Синтез нанокомпозитных гидрогелей с помощью обработки ультразвуком

Нанокомпозитные гидрогели, или наногели, представляют собой многофункциональные 3D-структуры, высокоэффективные в качестве носителей лекарственных средств и систем доставки лекарственных средств с контролируемым высвобождением. Обработка ультразвуком способствует диспергированию наноразмерных частиц полимерных гидрогелей, а также последующему включению/встраиванию наночастиц в эти полимерные структуры.

Ультразвуковой синтез наногелей

Нанокомпозитные гидрогели представляют собой трёхмерные структуры материала, которые можно разрабатывать с заданными характеристиками, что делает их эффективными носителями лекарственных средств и системами доставки лекарственных средств с контролируемым высвобождением. Обработка ультразвуком способствует синтезу функционализированных наноразмерных частиц, а также последующему включению/встраиванию наночастиц в трёхмерные полимерные структуры. Поскольку синтезированные с помощью ультразвука наногели могут удерживать биоактивные соединения внутри своего наноразмерного ядра, эти наноразмерные гидрогели обладают широкими функциональными возможностями.
Наногели представляют собой водные дисперсии наночастиц гидрогеля, физически или химически сшитых в гидрофильную полимерную сетку. Поскольку высокопроизводительный ультразвук высокоэффективен при получении нанодисперсий, ультразвуковые устройства зондового типа являются важнейшим инструментом для быстрого и надёжного производства наногелей с превосходными функциональными характеристиками.

Функциональные характеристики наногелей, полученных с помощью ультразвука

• превосходная коллоидная стабильность и большая удельная площадь поверхности
• могут быть плотно заполнены наночастицами
• позволяют сочетать твёрдые и мягкие частицы в гибридном наногеле типа ядро/оболочка
• высокая способность к гидратации
• повышение биодоступности
• высокая способность к набуханию / уменьшению набухания

 
Наногели, синтезированные с помощью ультразвука, используются во многих областях применения и отраслях, например:

• в фармацевтике и медицине: например, в качестве носителей лекарственных средств, антибактериальных гелей, антибактериальных раневых повязок
• в биохимии и биомедицине для доставки генов
• в качестве адсорбента/биосорбента в химических и экологических процессах
• в тканевой инженерии, поскольку гидрогели могут имитировать физические, химические, электрические и биологические свойства многих природных тканей

Пример исследования: синтез цинкового наногеля сонохимическим методом

Гибридные наночастицы ZnO можно стабилизировать в геле Carbopol с помощью простого ультразвукового процесса: обработка ультразвуком используется для инициирования осаждения наночастиц цинка, которые затем сшиваются с Carbopol под действием ультразвука с образованием наногидрогеля.
Ismail et al. (2021) осадили наночастицы оксида цинка простым сонохимическим методом. (Протокол сонохимического синтеза наночастиц ZnO приведён здесь).
Затем наночастицы использовали для синтеза наногеля ZnO. Для этого полученные наночастицы ZnO промыли дважды деионизированной водой. 0,5 g Carbopol 940 растворили в 300 mL дважды деионизированной воды, после чего добавили свежепромытые наночастицы ZnO. Поскольку Carbopol по своей природе является кислым, раствор требует нейтрализации значения pH, иначе он не загустеет. Поэтому смесь непрерывно обрабатывали ультразвуком с помощью ультразвукового устройства Hielscher UP400S с амплитудой 95 и коэффициентом заполнения импульсов 95% в течение 1 h. Затем при непрерывной обработке ультразвуком по каплям добавляли 50 mL триметиламина (TEA) в качестве нейтрализующего агента (повышающего pH до 7) до образования белого геля ZnO. Загущение Carbopol начиналось, когда pH приближался к нейтральному значению.
Исследовательская группа объясняет чрезвычайно положительное влияние обработки ультразвуком на образование наногеля усилением взаимодействия между частицами. Инициируемое ультразвуком движение молекул компонентов реакционной смеси усиливает процесс загущения, обусловленный взаимодействиями между полимером и растворителем. Кроме того, обработка ультразвуком способствует растворению Carbopol. Воздействие ультразвуковых волн также усиливает взаимодействие полимера с наночастицами ZnO и улучшает вязкоупругие свойства полученного геля гибридных наночастиц Carbopol/ZnO.
Приведённая выше схема процесса показывает синтез наночастиц ZnO и геля гибридных наночастиц Carbopol/ZnO. В исследовании для осаждения наночастиц ZnO и формирования наногеля использовали ультразвуковое устройство UP400St. (Адаптировано из Ismail et al., 2021)

