Sinteza hidrogelurilor nanocompozite prin ultrasonicare
Hidrogelurile nanocompozite sau nanogelurile sunt structuri 3D multifuncționale cu eficacitate ridicată ca purtători de medicamente și sisteme de administrare a medicamentelor cu eliberare controlată. Ultrasonicarea favorizează dispersarea particulelor de hidrogel polimeric de dimensiuni nanometrice, precum și includerea/încorporarea ulterioară a nanoparticulelor în aceste structuri polimerice.
Sinteza cu ultrasunete a nanogelurilor
Hidrogelurile nanocompozite sunt structuri materiale tridimensionale și pot fi proiectate să prezinte caracteristici specifice, ceea ce le transformă în purtători de medicamente și sisteme de administrare a medicamentelor cu eliberare controlată deosebit de eficace. Ultrasonicarea favorizează sinteza particulelor funcționalizate de dimensiuni nanometrice, precum și includerea/încorporarea ulterioară a nanoparticulelor în structuri polimerice tridimensionale. Deoarece nanogelurile sintetizate cu ultrasunete pot îngloba compuși bioactivi în interiorul nucleului lor nanometric, aceste hidrogeluri de dimensiuni nanometrice oferă funcționalități remarcabile.
Nanogelurile sunt dispersii apoase de nanoparticule de hidrogel, reticulate fizic sau chimic sub forma unei rețele polimerice hidrofile. Deoarece ultrasunetele de mare performanță sunt foarte eficiente în producerea nanodispersiilor, ultrasonicatoarele cu sondă sunt un instrument esențial pentru producția rapidă și fiabilă de nanogeluri cu funcționalități superioare.
Ultrasonicatorul UIP1000hdT cu reactor de sticlă pentru sinteza hidrogelurilor nanocompozite
Funcționalitățile nanogelurilor produse cu ultrasunete
- stabilitate coloidală excelentă și suprafață specifică mare
- pot fi dens încărcate cu nanoparticule
- permit combinarea particulelor dure și moi într-un nanogel hibrid de tip miez/înveliș
- potențial ridicat de hidratare
- favorizează biodisponibilitatea
- proprietăți ridicate de umflare / dezumflare
Nanogelurile sintetizate cu ultrasunete sunt utilizate în numeroase aplicații și industrii, de ex.
- pentru aplicații farmaceutice și medicale: de ex. purtători de medicamente, gel antibacterian, pansament antibacterian pentru plăgi
- în biochimie și biomedicină pentru livrarea genelor
- ca adsorbant/biosorbent în aplicații chimice și de mediu
- în ingineria tisulară, 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 de ZnO pot fi stabilizate într-un gel de Carbopol printr-un proces simplu cu ultrasunete: sonicarea este utilizată pentru a induce precipitarea nanoparticulelor de zinc, care sunt ulterior reticulate cu ultrasunete cu Carbopol pentru a forma un nanohidrogel.
Ismail et al. (2021) au precipitat nanoparticule de oxid de zinc pe o cale sonochimică simplă. (Găsiți aici protocolul pentru sinteza sonochimică a nanoparticulelor de ZnO).
Ulterior, nanoparticulele au fost utilizate pentru sinteza nanogelului de ZnO. Prin urmare, NP de ZnO produse au fost clătite cu apă dublu deionizată. 0,5 g de Carbopol 940 au fost dizolvate în 300 mL de apă dublu deionizată, după care s-au adăugat NP de ZnO proaspăt spălate. Deoarece Carbopolul este în mod natural acid, soluția necesită neutralizarea valorii pH-ului, altfel nu s-ar îngroșa. Astfel, amestecul a fost supus sonicării continue cu ultrasonicatorul Hielscher UP400S, la o amplitudine de 95 și un ciclu de 95%, timp de 1 h. Apoi, s-au adăugat picătură cu picătură, sub sonicare continuă, 50 mL de trimetilamină (TEA) ca agent de neutralizare (ridicând pH-ul la 7), până la formarea gelului alb de ZnO. Îngroșarea Carbopolului a început când pH-ul a fost aproape de un pH neutru.
