Synteza nanokompozytowego hydrożelu przy użyciu ultradźwięków

Hydrożele nanokompozytowe lub nanożele są wielofunkcyjnymi strukturami 3D o wysokiej skuteczności jako nośniki leków i systemy dostarczania leków o kontrolowanym uwalnianiu. Ultradźwięki sprzyjają dyspersji nanocząstek hydrożelu polimerowego, jak również późniejszemu włączeniu/inkorporacji nanocząstek do tych struktur polimerowych.

Ultradźwiękowa synteza nanożeli

Hydrożele nanokompozytowe są trójwymiarowymi strukturami materiałowymi i mogą być zaprojektowane tak, aby wykazywały określone cechy, co czyni je silnymi nośnikami leków i systemami dostarczania leków o kontrolowanym uwalnianiu. Ultradźwięki sprzyjają syntezie funkcjonalizowanych nanocząstek, jak również późniejszemu włączaniu/inkorporacji nanocząstek do trójwymiarowych struktur polimerowych. Ponieważ ultradźwiękowo zsyntetyzowane nanożele mogą uwięzić związki bioaktywne wewnątrz ich nanoskalowego rdzenia, te nanorozmiarowe hydrożele oferują doskonałe właściwości funkcjonalne.
Nanożele są wodną dyspersją nanocząstek hydrożelu, które są fizycznie lub chemicznie usieciowane jako hydrofilowa sieć polimerowa. Ponieważ wysokowydajne ultradźwięki są bardzo wydajne w wytwarzaniu nanodyspersji, ultrasonografy typu sondowego są kluczowym narzędziem do szybkiej i niezawodnej produkcji nanożeli o doskonałych właściwościach funkcjonalnych.

Funkcjonalność ultradźwiękowo produkowanych nanożeli

• doskonała stabilność koloidalna i duża powierzchnia właściwa
• mogą być gęsto upakowane nanocząsteczkami
• pozwalają łączyć twarde i miękkie cząsteczki w hybrydowym nanożelu rdzeń/otoczka
• wysoki potencjał nawodnienia
• promowanie biodostępności
• Wysokie właściwości pęcznienia / usuwania pęcznienia

 
Ultradźwiękowo syntetyzowane nanożele są wykorzystywane w wielu zastosowaniach i branżach, 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 natywnych tkanek.

Studium przypadku: Synteza nanożelu cynkowego drogą sonochemiczną

Hybrydowe nanocząstki ZnO mogą być stabilizowane w żelu Carbopol za pomocą łatwego procesu ultradźwiękowego: Sonikacja jest stosowana do napędzania wytrącania nanocząstek cynku, które są następnie sieciowane ultradźwiękowo z Carbopol w celu utworzenia nano-hydrożelu.
Ismail et al. (2021) wytrącił nanocząstki tlenku cynku za pomocą łatwej drogi sonochemicznej. (Protokół sonochemicznej syntezy nanocząstek ZnO można znaleźć tutaj).
Następnie nanocząstki wykorzystano do syntezy nanożelu ZnO. W związku z tym wytworzone NP ZnO przepłukano podwójnie dejonizowaną wodą. 0,5 g Carbopolu 940 rozpuszczono w 300 ml podwójnie dejonizowanej wody, a następnie dodano świeżo umyte NP ZnO. Ponieważ Carbopol jest naturalnie kwaśny, roztwór wymaga neutralizacji wartości pH, w przeciwnym razie nie zgęstnieje. Tak więc, mieszanina została poddana ciągłej sonikacji przy użyciu ultrasonografu Hielscher UP400S o amplitudzie 95 i cyklu 95% przez 1 h. Następnie dodano 50 ml trimetyloaminy (TEA) jako środka neutralizującego (podnosząc pH do 7) kroplami pod ciągłą sonikacją, aż do powstania białego żelu ZnO. Zagęszczanie Carbopolu rozpoczęło się, gdy pH było zbliżone do neutralnego pH.
Zespół badawczy wyjaśnia niezwykle pozytywny wpływ ultradźwięków na tworzenie się nanożelu poprzez wzmocnioną interakcję cząstka-cząstka. Zainicjowane ultradźwiękami mieszanie molekularne składników w mieszaninie reakcyjnej wzmacnia proces zagęszczania promowany przez interakcje polimer-rozpuszczalnik. Dodatkowo, sonikacja promuje rozpuszczanie Carbopolu. Ponadto, napromieniowanie falami ultradźwiękowymi zwiększa interakcję polimer-ZnO NPs i poprawia właściwości lepkosprężyste przygotowanego hybrydowego żelu nanocząstek Carbopol/ZnO.
Powyższy schemat przedstawia syntezę nanocząstek ZnO i hybrydowego żelu nanocząstek Carbopol/ZnO. W badaniu zastosowano ultrasonicator UP400St do wytrącania nanocząstek ZnO i tworzenia nanożelu. (zaadaptowane z Ismail et al., 2021)

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

Case Stuy: Ultradźwiękowy preparat poli (kwas metakrylowy)/montmorylonit (PMA/nMMT) Nanogel

Khan et al. (2020) wykazali udaną syntezę nanokompozytowego hydrożelu poli(kwasu metakrylowego)/montmorylonitu (PMA/nMMT) poprzez polimeryzację redoks wspomaganą ultradźwiękami. Zazwyczaj 1,0 g nMMT zdyspergowano w 50 ml wody destylowanej za pomocą ultradźwięków przez 2 godziny w celu utworzenia jednorodnej dyspersji. Sonikacja poprawia dyspersję gliny, co skutkuje lepszymi właściwościami mechanicznymi i zdolnością adsorpcji hydrożeli. Monomer kwasu metakrylowego (30 ml) dodano kroplami do zawiesiny. Do mieszaniny dodano inicjator - nadsiarczan amonu (APS) (0,1 M), a następnie 1,0 ml akceleratora TEMED. Dyspersję energicznie mieszano przez 4 godziny w temperaturze 50°C za pomocą mieszadła magnetycznego. Powstałą lepką masę przemyto acetonem i suszono przez 48 godzin w temperaturze 70°C w piecu. Otrzymany produkt zmielono i przechowywano w szklanej butelce. Zsyntetyzowano różne żele nanokompozytowe, zmieniając nMMT w ilościach 0,5, 1,0, 1,5 i 2,0 g. Hydrożele nanokompozytowe przygotowane przy użyciu 1,0 g nMMT wykazywały lepsze wyniki adsorpcji niż pozostałe kompozyty i dlatego zostały wykorzystane do dalszych badań adsorpcji.
Mikrofotografie SEM-EDX po prawej stronie przedstawiają analizę elementarną i strukturalną nanożeli składających się z montmorylonitu (MMT), nano-montmorylonitu (nMMT), poli(kwasu metakrylowego)/nano-montmorylonitu (PMA/nMMT) oraz amoksycyliny (AMX) i diklofenaku (DF) załadowanych PMA/nMMT. Mikrofotografie SEM zarejestrowane przy powiększeniu 1,00 KX wraz z EDX z

• montmorylonit (MMT),
• nano-montmorylonit (nMMT),
• poli(kwas metakrylowy)/nano-montmorylonit (PMA/nMMT),
• oraz PMA/nMMT z amoksycyliną (AMX) i diklofenakiem (DF).

Zaobserwowano, że surowy MMT zawdzięcza warstwową strukturę arkusza 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 wynikać przede wszystkim ze środka powierzchniowo czynnego użytego do modyfikacji, ponieważ głównym składnikiem CTAB (C19H42BrN) jest węgiel (84%). PMA/nMMT wykazuje spójną i prawie ciągłą strukturę. Ponadto nie są widoczne żadne pory, co wskazuje na całkowite złuszczenie nMMT w matrycy PMA. Po sorpcji cząsteczek farmaceutycznych amoksycyliny (AMX) i diklofenaku (DF) obserwuje się zmiany w morfologii PMA/nMMT. Powierzchnia staje się asymetryczna ze wzrostem szorstkiej tekstury.
Zastosowanie i funkcje nanorozmiarowych hydrożeli na bazie gliny: Nanokompozyty hydrożelowe na bazie gliny mają być potencjalnymi super adsorbentami do pochłaniania zanieczyszczeń nieorganicznych i/lub organicznych z roztworu wodnego ze względu na połączenie cech zarówno gliny, jak i polimerów, takich jak biodegradowalność, biokompatybilność, opłacalność ekonomiczna, obfitość, wysoka powierzchnia właściwa, trójwymiarowa sieć oraz właściwości pęcznienia / pęcznienia.
(por. Khan i in., 2020)

Wysokowydajne ultradźwięki do produkcji hydrożelu i nanożelu

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

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: