Síntese de hidrogel nanocompósito usando ultrassom
Hidrogéis nanocompósitos ou nanogéis são estruturas 3D multifuncionais com alta eficácia como transportadores de medicamentos e sistemas de liberação controlada de medicamentos. A ultrassonografia promove a dispersão de partículas de hidrogel polimérico de tamanho nanométrico, bem como a subsequente inclusão/incorporação de nanopartículas nessas estruturas poliméricas.
Síntese ultrassônica de nanogéis
Os hidrogéis nanocompósitos são estruturas materiais tridimensionais e podem ser projetados para exibir características específicas, o que os torna potentes transportadores de medicamentos e sistemas de liberação controlada de medicamentos. A ultrassonografia promove a síntese de partículas nanométricas funcionalizadas, bem como a subsequente inclusão/incorporação de nanopartículas em estruturas poliméricas tridimensionais. Como os nanogéis sintetizados por ultrassom podem prender compostos bioativos dentro de seu núcleo em nanoescala, esses hidrogéis de tamanho nanométrico oferecem ótimas funcionalidades.
Os nanogéis são dispersão aquosa 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 ultrassônicos 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 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
- Promovendo 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 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 por meio de um processo ultrassônico fácil: A sonicação é usada para conduzir a precipitação de nanopartículas de zinco, que são posteriormente ultrassonicamente reticuladas com Carbopol para formar um nano-hidrogel.
Ismail et al. (2021) precipitaram nanopartículas de óxido de zinco por meio de uma rota sonoquímica fácil. (Encontre aqui o protocolo para a síntese sonoquímica de nanopartículas de ZnO).
Posteriormente, as nanopartículas foram utilizadas para sintetizar o nanogel de ZnO. Portanto, as NPs de ZnO produzidas foram enxaguadas com água duplamente deionizada. 0,5 g de Carbopol 940 foi dissolvido em 300 mL de água deionizada dupla, seguido pela adição das NPs de ZnO recém-lavadas. Como o Carbopol é naturalmente ácido, a solução requer uma neutralização do valor do pH, caso contrário, não engrossaria. Assim, a mistura foi submetida a sonicação contínua usando o ultrasonicador Hielscher UP400S com amplitude de 95 e 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 começou quando o pH estava próximo de um pH neutro.
A equipe de pesquisa explica os efeitos extraordinariamente positivos da ultrassonografia na formação de nanogéis por meio da 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 do 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 sintetizadas pelo método de precipitação química sob o efeito de ultrassom, onde (a) está na solução aquosa e (b) é dispersa por ultrassom em um hidrogel estável à base de Carbopol.
Case Stuy: Preparação Ultrassônica de Nanogel de Poli (ácido metacrílico)? Montmorilonita (PMA? nMMT)
Khan et al. (2020) demonstraram a síntese bem-sucedida de um hidrogel nanocompósito de poli(ácido metacrílico)/Montmorilonita (PMA/nMMT) por meio de polimerização redox assistida por ultrassom. Normalmente, 1,0 g de nMMT foi disperso em 50 mL de água destilada com ultrassom por 2 h para formar uma dispersão homogênea. A sonicação melhora a dispersão da argila, resultando em propriedades mecânicas aprimoradas e capacidade de adsorção dos hidrogéis. Monômero de ácido metacrílico (30 mL) foi adicionado gota a gota à suspensão. O persulfato de amônio iniciador (APS) (0,1 M) foi adicionado à mistura seguido por 1,0 mL de acelerador TEMED. A dispersão foi vigorosamente agitada 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 um forno. 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 restante dos compósitos e, portanto, foram usados para investigação adicional de adsorção.
As micrografias de MEV-EDX à direita mostram a análise elementar e estrutural dos nanogéis que consistem em montmorilonita (MMT), nano-montmorilonita (nMMT), poli(ácido metacrílico)/nano-montmorilonita (PMA/nMMT) e amoxicilina (AMX) e diclofenaco (DF) carregado com PMA/nMMT. As micrografias de MEV gravadas com uma ampliação de 1,00 KX junto com o EDX de
- montmorilonita (MMT),
- nano-montmorilonita (nMMT),
- poli(ácido metacrílico)/nano-montmorilonita (PMA/nMMT),
- e PMA/nMMT carregado com amoxicilina (AMX) e diclofenaco (DF).
Observa-se que o MMT bruto deve uma estrutura de folha em camadas mostrando a presença de grãos maiores. Após a modificação, as folhas de MMT são esfoliadas em partículas minúsculas, o que pode ser devido à eliminação de Si2+ e Al3+ dos sítios octaédricos. O espectro EDX do 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%). PMA/nMMT exibe uma estrutura coerente e quase co-contínua. Além disso, nenhum poro é visível, o que representa a esfoliação completa do nMMT na matriz PMA. Após a sorção com as moléculas farmacêuticas amoxicilina (AMX) e diclofenaco (DF), são observadas alterações na morfologia do PMA/nMMT. A superfície torna-se assimétrica com o aumento da textura áspera.
Uso e funcionalidades de hidrogéis nanométricos à base de argila: Os nanocompósitos de hidrogel à base de argila são considerados potenciais super adsorventes para a absorção de contaminantes inorgânicos e/ou orgânicos de uma solução aquosa devido às características de combinação 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 por ultrassom.
Ultrassonicadores de alto desempenho para produção de hidrogel e nanogel
Ultrassonicadores de alto desempenho para produção de hidrogel e nanogel
A Hielscher Ultrasonics fabrica equipamentos ultrassônicos de alto desempenho para a síntese de hidrogéis e nanogéis com funcionalidades superiores. De pequeno e médio porte R&D e ultrassônicos piloto para sistemas industriais para fabricação comercial de hidrogel em modo contínuo, a Hielscher Ultrasonics tem o processador ultrassônico certo para atender às suas necessidades de produção de hidrogel? nanogel.
- Alta eficiência
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- Recursos inteligentes (por exemplo, protocolo de dados)
- Fácil e seguro de operar
- Baixa manutenção
- CIP (limpeza no local)
A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos:
| Volume do lote | Vazão | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500mL | 10 a 200mL/min | UP100H |
| 10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 a 20L | 0.2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 a 150L | 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | maior | cluster de UIP16000 |
Entre em contato conosco!? 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
As NPs de ZnO foram sintetizadas usando o método de precipitação química sob o efeito da irradiação de ultrassom. Em um procedimento típico, foram usados 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. As nanopartículas de ZnO foram produzidas dissolvendo a quantidade apropriada de acetato de zinco em 100 mL de água deionizada para produzir 0,1 M de uma solução de íons de zinco. Posteriormente, a solução de íons de 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 ultrassônicas. Após alguns momentos, as NPs de ZnO começaram a precipitar e crescer, e a solução de amônia foi adicionada continuamente até que ocorresse a precipitação completa das NPs de ZnO.
As NPs de ZnO obtidas foram lavadas com água deionizada várias vezes e deixadas de fora para assentar. 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 a 100 nanômetros, em sua estrutura. Essas nanopartículas podem ser orgânicas, inorgânicas ou uma combinação de ambas.
Os nanogéis são formados por meio de um processo conhecido como reticulação, que envolve a ligação química de cadeias poliméricas para formar uma rede tridimensional. Como a formação de hidrogéis e nanogéis requer uma mistura completa para hidratar a estrutura polimérica, 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 administração de medicamentos, engenharia de tecidos e biossensores.
Os hidrogéis de nanogel são normalmente compostos de nanopartículas, como partículas de sílica ou polímero, que são dispersas por toda a matriz de hidrogel. Essas nanopartículas podem ser sintetizadas por meio 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 ultrassônica.
Os hidrogéis nanocompósitos, por outro lado, são compostos por uma combinação de um hidrogel e um nanoenchimento, 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 nanogéis e nanocompósitos têm uma ampla gama de aplicações potenciais em áreas 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 de PAMA-DMMA | Doxorrubicina | Câncer | Aumento na taxa de liberação à medida que o valor do pH diminuiu. Maior citotoxicidade em 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 nanopartícula de quitosana dispersa em HPMC e gel de Carbopol | Espanta II | Dermatite alérgica de contato e outras doenças inflamatórias da pele | Potencial de aumento de nanogelinhas para a entrega percutânea de espantida II | Punit et al. (2012) |
| Nanogéis de polivinilpirrolidona-poli (ácido acrílico) (PVP/PAAc) sensíveis ao pH | Pilocarpina | Manter uma concentração adequada da 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 aumentada ainda mais quando a superfície do nanogel é modificada com transferrina ou insulina | Vinogradov et al. (2004) |
| Nanogéis de pululano com colesterol | Interleucina-12 murina recombinante | Imunoterapia tumoral | Nanogel de liberação sustentada | Farhana et al. (2013) |
| Poli(N-isopropilacrilamida) e quitosana | Tratamento do câncer de hipertermia e administração direcionada de medicamentos | Termossensível magneticamente modalizado | Farhana et al. (2013) | |
| Rede ramificada reticulada de polietilenoimina e poliplexnanogel PEG | Fludarabina | Câncer | Atividade elevada e citotoxicidade reduzida | Farhana et al. (2013) |
| Nanogel biocompatível de pululano contendo colesterol | Como acompanhante artificial | Tratamento da doença de Alzheimer | Inibir a agregação da proteína β amilóide | Ikeda et al. (2006) |
| Nanogel de DNA com reticulação de fotos | Material genético | Terapia gênica | Entrega controlada de DNA de plasmídeo | Lee et al. (2009) |
| Gel de nanopartículas híbridas de carbopol/óxido de zinco (ZnO) | Nanopartículas de ZnO | Atividade antibacteriana, inibidor bacteriano | Ismail et al. (2021) |
Tabela adaptada de Swarnali et al., 2017
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho de labrador Para tamanho industrial.