Síntese de hidrogéis nanocompósitos por ultrassonicação

Os hidrogéis nanocompósitos ou nanogéis são estruturas 3D multifuncionais com elevada eficácia como transportadores de fármacos e sistemas de administração de fármacos com libertação controlada. A ultrassonicação promove a dispersão de partículas poliméricas de hidrogel de dimensão nanométrica, bem como a subsequente inclusão/incorporação de nanopartículas nestas estruturas poliméricas.

Síntese ultrassónica de nanogéis

Os hidrogéis nanocompósitos são estruturas materiais tridimensionais e podem ser concebidos para apresentar características específicas, o que os torna transportadores de fármacos potentes e sistemas de administração de fármacos com libertação controlada. A ultrassonicação promove a síntese de partículas funcionalizadas de dimensão nanométrica, bem como a subsequente inclusão/incorporação de nanopartículas em estruturas poliméricas tridimensionais. Como os nanogéis sintetizados por ultrassons podem aprisionar compostos bioativos no interior do seu núcleo nanométrico, estes hidrogéis de dimensão nanométrica oferecem excelentes funcionalidades.
Os nanogéis são dispersões aquosas de nanopartículas de hidrogel, reticuladas física ou quimicamente de modo a formar uma rede polimérica hidrofílica. Como os ultrassons de elevado desempenho são altamente eficientes na produção de nanodispersões, os sonicadores de sonda são uma ferramenta crucial para a produção rápida e fiável de nanogéis com funcionalidades superiores.

Funcionalidades dos nanogéis produzidos por ultrassons

• excelente estabilidade coloidal e elevada área de superfície específica
• podem conter nanopartículas densamente compactadas
• permitem combinar partículas duras e macias num nanogel híbrido de núcleo/casca
• elevado potencial de hidratação
• promoção da biodisponibilidade
• elevadas propriedades de expansão / contração

 
Os nanogéis sintetizados por ultrassons são utilizados em numerosas aplicações e indústrias, por exemplo:

• em aplicações farmacêuticas e médicas: por exemplo, transportadores de fármacos, géis antibacterianos, pensos antibacterianos para feridas
• em bioquímica e biomedicina para a transferência de genes
• como adsorventes/biossorventes em aplicações químicas e ambientais
• em engenharia de tecidos, uma vez que os hidrogéis podem mimetizar as propriedades físicas, químicas, elétricas e biológicas de muitos tecidos nativos

Estudo de caso: síntese de nanogel de zinco por via sonoquímica

As nanopartículas híbridas de ZnO podem ser estabilizadas num gel de Carbopol através de um processo ultrassónico simples: a sonicação é utilizada para promover a precipitação de nanopartículas de zinco, que são posteriormente reticuladas com Carbopol por ultrassons para formar um nanohidrogel.
Ismail et al. (2021) precipitaram nanopartículas de óxido de zinco através de uma via sonoquímica simples. (Consulte aqui o protocolo para a síntese sonoquímica de nanopartículas de ZnO).
Posteriormente, as nanopartículas foram utilizadas para sintetizar o nanogel de ZnO. Para tal, as NPs de ZnO produzidas foram enxaguadas com água duplamente desionizada. Dissolveram-se 0,5 g de Carbopol 940 em 300 mL de água duplamente desionizada, seguindo-se a adição das NPs de ZnO recém-lavadas. Como o Carbopol é naturalmente ácido, a solução requer a neutralização do valor de pH; caso contrário, não espessaria. Assim, a mistura foi submetida a sonicação contínua utilizando o sonicador Hielscher UP400S com uma amplitude de 95 e um ciclo de 95% durante 1 h. Em seguida, adicionaram-se gota a gota 50 mL de trimetilamina (TEA) como agente neutralizante (elevando o pH para 7), sob sonicação contínua, até ocorrer a formação do gel branco de ZnO. O espessamento do Carbopol começou quando o pH estava próximo de um pH neutro.
A equipa de investigação explica os efeitos extraordinariamente positivos da ultrassonicação na formação do nanogel pela intensificação da interação entre partículas. A agitação molecular dos constituintes da mistura reacional, iniciada por ultrassons, intensifica o processo de espessamento promovido pelas interações polímero-solvente. Além disso, a sonicação promove a dissolução do Carbopol. Adicionalmente, a irradiação com ondas ultrassónicas intensifica a interação polímero–NPs de ZnO e melhora as propriedades viscoelásticas do gel de nanopartículas híbridas de Carbopol/ZnO preparado.
O fluxograma esquemático acima mostra a síntese de NPs de ZnO e do gel de nanopartículas híbridas de Carbopol/ZnO. No estudo, o sonicador UP400St foi utilizado para a precipitação de nanopartículas de ZnO e a formação do nanogel. (adaptado de Ismail et al., 2021)

NPs de ZnO sintetizadas pelo método de precipitação química sob o efeito da ultrassonicação, em que (a) se encontra na solução aquosa e (b) está disperso por ultrassons num hidrogel estável à base de Carbopol.
(estudo e imagem: Ismail et al., 2021)

Estudo de caso: preparação ultrassónica de nanogel de poli(ácido metacrílico)/montmorilonite (PMA/nMMT)

Khan et al. (2020) demonstraram a síntese bem-sucedida de um hidrogel nanocompósito de poli(ácido metacrílico)/montmorilonite (PMA/nMMT) através de polimerização redox assistida por ultrassons. Tipicamente, dispersou-se 1,0 g de nMMT em 50 mL de água destilada por ultrassonicação durante 2 h para formar uma dispersão homogénea. A sonicação melhora a dispersão da argila, resultando em melhores propriedades mecânicas e maior capacidade de adsorção dos hidrogéis. O monómero de ácido metacrílico (30 mL) foi adicionado gota a gota à suspensão. Adicionou-se à mistura o iniciador persulfato de amónio (APS) (0,1 M), seguido de 1,0 mL do acelerador TEMED. A dispersão foi agitada vigorosamente durante 4 h a 50°C com um agitador magnético. A massa viscosa resultante foi lavada com acetona e seca durante 48 h a 70°C numa estufa. O produto resultante foi moído e armazenado num frasco de vidro. Sintetizaram-se diferentes géis nanocompósitos variando a quantidade de nMMT entre 0,5, 1,0, 1,5 e 2,0 g. Os hidrogéis nanocompósitos preparados com 1,0 g de nMMT apresentaram melhores resultados de adsorção do que os restantes compósitos, pelo que foram utilizados na investigação subsequente da adsorção.
As micrografias SEM-EDX à direita mostram a análise elementar e estrutural dos nanogéis constituídos por montmorilonite (MMT), nanomontmorilonite (nMMT), poli(ácido metacrílico)/nanomontmorilonite (PMA/nMMT) e PMA/nMMT carregado com amoxicilina (AMX) e diclofenac (DF). As micrografias SEM obtidas com uma ampliação de 1,00 KX, juntamente com a análise EDX de

• montmorilonite (MMT),
• nanomontmorilonite (nMMT),
• poli(ácido metacrílico)/nanomontmorilonite (PMA/nMMT),
• e PMA/nMMT carregado com amoxicilina (AMX) e diclofenac (DF).

Observa-se que a MMT em bruto possui uma estrutura de lâminas em camadas que revela a presença de grãos maiores. Após a modificação, as lâminas de MMT são esfoliadas em partículas minúsculas, o que pode dever-se à eliminação de Si2+ e Al3+ dos sítios octaédricos. O espectro EDX da nMMT apresenta uma elevada percentagem de carbono, o que pode dever-se principalmente ao tensioativo utilizado na modificação, uma vez que o principal constituinte do CTAB (C19H42BrN) é o carbono (84%). O PMA/nMMT apresenta uma estrutura coerente e quase cocontínua. Além disso, não são visíveis poros, o que indica a esfoliação completa da nMMT na matriz de PMA. Após a sorção das moléculas farmacêuticas amoxicilina (AMX) e diclofenac (DF), observam-se alterações na morfologia do PMA/nMMT. A superfície torna-se assimétrica, com um aumento da rugosidade.
Utilização e funcionalidades dos hidrogéis de dimensão nanométrica à base de argila: os nanocompósitos de hidrogel à base de argila são considerados potenciais superadsorventes para a captação de contaminantes inorgânicos e/ou orgânicos de uma solução aquosa, devido à combinação das características das argilas e dos polímeros, como a biodegradabilidade, a biocompatibilidade, a viabilidade económica, a abundância, a elevada área de superfície específica, a rede tridimensional e as propriedades de expansão / contração.
(cf. Khan et al., 2020)

Sonicadores de elevado desempenho para a produção de hidrogéis e nanogéis

Sonicadores de elevado desempenho para a produção de hidrogéis e nanogéis
A Hielscher Ultrasonics fabrica equipamento ultrassónico de elevado desempenho para a síntese de hidrogéis e nanogéis com funcionalidades superiores. Desde sonicadores de pequena e média dimensão para I&D e aplicações piloto até sistemas industriais para o fabrico comercial de hidrogéis em modo contínuo, a Hielscher Ultrasonics dispõe do processador ultrassónico adequado para satisfazer os seus requisitos de produção de hidrogéis / nanogéis.

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores: