Hielscher Ultrasonics
We bespreken graag uw proces.
Bel ons: +49 3328 437-420
Mail ons: info@hielscher.com

Synthese van nanocomposiet hydrogel met behulp van ultrasoonbehandeling

Nanocomposiethydrogels of nanogels zijn multifunctionele 3D-structuren met een hoge efficiëntie als dragers van geneesmiddelen en systemen voor gecontroleerde afgifte van geneesmiddelen. Ultrasoon gebruik bevordert de dispersie van polymere hydrogelpartikels van nanogrootte en de daaropvolgende opname/insluiting van nanodeeltjes in deze polymeerstructuren.

Ultrasone synthese van nanogels

Ultrasone sondehomogenisator UP400St voor de dispersie en synthese van nanocomposiethydrogels of nanogels.Nanocomposiet-hydrogels zijn driedimensionale materiaalstructuren die kunnen worden ontworpen om specifieke eigenschappen te vertonen, waardoor ze krachtige dragers van medicijnen en systemen voor gecontroleerde afgifte van medicijnen worden. Ultrasoon gebruik bevordert de synthese van gefunctionaliseerde nanodeeltjes en de daaropvolgende opname/insluiting van nanodeeltjes in driedimensionale polymere structuren. Omdat ultrasoon gesynthetiseerde nanogels bioactieve verbindingen kunnen insluiten in hun kern op nanoschaal, bieden deze hydrogels van nanogrootte grote functionaliteiten.
Nanogels zijn waterige dispersies van hydrogel nanodeeltjes, die fysisch of chemisch vernet zijn als een hydrofiel polymeernetwerk. Omdat ultrageluid met hoge prestaties zeer efficiënt is in het produceren van nanodispersies, zijn ultrasone apparaten van het probe-type een cruciaal hulpmiddel voor de snelle en betrouwbare productie van nanogels met superieure functionaliteiten.

Informatieaanvraag




Let op onze privacybeleid.




Ultrasone cavitatie bevordert de verknoping en polymerisatie tijdens de synthese van hydrogel en nanogel (nanocomposiet hydrogel). Ultrasone dispersie vergemakkelijkt de uniforme distributie van nanomaterialen voor hybride hydrogelfabricage.

Ultrasone UIP1000hdT met glasreactor voor nanocomposiet-hydrogel synthese

Functionaliteiten van ultrasoon geproduceerde nanogels

  • uitstekende colloïdale stabiliteit en het grote specifieke oppervlak
  • kan dicht opeengepakt worden met nanodeeltjes
  • het mogelijk maken om harde en zachte deeltjes te combineren in hybride core/shell nanogel
  • hoog hydratatiepotentieel
  • bevordering van biologische beschikbaarheid
  • hoge zwel- en ontzwellingseigenschappen



 
Ultrasoon gesynthetiseerde nanogels worden gebruikt in tal van toepassingen en industrieën, bijv.

  • voor farmaceutische en medische toepassingen: bijv. medicijndrager, antibacteriële gel, antibacterieel wondverband
  • in biochemie en biogeneeskunde voor genoverdracht
  • als adsorptiemiddel/biosorbens in chemische en milieutoepassingen
  • in weefselmanipulatie omdat hydrogels de fysische, chemische, elektrische en biologische eigenschappen van veel inheemse weefsels kunnen nabootsen.

Praktijkstudie: Synthese van zinknanogels via sonochemische route

Schematisch stroomschema voor de synthese van ZnO NP's en Carbopol/ZnO hybride nanodeeltjesgel. In het onderzoek werd de ultrasoon UP400St gebruikt voor de neerslag van ZnO-nanodeeltjes en de vorming van nanogel. (aangepast van Ismail et al., 2021)ZnO hybride nanodeeltjes kunnen gestabiliseerd worden in een Carbopol-gel via een eenvoudig ultrasoon proces: Sonicatie wordt gebruikt om de neerslag van zinknanodeeltjes aan te sturen, die vervolgens ultrasonisch worden gecrosslinked met Carbopol om een nano-hydrogel te vormen.
Ismail et al. (2021) precipiteerden zinkoxide nanodeeltjes via een eenvoudige sonochemische route. (Bekijk hier het protocol voor de sonochemische synthese van ZnO nanodeeltjes).
Vervolgens werden de nanodeeltjes gebruikt om de ZnO nanogel te synthetiseren. Daarom werden de geproduceerde ZnO NP's gespoeld met dubbel gedeïoniseerd water. 0,5 g Carbopol 940 werd opgelost in 300 mL dubbel gedeïoniseerd water, waarna de vers gewassen ZnO NP's werden toegevoegd. Omdat Carbopol van nature zuur is, moet de oplossing de pH-waarde neutraliseren, anders zou het niet indikken. Daarom werd het mengsel continu gesoneerd met de Hielscher UP400S ultrasoon met een amplitude van 95 en een cyclus van 95% gedurende 1 uur. Daarna werd 50 ml trimethylamine (TEA) als neutralisatiemiddel (waardoor de pH-waarde op 7 kwam) druppelsgewijs toegevoegd onder continue sonificatie totdat de vorming van de witte ZnO-gel optrad. Het verdikken van de Carbopol begon toen de pH bijna neutraal was.
Het onderzoeksteam verklaart de buitengewoon positieve effecten van ultrasoon op de vorming van nanogel door een verbeterde deeltjes-deeltjes interactie. Ultrasoon geïnitieerde moleculaire agitatie van de bestanddelen in het reactiemengsel versterkt het verdikkingsproces dat wordt bevorderd door de polymeer-vloeistof interacties. Bovendien bevordert sonicatie het oplossen van Carbopol. Bovendien verbetert bestraling met ultrasone golven de interactie tussen polymeer en ZnO NP's en de visco-elastische eigenschappen van de bereide Carbopol/ZnO hybride nanodeeltjesgel.
Het schematische stroomdiagram hierboven toont de synthese van ZnO NP's en Carbopol/ZnO hybride nanodeeltjesgel. In het onderzoek werd de ultrasoon UP400St gebruikt voor de neerslag van ZnO-nanodeeltjes en de vorming van nanogel. (aangepast van Ismail et al., 2021)

Ultrasoon geproduceerde nanogel geladen met zinkoxide nanodeeltjes.

ZnO NP's gesynthetiseerd door de chemische precipitatiemethode onder invloed van ultrasone trillingen, waarbij (a) in de waterige oplossing en (b) ultrasoon gedispergeerd in een stabiele hydrogel op basis van Carbopol.
(studie en foto: Ismail et al., 2021)

Case Stuy: Ultrasone bereiding van poly(methacrylzuur)/montmorilloniet (PMA/nMMT) nanogel

Khan et al. (2020) toonden de succesvolle synthese aan van een poly(methacrylzuur)/Montmorilloniet (PMA/nMMT) nanocomposiet hydrogel via ultrasoon gestuurde redoxpolymerisatie. 1,0 g nMMT werd gedispergeerd in 50 mL gedestilleerd water met ultrasone trillingen gedurende 2 uur om een homogene dispersie te vormen. Sonificatie verbetert de dispersie van klei, wat resulteert in verbeterde mechanische eigenschappen en adsorptiecapaciteit van de hydrogels. Methacrylzuurmonomeer (30 ml) werd druppelsgewijs toegevoegd aan de suspensie. Initiator ammoniumpersulfaat (APS) (0,1 M) werd aan het mengsel toegevoegd, gevolgd door 1,0 mL TEMED-versneller. De dispersie werd krachtig geroerd gedurende 4 uur bij 50°C door een magneetroerder. De resulterende viskeuze massa werd met aceton gewassen en gedurende 48 uur bij 70 °C in een oven gedroogd. Het resulterende product werd vermalen en opgeslagen in een glazen fles. Er werden verschillende nanocomposietgels gesynthetiseerd door het nMMT te variëren in hoeveelheden van 0,5, 1,0, 1,5 en 2,0 g. De nanocomposiethydrogels bereid met 1,0 g nMMT vertoonden betere adsorptieresultaten dan de rest van de 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 amoxicilline (AMX)- en diclofenac (DF)-geladen PMA/nMMT. 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 amoxicilline (AMX)- en diclofenac (DF)-geladen PMA/nMMT.

Het is waargenomen dat onbewerkt MMT een gelaagde bladstructuur heeft met de aanwezigheid van grotere korrels. Na modificatie zijn de vellen MMT geëxfolieerd tot kleine deeltjes, wat te wijten kan zijn aan de eliminatie van Si2+ en Al3+ uit de octahedral sites. Het EDX-spectrum van nMMT vertoont een hoog percentage koolstof, wat voornamelijk te wijten kan zijn aan de oppervlakteactieve stof die gebruikt is voor modificatie omdat het hoofdbestanddeel van CTAB (C19H42BrN) koolstof is (84%). PMA/nMMT vertoont een coherente en bijna co-continue structuur. Verder zijn er geen poriën zichtbaar, wat duidt op de volledige exfoliatie van nMMT in de PMA-matrix. Na sorptie met de farmaceutische moleculen amoxicilline (AMX) en diclofenac (DF) worden veranderingen in de morfologie van PMA/nMMT waargenomen. Het oppervlak wordt asymmetrisch met een toename van de ruwe textuur.
Gebruik en functionaliteiten van op klei gebaseerde nanogrote hydrogels: Op klei gebaseerde nanocomposieten van hydrogel worden beschouwd als potentiële superadsorbentia voor de opname van anorganische en/of organische verontreinigingen uit een waterige oplossing vanwege de combinatie van eigenschappen van zowel klei als polymeren, zoals biologische afbreekbaarheid, biocompatibiliteit, economische levensvatbaarheid, overvloed, hoog specifiek oppervlak, driedimensionaal netwerk en zwel- en ontzwellingseigenschappen.
(vgl. Khan et al., 2020)

Ultrasoon gesynthetiseerde nanogels geladen met verschillende nanodeeltjes zoals nanomontmorillonietklei.

SEM-EDX microfoto's van (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT, en (d) AMX- en (e) DF-geladen nanocomposiet hydrogels. De nanogels werden bereid met ultrasoon.
(onderzoek en foto's: ©Khan et al. 2020)

Ultrasoonapparaten met hoge prestaties voor de productie van hydrogel en nanogel

Ultrasoonapparaten met hoge prestaties voor de productie van hydrogel en nanogel
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone apparatuur voor de synthese van hydrogels en nanogels met superieure functionaliteit. Van kleine en middelgrote R&Hielscher Ultrasonics heeft de juiste ultrasone processor om aan uw eisen voor de productie van hydrogels/nanogels te voldoen, van D- en pilot-ultrasoneersystemen tot industriële systemen voor de commerciële productie van hydrogels in continubedrijf.

Waarom Hielscher Ultrasonics?

  • hoog rendement
  • ultramoderne technologie
  • betrouwbaarheid & robuustheid
  • batch & inline
  • voor elk volume
  • intelligente software
  • slimme functies (bijv. dataprotocollering)
  • eenvoudig en veilig te bedienen
  • gering onderhoud
  • CIP (clean-in-place)

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:

Batchvolume Debiet Aanbevolen apparaten
1 tot 500 ml 10 tot 200 ml/min UP100H
10 tot 2000 ml 20 tot 400 ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 tot 20L 0.2 tot 4L/min UIP2000hdT
10 tot 100 liter 2 tot 10 l/min UIP4000hdT
15 tot 150 liter 3 tot 15 l/min UIP6000hdT
n.v.t. 10 tot 100 l/min UIP16000
n.v.t. groter cluster van UIP16000

Neem contact met ons op! / Vraag het ons!

Meer informatie aanvragen

Gebruik het onderstaande formulier om meer informatie aan te vragen over ultrasone processors, toepassingen en prijzen. We bespreken graag uw proces met u en bieden u een ultrasoon systeem dat aan uw eisen voldoet!









Let op onze privacybeleid.




In de korte clip hierboven, de ultrasone UP50H wordt gebruikt om een hydrogel te vormen met behulp van een gelator met een laag moleculair gewicht. Het resultaat is een zelfhelend supramoleculair hydrogel.
(Studie en film: Rutgeerts et al., 2019)
Ultrasone dispersie van silicanopartikels in hydrogel: De Hielscher ultrasone homogenisator UP400St dispergeert silicanopartikels snel en efficiënt in een uniforme nanogel met multifunctionaliteit.

Ultrasone dispersie van nanodeeltjes in hydrogel met behulp van de ultrasone UP400St

Video miniatuur



Literatuur / Referenties

Wetenswaardigheden

Protocol voor Sonochemische Synthese van ZnO Nanodeeltjes

ZnO NP's werden gesynthetiseerd met behulp van de chemische neerslagmethode onder invloed van ultrasone bestraling. In een typische procedure werd zinkacetaatdihydraat (Zn(CH3COO)2-2H2O) gebruikt als precursor en een ammoniakoplossing van 30-33% (NH3) in een waterige oplossing (NH4OH) als reductiemiddel. De ZnO nanodeeltjes werden geproduceerd door de juiste hoeveelheid zinkacetaat op te lossen in 100 mL gedeïoniseerd water om 0,1 M zinkionenoplossing te produceren. Vervolgens werd de zinkionenoplossing onderworpen aan ultrasone bestraling met een Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlijn, Duitsland) bij een amplitude van 79% en een cyclus van 0,76 gedurende 5 minuten bij een temperatuur van 40 ◦C. Vervolgens werd de ammoniakoplossing druppelsgewijs toegevoegd aan de zinkionenoplossing onder invloed van de ultrasone golven. Na enkele ogenblikken begon de ZnO NP's te neerslaan en te groeien, en de ammoniakoplossing werd continu toegevoegd totdat de volledige neerslag van ZnO NP's optrad.
De verkregen ZnO NP's werden gewassen met gedeïoniseerd water meerdere malen en werden achtergelaten om te bezinken. Vervolgens werd het verkregen neerslag gedroogd bij kamertemperatuur.
(Ismail et al., 2021)

Wat zijn Nanogels?

Nanogels of nanocomposiethydrogels zijn een type hydrogel dat nanodeeltjes, meestal in het bereik van 1-100 nanometer, in hun structuur opneemt. Deze nanodeeltjes kunnen organisch, anorganisch of een combinatie van beide zijn.
Nanogels worden gevormd door een proces dat bekend staat als crosslinking, waarbij polymeerketens chemisch aan elkaar worden gekoppeld om een driedimensionaal netwerk te vormen. Omdat voor de vorming van hydrogels en nanogels grondig mengen nodig is om de polymere structuur te hydrateren, de verknoping te bevorderen en de nanodeeltjes op te nemen, is ultrasoonbehandeling een zeer efficiënte techniek voor de productie van hydrogels en nanogels. Hydrogel- en nanogelnetwerken zijn in staat om grote hoeveelheden water te absorberen, waardoor nanogels zeer gehydrateerd zijn en dus geschikt voor een breed scala aan toepassingen zoals medicijnafgifte, weefselmanipulatie en biosensoren.
Nanogel-hydrogels zijn meestal samengesteld uit nanodeeltjes, zoals silica- of polymeerdeeltjes, die verspreid zijn over de hydrogelmatrix. Deze nanodeeltjes kunnen op verschillende manieren worden gesynthetiseerd, waaronder emulsie polymerisatie, omgekeerde emulsie polymerisatie en sol-gel synthese. Deze polymerisatie- en solgel-synthesen hebben veel baat bij ultrasone agitatie.
Nanocomposiet-hydrogels daarentegen bestaan uit een combinatie van een hydrogel en een nanovulstof, zoals klei of grafeenoxide. De toevoeging van een nanovulstof kan de mechanische en fysische eigenschappen van de hydrogel verbeteren, zoals stijfheid, treksterkte en taaiheid. De krachtige dispersiecapaciteiten van sonicatie vergemakkelijken hier de uniforme en stabiele distributie van nanodeeltjes in de hydrogelmatrix.
In het algemeen hebben nanogel en nanocomposiet hydrogels een breed scala aan potentiële toepassingen in gebieden zoals de biogeneeskunde, milieusanering en energieopslag vanwege hun unieke eigenschappen en functionaliteiten.

Toepassingen van Nanogel voor Medische Behandelingen

Type Nanogel Drug ziekte Activiteit Referenties
PAMA-DMMA-nanogels doxorubicine Kanker Toename van de afgiftesnelheid naarmate de pH-waarde afnam. Hogere cytotoxiciteit bij pH 6,8 in onderzoeken naar levensvatbaarheid van cellen Du et al. (2010)
Op chitosan gebaseerde nanogels versierd met hyaluronaat Fotosensibilisatoren zoals tetra-fenyl-porfyrinetetra-sulfonaat (TPPS4), tetra-fenyl-chloor-tetra-carboxylaat (TPCC4) en chlorine e6 (Ce6) Reumatische aandoeningen Snel opgenomen (4 uur) door de macrofagen en geaccumuleerd in hun cytoplasma en organellen Schmitt et al. (2010)
PCEC nanodeeltjes in Pluron hydrogels Lidocaïne Plaatselijke verdoving Produceerde langdurige infiltratieanesthesie van ongeveer 360 minuten Yin et al. (2009)
Poly(lactide-co-glycolzuur) en chitosan nanodeeltjes gedispergeerd in HPMC en Carbopol gel Spantide II Allergische contactdermatitis en andere huidontstekingen Nanogelinnvergroot potentieel voor de percutane toediening van spantide II Punit et al. (2012)
pH-gevoelige polyvinylpyrrolidon-poly (acrylzuur) (PVP/PAAc) nanogels Pilocarpine Een adequate concentratie van pilocarpine op de plaats van werking gedurende langere tijd handhaven Abd El-Rehim et al. (2013)
Vernet poly(ethyleenglycol) en polyethyleenimine Oligonucleotiden Neurodegeneratieve ziekten Effectief getransporteerd door de BBB. De transportefficiëntie wordt verder verhoogd wanneer het oppervlak van de nanogel wordt gemodificeerd met transferrine of insuline. Vinogradov et al. (2004)
Cholesterolhoudende pullulan nanogels Recombinant murine interleukine-12 Tumorimmunotherapie nanogel met verlengde afgifte Farhana et al. (2013)
Poly(N-isopropylacrylamide) en chitosan Hyperthermie bij kankerbehandeling en gerichte toediening van medicijnen Thermosensitief magnetisch gemodaliseerd Farhana et al. (2013)
Vernet vertakt netwerk van polyethyleenimine en PEG Polyplexnanogel 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 van de aggregatie van amyloïd β-eiwit Ikeda et al. (2006)
DNA-nanogel met fotokruiskoppeling Genetisch materiaal Gentherapie Gecontroleerde levering van plasmide DNA Lee et al. (2009)
Carbopol/zinkoxide (ZnO) hybride nanodeeltjesgel ZnO nanodeeltjes Antibacteriële activiteit, bacterieremmer Ismail et al. (2021)

Tabel aangepast van Swarnali et al., 2017


Hoogwaardige ultrasone klank! Het productassortiment van Hielscher bestrijkt het volledige spectrum, van de compacte ultrasoonmachine voor laboratoria tot bench-top units tot volledig industriële ultrasone systemen.

Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.

We bespreken graag uw proces.

Laten we contact opnemen.