Echipa de cercetare explică efectele extraordinar de pozitive ale ultrasonicării asupra formării nanogelului prin intensificarea interacțiunii particulă-particulă. Agitația moleculară inițiată cu ultrasunete a constituenților din amestecul de reacție intensifică procesul de îngroșare favorizat de interacțiunile polimer-solvent. Mai mult, sonicarea favorizează dizolvarea Carbopolului. În plus, iradierea cu unde ultrasonice intensifică interacțiunea polimer–NP de ZnO și îmbunătățește proprietățile viscoelastice ale gelului de nanoparticule hibride Carbopol/ZnO preparat.
Schema de flux de mai sus prezintă sinteza NP de ZnO și a gelului de nanoparticule hibride Carbopol/ZnO. În studiu, ultrasonicatorul UP400St a fost utilizat pentru precipitarea nanoparticulelor de ZnO și formarea nanogelului. (adaptat după Ismail et al., 2021)
NP de ZnO sintetizate prin metoda precipitării chimice sub efectul ultrasonicării, unde (a) se află în soluția apoasă, iar (b) este dispersat cu ultrasunete într-un hidrogel stabil pe bază de Carbopol.
(studiu și imagine: Ismail et al., 2021)
Studiu de caz: prepararea cu ultrasunete a nanogelului de poli(acid metacrilic)/montmorilonit (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) au demonstrat sinteza reușită a unui hidrogel nanocompozit de poli(acid metacrilic)/montmorilonit (PMA/nMMT) prin polimerizare redox asistată de ultrasunete. În mod tipic, 1,0 g de nMMT a fost dispersat în 50 mL de apă distilată prin ultrasonicare timp de 2 h pentru a forma o dispersie omogenă. Sonicarea îmbunătățește dispersarea argilei, conducând la proprietăți mecanice și capacitate de adsorbție îmbunătățite ale hidrogelurilor. Monomerul acid metacrilic (30 mL) a fost adăugat picătură cu picătură în suspensie. Inițiatorul persulfat de amoniu (APS) (0,1 M) a fost adăugat în amestec, urmat de 1,0 mL de accelerator TEMED. Dispersia a fost agitată viguros timp de 4 h la 50°C cu un agitator magnetic. Masa vâscoasă rezultată a fost spălată cu acetonă și uscată timp de 48 h la 70°C într-o etuvă. Produsul rezultat a fost măcinat și păstrat într-un flacon de sticlă. Au fost sintetizate diferite geluri nanocompozite variind cantitatea de nMMT la 0,5, 1,0, 1,5 și 2,0 g. Hidrogelurile nanocompozite preparate cu 1,0 g de nMMT au prezentat rezultate de adsorbție mai bune decât restul compozitelor și, prin urmare, au fost utilizate pentru investigații ulterioare de adsorbție.
Micrografiile SEM-EDX din dreapta prezintă analiza elementală și structurală a nanogelurilor constând din montmorilonit (MMT), nano-montmorilonit (nMMT), poli(acid metacrilic)/nano-montmorilonit (PMA/nMMT) și PMA/nMMT încărcat cu amoxicilină (AMX) și diclofenac (DF). Micrografiile SEM înregistrate la o mărire de 1,00 KX, împreună cu EDX pentru
- montmorilonit (MMT),
- nano-montmorilonit (nMMT),
- poli(acid metacrilic)/nano-montmorilonit (PMA/nMMT),
- și PMA/nMMT încărcat cu amoxicilină (AMX) și diclofenac (DF).
Se observă că MMT brut are o structură stratificată în foi, care indică prezența unor granule mai mari. După modificare, foile de MMT sunt exfoliate în particule minuscule, ceea ce se poate datora eliminării Si2+ și Al3+ din pozițiile octaedrice. Spectrul EDX al nMMT prezintă un procent ridicat de carbon, ceea ce se poate datora în principal surfactantului utilizat pentru modificare, deoarece principalul constituent al CTAB (C19H42BrN) este carbonul (84%). PMA/nMMT prezintă o structură coerentă și aproape co-continuă. Mai mult, nu sunt vizibili pori, ceea ce indică exfolierea completă a nMMT în matricea PMA. După sorbția moleculelor farmaceutice amoxicilină (AMX) și diclofenac (DF), se observă modificări ale morfologiei PMA/nMMT. Suprafața devine asimetrică, cu o accentuare a texturii rugoase.
Utilizarea și funcționalitățile hidrogelurilor de dimensiuni nanometrice pe bază de argilă: nanocompozitele de hidrogel pe bază de argilă sunt preconizate a fi potențiali superadsorbanți pentru reținerea contaminanților anorganici și/sau organici dintr-o soluție apoasă, datorită caracteristicilor combinate ale argilelor și polimerilor, cum ar fi biodegradabilitatea, biocompatibilitatea, viabilitatea economică, abundența, suprafața specifică mare, rețeaua tridimensională și proprietățile de umflare / dezumflare.
(cf. Khan et al., 2020)
Micrografii SEM-EDX ale (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT și ale hidrogelurilor nanocompozite încărcate cu (d) AMX și (e) DF. Nanogelurile au fost preparate prin ultrasonicare.
(studiu și imagini: ©Khan et al. 2020)
Ultrasonicatoare de mare performanță pentru producția de hidrogeluri și nanogeluri
Ultrasonicatoare de mare performanță pentru producția de hidrogeluri și nanogeluri
Hielscher Ultrasonics produce echipamente cu ultrasunete de mare performanță pentru sinteza hidrogelurilor și nanogelurilor cu funcționalități superioare. De la ultrasonicatoare mici și de dimensiuni medii pentru cercetare-dezvoltare și instalații pilot până la sisteme industriale pentru fabricarea comercială a hidrogelurilor în regim continuu, Hielscher Ultrasonics are procesorul cu ultrasunete potrivit pentru a acoperi cerințele dumneavoastră privind producția de hidrogeluri / nanogeluri.
- eficiență ridicată
- tehnologie de ultimă generație
- fiabilitate și robustețe
- în șarjă și în linie
- pentru orice volum
- software inteligent
- funcții inteligente (de ex., protocolarea datelor)
- operare ușoară și sigură
- întreținere redusă
- CIP (curățare pe loc)
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:
| Volumul șarjei | Debit | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 1 până la 500mL | 10 până la 200mL/min | UP100H |
| 10 până la 2000mL | 20 până la 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 până la 20L | 0,2 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 | cluster de UIP16000 |
Contactați-ne! / Întrebați-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 cunoscute
Protocol pentru sinteza sonochimică a nanoparticulelor de ZnO
NP de ZnO au fost sintetizate prin 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) în 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 obține 0,1 M de 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 min, la o temperatură de 40 ◦C. Apoi, soluția de amoniac a fost adăugată picătură cu picătură în soluția de ioni de zinc sub efectul undelor ultrasonice. După câteva momente, NP de ZnO au început să precipite și să crească, iar soluția de amoniac a fost adăugată continuu până la precipitarea completă a NP de ZnO.
NP de ZnO obținute au fost spălate de mai multe ori cu apă deionizată și au fost lăsate să se depună. Ulterior, precipitatul obținut a fost uscat la temperatura camerei.
(Ismail et al., 2021)
Ce sunt nanogelurile?
Nanogelurile sau hidrogelurile nanocompozite sunt un tip de hidrogel care încorporează în structura sa nanoparticule, de obicei în intervalul 1–100 nanometri. Aceste nanoparticule pot fi organice, anorganice sau o combinație a acestora.
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 hidrogelurilor și nanogelurilor necesită o amestecare temeinică pentru a hidrata structura polimerică, a favoriza reticularea și a încorpora nanoparticulele, ultrasonicarea 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, ceea ce face nanogelurile puternic hidratate și, prin urmare, potrivite pentru o gamă largă de aplicații, cum ar fi administrarea medicamentelor, ingineria tisulară și biosenzorii.
Hidrogelurile de tip nanogel sunt compuse de obicei din nanoparticule, cum ar fi particule de silice sau particule polimerice, dispersate în întreaga matrice a hidrogelului. Aceste nanoparticule pot fi sintetizate prin diverse metode, inclusiv polimerizarea în emulsie, polimerizarea în emulsie inversă și sinteza sol-gel. Aceste polimerizări și sinteze sol-gel beneficiază în mare măsură de agitarea cu ultrasunete.
Hidrogelurile nanocompozite, pe de altă parte, sunt compuse dintr-o combinație de hidrogel și o nanoumplutură, cum ar fi argila sau oxidul de grafenă. Adăugarea nanoumpluturii poate îmbunătăți proprietățile mecanice și fizice ale hidrogelului, cum ar fi rigiditatea, rezistența la tracțiune și tenacitatea. Aici, capacitățile puternice de dispersare ale sonicării facilitează distribuirea uniformă și stabilă a nanoparticulelor în matricea hidrogelului.
În ansamblu, 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 nanogelurilor în tratamentele medicale
| Tipul de nanogel | Medicament | Boală | Activitate | Referințe |
| Nanogeluri PAMA-DMMA | Doxorubicină | Cancer | Creșterea vitezei 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 precum tetra-fenil-porfirin-tetra-sulfonat (TPPS4), tetra-fenil-clorin-tetra-carboxilat (TPCC4) și clorina e6 (Ce6) | Afecțiuni reumatice | Preluate rapid (4 h) de macrofage și acumulate în citoplasma și organitele acestora | Schmitt et al. (2010) |
| Nanoparticule PCEC în hidrogeluri Pluronic | Lidocaină | Anestezie locală | A produs o anestezie prin infiltrație de lungă durată, de aproximativ 360 min | Yin et al. (2009) |
| Nanoparticule de poli(acid lactic-co-glicolic) și chitosan dispersate în gel de HPMC și Carbopol | Spantide II | Dermatită alergică de contact și alte afecțiuni inflamatorii ale pielii | Nanogelul crește potențialul de administrare percutanată a spantide II | Punit et al. (2012) |
| Nanogeluri de polivinilpirolidonă-poli(acid acrilic) (PVP/PAAc) sensibile la pH | Pilocarpină | Menținerea unei concentrații adecvate de pilocarpină la locul de acțiune pentru o perioadă prelungită de timp | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Poli(etilen glicol) și polietilenimină reticulate | Oligonucleotide | Boli neurodegenerative | Transportate eficient prin BBB. Eficacitatea transportului crește suplimentar atunci când suprafața nanogelului este modificată cu transferină sau insulină | Vinogradov et al. (2004) |
| Nanogeluri de pullulan purtătoare de colesterol | Interleukina-12 murină recombinantă | Imunoterapia tumorilor | Nanogel cu eliberare susținută | Farhana et al. (2013) |
| Poli(N-izopropilacrilamidă) și chitosan | Tratamentul cancerului prin hipertermie și administrarea țintită a medicamentelor | Termosensibil modalizat magnetic | Farhana et al. (2013) | |
| Rețea ramificată reticulată de polietilenimină și PEG nanogel poliplex | Fludarabină | Cancer | Activitate crescută și citotoxicitate redusă | Farhana et al. (2013) |
| Nanogel biocompatibil de pullulan purtător de colesterol | Ca șaperonă artificială | Tratamentul bolii Alzheimer | Inhibă agregarea proteinei β-amiloide | Ikeda et al. (2006) |
| Nanogel de ADN cu fotoreticulare | Material genetic | Terapie genică | Administrarea controlată a ADN-ului plasmidic | Lee et al. (2009) |
| Gel de nanoparticule hibride Carbopol/oxid de zinc (ZnO) | Nanoparticule de ZnO | Activitate antibacteriană, inhibitor bacterian | Ismail et al. (2021) |
Tabel adaptat după Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de mare performanță, de la laborator până la dimensiuni industriale.