Наночастицы ZnO, синтезированные методом химического осаждения под действием обработки ультразвуком: (a) в водном растворе и (b) диспергированные ультразвуком в стабильный гидрогель на основе Carbopol.
(исследование и изображение: Ismail et al., 2021)

Пример исследования: ультразвуковое получение наногеля поли(метакриловая кислота)/монтмориллонит (PMA/nMMT)

Khan et al. (2020) продемонстрировали успешный синтез нанокомпозитного гидрогеля поли(метакриловая кислота)/монтмориллонит (PMA/nMMT) посредством окислительно-восстановительной полимеризации с помощью ультразвука. В типичной процедуре 1,0 g nMMT диспергировали в 50 mL дистиллированной воды посредством обработки ультразвуком в течение 2 h для получения однородной дисперсии. Обработка ультразвуком улучшает диспергирование глины, что приводит к улучшению механических свойств и повышению адсорбционной способности гидрогелей. Мономер метакриловой кислоты (30 mL) добавляли по каплям в суспензию. В смесь добавляли инициатор – персульфат аммония (APS) (0,1 M), затем 1,0 mL ускорителя TEMED. Дисперсию интенсивно перемешивали в течение 4 h при 50°C с помощью магнитной мешалки. Полученную вязкую массу промывали ацетоном и высушивали в течение 48 h при 70°C в сушильном шкафу. Полученный продукт измельчали и хранили в стеклянной бутылке. Различные нанокомпозитные гели синтезировали, варьируя количество nMMT: 0,5, 1,0, 1,5 и 2,0 g. Нанокомпозитные гидрогели, полученные с использованием 1,0 g nMMT, показали лучшие результаты адсорбции, чем остальные композиты, и поэтому использовались для дальнейшего исследования адсорбции.
Микрофотографии SEM-EDX справа показывают элементный и структурный анализ наногелей, состоящих из монтмориллонита (MMT), наномонтмориллонита (nMMT), поли(метакриловой кислоты)/наномонтмориллонита (PMA/nMMT), а также PMA/nMMT, содержащего амоксициллин (AMX) и диклофенак (DF). Микрофотографии SEM, полученные при увеличении 1,00 KX, вместе с данными EDX для

• монтмориллонита (MMT),
• наномонтмориллонита (nMMT),
• поли(метакриловой кислоты)/наномонтмориллонита (PMA/nMMT),
• а также PMA/nMMT, содержащего амоксициллин (AMX) и диклофенак (DF).

Наблюдается, что исходный MMT обладает слоистой пластинчатой структурой с наличием более крупных зёрен. После модификации пластинки MMT расслаиваются на мельчайшие частицы, что может быть обусловлено удалением Si2+ и Al3+ из октаэдрических позиций. Спектр EDX для nMMT показывает высокое процентное содержание углерода, что может быть связано главным образом с поверхностно-активным веществом, используемым для модификации, поскольку основным компонентом CTAB (C19H42BrN) является углерод (84%). PMA/nMMT демонстрирует связную и почти взаимонепрерывную структуру. Кроме того, видимые поры отсутствуют, что указывает на полное расслаивание nMMT в матрице PMA. После сорбции фармацевтических молекул амоксициллина (AMX) и диклофенака (DF) наблюдаются изменения морфологии PMA/nMMT. Поверхность становится асимметричной, а её текстура – более шероховатой.
Применение и функциональные характеристики наноразмерных гидрогелей на основе глины: гидрогелевые нанокомпозиты на основе глины рассматриваются как потенциальные суперадсорбенты для поглощения неорганических и/или органических загрязнителей из водного раствора благодаря сочетанию характеристик глин и полимеров, таких как биоразлагаемость, биосовместимость, экономическая целесообразность, широкая распространённость, высокая удельная площадь поверхности, трёхмерная сетка и способность к набуханию / уменьшению набухания.
(ср. Khan et al., 2020)

Высокопроизводительные ультразвуковые устройства для производства гидрогелей и наногелей

Высокопроизводительные ультразвуковые устройства для производства гидрогелей и наногелей
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительное ультразвуковое оборудование для синтеза гидрогелей и наногелей с превосходными функциональными характеристиками. От малых и средних ультразвуковых устройств для исследований и разработок и пилотных установок до промышленных систем для коммерческого производства гидрогелей в непрерывном режиме – Hielscher Ultrasonics предлагает подходящий ультразвуковой процессор, отвечающий вашим требованиям к производству гидрогелей / наногелей.

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности обработки наших ультразвуковых устройств: