Sinteza hidrogelului nanocompozit folosind Ultrasonication

Hidrogelurile sau nanogelurile nanocompozite sunt structuri 3D multifuncționale cu eficacitate ridicată ca purtători de medicamente și sisteme de livrare a medicamentelor cu eliberare controlată. Ultrasonication promovează dispersia nano-dimensiunilor, particule de hidrogel polimeric, precum și includerea / încorporarea ulterioară a nanoparticulelor în aceste structuri polimerice.

Sinteza cu ultrasunete de nanogeluri

Hidrogelurile nanocompozite sunt structuri tridimensionale de material și pot fi proiectate pentru a prezenta caracteristici specifice, ceea ce le face purtători puternici de medicamente și sisteme de livrare a medicamentelor cu eliberare controlată. Ultrasonication promovează sinteza particulelor nano-dimensionate funcționalizate, precum și includerea / încorporarea ulterioară a nanoparticulelor în structuri polimerice tridimensionale. Deoarece nanogelurile sintetizate ultrasonically pot prinde compuși bioactivi în interiorul miezului lor nanometric, aceste hidrogeluri de dimensiuni nano oferă funcționalități excelente.
Nanogelurile sunt dispersii apoase ale nanoparticulelor de hidrogel, care sunt reticulate fizic sau chimic ca rețea polimerică hidrofilă. Deoarece ultrasunetele de înaltă performanță sunt extrem de eficiente în producerea de nano-dispersii, ultrasonicators tip sondă sunt un instrument crucial pentru producția rapidă și fiabilă de nanogeluri cu funcționalități superioare.

Funcționalitățile nanogelurilor produse ultrasonically

• stabilitate coloidală excelentă și suprafața specifică mare
• pot fi ambalate dens cu nanoparticule
• Se permite combinarea particulelor dure și moi în nanogel hibrid miez/coajă
• potențial ridicat de hidratare
• promovarea biodisponibilității
• proprietăți ridicate de umflare / dezumflare

 
Ultrasonically sintetizate nanogeluri sunt utilizate în numeroase aplicații și industrii, de exemplu.

• pentru aplicații farmaceutice și medicale: de exemplu, purtător de medicamente, gel antibacterian, pansament antibacterian pentru răni
• în biochimie și biomedicină pentru livrarea genelor
• ca adsorbant/biosorbant în aplicații chimice și de mediu
• În ingineria tisulară, hidrogelurile pot imita proprietățile fizice, chimice, electrice și biologice ale multor țesuturi native

Studiu de caz: Sinteza nanogelului de zinc pe cale sonochimică

Nanoparticulele hibride ZnO pot fi stabilizate într-un gel Carbopol printr-un proces cu ultrasunete facil: Sonicare este utilizat pentru a conduce precipitarea nanoparticulelor de zinc, care sunt ulterior ultrasonically reticulate cu Carbopol pentru a forma un nano-hidrogel.
Ismail et al. (2021) au precipitat nanoparticule de oxid de zinc pe o cale sonochimică facilă. (Găsiți protocolul pentru sinteza sonochimică a nanoparticulelor de ZnO aici).
Ulterior, nanoparticulele au fost utilizate pentru a sintetiza nanogelul ZnO. Prin urmare, NP-urile ZnO produse au fost clătite cu apă dublu deionizată. 0,5 g de Carbopol 940 au fost dizolvate în 300 ml de apă deionizată dublată, urmată de adăugarea NP-urilor de ZnO proaspăt spălate. Deoarece Carbopol este acid în mod natural, soluția necesită o neutralizare a valorii pH-ului, altfel nu s-ar îngroșa. Astfel, amestecul a fost supus sonicare continuă folosind ultrasonicator Hielscher UP400S cu o amplitudine de 95 și un ciclu de 95% pentru 1 h. Apoi, 50 ml de trimetilamină (TEA) ca agent de neutralizare (creșterea pH-ului la 7) a fost adăugat prin picurare sub sonicare continuă până la formarea gelului alb ZnO. Îngroșarea Carbopolului a început atunci când pH-ul era aproape de un pH neutru.
Echipa de cercetare explică efectele extraordinar de pozitive ale ultrasonication asupra formării nanogelului prin interacțiunea îmbunătățită particule-particule. Agitația moleculară inițiată ultrasonically a constituenților din amestecul de reacție îmbunătățește procesul de îngroșare promovat de interacțiunile polimer-solvent. În plus, sonicare promovează dizolvarea Carbopol. În plus, iradierea cu ultrasunete îmbunătățește interacțiunea NPs polimer-ZnO și îmbunătățește proprietățile vâscoelastice ale gelului de nanoparticule hibride Carbopol / ZnO preparat.
Diagrama schematică de mai sus prezintă sinteza NPs ZnO și a gelului de nanoparticule hibride Carbopol / ZnO. În studiu, ultrasonicator UP400St a fost utilizat pentru precipitarea nanoparticulelor ZnO și formarea nanogelului. (adaptare după Ismail et al., 2021)

ZnO NPs sintetizate prin metoda precipitare chimică sub efectul ultrasonication, în cazul în care (a) este în soluție apoasă, și (b) este ultrasonically dispersat într-un hidrogel stabil pe bază de Carbopol.
(studiu și imagine: Ismail et al., 2021)

Caz Stuy: Prepararea cu ultrasunete de poli(acid metacrilic)/montmorillonit (PMA/nMMT) nanogel

Khan et al. (2020) au demonstrat sinteza cu succes a unui nanogel poli(acid metacrilic)/montmorillonit (PMA/nMMT) prin polimerizare redox asistată cu ultrasunete. De obicei, 1,0 g de nMMT a fost dispersat în 50 ml de apă distilată cu ultrasonication timp de 2 ore pentru a forma o dispersie omogenă. Sonicare îmbunătățește dispersia argilei, rezultând proprietăți mecanice îmbunătățite și capacitatea de adsorbție a hidrogelurilor. Monomerul acid metacrilic (30 ml) a fost adăugat prin picurare la suspensie. La amestec a fost adăugat persulfat de amoniu inițiator (APS) (0,1 M), urmat de 1,0 ml accelerator TEMED. Dispersia a fost agitată viguros timp de 4 ore la 50°C de un agitator magnetic. Masa vâscoasă rezultată a fost spălată cu acetonă și deshidratată timp de 48 de ore la 70 ° C într-un cuptor. Produsul rezultat a fost măcinat și depozitat într-o sticlă de sticlă. Diferite geluri nanocompozite au fost sintetizate prin varierea nMMT în cantități de 0,5, 1,0, 1,5 și 2,0 g. Hidrogelurile nanocompozite preparate folosind 1,0 g de nMMT au prezentat rezultate mai bune de adsorbție decât restul compozitelor și, prin urmare, au fost utilizate pentru investigații suplimentare de adsorbție.
Micrografiile SEM-EDX din dreapta arată analiza elementară și structurală a nanogelurilor constând în montmorillonit (MMT), nano-montmorillonit (nMMT), poli(acid metacrilic)/nano-montmorillonit (PMA/nMMT) și PMA/nMMT încărcate cu amoxicilină (AMX) și diclofenac (DF). Micrografiile SEM înregistrate la o mărire de 1,00 KX împreună cu EDX de

• montmorilonit (MMT),
• nano-montmorilonit (nMMT),
• poli(acid metacrilic)/nanomontmorillonit (PMA/nMMT),
• și PMA/nMMT încărcate cu amoxicilină (AMX) și diclofenac (DF).

Se observă că MMT brut datorează o structură de tablă stratificată care arată prezența boabelor mai mari. După modificare, foile de MMT sunt exfoliate în particule mici, care se pot datora eliminării Si2+ și Al3+ din locurile octaedrice. Spectrul EDX al nMMT prezintă un procent ridicat de carbon, care se poate datora în primul rând surfactantului utilizat pentru modificare, deoarece principalul constituent al CTAB (C19H42BrN) este carbonul (84%). PMA/nMMT prezintă o structură coerentă și aproape co-continuă. În plus, nu sunt vizibili porii, ceea ce descrie exfolierea completă a nMMT în matricea PMA. După sorbția cu moleculele farmaceutice amoxicilină (AMX) și diclofenac (DF), se observă modificări ale morfologiei PMA/nMMT. Suprafața devine asimetrică cu o creștere a texturii aspre.
Utilizarea și funcționalitățile hidrogelurilor nanodimensionate pe bază de argilă: Nanocompozitele de hidrogel pe bază de argilă sunt concepute a fi potențiali superadsorbanți pentru absorbția contaminanților anorganici și / sau organici dintr-o soluție apoasă datorită caracteristicilor combinate atât ale argilelor, cât și ale polimerilor, cum ar fi biodegradabilitatea, biocompatibilitatea, viabilitatea economică, abundența, suprafața specifică ridicată, rețeaua tridimensională și proprietățile de umflare / dezumflare.
(cf. Khan și colab., 2020)

Ultrasonicators de înaltă performanță pentru producția de hidrogel și nanogel

Ultrasonicators de înaltă performanță pentru producția de hidrogel și nanogel
Hielscher Ultrasonics produce echipamente cu ultrasunete de înaltă performanță pentru sinteza hidrogelurilor și nanogelurilor cu funcționalități superioare. De la R mic și mijlociu&D și pilot ultrasonicators la sisteme industriale pentru fabricarea hidrogelului comercial în modul continuu, Hielscher Ultrasonics are procesorul cu ultrasunete potrivit pentru a acoperi cerințele dumneavoastră pentru producția de hidrogel / nanogel.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: