Синтез нанокомпозитного гидрогеля с помощью ультразвука
Нанокомпозитные гидрогели или наногели представляют собой многофункциональные 3D-структуры с высокой эффективностью в качестве носителей лекарств и систем доставки лекарств с контролируемым высвобождением. Ультразвук способствует диспергированию наноразмерных полимерных частиц гидрогеля, а также последующему включению/включению наночастиц в эти полимерные структуры.
Ультразвуковой синтез наногелей
Нанокомпозитные гидрогели представляют собой трехмерные материальные структуры и могут быть спроектированы с учетом специфических особенностей, что делает их мощными носителями лекарств и системами доставки лекарств с контролируемым высвобождением. Ультразвук способствует синтезу функционализированных наноразмерных частиц, а также последующему включению/включению наночастиц в трехмерные полимерные структуры. Поскольку ультразвуковые синтезированные наногели могут захватывать биологически активные соединения внутри своего наноразмерного ядра, эти наноразмерные гидрогели предлагают большие функциональные возможности.
Наногели представляют собой водную дисперсию наночастиц гидрогеля, которые физически или химически сшиты в виде гидрофильной полимерной сети. Поскольку высокопроизводительный ультразвук очень эффективен в производстве нанодисперсий, ультразвуковые аппараты 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 ультразвукового производства
- отличная коллоидная стабильность и большая удельная площадь поверхности
- может быть плотно упакован наночастицами
- позволяют объединять твердые и мягкие частицы в гибридном наногеле ядра/оболочки
- высокий потенциал гидратации
- содействие биодоступности
- высокие набухающие / разбухающие свойства
Ультразвуково синтезированные наногели используются во многих приложениях и отраслях промышленности, например:
- для фармацевтического и медицинского применения: например, носитель лекарств, антибактериальный гель, антибактериальная раневая повязка
- в биохимии и биомедицине для доставки генов
- в качестве адсорбента/биосорбента в химических и экологических применениях
- в тканевой инженерии, поскольку гидрогели могут имитировать физические, химические, электрические и биологические свойства многих нативных тканей
Тематическое исследование: Синтез наногеля цинка сонохимическим путем
Гибридные наночастицы ZnO могут быть стабилизированы в геле Carbopol с помощью легкого ультразвукового процесса: обработка ультразвуком используется для осаждения наночастиц цинка, которые впоследствии ультразвуком сшиваются с Carbopol с образованием наногидрогеля.
Ismail et al. (2021) осаждали наночастицы оксида цинка поверхностным сонохимическим путем. (Найти протокол сонохимического синтеза наночастиц ZnO можно здесь).
Впоследствии наночастицы были использованы для синтеза наногеля ZnO. Поэтому произведенные ZnO NP промывали двойной деионизированной водой. 0,5 г Carbopol 940 растворяли в 300 мл удвоенной деионизированной воды с последующим добавлением свежевымытых ZnO NPs. Поскольку карбопол от природы кислый, раствор требует нейтрализации значения рН, иначе он не загустел бы. Таким образом, смесь подверглась непрерывной обработке ультразвуком с использованием ультразвукового аппарата Hielscher UP400S с амплитудой 95 и циклом 95% в течение 1 ч. Затем 50 мл триметиламина (TEA) в качестве нейтрализующего агента (повышающего рН до 7) добавляли по каплям при непрерывной обработке ультразвуком до тех пор, пока не произошло образование белого геля ZnO. Утолщение карбополя началось, когда рН был близок к нейтральному рН.
Исследовательская группа объясняет чрезвычайно положительное влияние ультразвука на образование наногелей усиленным взаимодействием частиц и частиц. Ультразвуковое инициированное молекулярное перемешивание компонентов в реакционной смеси усиливает процесс сгущения, стимулируемый полимер-растворительными взаимодействиями. Кроме того, обработка ультразвуком способствует растворению карбопола. Кроме того, ультразвуковое волновое облучение усиливает взаимодействие полимер-ZnO NPs и улучшает вязкоупругие свойства приготовленного геля гибридных наночастиц Carbopol/ZnO.
Схематическая блок-схема выше показывает 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)
ZnO NP синтезируют методом химического осаждения под действием ультразвука, где (а) находится в водном растворе, а (б) ультразвуком диспергируется в стабильный гидрогель на основе карбополя.
(исследование и фото: Исмаил и др., 2021)
Case Stuy: Ультразвуковой препарат наногеля поли(метакриловой кислоты)/монтмориллонита (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) продемонстрировали успешный синтез поли(метакриловой кислоты)/монтмориллонита (PMA/nMMT) нанокомпозитного гидрогеля с помощью ультразвуковой окислительно-восстановительной полимеризации. Обычно 1,0 г нММТ диспергировали в 50 мл дистиллированной воды ультразвуком в течение 2 ч с образованием однородной дисперсии. Обработка ультразвуком улучшает дисперсию глины, что приводит к повышению механических свойств и адсорбционной способности гидрогелей. Мономер метакриловой кислоты (30 мл) добавляли по каплям в суспензию. В смесь добавляли персульфат аммония (АФС) (0,1 М), а затем 1,0 мл ускорителя TEMED. Дисперсию энергично перемешивали в течение 4 ч при 50°C магнитной мешалкой. Полученную вязкую массу промывали ацетоном и высушивали в течение 48 ч при 70°С 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 nMMT, показали лучшие результаты адсорбции, чем остальные композиты, и поэтому использовались для дальнейшего исследования адсорбции.
Микроснимки SEM-EDX справа показывают элементный и структурный анализ наногелей, состоящих из монтмориллонита (MMT), наномонтмориллонита (nMMT), поли(метакриловой кислоты)/наномонтмориллонита (PMA/nMMT) и амоксициллина (AMX)- и диклофенака (DF)-нагруженного PMA/nMMT. Микроснимки SEM, записанные с увеличением 1,00 KX вместе с EDX
- монтмориллонит (ММТ),
- наномонтмориллонит (нММТ),
- поли(метакриловая кислота)/наномонтмориллонит (PMA/nMMT),
- и амоксициллин (AMX) и диклофенак (DF) с нагрузкой PMA/nMMT.
Замечено, что сырой ММТ обязан слоистой листовой структурой, показывающей наличие более крупных зерен. После модификации листы ММТ отслаиваются на мельчайшие частицы, что может быть связано с устранением 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 отображает когерентную и почти ко-непрерывную структуру. Кроме того, никаких пор не видно, что изображает полное отшелушивание nMMT в матрицу PMA. После сорбции фармацевтическими молекулами амоксициллина (AMX) и диклофенака (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 гидрогеля на основе глины являются потенциальными суперадсорбентами для поглощения неорганических и/или органических загрязнителей из водного раствора из-за сочетания характеристик как глин, так и полимеров, таких как биоразлагаемость, биосовместимость, экономическая жизнеспособность, изобилие, высокая удельная площадь поверхности, трехмерная сеть и свойства набухания / набухания.
(ср. Хан и др., 2020)
Микроснимки SEM-EDX (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT и (d) AMX- и (e) нанокомпозитных гидрогелей, нагруженных DF. Наногели готовили с помощью ультразвука.
(исследование и фотографии: ©Khan et al. 2020)
Высокоэффективные ультразвуковые аппараты для производства гидрогеля и наногеля
Высокоэффективные ультразвуковые аппараты для производства гидрогеля и наногеля
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительное ультразвуковое оборудование для синтеза гидрогелей и наногелей с превосходными функциональными возможностями. От малого и среднего размера R&D и пилотные ультразвуковые аппараты для промышленных систем для коммерческого производства гидрогеля в непрерывном режиме, Hielscher Ultrasonics имеет правильный ультразвуковой процессор для удовлетворения ваших требований к производству гидрогеля / наногеля.
- высокая эффективность
- Современные технологии
- надежность & прочность
- партия & в очереди
- для любого объема
- интеллектуальное программное обеспечение
- интеллектуальные функции (например, протокольные данные)
- Легко и безопасно работать
- Низкие расходы
- CIP (чистый на месте)
В приведенной ниже таблице приведена приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Скорость потока | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| От 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл / мин | UP100H |
| От 10 до 2000 мл | От 20 до 400 мл / мин | Uf200 ः т, UP400St |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4L / мин | UIP2000hdT |
| От 10 до 100 литров | От 2 до 10 л / мин | UIP4000hdT |
| от 15 до 150 л | от 3 до 15 л/мин | UIP6000hdT |
| не доступно | От 10 до 100 л / мин | UIP16000 |
| не доступно | больше | кластер UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Спросите нас!
(Исследование и фильм: Rutgeerts et al., 2019)
Литература / Ссылки
- 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.
Полезные сведения
Протокол сонохимического синтеза наночастиц ZnO
ZnO NPs синтезировали методом химического осаждения под действием ультразвукового облучения. В типичной процедуре использовали дигидрат ацетата цинка (Zn(CH3COO)2·2H2O) в качестве предшественника и раствор аммиака 30–33% (NH3) в водном растворе (NH4OH) в качестве восстановителя. Наночастицы ZnO получали растворением соответствующего количества ацетата цинка в 100 мл деионизированной воды с получением 0,1 М раствора ионов цинка. Впоследствии раствор ионов цинка подвергали ультразвуковому волновому облучению с использованием Hielscher UP400S (400 Вт, 24 кГц, Берлин, Германия) при амплитуде 79% и цикле 0,76 в течение 5 мин при температуре 40 ◦С. Затем раствор аммиака добавляли по каплям в раствор ионов цинка под действием ультразвуковых волн. Через несколько мгновений ZnO NPs начали выпадать в осадок и расти, и раствор аммиака непрерывно добавляли до тех пор, пока не произошло полное осаждение ZnO NPs.
Полученные ZnO NP несколько раз промывали деионизированной водой и оставляли оседать. Сзади полученный осадок сушили при комнатной температуре.
(Исмаил и др., 2021)
Что такое наногели?
Наногели или нанокомпозитные гидрогели представляют собой тип гидрогеля, который включает наночастицы, обычно в диапазоне 1-100 нанометров, в свою структуру. Эти наночастицы могут быть органическими, неорганическими или комбинацией обоих.
Наногели образуются с помощью процесса, известного как сшивание, который включает в себя химическое связывание полимерных цепей с образованием трехмерной сети. Поскольку образование гидрогелей и наногелей требует тщательного перемешивания с целью гидратации полимерной структуры, содействия сшиванию и включения наночастиц, ультразвук является высокоэффективным методом производства гидрогелей и наногелей. Гидрогелевые и наногелевые сети 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 частицы кремнезема или полимера, которые диспергированы по всей гидрогелевой матрице. Эти наночастицы могут быть синтезированы различными способами, включая эмульсионную полимеризацию, обратную эмульсионную полимеризацию и синтез золь-геля. Эти синтезы полимеризации и золь-геля 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 растяжение и ударная вязкость. Здесь мощные дисперсионные способности обработки ультразвуком облегчают равномерное и стабильное распределение наночастиц в гидрогелевой матрице.
В целом, наногелевые и нанокомпозитные гидрогели имеют широкий спектр потенциальных применений в таких областях, как биомедицина, восстановление окружающей среды и хранение энергии из-за их уникальных свойств и функциональных возможностей.
Применение наногеля для лечения
| Тип наногеля | лекарство | болезнь | Активность | Ссылки |
| Наногели ПАМА-ДММА | Доксорубицин | Рак | Увеличение скорости высвобождения по мере снижения значения рН. Более высокая цитотоксичность при рН 6,8 в исследованиях жизнеспособности клеток | Ду и др. (2010) |
| Наногели на основе хитозана, украшенные гиалуронатом | Фотосенсибилизаторы, такие как тетра-фенил-порфирин-тетра-сульфонат (TPPS4), тетра-фенил-хлор-тетра-карбоксилат (TPCC4) и хлорин e6 (Ce6) | Ревматические заболевания | Быстро поглощается (4 ч) макрофагами и накапливается в их цитоплазме и органеллах | Шмитт и др. (2010) |
| Наночастицы PCEC в плуроновых гидрогелях | Лидокаина | Местная анестезия | Производится длительная инфильтрационная анестезия около 360 мин | Инь и др. (2009) |
| Поли(лактидно-со-гликолевая кислота) и наночастицы хитозана, диспергированные в ГПМЦ и карбопольном геле | Спантид II | Аллергический контактный дерматит и другие воспалительные заболевания кожи | Потенциал наножелезных зон для чрескожной доставки спантида II | Пунит и др. (2012) |
| pH-чувствительные поливинилпирролидон-поли (акриловая кислота) (PVP/PAAc) наногели | Пилокарпин | Поддерживать адекватную 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 через ГЭБ. Транспортная эффективность еще больше повышается, когда поверхность наногеля модифицируется трансферрином или инсулином | Виноградов и др. (2004) |
| Холестеринсодержащие пуллулан наногели | Рекомбинантный мышиный интерлейкин-12 | Иммунотерапия опухолей | Наногель с замедленным высвобождением | Фархана и др. (2013) |
| Поли(N-изопропилакриламид) и хитозан | Лечение рака гипертермии и адресная доставка лекарств | Термочувствительный магнитно-модализованный | Фархана и др. (2013) | |
| Сшитая разветвленная сеть полиэтиленимина и ПЭГ Полиплекснаногеля | Флударабин | Рак | Повышенная активность и снижение цитотоксичности | Фархана и др. (2013) |
| Биосовместимый наногель холестеринсодержащего пуллулана | В качестве искусственного шаперона | Лечение болезни Альцгеймера | Ингибирование агрегации амилоидного β-белка | Икеда и др. (2006) |
| Наногель ДНК с перекрестным связыванием фотографий | Генетический материал | Генная терапия | Контролируемая доставка плазмидной ДНК | Ли и др. (2009) |
| Карбопол/оксид цинка (ZnO) гибридный гель наночастиц | Наночастицы ZnO | Антибактериальная активность, бактериальный ингибитор | Исмаил и др. (2021) |
Таблица адаптирована из Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics производит высокую производительность ультразвуковых гомогенизаторов из лаборатория в промышленного размера.