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
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.

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
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)
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)
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.
- 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!
(Opracowanie i film: Rutgeerts et al., 2019)
Literatura / materiały źródłowe
- 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.
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

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