Синтез нанокомпозитного гидрогеля с использованием ультразвука
Нанокомпозитные гидрогели или наногели представляют собой многофункциональные 3D-структуры с высокой эффективностью в качестве носителей лекарств и систем доставки лекарств с контролируемым высвобождением. Ультразвуковое исследование способствует диспергированию наноразмерных полимерных частиц гидрогеля, а также последующему включению/встраиванию наночастиц в эти полимерные структуры.
Ультразвуковой синтез наногелей
Нанокомпозитные гидрогели представляют собой трехмерные материальные структуры и могут быть сконструированы таким образом, чтобы проявлять определенные свойства, что делает их мощными носителями лекарств и системами доставки лекарств с контролируемым высвобождением. Ультразвуковая обработка способствует синтезу функционализированных наноразмерных частиц, а также последующему включению/встраиванию наночастиц в трехмерные полимерные структуры. Поскольку синтезированные ультразвуком наногели могут захватывать биологически активные соединения внутри своего наноразмерного ядра, эти наноразмерные гидрогели обладают отличными функциональными возможностями.
Наногели представляют собой водную дисперсию гидрогелевых наночастиц, которые физически или химически сшиты в виде гидрофильной полимерной сети. Поскольку высокопроизводительный ультразвук обладает высокой эффективностью в производстве нанодисперсий, ультразвуковые датчики зондового типа являются важнейшим инструментом для быстрого и надежного производства наногелей с превосходными функциональными возможностями.

Ультразвуковой аппарат UIP1000hdT со стеклянным реактором для синтеза нанокомпозитного гидрогеля
Функциональные возможности наногелей, полученных ультразвуковым путем
- Отличная коллоидная стабильность и большая удельная поверхность
- может быть плотно упакован наночастицами
- позволяют комбинировать твердые и мягкие частицы в гибридном наногеле сердцевина/оболочки
- высокий гидратационный потенциал
- Стимулирование биодоступности
- Высокие свойства набухания / снятия набухания
Наногели, синтезированные ультразвуком, используются во многих областях применения и отраслях промышленности, например:
- Для фармацевтического и медицинского применения: например, в качестве носителя лекарств, антибактериального геля, антибактериальной повязки на рану
- в биохимии и биомедицине для доставки генов
- в качестве адсорбента/биосорбента в химической и экологической промышленности
- в тканевой инженерии, поскольку гидрогели могут имитировать физические, химические, электрические и биологические свойства многих нативных тканей
Практический пример: синтез наногеля цинка сонохимическим путем
Гибридные наночастицы ZnO могут быть стабилизированы в геле Carbopol с помощью легкого ультразвукового процесса: ультразвук используется для управления осаждением наночастиц цинка, которые впоследствии сшиваются с Carbopol ультразвуком с образованием наногидрогеля.
Ismail et al. (2021) осаждали наночастицы оксида цинка легким сонохимическим путем. (С протоколом сонохимического синтеза наночастиц ZnO можно ознакомиться здесь).
Впоследствии наночастицы были использованы для синтеза наногеля ZnO. Поэтому полученные НЧ ZnO промывали двойной деионизированной водой. 0,5 г Carbopol 940 растворяли в 300 мл удвоенной деионизированной воды с последующим добавлением свежепромытых ZnO NP. Поскольку Карбопол имеет природную кислотность, раствор требует нейтрализации значения pH, иначе он не загустеет. Таким образом, смесь подвергалась непрерывной ультразвуковой обработке с помощью ультразвукового аппарата Hielscher UP400S с амплитудой 95 и циклом 95% в течение 1 ч. Затем 50 мл триметиламина (ТЭА) в качестве нейтрализующего агента (повышая рН до 7) добавляли по каплям под непрерывной ультразвуком до тех пор, пока не происходило образование белого геля ZnO. Загущение карбопола начиналось, когда pH приближался к нейтральному pH.
Исследовательская группа объясняет необычайно положительное влияние ультразвука на образование наногеля усиленным взаимодействием частиц. Инициированное ультразвуком молекулярное перемешивание компонентов в реакционной смеси усиливает процесс загущения, вызванный взаимодействием полимера и растворителя. Кроме того, ультразвук способствует растворению карбопола. Кроме того, ультразвуковое волновое облучение усиливает взаимодействие полимера с НЧ ZnO и улучшает вязкоупругие свойства полученного гибридного геля наночастиц Carbopol/ZnO.
На схематической схеме выше показан синтез ZnO NPs и гибридного геля наночастиц Carbopol/ZnO. В исследовании ультразвуковой аппарат UP400St использовался для осаждения наночастиц ZnO и образования наногелей. (адаптировано из Ismail et al., 2021)
Case Stuy: Ультразвуковое получение наногеля полиметакриловой кислоты/монтмориллонита (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) продемонстрировали успешный синтез нанокомпозитного гидрогеля полиметакриловой кислоты/монтмориллонита (PMA/nMMT) с помощью редокс-полимеризации с помощью ультразвука. Как правило, 1,0 г нММТ диспергировали в 50 мл дистиллированной воды с ультразвуком в течение 2 ч для получения однородной дисперсии. Ультразвуковая обработка улучшает дисперсию глины, что приводит к улучшению механических свойств и адсорбционной способности гидрогелей. Мономер метакриловой кислоты (30 мл) добавляли в суспензию по каплям. В смесь добавляли инициатор персульфата аммония (АФС) (0,1 М) с последующим вводом 1,0 мл ускорителя TEMED. Дисперсию энергично перемешивали в течение 4 ч при 50°C с помощью магнитной мешалки. Полученную вязкую массу промывали ацетоном и сушили в течение 48 ч при 70°C в печи. Полученный продукт измельчали и хранили в стеклянной бутылке. Различные нанокомпозитные гели синтезировали путем варьирования nMMT в количествах 0,5, 1,0, 1,5 и 2,0 г. Нанокомпозитные гидрогели, приготовленные с использованием 1,0 г нММТ, показали лучшие результаты адсорбции, чем остальные композиты, и поэтому были использованы для дальнейших исследований адсорбции.
На микрофотографиях SEM-EDX справа показан элементный и структурный анализ наногелей, состоящих из монтмориллонита (ММТ), наномонтмориллонита (нММТ), полиметакриловой кислоты/наномонтмориллонита (PMA/nMMT) и амоксициллина (AMX) и диклофенака (DF) PMA/nMMT. Микрофотографии СЭМ регистрируются при увеличении 1,00 КХ вместе с EDX
- монтмориллонит (ММТ),
- наномонтмориллонит (нММТ),
- поли(метакриловая кислота)/наномонтмориллонит (PMA/nMMT),
- и амоксициллин (AMX) и диклофенак (ДФ) с нагрузкой PMA/nMMT.
Было замечено, что сырой ММТ имеет слоистую листовую структуру, показывающую наличие более крупных зерен. После модификации листы ММТ отслаиваются на мельчайшие частицы, что может быть связано с удалением Si2+ и Al3+ из октаэдрических участков. Спектр EDX nMMT демонстрирует высокий процент углерода, что может быть в первую очередь связано с поверхностно-активным веществом, используемым для модификации, поскольку основным компонентом CTAB (C19H42BrN) является углерод (84%). PMA/nMMT имеет когерентную и почти непрерывную структуру. Кроме того, поры не видны, что свидетельствует о полном отшелушивании nMMT в матрицу PMA. После сорбции фармацевтическими молекулами амоксициллином (AMX) и диклофенаком (DF) наблюдаются изменения морфологии PMA/nMMT. Поверхность становится асимметричной с увеличением шероховатой текстуры.
Использование и функциональные возможности наноразмерных гидрогелей на основе глины: Предполагается, что нанокомпозиты на основе глины станут потенциальными суперадсорбентами для поглощения неорганических и/или органических загрязнителей из водного раствора благодаря комбинированным характеристикам как глины, так и полимеров, таким как биоразлагаемость, биосовместимость, экономическая жизнеспособность, распространенность, высокая удельная площадь поверхности, трехмерная сеть и свойства набухания/снятия набухания.
(ср. Khan et al., 2020)
Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для производства гидрогеля и наногеля
Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для производства гидрогеля и наногеля
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительное ультразвуковое оборудование для синтеза гидрогелей и наногелей с превосходными функциональными возможностями. От малых и средних R&D и пилотные ультразвуковые системы для промышленных систем для коммерческого производства гидрогеля в непрерывном режиме, Hielscher Ultrasonics имеет подходящий ультразвуковой процессор, чтобы удовлетворить ваши требования к производству гидрогеля / наногеля.
- Высокая эффективность
- Современные технологии
- надёжность & робастность
- партия & встроенный
- для любого объема
- Интеллектуальное программное обеспечение
- интеллектуальные функции (например, протоколирование передачи данных)
- Простота и безопасность в эксплуатации
- Низкие эксплуатационные расходы
- CIP (безразборная мойка)
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
---|---|---|
от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
От 15 до 150 л | От 3 до 15 л/мин | УИП6000HDT |
н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Спросите нас!
(Исследование и фильм: Рутгертс и др., 2019)
Литература / Литература
- 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.
Факты, которые стоит знать
Протокол сонохимического синтеза наночастиц ZnO
НЧ ZnO синтезировали методом химического осаждения под действием ультразвукового облучения. В типичной методике в качестве прекурсора использовали дигидрат ацетата цинка (Zn(CH3COO)2·2H2O), а в качестве восстановителя — раствор аммиака в концентрации 30–33% (NH3) в водном растворе (NH4OH). Наночастицы ZnO получали путем растворения соответствующего количества ацетата цинка в 100 мл деионизированной воды с получением 0,1 М раствора ионов цинка. В дальнейшем раствор ионов цинка подвергали ультразвуковому волновому облучению с помощью аппарата Hielscher UP400S (400 Вт, 24 кГц, Берлин, Германия) с амплитудой 79% и циклом 0,76 в течение 5 мин при температуре 40 °С. Затем раствор аммиака под действием ультразвуковых волн по каплям добавляли в раствор ионов цинка. Через несколько мгновений НЧ ZnO начали осаждаться и расти, и раствор аммиака непрерывно добавлялся до тех пор, пока не произошло полное осаждение НЧ ZnO.
Полученные НЧ ZnO несколько раз промывали деионизированной водой и оставляли отстояться. После этого полученный осадок высушивали при комнатной температуре.
(Исмаил и др., 2021)
Что такое наногели?
Наногели или нанокомпозитные гидрогели — это тип гидрогеля, который включает в свою структуру наночастицы, обычно в диапазоне от 1 до 100 нанометров. Эти наночастицы могут быть органическими, неорганическими или комбинацией того и другого.
Наногели образуются в результате процесса, известного как сшивка, который включает в себя химическое связывание полимерных цепей для формирования трехмерной сети. Поскольку образование гидрогелей и наногелей требует тщательного перемешивания для гидратации полимерной структуры, стимулирования сшивки и включения наночастиц, ультразвуковая обработка является высокоэффективным методом для производства гидрогелей и наногелей. Гидрогели и наногелевые сетки способны поглощать большое количество воды, что делает наногели высокогидратированными и, таким образом, пригодными для широкого спектра применений, таких как доставка лекарств, тканевая инженерия и биосенсоры.
Наногелевые гидрогели обычно состоят из наночастиц, таких как диоксид кремния или полимерные частицы, которые диспергированы по всей гидрогелевой матрице. Эти наночастицы могут быть синтезированы с помощью различных методов, включая эмульсионную полимеризацию, обратную эмульсионную полимеризацию и золь-гель синтез. Эти полимеризационные и золь-гель синтезы значительно выигрывают от ультразвукового перемешивания.
Нанокомпозитные гидрогели, с другой стороны, состоят из комбинации гидрогеля и нанонаполнителя, такого как глина или оксид графена. Добавление нанонаполнителя может улучшить механические и физические свойства гидрогеля, такие как его жесткость, прочность на разрыв и ударная вязкость. Здесь мощные дисперсионные способности ультразвука способствуют равномерному и стабильному распределению наночастиц в гидрогелевой матрице.
В целом, наногели и нанокомпозитные гидрогели имеют широкий спектр потенциальных применений в таких областях, как биомедицина, восстановление окружающей среды и хранение энергии, благодаря своим уникальным свойствам и функциям.
Применение наногеля в медицинских процедурах
Тип наногеля | Лекарство | болезнь | Активность | Ссылки |
Наногели PAMA-DMMA | Доксорубицин | Рак | Увеличение скорости высвобождения по мере снижения значения рН. Более высокая цитотоксичность при pH 6,8 в исследованиях жизнеспособности клеток | Du et al. (2010) |
Наногели на основе хитозана, украшенные гиалуронатом | Фотосенсибилизаторы, такие как тетрафенил-порфирин-тетрасульфонат (TPPS4), тетрафенил-хлорин-тетракарбоксилатный (TPCC4) и хлорин e6 (Ce6) | Ревматические заболевания | Быстро захватывается (4 ч) макрофагами и накапливается в их цитоплазме и органеллах | Schmitt et al. (2010) |
Наночастицы PCEC в плуроновых гидрогелях | Лидокаина | Местная анестезия | Производится длительная инфильтрационная анестезия продолжительностью около 360 мин | Yin et al. (2009) |
Поли(лактид-ко-гликолевая кислота) и наночастицы хитозана, диспергированные в ГПМЦ и геле Карбопол | Спантид II | Аллергический контактный дерматит и другие воспалительные заболевания кожи | Наногелинн увеличивает потенциал для чрескожной доставки спантида II | Punit et al. (2012) |
pH-чувствительные наногели поливинилпирролидон-поли (акриловая кислота) (PVP/PAAc) | Пилокарпин | Поддерживать достаточную концентрацию пилокарпина в месте действия в течение длительного периода времени | Абд эль-Рехим и др. (2013) | |
Сшитый поли (этиленгликоль) и полиэтиленимин | Олигонуклеотиды | Нейродегенеративные заболевания | Эффективно транспортируется по ГЭБ. Транспортная эффективность еще больше увеличивается, когда поверхность наногеля модифицируется трансферрином или инсулином | Виноградов и др. (2004) |
Холестеринсодержащие наногели пуллулан | Рекомбинантный мышиный интерлейкин-12 | Иммунотерапия опухолей | Наногель с замедленным высвобождением | Farhana et al. (2013) |
Поли(N-изопропилакриламид) и хитозан | Лечение рака гипертермии и адресная доставка лекарств | Термочувствительный магнитно-модализированный | Farhana et al. (2013) | |
Сшитая разветвленная сеть полиэтиленимина и полиплекснаногеля ПЭГ | Флударабин | Рак | Повышенная активность и сниженная цитотоксичность | Farhana et al. (2013) |
Биосовместимый наногель холестеринсодержащего пуллулана | В качестве искусственного сопровождающего | Лечение болезни Альцгеймера | Ингибирует агрегацию амилоидного β-белка | Ikeda et al. (2006) |
ДНК-наногель с фотосшивкой | Генетический материал | Генная терапия | Контролируемая доставка плазмидной ДНК | Ли и др. (2009) |
Гибридный гель на основе наночастиц карбопол/оксид цинка (ZnO) | Наночастицы ZnO | Антибактериальная активность, ингибитор бактерий | Исмаил и др. (2021) |
Таблица адаптирована из Swarnali et al., 2017

Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лаборатория Кому промышленного размера.