Synthese van nanocomposiet Hydrogel met behulp van ultrasone trillingen
Nanocomposiethydrogels of nanogels zijn multifunctionele 3D-structuren met een hoge efficiëntie als dragers van geneesmiddelen en systemen voor gecontroleerde afgifte van geneesmiddelen. Ultrasoon geluid bevordert de dispersie van polymere hydrogeldeeltjes van nanogrootte en de daaropvolgende opname/insluiting van nanodeeltjes in deze polymeerstructuren.
Ultrasone synthese van nanogels
Nanocomposiet-hydrogels zijn driedimensionale materiaalstructuren en kunnen worden ontworpen om specifieke kenmerken te vertonen, waardoor zij krachtige dragers van geneesmiddelen en systemen voor gecontroleerde afgifte van geneesmiddelen zijn. Ultrasoon maken bevordert de synthese van gefunctionaliseerde nanodeeltjes en de daaropvolgende opname/insluiting van nanodeeltjes in driedimensionale polymere structuren. Aangezien ultrasoon gesynthetiseerde nanogels bioactieve verbindingen in hun kern op nanoschaal kunnen insluiten, bieden deze hydrogelen van nanogrootte grote functionaliteiten.
Nanogels zijn waterige dispersies van hydrogel nanodeeltjes, die fysisch of chemisch vernet zijn als hydrofiel polymeernetwerk. Aangezien ultrageluid van hoge kwaliteit zeer efficiënt is voor het produceren van nanodispersies, zijn ultrasone apparaten van het probe-type een cruciaal instrument voor de snelle en betrouwbare productie van nanogels met superieure functionaliteiten.
ultrasoonapparaat 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
- toestaan om harde en zachte deeltjes te combineren in hybride core/shell nanogel
- hoog hydratatiepotentieel
- bevordering van de biologische beschikbaarheid
- hoge zwelling/ontzwellingseigenschappen
Ultrasoon gesynthetiseerde nanogels worden gebruikt in talrijke toepassingen en industrieën, bv.
- voor farmaceutische en medische toepassingen: bv. medicijndrager, antibacteriële gel, antibacterieel wondverband
- in de biochemie en de biogeneeskunde voor genafgifte
- als adsorberend/biosorbens in chemische en milieutoepassingen
- bij weefselmanipulatie, aangezien hydrogels de fysische, chemische, elektrische en biologische eigenschappen van veel inheemse weefsels kunnen nabootsen.
Casestudie: Zink Nanogel Synthese via Sonochemische Route
ZnO hybride nanodeeltjes kunnen worden gestabiliseerd in een Carbopol-gel via een eenvoudig ultrasoon proces: Sonicatie wordt gebruikt om de precipitatie van zinknanodeeltjes aan te drijven, die vervolgens ultrasoon worden verknoopt met Carbopol om een nano-hydrogel te vormen.
Ismail et al. (2021) precipiteerden zinkoxide nanodeeltjes via een gemakkelijke sonochemische route. (Vind 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. Aangezien Carbopol van nature zuur is, moet de oplossing de pH-waarde neutraliseren, anders zou zij niet indikken. Daarom werd het mengsel voortdurend gesoneerd met de Hielscher ultrasone machine UP400S met een amplitude van 95 en een cyclus van 95% gedurende 1 uur. Vervolgens werd 50 mL trimethylamine (TEA) als neutralisatiemiddel (waardoor de pH op 7 kwam) druppelsgewijs toegevoegd onder voortdurende sonificatie totdat de vorming van de witte ZnO-gel optrad. De verdikking van het Carbopol begon toen de pH bijna neutraal was.
Het onderzoeksteam verklaart de buitengewoon positieve effecten van ultrasone trillingen op de vorming van nanogel door de versterkte interactie tussen deeltjes en deeltjes. Ultrasoon geïnitieerde moleculaire agitatie van de bestanddelen in het reactiemengsel versterkt het verdikkingsproces dat wordt bevorderd door de polymeer-oplosmiddel-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 nanodeeltjes-gel.
Het schematische stroomschema hierboven toont de synthese van ZnO NP's en Carbopol/ZnO hybride nanodeeltjesgel. In de studie 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, op Carbopol gebaseerde hydrogel.
(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-ondersteunde redox-polymerisatie. Typisch werd 1,0 g nMMT gedispergeerd in 50 mL gedistilleerd water met ultrasone trillingen gedurende 2 uur om een homogene dispersie te vormen. Sonificatie verbetert de dispersie van klei, wat resulteert in betere mechanische eigenschappen en adsorptiecapaciteit van de hydrogels. Methacrylzuurmonomeer (30 ml) werd druppelsgewijs aan de suspensie toegevoegd. 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 die waren bereid met 1,0 g nMMT gaven betere adsorptieresultaten te zien 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.
Geconstateerd wordt dat onbewerkt MMT een gelaagde bladstructuur heeft die de aanwezigheid van grotere korrels laat zien. Na modificatie zijn de platen van MMT geëxfolieerd tot kleine deeltjes, hetgeen te wijten kan zijn aan de eliminatie van Si2+ en Al3+ uit de octahedrale sites. Het EDX-spectrum van nMMT vertoont een hoog percentage koolstof, dat hoofdzakelijk te wijten kan zijn aan het voor de modificatie gebruikte oppervlakte-actieve middel, aangezien 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 wijst 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 superadsorbanten 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 ontzwelbaarheidseigenschappen.
(vgl. Khan et al., 2020)
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 ultrasone trillingen.
(studie en foto's: ©Khan et al. 2020)
Hoogwaardige ultrasoonapparaten voor de productie van hydrogel en nanogel
Hoogwaardige ultrasoonapparaten voor de productie van hydrogel en nanogel
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone apparatuur voor de synthese van hydrogels en nanogels met superieure functionaliteiten. Van kleine en middelgrote R&Hielscher Ultrasonics heeft de juiste ultrasone processor om aan uw eisen voor de productie van hydrogel / nanogel te voldoen.
- hoge efficiëntie
- State-of-the-art technologie
- betrouwbaarheid & robuustheid
- partij & in lijn
- voor elk volume
- intelligente software
- slimme functies (b.v. gegevensprotocollering)
- Gemakkelijk en veilig te bedienen
- Laag onderhoud
- CIP (clean-in-place)
Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:
| batch Volume | Stroomsnelheid | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml / min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10 l / min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150L | 3 tot 15L/min | UIP6000hdT |
| na | 10 tot 100 l / min | UIP16000 |
| na | grotere | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag ons!
(Studie en film: 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.
Feiten die de moeite waard zijn om te weten
Protocol voor Sonochemische Synthese van ZnO Nanodeeltjes
ZnO NP's werden gesynthetiseerd met de chemische neerslagmethode onder invloed van ultrasone bestraling. In een typische procedure werden zinkacetaat-dihydraat (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 0,1 M zinkionenoplossing te verkrijgen. 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 begonnen de ZnO NP's neer te slaan en te groeien, en de ammoniakoplossing werd voortdurend toegevoegd totdat de volledige neerslag van ZnO NP's plaatsvond.
De verkregen ZnO NP's werden verscheidene malen gewassen met gedeïoniseerd water en bleven uit om te bezinken. Vervolgens werd het verkregen neerslag gedroogd bij kamertemperatuur.
(Ismail et al., 2021)
Wat zijn Nanogels?
Nanogels of nanocomposiet-hydrogels zijn een type hydrogel waarin nanodeeltjes, meestal 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 door een proces dat bekend staat als crosslinking, waarbij polymeerketens chemisch worden gebonden tot een driedimensionaal netwerk. Aangezien voor de vorming van hydrogels en nanogels grondig mengen nodig is om de polymere structuur te hydrateren, de verknoping te bevorderen en de nanodeeltjes in te bouwen, is ultrasoonbehandeling een zeer doeltreffende techniek voor de productie van hydrogels en nanogels. Hydrogel- en nanogelnetwerken zijn in staat grote hoeveelheden water te absorberen, waardoor nanogels sterk gehydrateerd worden en dus geschikt zijn voor een breed scala van toepassingen, zoals toediening van geneesmiddelen, weefselmanipulatie en biosensoren.
Nanogel-hydrogels zijn doorgaans samengesteld uit nanodeeltjes, zoals silica- of polymeerdeeltjes, die verspreid zijn over de hydrogelmatrix. Deze nanodeeltjes kunnen worden gesynthetiseerd via verschillende methoden, waaronder emulsie-polymerisatie, omgekeerde emulsie-polymerisatie en sol-gel synthese. Deze polymerisatie- en sol-gel-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 de nanofiller 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, dankzij hun unieke eigenschappen en functionaliteiten, een breed scala aan potentiële toepassingen op gebieden als de biogeneeskunde, milieusanering en energieopslag.
Toepassingen van Nanogel voor medische behandelingen
| Type Nanogel | drug | ziekte | Activiteit | Referenties |
| PAMA-DMMA nanogels | doxorubicine | Kanker | Toename van de afgiftesnelheid bij afnemende pH-waarde. Hogere cytotoxiciteit bij pH 6,8 in studies naar de 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 Pluronic hydrogels | Lidocaïne | Plaatselijke verdoving | Produceerde een langdurige infiltratieanesthesie van ongeveer 360 min. | Yin et al. (2009) |
| Poly(lactide-co-glycolzuur) en chitosan nanodeeltjes gedispergeerd in HPMC en Carbopol gel | Spantide II | Allergische contactdermatitis en andere huidontstekingen | Nanogelinng verhoogt 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 de 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 over 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 geneesmiddelen | Thermo-gevoelig magnetisch gemodificeerd | 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 aggregatie van amyloïde β-eiwit | Ikeda et al. (2006) |
| DNA-nanogel met fotocrosslinking | 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 aan Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics vervaardigt hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van Laboratorium naar industrieel formaat.