Síntese de hidrogel nanocompósito usando ultrassom

Os hidrogéis ou nanogéis nanocompostos são estruturas 3D multifuncionais com elevada eficácia como transportadores de fármacos e sistemas de libertação controlada de fármacos. Ultrassom promove a dispersão de partículas de hidrogel polimérico de tamanho nano, bem como a inclusão subsequente / incorporação de nanopartículas nestas estruturas de polímero.

Síntese ultra-sónica de nanogéis

Os hidrogéis nanocompósitos são estruturas materiais tridimensionais e podem ser concebidos para exibir caraterísticas específicas, o que os torna potentes transportadores de fármacos e sistemas de libertação controlada de fármacos. Ultrassom promove a síntese de partículas de tamanho nano funcionalizado, bem como a inclusão subsequente / incorporação de nanopartículas em estruturas poliméricas tridimensionais. Como nanogéis ultrassonicamente sintetizados podem envolver compostos bioativos dentro de seu núcleo em nanoescala, esses hidrogéis de tamanho nano oferecem grandes funcionalidades.
Os nanogéis são dispersões aquosas de nanopartículas de hidrogel, que são física ou quimicamente reticuladas como uma rede de polímeros hidrofílicos. Como os ultra-sons de alto desempenho são altamente eficientes na produção de nano-dispersões, os ultra-sons do tipo sonda são uma ferramenta crucial para a produção rápida e fiável de nanogéis com funcionalidades superiores.

Funcionalidades de nanogéis produzidos por ultra-sons

• excelente estabilidade coloidal e a grande área de superfície específica
• podem ser densamente embalados com nanopartículas
• permitem combinar partículas duras e moles num nanogel híbrido de núcleo/casca
• elevado potencial de hidratação
• promover a biodisponibilidade
• elevadas propriedades de inchamento / desinchamento

 
Os nanogéis sintetizados por ultra-sons são utilizados em numerosas aplicações e indústrias, por exemplo

• para aplicações farmacêuticas e médicas: por exemplo, suporte de medicamentos, gel antibacteriano, pensos antibacterianos para feridas
• em bioquímica e biomedicina para a entrega de genes
• como adsorvente/biossorvente em aplicações químicas e ambientais
• na engenharia de tecidos, uma vez que os hidrogéis podem imitar as propriedades físicas, químicas, eléctricas 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 fácil: A sonicação é usada para conduzir a precipitação de nanopartículas de zinco, que são subsequentemente ultrasonicamente reticuladas com Carbopol para formar um nano-hidrogel.
Ismail et al. (2021) precipitaram nanopartículas de óxido de zinco através de uma via sonoquímica fácil. (Encontrar o protocolo para a síntese sonoquímica de nanopartículas de ZnO aqui).
Posteriormente, as nanopartículas foram utilizadas para sintetizar o nanogel de ZnO. Assim, as NPs de ZnO produzidas foram lavadas com água desionizada dupla. 0,5 g de Carbopol 940 foi dissolvido em 300 mL de água desionizada dupla, seguido da adição das NPs de ZnO recém-lavadas. Uma vez que o Carbopol é naturalmente ácido, a solução requer uma neutralização do valor do pH, caso contrário não engrossaria. Assim, a mistura foi submetida a uma sonicação contínua utilizando o ultrasonicador Hielscher UP400S com uma amplitude de 95 e um ciclo de 95% durante 1 h. Em seguida, foram adicionados 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 de ultra-sons sobre a formação de nanogel por interação partícula-partícula melhorada. Ultrasonicamente iniciada agitação molecular 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 ZnO NPs e Carbopol / ZnO gel de nanopartículas híbridas. No estudo, o ultrassonicador 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 ultra-sons, em que (a) se encontra na solução aquosa e (b) é dispersa por ultra-sons num hidrogel estável à base de Carbopol.
(estudo e imagem: Ismail et al., 2021)

Estudo de caso: Ultrasonic Preparação de Poli (ácido metacrílico) /Montmorillonite (PMA/nMMT) Nanogel

Khan et al. (2020) demonstraram a síntese bem-sucedida de um hidrogel nanocompósito poli (ácido metacrílico)/Montmorillonite (PMA/nMMT) via polimerização redox assistida por ultrassom. Tipicamente, 1,0 g de nMMT foi disperso em 50 mL de água destilada com ultra-sons durante 2 h para formar uma dispersão homogénea. Sonicação melhora a dispersão de argila, resultando em propriedades mecânicas melhoradas e capacidade de adsorção dos hidrogéis. O monómero de ácido metacrílico (30 mL) foi adicionado gota a gota à suspensão. O iniciador persulfato de amónio (APS) (0,1 M) foi adicionado à mistura seguido de 1,0 mL de acelerador TEMED. A dispersão foi vigorosamente agitada durante 4 h a 50°C por um agitador magnético. A massa viscosa resultante foi lavada com acetona e dessecada durante 48 h a 70°C numa estufa. O produto resultante foi moído e armazenado num frasco de vidro. Foram sintetizados diferentes géis nanocompósitos, variando o nMMT em quantidades de 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 para uma investigação mais aprofundada da adsorção.
As micrografias SEM-EDX à direita mostram a análise elementar e estrutural dos nanogéis constituídos por montmorilonite (MMT), nano-montmorilonite (nMMT), poli(ácido metacrílico)/nano-montmorilonite (PMA/nMMT) e PMA/nMMT carregado com amoxicilina (AMX) e diclofenac (DF). As micrografias SEM registadas com uma ampliação de 1,00 KX, juntamente com o EDX de

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

Observa-se que o MMT em bruto possui 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 espetro EDX do nMMT apresenta uma elevada percentagem de carbono, o que pode dever-se principalmente ao surfactante utilizado para a modificação, uma vez que o principal constituinte do CTAB (C19H42BrN) é o carbono (84%). O PMA/nMMT apresenta uma estrutura coerente e quase co-contínua. Para além disso, não são visíveis poros, o que demonstra a esfoliação completa do nMMT na matriz de PMA. Após a sorção com as moléculas farmacêuticas amoxicilina (AMX) e diclofenac (DF), observam-se alterações na morfologia do PMA/nMMT. A superfície torna-se assimétrica com um aumento da textura rugosa.
Utilização e funcionalidades de hidrogéis nanométricos à base de argila: Os nanocompósitos de hidrogéis à base de argila são considerados potenciais super adsorventes para a absorção de contaminantes inorgânicos e/ou orgânicos de uma solução aquosa devido às caraterísticas combinadas das argilas e dos polímeros, tais como a biodegradabilidade, a biocompatibilidade, a viabilidade económica, a abundância, a elevada área de superfície específica, a rede tridimensional e as propriedades de inchamento/desinchamento.
(cf. Khan et al., 2020)

Ultrasonicators de alto desempenho para a produção de hidrogel e nanogel

Ultrasonicators de alto desempenho para a produção de hidrogel e nanogel
A Hielscher Ultrasonics fabrica equipamento de ultra-sons de alto desempenho para a síntese de hidrogéis e nanogéis com funcionalidades superiores. Desde pequenos e médios R&D e ultrasonicadores piloto para sistemas industriais para o fabrico comercial de hidrogel em modo contínuo, a Hielscher Ultrasonics tem o processador ultrassónico certo para cobrir os seus requisitos para a produção de hidrogel/nanogel.

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: