Nanocompozit Hydrogel sinteza folosind Ultrasonication
Hidrogelurile nanocompozite sau nanogelurile sunt structuri 3D multifuncționale cu eficacitate ridicată ca purtători de medicamente și sisteme de livrare a medicamentelor cu eliberare controlată. Ultrasonication promovează dispersia nano-sized, particule polimerice hidrogel, precum și includerea ulterioară / încorporarea nanoparticulelor în aceste structuri polimerice.
Sinteza cu ultrasunete de nanogeluri
Hidrogelurile nanocompozite sunt structuri materiale tridimensionale și pot fi concepute pentru a prezenta caracteristici specifice, ceea ce le face purtători de droguri puternici și sisteme de livrare a medicamentelor cu eliberare controlată. Ultrasonication promovează sinteza particulelor funcționalizate de dimensiuni nano, precum și includerea ulterioară / încorporarea nanoparticulelor în structuri polimerice tridimensionale. Deoarece nanogelurile sintetizate ultrasonically pot încurca compuși bioactivi în interiorul miezului lor la scară nanometrică, aceste hidrogeluri de dimensiuni nano oferă funcționalități excelente.
Nanogelurile sunt dispersia apoasă a nanoparticulelor hidrogel, care sunt legate fizic sau chimic ca rețea de polimeri hidrofili. Ca ultrasunete de înaltă performanță este extrem de eficient în producerea de nano-dispersii, ultrasonicators de tip sondă sunt un instrument crucial pentru producția rapidă și fiabilă de nanogeluri cu funcționalități superioare.
ultrasonicator UIP1000hdT cu reactor de sticla pentru sinteza hidrogelului nanocompozit
Funcționalitățile nanogelurilor produse ultrasonically
- stabilitate coloidală excelentă și suprafața specifică mare
- pot fi ambalate dens cu nanoparticule
- se permit combinarea particulelor dure și moi în nanogel hibrid de bază/coajă
- potențial ridicat de hidratare
- promovarea biodisponibilității
- proprietăți ridicate de umflare / de-umflare
Nanogelurile sintetizate ultrasonically sunt utilizate în numeroase aplicații și industrii, de exemplu.
- pentru aplicații farmaceutice și medicale: de exemplu, purtător de droguri, gel antibacterian, pansament antibacterian pentru plăgi
- în biochimie și biomedicină pentru livrarea genelor
- în calitate de adsorbant/biosorbant în aplicații chimice și de mediu
- în ingineria țesuturilor, deoarece 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 facile: Sonicare este folosit pentru a conduce precipitarea nanoparticulelor de zinc, care sunt ulterior ultrasonically reticulate cu Carbopol pentru a forma un nano-hidrogel.
Ismail et al. (2021) a precipitat nanoparticulele de oxid de zinc pe o cale sonochimică facilă. (Găsiți protocolul pentru sinteza sonochimică a nanoparticulelor de ZnO aici).
Ulterior, nanoparticulele au fost folosite pentru a sintetiza nanogelul de ZnO. Prin urmare, NPs-urile de ZnO produse au fost clătite cu apă dublu deionizată. 0,5 g de Carbopol 940 a fost dizolvat în 300 ml de apă deionizată dublată, urmată de adăugarea de NPs ZnO proaspăt spălate. Deoarece Carbopol este în mod natural acid, soluția necesită o neutralizare a valorii pH-ului, altfel nu s-ar îngroșa. Astfel, amestecul a suferit sonicare continuă folosind Hielscher ultrasonicator 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 dropwise sub sonicare continuă până când a avut loc 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 nanogel prin interacțiune îmbunătățită particulă-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 unde cu ultrasunete îmbunătățește interacțiunea polimer-NPs ZnO și îmbunătățește proprietățile vâscoelastice ale gelului nanoparticule hibrid Carbopol / ZnO pregătit.
Diagrama schematică de mai sus arată sinteza NPs ZnO și carbopol / ZnO hibrid nanoparticul gel. În studiu, ultrasonicator UP400St a fost folosit pentru precipitarea nanoparticulei ZnO și formarea nanogelului. (adaptare după Ismail et al., 2021)
ZnO NPs sintetizate prin metoda de precipitare chimică sub efectul ultrasonication, în cazul în care (a) este în soluția apoasă, și (b) este dispersat ultrasonically într-un hidrogel stabil pe bază de Carbopol.
(studiu și imagine: Ismail et al., 2021)
Caz Stuy: Prepararea cu ultrasunete de poli(acid metacrilic)/Montmorillonite (PMA/nMMT) Nanogel
Khan et al. (2020) a demonstrat sinteza cu succes a unui hidrogel nanocompozit 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 h pentru a forma o dispersie omogenă. Sonicare îmbunătățește dispersia argilei, rezultând în proprietăți mecanice îmbunătățite și capacitatea de adsorbție a hidrogelurilor. Monomerul acidului metaacrilic (30 ml) a fost adăugat picătură la suspensie. La amestec s-a adăugat persulfat de amoniu inițiator (APS) (0,1 M), urmat de 1,0 ml de accelerator TEMED. Dispersia a fost puternic agitată timp de 4 ore la 50 °C de către 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 variația 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.
Micrografele 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 amoxicilină (AMX)- și PMA/nMMT încărcate cu diclofenac (DF). Micrografele SEM înregistrate la o mărire de 1,00 KX împreună cu EDX de
- montmorillonit (MMT),
- nano-montmorillonit (nMMT),
- poli(acid metacrilic)/nano-montmorillonit (PMA/nMMT),
- și amoxicilină (AMX)- și diclofenac (DF)-încărcate PMA / nMMT.
Se observă că MMT brut datorează o structură de foaie 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 agentului tensioactiv utilizat pentru modificare, deoarece principalul constituent al CTAB (C19H42BrN) este carbonul (84%). PMA/nMMT afișează o structură coerentă și aproape co-continuă. Mai mult, nu sunt vizibili pori, 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 brute.
Utilizarea și funcționalitățile hidrogelurilor nano-dimensionate pe bază de argilă: nanocompozitele hidrogel pe bază de argilă sunt considerate a fi potențiale super-adsorbante pentru absorbția contaminanților anorganici și /sau organici dintr-o soluție apoasă datorită caracteristicilor de combinare atât ale argilelor, cât și ale polimerilor, cum ar fi biodegradabilitatea, biocompatibilitatea, viabilitatea economică, abundența, suprafața specifică ridicată, rețeaua tridimensională și proprietățile de umflare / de-umflare.
(cf. Khan et al., 2020)
Micrografe SEM-EDX de (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT și (d) amx- și (e) hidrogeluri nanocompozite încărcate cu DF. Nanogelurile au fost preparate folosind ultrasonication.
(studiu și imagini: ©Khan et al. 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 de hidrogeluri și nanogeluri cu funcționalități superioare. De la R mici și mijlocii&D și ultrasonicators pilot la sistemele industriale pentru fabricarea hidrogel comerciale în modul continuu, Hielscher Ultrasonics are dreptul de procesor cu ultrasunete pentru a acoperi cerințele dumneavoastră pentru producția de hidrogel / nanogel.
- Eficiență ridicată
- Tehnologie de ultimă generație
- fiabilitate & robusteţe
- lot & in linie
- pentru orice volum
- software inteligent
- caracteristici inteligente (de exemplu, protocolarea datelor)
- Ușor și sigur de operat
- întreținere redusă
- CIP (curat pe loc)
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității de procesare aproximativă a ultrasonicators noastre:
| volum lot | Debit | Aparate recomandate |
|---|---|---|
| 1 la 500mL | 10 până la 200 ml / min | UP100H |
| 10 la 2000ml | 20 până la 400ml / min | Uf200 ः t. UP400St |
| 0.1 la 20L | 0.2 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 100L | 2 până la 10L / min | UIP4000hdT |
| De la 15 la 150L | De la 3 la 15L/min | UIP6000hdT |
| N / A. | 10 la 100L / min | UIP16000 |
| N / A. | mai mare | grup de UIP16000 |
Contacteaza-ne! / Intreaba-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.
Ce trebuie să știți
Protocol pentru sinteza sonochimică a nanoparticulelor de ZnO
NPs ZnO au fost sintetizate folosind metoda de precipitare chimică sub efectul de iradiere cu ultrasunete. Într-o procedură tipică, acetatul 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 au fost utilizate. 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 dintr-o soluție de ioni de zinc. Ulterior, soluția de ioni de zinc a fost supusă iradierii cu unde ultrasonice 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 picătură la soluția de ioni de zinc sub efectul undelor ultrasonice. După câteva momente, NPs-urile de ZnO au început să precipite și să crească, iar soluția de amoniac a fost adăugată continuu până când a avut loc precipitarea completă a NPs ZnO.
NPs-urile de ZnO obținute au fost spălate cu apă deionizată de mai multe ori și au fost lăsate să se așeze. Posterior, precipitatul obținut a fost uscat la temperatura camerei.
(Ismail et al., 2021)
Ce sunt Nanogels?
Nanogelurile sau hidrogelurile nanocompozite sunt un tip de hidrogel care încorporează nanoparticule, de obicei în intervalul de 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 aprofundată pentru a hidrata structura polimerică, pentru a promova reticularea și pentru a încorpora nanoparticulele, Ultrasonication este o tehnică extrem de eficace pentru producția 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 particulele de silice 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-gelului. Aceste sinteze de polimerizare și sol-gel beneficiază foarte mult de agitație cu ultrasunete.
Hidrogelurile nanocompozite, pe de altă parte, sunt compuse dintr-o combinație de hidrogel și un nanofiller, cum ar fi argila sau oxidul de grafen. Adăugarea nanofibrorului poate îmbunătăți proprietățile mecanice și fizice ale hidrogelului, cum ar fi rigiditatea, rezistența la tracțiune și duritatea. Aici, capacitățile puternice de dispersie ale sonicare facilita distribuția uniformă și stabilă a nanoparticulelor în matricea hidrogel.
În general, hidrogelurile nanogel și nanocompozit 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
| Tip de Nanogel | drog | boală | Activitate | Referinţe |
| Pama-DMMA nanogeluri | 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 et al. (2010) · |
| Nanogeluri pe bază de chitosan decorate cu hialuronat | Fotosensibilizatori cum ar fi tetra-fenil-porfirin-tetra-sulfonat (TPPS4), tetra-fenil-clorină-tetra-carboxilat (TPCC4), și clorină e6 (Ce6) | Tulburări reumatice | Preluat rapid (4 h) de macrofage și acumulat în citoplasma și organitele lor | Schmitt et al. (2010) · |
| Nanoparticule PCEC în hidrogeluri pluronice | Lidocaină | Anestezie locală | Produs anestezie de infiltrare de lungă durată de aproximativ 360 min | Yin et al. (2009) · |
| Poli(acid lactid-co-glicolic) și nanoparticulă chitosan dispersată în HPMC și gel Carbopol | Spantide II | Dermatita alergică de contact și alte tulburări inflamatorii ale pielii | Potențialul nanogelintenreselor pentru livrarea percutanată a spantidei II | Punit et al. (2012) · |
| nanogeluri polivinil pirolidonă-poli sensibile la pH (acid acrilic) (PVP/PAAc) | Pilocarpină | Mențineți o concentrație adecvată a pilocarpinei la locul de acțiune pentru o perioadă prelungită de timp | Abd El-Rehim et al. (2013) · | |
| Poli reticulat (etilenglicol) și polietilenimină | Oligonucleotide | Boli neurodegenerative | Transportat efectiv prin BBB. Eficacitatea transportului este crescută și mai mult atunci când suprafața nanogelului este modificată cu transferină sau insulină | Vinogradov et al. (2004) · |
| Colesterol cu nanogeluri pullulan | Interleukină murină recombinantă-12 | Imunoterapie tumorală | Nanogel cu eliberare susținută | Farhana et al. (2013) · |
| Poli(N-izopropilacrilamidă) și chitosan | Tratamentul cancerului de hipertermie și livrarea de medicamente țintite | Termosensibil modificat magnetic | Farhana et al. (2013) · | |
| Rețea ramificată reticulată de polietilenimină și PEG Polyplexnanogel | Fludarabină | Cancer | Activitate crescută și citotoxicitate redusă | Farhana et al. (2013) · |
| Nanogel biocompatibil de pullulan purtător de colesterol | Ca chaperone artificiale | Tratamentul bolii Alzheimer | Inhiba agregarea β-proteinei amiloide | Ikeda et al. (2006) · |
| Nanogel ADN cu reticulare foto | Material genetic | Terapia genică | Livrarea controlată a ADN-ului plasmid | Lee et al. (2009) · |
| Gel hibrid nanoparticul carbopol/oxid de zinc (ZnO) | Nanoparticule de ZnO | Activitatea antibacteriană, inhibitor bacterian | Ismail et al. (2021) |
Tabel adaptat după Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță de la laborator la dimensiunea industrială.