Synteza hydrożeli nanokompozytowych z wykorzystaniem ultradźwięków

Hydrożele nanokompozytowe, czyli nanożele, to wielofunkcyjne struktury 3D o wysokiej skuteczności jako nośniki leków i systemy dostarczania leków o kontrolowanym uwalnianiu. Ultradźwięki wspomagają dyspergowanie polimerowych cząstek hydrożelu o rozmiarach nanometrycznych, a także późniejsze włączanie/wbudowywanie nanocząstek w te struktury polimerowe.

Ultradźwiękowa synteza nanożeli

Hydrożele nanokompozytowe są trójwymiarowymi strukturami materiałowymi, które można projektować tak, aby wykazywały określone cechy, co czyni je skutecznymi nośnikami leków i systemami dostarczania leków o kontrolowanym uwalnianiu. Ultradźwięki wspomagają syntezę funkcjonalizowanych cząstek o rozmiarach nanometrycznych, a także późniejsze włączanie/wbudowywanie nanocząstek w trójwymiarowe struktury polimerowe. Ponieważ nanożele syntetyzowane ultradźwiękowo mogą zamykać związki bioaktywne wewnątrz swojego nanometrycznego rdzenia, te hydrożele o rozmiarach nanometrycznych oferują znakomite właściwości funkcjonalne.
Nanożele są wodnymi dyspersjami nanocząstek hydrożelu, które są fizycznie lub chemicznie usieciowane w postaci hydrofilowej sieci polimerowej. Ponieważ ultradźwięki o wysokiej wydajności są bardzo skuteczne w wytwarzaniu nanodyspersji, sonikatory z sonotrodą są kluczowym narzędziem do szybkiej i niezawodnej produkcji nanożeli o doskonałych właściwościach funkcjonalnych.

Właściwości funkcjonalne nanożeli wytwarzanych ultradźwiękowo

• doskonała stabilność koloidalna i duża powierzchnia właściwa
• mogą być gęsto wypełnione nanocząstkami
• umożliwiają łączenie twardych i miękkich cząstek w hybrydowym nanożelu typu rdzeń/powłoka
• wysoki potencjał uwodnienia
• zwiększanie biodostępności
• duża zdolność do pęcznienia / zmniejszania objętości po spęcznieniu

 
Nanożele syntetyzowane ultradźwiękowo są wykorzystywane w licznych zastosowaniach i branżach, np.

• w zastosowaniach farmaceutycznych i medycznych: np. jako nośnik leków, żel przeciwbakteryjny, przeciwbakteryjny opatrunek na rany
• w biochemii i biomedycynie do dostarczania genów
• jako adsorbent/biosorbent w zastosowaniach chemicznych i środowiskowych
• w inżynierii tkankowej, ponieważ hydrożele mogą naśladować właściwości fizyczne, chemiczne, elektryczne i biologiczne wielu naturalnych tkanek

Studium przypadku: synteza nanożelu cynkowego metodą sonochemiczną

Hybrydowe nanocząstki ZnO można stabilizować w żelu Carbopol za pomocą prostego procesu ultradźwiękowego: sonikacja służy do wywołania wytrącania nanocząstek cynku, które następnie są ultradźwiękowo sieciowane z Carbopol w celu utworzenia nanohydrożelu.
Ismail et al. (2021) wytrącili nanocząstki tlenku cynku prostą metodą sonochemiczną. (Protokół sonochemicznej syntezy nanocząstek ZnO można znaleźć tutaj).
Następnie nanocząstki wykorzystano do syntezy nanożelu ZnO. W tym celu wytworzone nanocząstki ZnO przepłukano wodą podwójnie dejonizowaną. 0,5 g Carbopol 940 rozpuszczono w 300 mL wody podwójnie dejonizowanej, po czym dodano świeżo przemyte nanocząstki ZnO. Ponieważ Carbopol ma z natury odczyn kwaśny, roztwór wymaga neutralizacji wartości pH, w przeciwnym razie nie uległby zagęszczeniu. Dlatego mieszaninę poddawano ciągłej sonikacji przy użyciu sonikatora Hielscher UP400S przy amplitudzie 95 i cyklu 95% przez 1 h. Następnie dodawano kroplami 50 mL trimetyloaminy (TEA) jako środka neutralizującego (podnoszącego pH do 7) przy ciągłej sonikacji, aż do utworzenia białego żelu ZnO. Zagęszczanie Carbopol rozpoczynało się, gdy pH było zbliżone do obojętnego pH.
Zespół badawczy wyjaśnia nadzwyczaj korzystny wpływ ultradźwięków na tworzenie nanożelu nasileniem oddziaływań między cząstkami. Wywołany ultradźwiękami ruch cząsteczkowy składników mieszaniny reakcyjnej intensyfikuje proces zagęszczania wspomagany przez oddziaływania polimer–rozpuszczalnik. Ponadto sonikacja wspomaga rozpuszczanie Carbopol. Dodatkowo oddziaływanie fal ultradźwiękowych nasila interakcje polimer–nanocząstki ZnO i poprawia właściwości lepkosprężyste przygotowanego hybrydowego żelu nanocząstkowego Carbopol/ZnO.
Powyższy schemat blokowy przedstawia syntezę nanocząstek ZnO i hybrydowego żelu nanocząstkowego Carbopol/ZnO. W badaniu sonikator UP400St wykorzystano do wytrącania nanocząstek ZnO i tworzenia nanożelu. (na podstawie Ismail et al., 2021)

Nanocząstki ZnO syntetyzowane metodą strącania chemicznego pod wpływem ultradźwięków, gdzie (a) przedstawia je w roztworze wodnym, a (b) przedstawia je po ultradźwiękowym zdyspergowaniu w stabilnym hydrożelu na bazie Carbopol.
(badanie i zdjęcie: Ismail et al., 2021)

Studium przypadku: ultradźwiękowe przygotowanie nanożelu poli(kwasu metakrylowego)/montmorylonitu (PMA/nMMT)

Khan et al. (2020) wykazali skuteczną syntezę hydrożelu nanokompozytowego poli(kwasu metakrylowego)/montmorylonitu (PMA/nMMT) poprzez wspomaganą ultradźwiękami polimeryzację redoks. W typowej procedurze 1,0 g nMMT dyspergowano w 50 mL wody destylowanej przy użyciu ultradźwięków przez 2 h, aby uzyskać jednorodną dyspersję. Sonikacja poprawia dyspergowanie minerału ilastego, co prowadzi do poprawy właściwości mechanicznych i zdolności adsorpcyjnej hydrożeli. Monomer kwasu metakrylowego (30 mL) dodawano kroplami do zawiesiny. Do mieszaniny dodano inicjator, nadsiarczan amonu (APS) (0,1 M), a następnie 1,0 mL przyspieszacza TEMED. Dyspersję intensywnie mieszano przez 4 h w temperaturze 50°C przy użyciu mieszadła magnetycznego. Uzyskaną lepką masę przemyto acetonem i suszono przez 48 h w temperaturze 70°C w suszarce. Powstały produkt zmielono i przechowywano w szklanej butelce. Różne żele nanokompozytowe syntetyzowano, zmieniając ilość nMMT na 0,5, 1,0, 1,5 i 2,0 g. Hydrożele nanokompozytowe przygotowane z użyciem 1,0 g nMMT wykazały lepsze wyniki adsorpcji niż pozostałe kompozyty i dlatego wykorzystano je do dalszych badań adsorpcji.
Mikrofotografie SEM-EDX po prawej stronie przedstawiają analizę pierwiastkową i strukturalną nanożeli obejmujących montmorylonit (MMT), nanomontmorylonit (nMMT), poli(kwas metakrylowy)/nanomontmorylonit (PMA/nMMT) oraz PMA/nMMT zawierający amoksycylinę (AMX) i diklofenak (DF). Mikrofotografie SEM wykonane przy powiększeniu 1,00 KX wraz z analizą EDX następujących materiałów:

• montmorylonitu (MMT),
• nanomontmorylonitu (nMMT),
• poli(kwasu metakrylowego)/nanomontmorylonitu (PMA/nMMT),
• oraz PMA/nMMT zawierającego amoksycylinę (AMX) i diklofenak (DF).

Zaobserwowano, że surowy MMT ma warstwową strukturę płytkową, w której widoczne są większe ziarna. Po modyfikacji płytki MMT ulegają eksfoliacji do drobnych cząstek, co może być spowodowane usunięciem Si2+ i Al3+ z pozycji oktaedrycznych. Widmo EDX nMMT wykazuje wysoki udział procentowy węgla, co może wynikać przede wszystkim z zastosowanego do modyfikacji środka powierzchniowo czynnego, ponieważ głównym składnikiem CTAB (C19H42BrN) jest węgiel (84%). PMA/nMMT wykazuje spójną i niemal współciągłą strukturę. Ponadto nie są widoczne żadne pory, co wskazuje na całkowitą eksfoliację nMMT w matrycy PMA. Po sorpcji cząsteczek farmaceutyków, amoksycyliny (AMX) i diklofenaku (DF), obserwuje się zmiany morfologii PMA/nMMT. Powierzchnia staje się asymetryczna, a jej tekstura bardziej chropowata.
Zastosowanie i właściwości funkcjonalne hydrożeli o rozmiarach nanometrycznych na bazie minerałów ilastych: nanokompozyty hydrożelowe na bazie minerałów ilastych są postrzegane jako potencjalne superadsorbenty do wychwytywania nieorganicznych i/lub organicznych zanieczyszczeń z roztworu wodnego dzięki połączeniu cech zarówno minerałów ilastych, jak i polimerów, takich jak biodegradowalność, biokompatybilność, opłacalność ekonomiczna, obfitość występowania, duża powierzchnia właściwa, trójwymiarowa sieć oraz zdolność do pęcznienia / zmniejszania objętości po spęcznieniu.
(por. Khan et al., 2020)

Sonikatory o wysokiej wydajności do produkcji hydrożeli i nanożeli

Sonikatory o wysokiej wydajności do produkcji hydrożeli i nanożeli
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne urządzenia ultradźwiękowe do syntezy hydrożeli i nanożeli o doskonałych właściwościach funkcjonalnych. Od małych i średnich sonikatorów do prac badawczo-rozwojowych i pilotażowych po systemy przemysłowe do komercyjnej produkcji hydrożeli w trybie ciągłym – Hielscher Ultrasonics oferuje odpowiedni procesor ultradźwiękowy spełniający wymagania dotyczące produkcji hydrożeli / nanożeli.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: