Synteza nanokompozytowego hydrożelu przy użyciu ultradźwięków

Nanokompozytowe hydrożele lub nanożele to wielofunkcyjne struktury 3D o wysokiej skuteczności jako nośniki leków i systemy kontrolowanego uwalniania leków. Ultradźwięki sprzyjają dyspersji nanocząstek polimerowych hydrożeli, jak również późniejszej inkorporacji nanocząstek do tych struktur polimerowych.

Ultradźwiękowa synteza nanożeli

Homogenizator ultradźwiękowy typu sonda UP400St do dyspersji i syntezy nanokompozytowych hydrożeli lub nanożeli.Nanokompozytowe hydrożele są trójwymiarowymi strukturami materiałowymi i mogą być zaprojektowane tak, aby wykazywały specyficzne cechy, co czyni je silnymi nośnikami leków i systemami kontrolowanego uwalniania leków. Ultradźwięki sprzyjają syntezie funkcjonalizowanych nanocząstek, jak również późniejszemu włączeniu/inkorporacji nanocząstek w trójwymiarowe struktury polimerowe. Ponieważ zsyntetyzowane ultradźwiękowo nanożele mogą zatrzymywać związki bioaktywne wewnątrz ich nanoskalowego rdzenia, te nanowymiarowe hydrożele oferują ogromne możliwości funkcjonalne.
Nanożele to wodne dyspersje nanocząstek hydrożelowych, które są fizycznie lub chemicznie usieciowane jako hydrofilowa sieć polimerowa. Ponieważ wysokowydajne ultradźwięki są bardzo wydajne w wytwarzaniu nanodyspersji, ultradźwiękowce typu sondowego są kluczowym narzędziem do szybkiej i niezawodnej produkcji nanożeli o doskonałych właściwościach użytkowych.

Zapytanie o informacje




Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.


Kawitacja ultradźwiękowa sprzyja sieciowaniu i polimeryzacji podczas syntezy hydrożeli i nanożeli (hydrożeli nanokompozytowych). Dyspersja ultradźwiękowa ułatwia równomierne rozprowadzenie nanomateriałów do produkcji hybrydowych hydrożeli.

ultradźwiękowiec UIP1000hdT z reaktorem szklanym do syntezy hydrożelu nanokompozytowego

Funkcjonalności ultradźwiękowo wytwarzanych nanożeli

  • doskonała stabilność koloidalna i duża powierzchnia właściwa
  • mogą być gęsto upakowane nanocząsteczkami
  • umożliwiają łączenie twardych i miękkich cząstek w hybrydowym nanożelu typu rdzeń/otoczka
  • wysoki potencjał hydratacji
  • promowanie biodostępności
  • wysokie właściwości pęczniejące/rozprężające



 
Ultradźwiękowo syntetyzowane nanożele znajdują zastosowanie w wielu aplikacjach i gałęziach przemysłu, np.

  • do zastosowań farmaceutycznych i medycznych: np. nośnik leków, żel antybakteryjny, antybakteryjny 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 fizyczne, chemiczne, elektryczne i biologiczne właściwości wielu rodzimych tkanek

Case Study: Synteza Nanożelu Cynkowego na drodze sonochemicznej

Schematyczny schemat przepływu syntezy ZnO NPs i hybrydowego żelu nanocząstek Carbopol/ZnO. W badaniach do wytrącania nanocząstek ZnO i tworzenia nanożelu wykorzystano ultradźwiękowiec UP400St. (zaadaptowane z Ismail et al., 2021)Hybrydowe nanocząstki ZnO mogą być stabilizowane w żelu Carbopolu poprzez łatwy proces ultradźwiękowy: Sonikacja jest stosowana do napędzania wytrącania nanocząstek cynku, które są następnie ultradźwiękowo usieciowane z Carbopolem, aby utworzyć nano-hydrożel.
Ismail et al. (2021) wytrącił nanocząstki tlenku cynku poprzez łatwą drogę sonochemiczną. (Znajdź protokół sonochemicznej syntezy nanocząstek ZnO tutaj).
Następnie nanocząstki zostały wykorzystane do syntezy nanożelu ZnO. Dlatego też wytworzone ZnO NPs przepłukano podwójnie dejonizowaną wodą. 0,5 g Carbopolu 940 rozpuszczono w 300 mL podwójnie dejonizowanej wody, a następnie dodano świeżo umyte ZnO NPs. Ponieważ Carbopol jest naturalnie kwasowy, roztwór wymaga neutralizacji wartości pH, w przeciwnym razie nie zagęściłby się. W związku z tym mieszaninę poddano ciągłej sonikacji przy użyciu ultradźwiękowca UP400S firmy Hielscher z amplitudą 95 i cyklem 95% przez 1 h. Następnie dodano 50 mL trimetyloaminy (TEA) jako środka neutralizującego (podnosząc pH do 7), dodawanego kroplami pod ciągłą sonikacją, aż do momentu powstania białego żelu ZnO. Zagęszczanie Carbopolu rozpoczęło się, gdy pH było bliskie neutralnemu pH .
Zespół badawczy tłumaczy niezwykle pozytywny wpływ ultradźwięków na tworzenie nanożelu wzmocnionymi oddziaływaniami cząstka-cząstka. Zainicjowane ultradźwiękowo molekularne mieszanie składników w mieszaninie reakcyjnej wzmacnia proces zagęszczania promowany przez interakcje polimer-rozpuszczalnik. Dodatkowo, sonikacja sprzyja rozpuszczaniu karbopolu. Dodatkowo, napromieniowanie falą ultradźwiękową wzmacnia interakcję polimer-ZnO NPs i poprawia właściwości lepkosprężyste przygotowanego hybrydowego żelu Carbopol/ZnO.
Powyższy schematyczny flowchart przedstawia syntezę ZnO NPs i hybrydowego żelu nanocząstek Carbopol/ZnO. W badaniach do wytrącania nanocząstek ZnO i tworzenia nanożelu wykorzystano ultradźwiękowiec UP400St. (zaadaptowane z Ismail et al., 2021)

Ultradźwiękowo wytwarzany nanogel obciążony nanocząstkami tlenku cynku.

ZnO NPs syntetyzowane metodą chemicznego strącania pod wpływem ultradźwięków, gdzie (a) znajduje się w roztworze wodnym, a (b) jest ultradźwiękowo zdyspergowane w stabilnym hydrożelu na bazie Carbopolu.
(opracowanie i zdjęcie: Ismail et al., 2021)

Case Stuy: Ultradźwiękowe otrzymywanie nanożelu poli(kwas metakrylowy)/montmorylonit (PMA/nMMT)

Khan i wsp. (2020) wykazali udaną syntezę nanokompozytowego hydrożelu poli(kwas metakrylowy)/Montmorylonit (PMA/nMMT) poprzez wspomaganą ultradźwiękami polimeryzację redoks. Typowo, 1,0 g nMMT zostało zdyspergowane w 50 mL wody destylowanej za pomocą ultradźwięków przez 2 h w celu utworzenia homogenicznej dyspersji. Sonikacja poprawia dyspersję glinki, co skutkuje poprawą właściwości mechanicznych i zdolności adsorpcyjnych hydrożeli. Do zawiesiny dodawano kroplami monomer kwasu metakrylowego (30 mL). Do mieszaniny dodano inicjator - nadsiarczan amonu (APS) (0,1 M), a następnie 1,0 mL przyspieszacza TEMED. Dyspersję energicznie mieszano przez 4 h w temperaturze 50°C za pomocą mieszadła magnetycznego. Otrzymaną lepką masę przemyto acetonem i wysuszono przez 48 h w 70°C w piecu. Otrzymany produkt mielono i przechowywano w szklanej butelce. Zsyntetyzowano różne żele nanokompozytowe poprzez zmianę ilości nMMT w ilości 0,5, 1,0, 1,5 i 2,0 g. Hydrożele nanokompozytowe przygotowane z użyciem 1,0 g nMMT wykazywały lepsze wyniki adsorpcji niż pozostałe kompozyty i dlatego zostały wykorzystane do dalszych badań adsorpcyjnych.
Mikrofotografie SEM-EDX po prawej stronie pokazują analizę pierwiastkową i strukturalną nanożeli składających się z montmorylonitu (MMT), nano-montmorylonitu (nMMT), poli(kwasu metakrylowego)/nano-montmorylonitu (PMA/nMMT) oraz obciążonych amoksycyliną (AMX)i diklofenakiem (DF)- PMA/nMMT. Mikrofotografie SEM zarejestrowane przy powiększeniu 1,00 KX wraz z EDX z

  • montmorylonit (MMT),
  • nano-montmorylonit (nMMT),
  • poli(kwas metakrylowy)/nanomontmorylonit (PMA/nMMT),
  • oraz amoksycylina (AMX)- i diklofenak (DF)- obciążone PMA/nMMT.

Zaobserwowano, że surowy MMT posiada warstwową strukturę arkuszową wykazującą obecność większych ziaren. Po modyfikacji arkusze MMT ulegają złuszczeniu na drobne cząstki, co może być spowodowane eliminacją Si2+ i Al3+ z miejsc oktaedrycznych. Widmo EDX nMMT wykazuje wysoki procent węgla, co może być przede wszystkim spowodowane środkiem powierzchniowo czynnym użytym do modyfikacji, ponieważ głównym składnikiem CTAB (C19H42BrN) jest węgiel (84%). PMA/nMMT wykazuje spójną i prawie ciągłą strukturę. Ponadto, nie widać żadnych porów, co świadczy o całkowitej eksfoliacji nMMT do matrycy PMA. Po sorpcji cząsteczek farmaceutycznych amoksycyliny (AMX) i diklofenaku (DF) obserwuje się zmiany w morfologii PMA/nMMT. Powierzchnia staje się asymetryczna ze wzrostem chropowatej tekstury.
Zastosowanie i właściwości funkcjonalne hydrożeli opartych na glinie w rozmiarze nano: Nanokompozyty hydrożelowe na bazie gliny są przewidywane jako potencjalne super adsorbenty do wychwytywania nieorganicznych i/lub organicznych zanieczyszczeń z roztworu wodnego ze względu na łączące cechy zarówno gliny, jak i polimerów, takie jak biodegradowalność, biokompatybilność, opłacalność ekonomiczna, obfitość, wysoka powierzchnia właściwa, trójwymiarowa sieć i właściwości pęcznienia / spęcznienia.
(por. Khan i in., 2020)

Ultrasonicznie zsyntetyzowane nanożele obciążone różnymi nanocząstkami np. glinką nano-montmorylonitową.

Mikrofotografie SEM-EDX (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT, oraz (d) hydrożeli nanokompozytowych obciążonych AMX i (e) DF. Nanożele przygotowywano metodą ultradźwiękową.
(opracowanie i zdjęcia: ©Khan et al. 2020)

Wysokowydajne ultradźwiękowce do produkcji hydrożeli i nanożeli

Wysokowydajne ultradźwiękowce do produkcji hydrożeli i nanożeli
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne urządzenia ultradźwiękowe do syntezy hydrożeli i nanożeli o najwyższej funkcjonalności. Od małych i średnich urządzeń R&D i pilotażowe ultradźwięki do systemów przemysłowych do komercyjnej produkcji hydrożelu w trybie ciągłym, Hielscher Ultrasonics ma odpowiedni procesor ultradźwiękowy, aby pokryć Twoje wymagania dotyczące produkcji hydrożelu / nanogelu.

Dlaczego Hielscher Ultrasonics?

  • wysoka wydajność
  • Najnowocześniejsza technologia
  • niezawodność & krzepkość
  • partia & na linii
  • dla każdej objętości
  • inteligentne oprogramowanie
  • inteligentne funkcje (np. protokołowanie danych)
  • Łatwa i bezpieczna eksploatacja
  • Niskie koszty utrzymania
  • CIP (clean-in-place)

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:

Wielkość partii natężenie przepływu Polecane urządzenia
1 do 500mL 10-200mL/min UP100H
10 do 2000mL 20-400mL/min UP200Ht, UP400St
0.1 do 20L 0.2 do 4L/min UIP2000hdT
10-100L 2 do 10L/min UIP4000hdT
15 do 150L 3 do 15L/min UIP6000hdT
b.d. 10-100L/min UIP16000
b.d. większe klaster UIP16000

Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!

Poproś o więcej informacji

Prosimy o skorzystanie z poniższego formularza w celu uzyskania dodatkowych informacji na temat procesorów ultradźwiękowych, zastosowań i ceny. Chętnie omówimy z Państwem proces i zaproponujemy Państwu system ultradźwiękowy spełniający Państwa wymagania!









Proszę zwrócić uwagę na nasze Polityka prywatności.


W krótkim klipie powyżej, ultradźwiękowiec UP50H służy do formowania hydrożelu przy użyciu niskocząsteczkowego żelatora. W efekcie otrzymano samoregenerujące się hydrożele supramolekularne.
(Opracowanie i film: Rutgeerts et al., 2019)
Ultradźwiękowa dyspersja nanocząstek krzemionki w hydrożelu: Homogenizator ultradźwiękowy UP400St firmy Hielscher szybko i wydajnie dysperguje nanocząstki krzemionki do jednolitego nanożelu o wielofunkcyjnych właściwościach.

Ultradźwiękowa dyspersja nanocząstek w hydrożelu przy użyciu ultradźwiękowca UP400St

Miniatura wideo



Literatura / materiały źródłowe

Fakty Warto wiedzieć

Protokół sonochemicznej syntezy nanocząstek ZnO

ZnO NPs syntetyzowano metodą chemicznego strącania pod wpływem promieniowania ultradźwiękowego. W typowej procedurze zastosowano dwuwodny octan cynku (Zn(CH3COO)2-2H2O) jako prekursor oraz 30-33% roztwór amoniaku (NH3) w roztworze wodnym (NH4OH) jako czynnik redukujący. Nanocząstki ZnO wytwarzano poprzez rozpuszczenie odpowiedniej ilości octanu cynku w 100 mL dejonizowanej wody w celu uzyskania 0,1 M roztworu jonów cynku. Następnie roztwór jonów cynku poddano napromieniowaniu falą ultradźwiękową przy użyciu urządzenia Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Niemcy) przy amplitudzie 79% i cyklu 0,76 przez 5 min w temperaturze 40 ◦C. Następnie do roztworu jonów cynku pod wpływem fal ultradźwiękowych dodawano kroplami roztwór amoniaku. Po kilku chwilach ZnO NPs zaczęły się wytrącać i rosnąć, a roztwór amoniaku był stale dodawany aż do całkowitego wytrącenia ZnO NPs.
Otrzymane ZnO NPs przemywano przy użyciu wody dejonizowanej kilkakrotnie i odstawiano do osadzenia. Później otrzymany osad suszono w temperaturze pokojowej.
(Ismail i in., 2021)

Czym są Nanożele?

Nanożele lub hydrożele nanokompozytowe to rodzaj hydrożeli, które zawierają w swojej strukturze nanocząstki, zwykle w zakresie 1-100 nanometrów. Nanocząstki te mogą być organiczne, nieorganiczne lub stanowić kombinację obu.
Nanożele powstają w procesie znanym jako sieciowanie, który polega na chemicznym łączeniu łańcuchów polimerowych w celu utworzenia trójwymiarowej sieci. Ponieważ tworzenie hydrożeli i nanożeli wymaga dokładnego mieszania w celu uwodnienia struktury polimerowej, promowania sieciowania i włączenia nanocząstek, ultradźwięki są bardzo skuteczną techniką produkcji hydrożeli i nanożeli. Sieci hydrożeli i nanożeli są w stanie wchłonąć duże ilości wody, co sprawia, że nanożele są wysoce uwodnione i dzięki temu nadają się do wielu zastosowań, takich jak dostarczanie leków, inżynieria tkankowa i biosensory.
Nanożelowe hydrożele składają się zazwyczaj z nanocząstek, takich jak cząstki krzemionki lub polimeru, które są rozproszone w matrycy hydrożelu. Te nanocząstki mogą być syntetyzowane różnymi metodami, w tym polimeryzacją emulsyjną, odwrotną polimeryzacją emulsyjną i syntezą zol-żel. Polimeryzacja i synteza zol-żel są bardzo korzystne dla mieszania ultradźwiękowego.
Z drugiej strony, hydrożele nanokompozytowe składają się z połączenia hydrożelu i nanowypełniacza, takiego jak glinka lub tlenek grafenu. Dodatek nanowypełniacza może poprawić mechaniczne i fizyczne właściwości hydrożelu, takie jak jego sztywność, wytrzymałość na rozciąganie i twardość. W tym przypadku, potężne zdolności dyspersyjne sonikacji ułatwiają równomierną i stabilną dystrybucję nanocząstek do matrycy hydrożelu.
Ogólnie rzecz biorąc, nanożel i nanokompozytowe hydrożele mają szeroki zakres potencjalnych zastosowań w dziedzinach takich jak biomedycyna, remediacja środowiska i magazynowanie energii ze względu na ich unikalne właściwości i funkcje.

Zastosowania Nanożelu w terapii medycznej

Typ Nanożelu narkotyk choroba Działalność Referencje
Nanożele PAMA-DMMA doksorubicyna Rak Wzrost szybkości uwalniania w miarę zmniejszania wartości pH. Wyższa cytotoksyczność przy pH 6,8 w badaniach żywotności komórek Du et al. (2010)
Nanożele na bazie chitozanu dekorowane hialuronianem Fotouczulacze takie jak tetra-fenylo-porfiryna-tetra-sulfonian (TPPS4), tetra-fenylo-chloryna-tetra-karboksylan (TPCC4) i chloryna e6 (Ce6) Zaburzenia reumatyczne Szybko pobierany (4 h) przez makrofagi i gromadzony w ich cytoplazmie i organellach Schmitt et al. (2010)
Nanocząstki PCEC w hydrożelach Pluronic Lidokaina Znieczulenie miejscowe Wytworzył długotrwałe znieczulenie nasiękowe trwające około 360 min. Yin et al. (2009)
Nanocząstki poli(laktydu-co-glikolu) i chitozanu rozproszone w żelu HPMC i Carbopolu Spantyda II Alergiczne kontaktowe zapalenie skóry i inne zaburzenia zapalne skóry Nanogelinowy potencjał przezskórnego dostarczania spantidu II Punit et al. (2012)
Nanożele wrażliwe na pH z poliwinylopirolidonu i kwasu akrylowego (PVP/PAAc) Pilokarpina Utrzymywanie odpowiedniego stężenia pilokarpiny w miejscu działania przez dłuższy czas Abd El-Rehim et al. (2013)
Usieciowany poli (glikol etylenowy) i polietylenimina Oligonukleotydy Choroby neurodegeneracyjne Efektywnie transportowany przez BBB. Skuteczność transportu jest dodatkowo zwiększona, gdy powierzchnia nanożelu jest modyfikowana transferyną lub insuliną Vinogradov et al. (2004)
Nanożele pullulanowe zawierające cholesterol Rekombinowana murine interleukine-12 Immunoterapia nowotworów Nanogel o przedłużonym uwalnianiu Farhana et al. (2013)
Poli(N-izopropylakrylamid) i chitozan Hipertermia leczenie nowotworów i ukierunkowane dostarczanie leków Termoczuły, magnetycznie modalizowany Farhana et al. (2013)
Usieciowana rozgałęziona sieć polietylenoiminy i PEG Polyplexnanogel Fludarabina Rak Podwyższona aktywność i obniżona cytotoksyczność Farhana et al. (2013)
Biokompatybilny nanogel pullulanu zawierającego cholesterol Jako sztuczny przyzwoitka Leczenie choroby Alzheimera Hamowanie agregacji białka amyloidu β Ikeda et al. (2006)
Nanożel DNA z fotosieciowaniem Materiał genetyczny Terapia genowa Kontrolowane dostarczanie plazmidowego DNA Lee et al. (2009)
Hybrydowy żel z nanocząstkami karbopolu/tlenku cynku (ZnO) Nanocząstki ZnO Działanie przeciwbakteryjne, inhibitor bakterii Ismail et al. (2021)

Tabela zaadaptowana z Swarnali et al., 2017


Ultradźwięki o wysokiej wydajności! Paleta produktów firmy Hielscher obejmuje pełne spektrum od kompaktowych ultradźwięków laboratoryjnych, poprzez urządzenia stołowe, aż po przemysłowe systemy ultradźwiękowe.

Firma Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do wielkość przemysłowa.

Chętnie porozmawiamy o Państwa procesie.

Skontaktujmy się.