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.

Ultrasonicator UIP1000hdT cu reactor de sticlă pentru sinteza hidrogelului nanocompozit
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)
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.
- eficiență ridicată
- tehnologie de ultimă generație
- fiabilitate & robustețe
- Lot & Inline
- pentru orice volum
- Software inteligent
- Caracteristici inteligente (de exemplu, protocoale de date)
- ușor și sigur de operat
- întreținere redusă
- CIP (curățare pe loc)
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:
Volumul lotului | Debitul | Dispozitive recomandate |
---|---|---|
1 până la 500 ml | 10 până la 200 ml/min | UP100H |
10 până la 2000 ml | 20 până la 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
0.1 până la 20L | 00.2 până la 4L / min | UIP2000hdT |
10 până la 100L | 2 până la 10L / min | UIP4000hdT |
15 până la 150L | 3 până la 15L / min | UIP6000hdT |
n.a. | 10 până la 100L / min | UIP16000 |
n.a. | mai mare | grup de UIP16000 |
Contactează-ne! / Întreabă-ne!
(Studiu și film: Rutgeerts et al., 2019)
Literatură / Referințe
- 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.
Fapte care merită știute
Protocol pentru sinteza sonochimică a nanoparticulelor de ZnO
NP-urile ZnO au fost sintetizate folosind metoda precipitării chimice sub efectul iradierii cu ultrasunete. Într-o procedură tipică, s-au utilizat acetat de zinc dihidrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) ca precursor și o soluție de amoniac de 30-33% (NH3) într-o soluție apoasă (NH4OH) ca agent reducător. Nanoparticulele de ZnO au fost produse prin dizolvarea cantității corespunzătoare de acetat de zinc în 100 ml de apă deionizată pentru a produce 0,1 M de soluție de ioni de zinc. Ulterior, soluția de ioni de zinc a fost supusă iradierii cu undă ultrasonică folosind un Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Germania) la o amplitudine de 79% și un ciclu de 0,76 timp de 5 minute la o temperatură de 40 ◦C. Apoi, soluția de amoniac a fost adăugată prin picurare la soluția de ioni de zinc sub efectul undelor ultrasonice. După câteva momente, NP-urile ZnO au început să precipite și să crească, iar soluția de amoniac a fost adăugată continuu până la precipitarea completă a NP-urilor ZnO.
NP-urile de ZnO obținute au fost spălate folosind apă deionizată de mai multe ori și au fost lăsate afară pentru a se așeza. Posterior, precipitatul obținut a fost uscat la temperatura camerei.
(Ismail și colab., 2021)
Ce sunt nanogelurile?
Nanogelurile sau hidrogelurile nanocompozite sunt un tip de hidrogel care încorporează nanoparticule, de obicei în intervalul 1-100 nanometri, în structura lor. Aceste nanoparticule pot fi organice, anorganice sau o combinație a ambelor.
Nanogelurile se formează printr-un proces cunoscut sub numele de reticulare, care implică legarea chimică a lanțurilor polimerice pentru a forma o rețea tridimensională. Deoarece formarea de hidrogeluri și nanogeluri necesită o amestecare completă pentru a hidrata structura polimerică, pentru a promova reticularea și pentru a încorpora nanoparticulele, ultrasonication este o tehnică extrem de eficace pentru producerea de hidrogeluri și nanogeluri. Rețelele de hidrogel și nanogel sunt capabile să absoarbă cantități mari de apă, făcând nanogelurile foarte hidratate și, prin urmare, potrivite pentru o gamă largă de aplicații, cum ar fi livrarea de medicamente, ingineria țesuturilor și biosenzorii.
Hidrogelurile nanogel sunt de obicei compuse din nanoparticule, cum ar fi particule de siliciu sau polimer, care sunt dispersate în întreaga matrice de hidrogel. Aceste nanoparticule pot fi sintetizate prin diferite metode, inclusiv polimerizarea emulsiei, polimerizarea emulsiei inverse și sinteza sol-gel. Aceste sinteze de polimerizare și sol-gel beneficiază foarte mult de agitația cu ultrasunete.
Hidrogelurile nanocompozite, pe de altă parte, sunt compuse dintr-o combinație de hidrogel și nanofiller, cum ar fi argila sau oxidul de grafen. Adăugarea nanofillerului poate îmbunătăți proprietățile mecanice și fizice ale hidrogelului, cum ar fi rigiditatea, rezistența la tracțiune și duritatea. Aici, capacitățile puternice de dispersie ale sonicare facilitează distribuția uniformă și stabilă a nanoparticulelor în matricea hidrogel.
În general, nanogelurile și hidrogelurile nanocompozite au o gamă largă de aplicații potențiale în domenii precum biomedicina, remedierea mediului și stocarea energiei datorită proprietăților și funcționalităților lor unice.
Aplicații ale nanogelului pentru tratamente medicale
Tipul de nanogel | Drog | boală | Activitate | Referinţe |
Nanogeluri PAMA-DMMA | Doxorubicină | Cancer | Creșterea ratei de eliberare pe măsură ce valoarea pH-ului a scăzut. Citotoxicitate mai mare la pH 6,8 în studiile de viabilitate celulară | Du și colab. (2010) |
Nanogeluri pe bază de chitosan decorate cu hialuronat | Fotosensibilizatori precum tetra-fenil-porfirin-tetrasulfonat (TPPS4), tetra-fenil-clor-tetra-carboxilat (TPCC4) și clor e6 (Ce6) | Afectiuni reumatismale | Preluat rapid (4 ore) de macrofage și acumulat în citoplasma și organele lor | Schmitt și colab. (2010) |
Nanoparticule PCEC în hidrogeluri pluronice | Lidocaină | Anestezie locală | A produs anestezie de infiltrare de lungă durată de aproximativ 360 min | Yin și colab. (2009) |
Poli(acid lactid-co-glicolic) și nanoparticule de chitosan dispersate în HPMC și gel Carbopol | Spantide II | Dermatita alergică de contact și alte afecțiuni inflamatorii ale pielii | Nanogelinnincreases potențialul pentru administrarea percutanată a spantid II | Punit și colab. (2012) |
nanogeluri polivinil pirolidonă-poli (acid acrilic) sensibile la pH (PVP/PAAc) | Pilocarpină | Menținerea unei concentrații adecvate de pilocarpină la locul de acțiune pentru o perioadă prelungită de timp | Abd El-Rehim și colab. (2013) | |
Poli reticulați (etilenglicol) și polietilenimă | Oligonucleotide | Boli neurodegenerative | Transportat eficient peste BBB. Eficacitatea transportului este crescută și mai mult atunci când suprafața nanogelului este modificată cu transferină sau insulină | Vinogradov și colab. (2004) |
Nanogeluri pullulan purtătoare de colesterol | Interleukine murin-12 recombinante | Imunoterapia tumorală | Nanogel cu eliberare susținută | Farhana și colab. (2013) |
Poli(N-izopropilacrilamidă) și chitosan | Tratamentul cancerului de hipertermie și livrarea țintită a medicamentelor | Termosensibil modalizat magnetic | Farhana și colab. (2013) | |
Rețea ramificată reticulată de polietilenimină și poliplexnanogel PEG | Fludarabină | Cancer | Activitate crescută și citotoxicitate redusă | Farhana și colab. (2013) |
Nanogel biocompatibil de pullulan purtător de colesterol | Ca însoțitor artificial | Tratamentul bolii Alzheimer | Inhibă agregarea β-proteinei amiloide | Ikeda și colab. (2006) |
Nanogel ADN cu reticulare foto | Materialul genetic | Terapia genică | Livrarea controlată a ADN-ului plasmidic | Lee și colab. (2009) |
Gel hibrid de nanoparticule carbopol/oxid de zinc (ZnO) | Nanoparticule de ZnO | Activitate antibacteriană, inhibitor bacterian | Ismail și colab. (2021) |
Tabel adaptat după Swarnali et al., 2017

Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță de la Laborator spre dimensiunea industrială.