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

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.

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

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)

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)

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.

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