voldoen.
- hoge efficiëntie
- de nieuwste technologie
- betrouwbaarheid & robuustheid
- batch & inline
- voor elk volume
- intelligente software
- slimme functies (bijvoorbeeld gegevensregistratie)
- eenvoudig en veilig te bedienen
- weinig onderhoud
- CIP (reiniging ter plaatse)
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasone apparaten:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500mL | 10 tot 200mL/min | UP100H |
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150L | 3 tot 15L/min | UIP6000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100L/min | UIP16000 |
| n.v.t. | hoger | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Stel ons uw vragen!
(Studie en video: Rutgeerts et al., 2019)
Literatuur / Referenties
- 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.
Wetenswaardigheden
Protocol voor de sonochemische synthese van ZnO-nanodeeltjes
ZnO-nanodeeltjes werden gesynthetiseerd met de chemische precipitatiemethode onder invloed van ultrasone bestraling. In een gebruikelijke procedure werden zinkacetaatdihydraat (Zn(CH3COO)2·2H2O) als precursor en een ammoniakoplossing van 30–33% (NH3) in een waterige oplossing (NH4OH) als reductiemiddel gebruikt. De ZnO-nanodeeltjes werden geproduceerd door de juiste hoeveelheid zinkacetaat op te lossen in 100 mL gedeïoniseerd water om een oplossing van zinkionen van 0,1 M te verkrijgen. Vervolgens werd de oplossing van zinkionen bestraald met ultrasone golven met een Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlijn, Duitsland), bij een amplitude van 79% en een cyclus van 0,76, gedurende 5 min bij een temperatuur van 40 ◦C. Daarna werd de ammoniakoplossing onder invloed van de ultrasone golven druppelsgewijs aan de oplossing van zinkionen toegevoegd. Na enkele ogenblikken begonnen de ZnO-nanodeeltjes te precipiteren en te groeien, en werd de ammoniakoplossing continu toegevoegd totdat de ZnO-nanodeeltjes volledig waren geprecipiteerd.
De verkregen ZnO-nanodeeltjes werden meerdere keren gewassen met gedeïoniseerd water en men liet ze bezinken. Vervolgens werd het verkregen precipitaat bij kamertemperatuur gedroogd.
(Ismail et al., 2021)
Wat zijn nanogels?
Nanogels of nanocomposiethydrogels zijn een type hydrogel waarin nanodeeltjes, doorgaans in het bereik van 1–100 nanometer, in de structuur zijn opgenomen. Deze nanodeeltjes kunnen organisch, anorganisch of een combinatie van beide zijn.
Nanogels worden gevormd via een proces dat vernetting wordt genoemd, waarbij polymeerketens chemisch worden verbonden om een driedimensionaal netwerk te vormen. Omdat de vorming van hydrogels en nanogels grondige menging vereist om de polymere structuur te hydrateren, de vernetting te bevorderen en de nanodeeltjes op te nemen, is ultrasone behandeling een zeer effectieve techniek voor de productie van hydrogels en nanogels. Netwerken van hydrogels en nanogels kunnen grote hoeveelheden water opnemen, waardoor nanogels sterk gehydrateerd zijn en dus geschikt zijn voor een breed scala aan toepassingen, zoals geneesmiddelafgifte, weefseltechnologie en biosensoren.
Nanogelhydrogels bestaan doorgaans uit nanodeeltjes, zoals silica- of polymeerdeeltjes, die door de gehele hydrogelmatrix zijn gedispergeerd. Deze nanodeeltjes kunnen met verschillende methoden worden gesynthetiseerd, waaronder emulsiepolymerisatie, inverse emulsiepolymerisatie en sol-gelsynthese. Deze polymerisaties en sol-gelsyntheses profiteren sterk van ultrasone agitatie.
Nanocomposiethydrogels daarentegen bestaan uit een combinatie van een hydrogel en een nanovulstof, zoals klei of grafeenoxide. De toevoeging van de nanovulstof kan de mechanische en fysische eigenschappen van de hydrogel verbeteren, zoals de stijfheid, treksterkte en taaiheid. Hier bevordert het krachtige dispergerende vermogen van sonicatie de uniforme en stabiele verdeling van nanodeeltjes in de hydrogelmatrix.
Over het geheel genomen hebben nanogelhydrogels en nanocomposiethydrogels dankzij hun unieke eigenschappen en functionaliteiten een breed scala aan potentiële toepassingen op gebieden zoals de biomedische wetenschap, milieusanering en energieopslag.
Toepassingen van nanogels voor medische behandelingen
| Type nanogel | Geneesmiddel | Aandoening | Activiteit | Referenties |
| PAMA-DMMA-nanogels | Doxorubicine | Kanker | Toename van de afgiftesnelheid naarmate de pH-waarde daalde. Hogere cytotoxiciteit bij pH 6,8 in studies naar de levensvatbaarheid van cellen | Du et al. (2010) |
| Nanogels op basis van chitosan met hyaluronaat op het oppervlak | Fotosensibilisatoren zoals tetrafenylporfyrinetetrasulfonaat (TPPS4), tetrafenylchloortetracarboxylaat (TPCC4) en chloor e6 (Ce6) | Reumatische aandoeningen | Snel opgenomen (4 h) door de macrofagen en opgehoopt in hun cytoplasma en organellen | Schmitt et al. (2010) |
| PCEC-nanodeeltjes in Pluronic-hydrogels | Lidocaïne | Lokale anesthesie | Leverde langdurige infiltratieanesthesie van ongeveer 360 min op | Yin et al. (2009) |
| Nanodeeltje van poly(lactide-co-glycolzuur) en chitosan gedispergeerd in HPMC- en Carbopol-gel | Spantide II | Allergische contactdermatitis en andere inflammatoire huidaandoeningen | Nanogel vergroot het potentieel voor de percutane afgifte van spantide II | Punit et al. (2012) |
| pH-gevoelige nanogels van polyvinylpyrrolidon-poly(acrylzuur) (PVP/PAAc) | Pilocarpine | Handhaven gedurende langere tijd een adequate concentratie pilocarpine op de plaats van werking | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Vernet poly(ethyleenglycol) en polyethyleenimine | Oligonucleotiden | Neurodegeneratieve aandoeningen | Effectief getransporteerd door de bloed-hersenbarrière (BBB). De transportefficiëntie wordt verder verhoogd wanneer het oppervlak van de nanogel wordt gemodificeerd met transferrine of insuline | Vinogradov et al. (2004) |
| Nanogels van cholesterolhoudend pullulan | Recombinant interleukine-12 van muizen | Immunotherapie voor tumoren | Nanogel met langdurige afgifte | Farhana et al. (2013) |
| Poly(N-isopropylacrylamide) en chitosan | Kankerbehandeling met hyperthermie en gerichte geneesmiddelafgifte | Thermogevoelig, magnetisch gemodaliseerd | Farhana et al. (2013) | |
| Vernet vertakt netwerk van polyethyleenimine en PEG Polyplex-nanogel | Fludarabine | Kanker | Verhoogde activiteit en verminderde cytotoxiciteit | Farhana et al. (2013) |
| Biocompatibele nanogel van cholesterolhoudend pullulan | Als kunstmatige chaperonne | Behandeling van de ziekte van Alzheimer | Remmen de aggregatie van amyloïd-β-eiwit | Ikeda et al. (2006) |
| DNA-nanogel met fotovernetting | Genetisch materiaal | Gentherapie | Gecontroleerde afgifte van plasmide-DNA | Lee et al. (2009) |
| Hybride gel van Carbopol/zinkoxide (ZnO)-nanodeeltjes | ZnO-nanodeeltjes | Antibacteriële activiteit, bacterieremmer | Ismail et al. (2021) |
Tabel bewerkt naar Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties in formaten van laboratoriumformaat tot industrieel formaat.