Síntese de hidrogel nanocompósito usando Ultrasonication
Hidrogéis ou nanogéis nanocompósitos são estruturas 3D multifuncionais com altas eficácias como portadores de drogas e sistemas de liberação controlada de drogas. A ultrassonografia promove a dispersão de partículas de hidrogel polimérico de tamanho nano, bem como a subsequente inclusão/incorporação de nanopartículas nessas estruturas poliméricas.
Síntese ultra-sônica de nanogéis
Os hidrogéis nanocompósitos são estruturas de materiais tridimensionais e podem ser projetados para exibir características específicas, o que os torna potentes portadores de drogas e sistemas de liberação controlada de medicamentos. A ultrassonografia promove a síntese de partículas de tamanho nanométrico funcionalizadas, bem como a subsequente inclusão/incorporação de nanopartículas em estruturas poliméricas tridimensionais. Como os nanogéis sintetizados ultrassonicamente podem aprisionar compostos bioativos dentro de seu núcleo em nanoescala, esses hidrogéis de tamanho nanométrico oferecem grandes funcionalidades.
Os nanogéis são dispersões aquosas de nanopartículas de hidrogel, que são física ou quimicamente reticuladas como rede de polímeros hidrofílicos. Como o ultrassom de alto desempenho é altamente eficiente na produção de nanodispersões, os ultrasonicators do tipo sonda são uma ferramenta crucial para a produção rápida e confiável de nanogéis com funcionalidades superiores.
ultrassônico UIP1000hdT com reator de vidro para síntese de hidrogel nanocompósito
Funcionalidades de nanogéis produzidos por ultrassom
- excelente estabilidade coloidal e a grande área de superfície específica
- pode ser densamente embalado com nanopartículas
- permitem combinar partículas duras e moles em nanogel híbrido de núcleo/casca
- alto potencial de hidratação
- promover a biodisponibilidade
- propriedades de alto inchaço / desinchamento
Os nanogéis sintetizados por ultrassom são usados em inúmeras aplicações e indústrias, por exemplo.
- para aplicações farmacêuticas e médicas: por exemplo, transportador de medicamentos, gel antibacteriano, curativo antibacteriano
- em bioquímica e biomedicina para a entrega de genes
- como adsorvente/biossorvente em aplicações químicas e ambientais
- na engenharia de tecidos, pois os hidrogéis podem imitar as propriedades físicas, químicas, elétricas e biológicas de muitos tecidos nativos
Estudo de Caso: Síntese de Nanogel de Zinco via Rota Sonoquímica
As nanopartículas híbridas de ZnO podem ser estabilizadas em um gel Carbopol através de um processo ultrassônico fácil: a sonicação é usada para conduzir a precipitação de nanopartículas de zinco, que são subsequentemente ultrassonicamente reticuladas com Carbopol para formar um nano-hidrogel.
(2021) precipitaram nanopartículas de óxido de zinco por uma rota sonoquímica fácil. (Encontre o protocolo para a síntese sonoquímica de nanopartículas de ZnO aqui).
Posteriormente, as nanopartículas foram utilizadas para sintetizar o nanogel de ZnO. Portanto, os NPs de ZnO produzidos foram enxaguados com água deionizada duplamente. 0,5 g de Carbopol 940 foram dissolvidos em 300 mL de água deionizada dobrada, seguida da adição dos NPs de ZnO recém-lavados. Uma vez que o carbopol é naturalmente ácido, a solução requer uma neutralização do valor de pH, caso contrário não engrossaria. Assim, a mistura foi submetida a sonicação contínua usando o ultrasonicator Hielscher UP400S com uma amplitude de 95 e um ciclo de 95% por 1 h. Em seguida, 50 mL de trimetilamina (TEA) como agente neutralizante (elevando o pH para 7) foram adicionados gota a gota sob sonicação contínua até que ocorresse a formação do gel branco de ZnO. O espessamento do carbopol iniciou-se quando o pH estava próximo de um pH neutro.
A equipe de pesquisa explica os efeitos extraordinariamente positivos da ultra-sonificação na formação de nanogel por interação partícula-partícula aprimorada. A agitação molecular iniciada por ultrassom dos constituintes na mistura de reação aumenta o processo de espessamento promovido pelas interações polímero-solvente. Além disso, a sonicação promove a dissolução de Carbopol. Além disso, a irradiação de ondas de ultrassom aumenta a interação polímero-ZnO NPs e melhora as propriedades viscoelásticas do gel de nanopartículas híbridas Carbopol/ZnO preparado.
O fluxograma esquemático acima mostra a síntese de NPs de ZnO e gel de nanopartículas híbridas Carbopol/ZnO. No estudo, o ultrasonicator UP400St foi usado para precipitação de nanopartículas de ZnO e formação de nanogel. (adaptado de Ismail et al., 2021)
NPs de ZnO sintetizados pelo método de precipitação química sob o efeito de ultra-sonicação, onde (a) está na solução aquosa, e (b) é ultra-sonicamente disperso em um hidrogel estável à base de carbopol .
(estudo e imagem: Ismail et al., 2021)
Case Stuy: Preparação ultra-sônica de poli(ácido metacrílico)/Montmorillonite (PMA/nMMT) Nanogel
Khan et al. (2020) demonstraram a síntese bem-sucedida de um hidrogel nanocompósito poli(ácido metacrílico)/Montmorilonita (PMA/nMMT) via polimerização redox assistida por ultrassom. Tipicamente, 1,0 g de nMMT foi disperso em 50 mL de água destilada com ultrassonografia por 2 h para formar uma dispersão homogênea. Sonication melhora a dispersão da argila, resultando em propriedades mecânicas melhoradas e capacidade de adsorção dos hidrogéis. Monômero de ácido metacrílico (30 mL) foi adicionado gota a gota à suspensão. Persulfato de amônio iniciador (APS) (0,1 M) foi adicionado à mistura seguido de 1,0 mL de acelerador TEMED. A dispersão foi agitada vigorosamente por 4 h a 50°C por um agitador magnético. A massa viscosa resultante foi lavada com acetona e desidratada por 48 h a 70°C em estufa de banho. O produto resultante foi moído e armazenado em uma garrafa de vidro. Diferentes géis nanocompósitos foram sintetizados variando o nMMT em quantidades de 0,5, 1,0, 1,5 e 2,0 g. Os hidrogéis nanocompósitos preparados usando 1,0 g de nMMT apresentaram melhores resultados de adsorção do que o resto dos compósitos e, portanto, foram utilizados para investigação de adsorção adicional.
As micrografias SEM-EDX à direita mostram a análise elementar e estrutural dos nanogéis constituídos por montmorilonita (MMT), nano-montmorilonita (nMMT), poli(ácido metacrílico)/nano-montmorilonita (PMA/nMMT) e amoxicilina (AMX) e diclofenaco (DF) carregados de PMA/nMMT. As micrografias de MEV registradas a uma ampliação de 1,00 KX juntamente com o EDX de
- montmorilonita (MMT),
- nano-montmorilonita (nMMT),
- poli(ácido metacrílico)/nano-montmorilonita (PMA/nMMT),
- e amoxicilina (AMX) e diclofenaco (DF) carregadas de PMA/nMMT.
Observa-se que a MMT bruta deve uma estrutura de folha em camadas mostrando a presença de grãos maiores. Após a modificação, as folhas de MMT são esfoliadas em minúsculas partículas, o que pode ser devido à eliminação de Si2+ e Al3+ dos sítios octaédricos. O espectro EDX da nMMT exibe uma alta porcentagem de carbono, o que pode ser principalmente devido ao surfactante utilizado para modificação, já que o principal constituinte do CTAB (C19H42BrN) é o carbono (84%). O PMA/NMMT exibe uma estrutura coerente e quase co-contínua. Além disso, nenhum poro é visível, o que representa a esfoliação completa da nMMT na matriz PMA. Após a sorção com as moléculas farmacêuticas amoxicilina (AMX) e diclofenaco (DF), observam-se alterações na morfologia do PMA/nMMT. A superfície torna-se assimétrica com um aumento na textura áspera.
Uso e funcionalidades de hidrogéis nanométricos à base de argila: Os nanocompósitos de hidrogel à base de argila são considerados potenciais superadsorventes para a absorção de contaminantes inorgânicos e/ou orgânicos de uma solução aquosa devido às características combinadas de argilas e polímeros, como biodegradabilidade, biocompatibilidade, viabilidade econômica, abundância, alta área de superfície específica, rede tridimensional e propriedades de inchaço / desinchamento.
(cf. Khan et al., 2020)
Micrografias SEM-EDX de (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT e (d) hidrogéis nanocompósitos carregados com AMX e (e) DF. Os nanogéis foram preparados usando ultrassom.
(estudo e fotos: ©Khan et al. 2020)
Ultrasonicators de alto desempenho para produção de hidrogel e nanogel
Ultrasonicators de alto desempenho para produção de hidrogel e nanogel
Hielscher Ultrasonics fabrica equipamentos ultra-sônicos de alto desempenho para a síntese de hidrogéis e nanogéis com funcionalidades superiores. De pequeno e médio porte R&D e ultra-sonicators piloto para sistemas industriais para fabricação comercial de hidrogel em modo contínuo, Hielscher Ultrasonics tem o processador ultra-sônico certo para cobrir suas necessidades de produção de hidrogel / nanogel.
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- Fácil e seguro para operar
- Baixa manutenção
- CIP (clean-in-place)
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators:
| Volume batch | Quociente de vazão | Dispositivos Recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500mL | 10 a 200 mL / min | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 a 20L | 00,2 a 4 L / min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 de 10L / min | UIP4000hdT |
| 15 a 150L | 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
| n / D. | 10 a 100L / min | UIP16000 |
| n / D. | maior | aglomerado de UIP16000 |
Contate-Nos! / Pergunte-nos!
(Estudo e filme: Rutgeerts et al., 2019)
Literatura / Referências
- 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.
Fatos, vale a pena conhecer
Protocolo para Síntese Sonoquímica de Nanopartículas de ZnO
Os NPs de ZnO foram sintetizados pelo método de precipitação química sob o efeito da irradiação ultrassonográfica. Em um procedimento típico, acetato de zinco di-hidratado (Zn(CH3COO)2·2H2O) como precursor, e uma solução de amônia de 30-33% (NH3) em uma solução aquosa (NH4OH) como agente redutor, foram usados. As nanopartículas de ZnO foram produzidas pela dissolução da quantidade adequada de acetato de zinco em 100 mL de água deionizada para produzir 0,1 M de uma solução de íons zinco. Posteriormente, a solução de íons zinco foi submetida à irradiação de ondas ultrassônicas usando um Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlim, Alemanha) a uma amplitude de 79% e um ciclo de 0,76 por 5 min a uma temperatura de 40 ◦C. Em seguida, a solução de amônia foi adicionada gota a gota à solução de íons de zinco sob o efeito das ondas ultra-sônicas. Após alguns momentos, os NPs de ZnO começaram a precipitar e crescer, e a solução de amônia foi continuamente adicionada até que a precipitação completa de NPs de ZnO ocorresse.
Os NPs de ZnO obtidos foram lavados com água deionizada várias vezes e deixados de fora para assentamento. Posteriormente, o precipitado obtido foi seco à temperatura ambiente.
(Ismail et al., 2021)
O que são Nanogéis?
Nanogéis ou hidrogéis nanocompósitos são um tipo de hidrogel que incorpora nanopartículas, geralmente na faixa de 1-100 nanômetros, em sua estrutura. Essas nanopartículas podem ser orgânicas, inorgânicas ou uma combinação de ambas.
Os nanogéis são formados através de um processo conhecido como reticulação, que envolve a ligação química de cadeias poliméricas para formar uma rede tridimensional. Uma vez que a formação de hidrogéis e nanogéis requer uma mistura completa, a fim de hidratar a estrutura polimérica, para promover a reticulação e incorporar as nanopartículas, a ultrassonografia é uma técnica altamente eficaz para a produção de hidrogéis e nanogéis. As redes de hidrogel e nanogel são capazes de absorver grandes quantidades de água, tornando os nanogéis altamente hidratados e, portanto, adequados para uma ampla gama de aplicações, como entrega de medicamentos, engenharia de tecidos e biossensores.
Os hidrogéis de nanogel são tipicamente compostos de nanopartículas, como partículas de sílica ou polímero, que estão dispersas por toda a matriz de hidrogel. Essas nanopartículas podem ser sintetizadas através de vários métodos, incluindo polimerização em emulsão, polimerização em emulsão inversa e síntese sol-gel. Essas sínteses de polimerização e sol-gel se beneficiam muito da agitação ultra-sônica.
Os hidrogéis nanocompósitos, por outro lado, são compostos por uma combinação de um hidrogel e um nanofiller, como argila ou óxido de grafeno. A adição do nanofiller pode melhorar as propriedades mecânicas e físicas do hidrogel, como sua rigidez, resistência à tração e tenacidade. Aqui, as poderosas capacidades de dispersão da sonicação facilitam a distribuição uniforme e estável de nanopartículas na matriz de hidrogel.
No geral, os hidrogéis de nanogel e nanocompósito têm uma ampla gama de aplicações potenciais em campos como biomedicina, remediação ambiental e armazenamento de energia devido às suas propriedades e funcionalidades únicas.
Aplicações de Nanogel para Tratamentos Médicos
| Tipo de Nanogel | medicamento | doença | Atividade | Referências |
| Nanogéis PAMA-DMMA | Doxorrubicina | Câncer | Aumento na taxa de liberação à medida que o valor de pH diminuiu. Citotoxicidade mais elevada a pH 6,8 em estudos de viabilidade celular | Du et al. (2010) |
| Nanogéis à base de quitosana decorados com hialuronato | Fotossensibilizadores como tetra-fenil-porfirina-tetra-sulfonato (TPPS4), tetra-fenil-cloro-tetra-carboxilato (TPCC4) e cloro e6 (Ce6) | Doenças reumáticas | Rapidamente absorvido (4 h) pelos macrófagos e acumulado em seu citoplasma e organelas | Schmitt et al. (2010) |
| Nanopartículas de PCEC em hidrogéis plurônicos | Lidocaína | Anestesia local | Produziu anestesia de infiltração de longa duração de cerca de 360 min | Yin et al. (2009) |
| Poli(ácido lactídeo-co-glicólico) e nanopartículas de quitosana dispersas em HPMC e Carbopol gel | Spantida II | Dermatite de contato alérgica e outros distúrbios inflamatórios da pele | Nanogelinncreases potencial para a entrega percutânea de spantida II | Punit et al. (2012) |
| Nanogéis de polivinilpirrolidona-poli (ácido acrílico) (PVP/PAAc) sensíveis ao pH | Pilocarpina | Manter uma concentração adequada de pilocarpina no local de ação por um período prolongado de tempo | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Poli reticulado (etilenoglicol) e polietilenimina | Oligonucleotídeos | Doenças neurodegenerativas | Efetivamente transportado através do BBB. A eficácia do transporte é ainda aumentada quando a superfície do nanogel é modificada com transferrina ou insulina | Vinogradov et al. (2004) |
| Nanogéis de pullulan contendo colesterol | Interleucina murina recombinante-12 | Imunoterapia tumoral | Nanogel de liberação sustentada | Farhana et al. (2013) |
| Poli(N-isopropilacrilamida) e quitosana | Tratamento do câncer de hipertermia e administração de medicamentos direcionados | Termossensível magneticamente modalizado | Farhana et al. (2013) | |
| Rede ramificada reticulada de polietilenoimina e PEG Polyplexnanogel | Fludarabina | Câncer | Atividade elevada e citotoxicidade reduzida | Farhana et al. (2013) |
| Nanogel biocompatível de pullulan contendo colesterol | Como acompanhante artificial | Tratamento da doença de Alzheimer | Inibir a agregação de proteína β amiloide | Ikeda et al. (2006) |
| Nanogel de DNA com foto reticulada | Material genético | Terapia gênica | Entrega controlada de DNA plasmidial | Lee et al. (2009) |
| Gel híbrido de nanopartículas de carbopol/óxido de zinco (ZnO) | Nanopartículas de ZnO | Atividade antibacteriana, inibidor bacteriano | (2021) |
Tabela adaptada de Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho de Laboratório para tamanho industrial.