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.

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)

НЧ ZnO синтезируют методом химического осаждения под действием ультразвука, где (а) находится в водном растворе, а (б) ультразвуком диспергируется в стабильный гидрогель на основе карбопола.
(исследование и фото: Исмаил и др., 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.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: