Syntéza nanokompozitných hydrogélov pomocou ultrazvuku
Nanokompozitné hydrogély alebo nanogély sú multifunkčné 3D štruktúry s vysokou účinnosťou ako nosiče liekov a systémy dodávania liekov s kontrolovaným uvoľňovaním. Ultrazvukom podporuje disperziu polymérnych hydrogélových častíc nanorozmerov, ako aj následné začlenenie / začlenenie nanočastíc do týchto polymérnych štruktúr.
Ultrazvuková syntéza nanogélov
Nanokompozitné hydrogély sú trojrozmerné materiálové štruktúry a môžu byť navrhnuté tak, aby vykazovali špecifické vlastnosti, čo z nich robí silné nosiče liekov a systémy dodávania liekov s kontrolovaným uvoľňovaním. Ultrazvukom podporuje syntézu funkcionalizovaných častíc nano veľkosti, ako aj následné začlenenie / začlenenie nanočastíc do trojrozmerných polymérnych štruktúr. Keďže ultrazvukom syntetizované nanogély môžu zachytiť bioaktívne zlúčeniny vo svojom jadre na nanoúrovni, tieto hydrogély nano veľkosti ponúkajú skvelé funkcie.
Nanogély sú vodná disperzia hydrogélových nanočastíc, ktoré sú fyzikálne alebo chemicky zosieťované ako hydrofilná polymérna sieť. Pretože vysoko výkonný ultrazvuk je vysoko účinný pri výrobe nano-disperzií, ultrazvukové sondy sú kľúčovým nástrojom pre rýchlu a spoľahlivú výrobu nanogélov s vynikajúcimi funkciami.
Ultrasonicator UIP1000hdT so skleneným reaktorom na syntézu nanokompozitných hydrogélov
Funkcionality ultrazvukom vyrábaných nanogélov
- vynikajúca koloidná stabilita a veľká špecifická plocha povrchu
- môže byť husto zabalený s nanočasticami
- umožňujú kombinovať tvrdé a mäkké častice v hybridnom nanogéli core/shell
- vysoký hydratačný potenciál
- podpora biologickej dostupnosti
- vysoké napučiavacie / odpudzujúce vlastnosti
Ultrazvukom syntetizované nanogély sa používajú v mnohých aplikáciách a odvetviach, napr.
- pre farmaceutické a lekárske aplikácie: napr. nosič liečiva, antibakteriálny gél, antibakteriálny obväz na rany
- v biochémii a biomedicíne na dodávanie génov
- ako adsorbent/biosorbent v chemických a environmentálnych aplikáciách
- v tkanivovom inžinierstve ako hydrogély môžu napodobňovať fyzikálne, chemické, elektrické a biologické vlastnosti mnohých pôvodných tkanív
Prípadová štúdia: Syntéza nanogélu zinku sonochemickou cestou
Hybridné nanočastice ZnO môžu byť stabilizované v géli Carbopol pomocou facilného ultrazvukového procesu: Sonikácia sa používa na pohon zrážania nanočastíc zinku, ktoré sú následne ultrazvukom zosieťované s Carbopolom a vytvárajú nano-hydrogél.
Ismail et al. (2021) vyzrážal nanočastice oxidu zinočnatého facile sonochemickou cestou. (Protokol pre sonochemickú syntézu nanočastíc ZnO nájdete tu).
Následne boli nanočastice použité na syntézu ZnO nanogélu. Preto boli vyrobené ZnO NP opláchnuté dvojitou deionizovanou vodou. 0,5 g Carbopolu 940 sa rozpustilo v 300 ml zdvojenej deionizovanej vody, po čom nasledovalo pridanie čerstvo premytých ZnO NP. Keďže Carbopol je prirodzene kyslý, roztok vyžaduje neutralizáciu hodnoty pH, inak by nezhustol. Zmes teda prešla kontinuálnou sonikáciou pomocou Hielscher ultrasonicator UP400S s amplitúdou 95 a cyklom 95% po dobu 1 hodiny. Potom sa pri kontinuálnej sonikácii pridalo 50 ml trimetylamínu (TEA) ako neutralizačného činidla (zvýšenie pH na 7), až kým nedošlo k tvorbe ZnO bieleho gélu. Zahusťovanie Carbopolu sa začalo, keď sa pH blížilo k neutrálnemu pH .
Výskumný tím vysvetľuje mimoriadne pozitívne účinky ultrazvuku na tvorbu nanogélu zvýšenou interakciou častíc a častíc. Ultrazvukom iniciované molekulárne miešanie zložiek v reakčnej zmesi zvyšuje proces zahusťovania podporovaný interakciami polymér-rozpúšťadlo. Okrem toho ultrazvukom podporuje rozpustenie Carbopolu. Okrem toho ultrazvukové ožarovanie vlnami zvyšuje interakciu polymér-ZnO NPs a zlepšuje viskoelastické vlastnosti pripraveného hybridného nanočasticového gélu Carbopol/ZnO.
Vyššie uvedený schematický vývojový diagram ukazuje syntézu ZnO NP a Carbopol/ZnO hybridného nanočasticového gélu. V štúdii bol ultrasonicator UP400St použitý na zrážanie nanočastíc ZnO a tvorbu nanogélov. (prevzaté z Ismail et al., 2021)
ZnO NP syntetizované chemickou metódou zrážania pod účinkom ultrazvuku, kde (a) je vo vodnom roztoku a (b) je ultrazvukom dispergovaný do stabilného hydrogélu na báze karbopolu.
(štúdia a obrázok: Ismail et al., 2021)
Prípad Stuy: Ultrazvuková príprava nanogélu kyseliny poly(metakrylovej)/montmorillonitu (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) demonštrovali úspešnú syntézu nanokompozitného hydrogélu kyseliny poly(metakrylovej)/montmorillonitu (PMA/nMMT) prostredníctvom ultrazvukom asistovanej redoxnej polymerizácie. Typicky sa 1,0 g nMMT rozptýlilo v 50 ml destilovanej vody s ultrazvukom počas 2 hodín, aby sa vytvorila homogénna disperzia. Sonikácia zlepšuje disperziu ílu, čo vedie k zvýšeným mechanickým vlastnostiam a adsorpčnej kapacite hydrogélov. Monomér kyseliny metakrylovej (30 ml) bol pridaný po kvapkách do suspenzie. Do zmesi sa pridal iniciátor persíran amónny (APS) (0,1 M), po ktorom nasledovalo 1,0 ml urýchľovača TEMED. Disperzia bola intenzívne miešaná po dobu 4 hodín pri teplote 50°C magnetickým miešadlom. Výsledná viskózna hmota sa premyla acetónom a vysušila sa 48 hodín pri teplote 70 °C v peci. Výsledný produkt bol mletý a uložený v sklenenej fľaši. Rôzne nanokompozitné gély boli syntetizované zmenou nMMT v množstvách 0,5, 1,0, 1,5 a 2,0 g. Nanokompozitné hydrogély pripravené s použitím 1,0 g nMMT vykazovali lepšie adsorpčné výsledky ako ostatné kompozity, a preto sa použili na ďalšie adsorpčné skúmanie.
Mikrografy SEM-EDX vpravo ukazujú elementárnu a štrukturálnu analýzu nanogélov pozostávajúcich z montmorillonitu (MMT), nano-montmorillonitu (nMMT), kyseliny poly(metakrylovej)/nano-montmorillonitu (PMA/nMMT) a amoxicilínu (AMX)- a diklofenaku (DF) PMA/nMMT. Mikrografy SEM zaznamenané pri zväčšení 1,00 KX spolu s EDX
- montmorillonit (MMT),
- nano-montmorillonit (nMMT),
- kyselina poly(metakrylová)/nano-montmorillonit (PMA/nMMT),
- a amoxicilínom (AMX) a diklofenakom (DF) zaťaženým PMA/nMMT.
Pozoruje sa, že surový MMT vďačí vrstvenej štruktúre plechu, ktorá ukazuje prítomnosť väčších zŕn. Po úprave sa listy MMT odlupujú na malé častice, čo môže byť spôsobené odstránením Si2+ a Al3+ z oktaedrálnych miest. EDX spektrum nMMT vykazuje vysoké percento uhlíka, čo môže byť primárne spôsobené povrchovo aktívnou látkou použitou na modifikáciu, pretože hlavnou zložkou CTAB (C19H42BrN) je uhlík (84%). PMA/nMMT vykazuje koherentnú a takmer kokontinuálnu štruktúru. Ďalej nie sú viditeľné žiadne póry, čo zobrazuje úplnú exfoliáciu nMMT do matrice PMA. Po sorpcii farmaceutickými molekulami amoxicilín (AMX) a diklofenak (DF) sa pozorujú zmeny v morfológii PMA/nMMT. Povrch sa stáva asymetrickým s nárastom drsnej textúry.
Použitie a funkcie hydrogélov nano veľkosti na báze ílu: Hydrogélové nanokompozity na báze ílu sa považujú za potenciálne super adsorbenty na absorpciu anorganických a/alebo organických kontaminantov z vodného roztoku v dôsledku kombinačných vlastností ílu aj polymérov, ako je biologická odbúrateľnosť, biokompatibilita, ekonomická životaschopnosť, hojnosť, vysoká špecifická plocha povrchu, trojrozmerná sieť a vlastnosti opuchu / odpudzovania.
(porov. Khan a kol., 2020)
SEM-EDX mikrografy a) MMT, b) nMMT, c) PMA/nMMT a d) nanokompozitných hydrogélov zaťažených AMX a e) DF. Nanogély boli pripravené pomocou ultrazvuku.
(štúdia a obrázky: ©Khan et al. 2020)
Vysoko výkonné ultrazvukové prístroje na výrobu hydrogélu a nanogélov
Vysoko výkonné ultrazvukové prístroje na výrobu hydrogélu a nanogélov
Hielscher Ultrasonics vyrába vysoko výkonné ultrazvukové zariadenia na syntézu hydrogélov a nanogélov s vynikajúcimi funkciami. Od malého a stredného R&D a pilotné ultrazvukové prístroje na priemyselné systémy pre komerčnú výrobu hydrogélu v kontinuálnom režime, Hielscher Ultrasonics má správny ultrazvukový procesor, ktorý pokryje vaše požiadavky na výrobu hydrogélu / nanogélu.
- vysoká účinnosť
- Najmodernejšia technológia
- Spoľahlivosť & Robustnosť
- Dávkové & Inline
- pre akýkoľvek objem
- inteligentný softvér
- inteligentné funkcie (napr. protokolovanie údajov)
- Jednoduché a bezpečné ovládanie
- nízka údržba
- CIP (čisté miesto)
Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov:
| Objem šarže | prietok | Odporúčané Devices |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 02 až 4 l / min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10 l / min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| neuv | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| neuv | väčšia | strapec UIP16000 |
Kontaktuj nás! / Opýtajte sa nás!
(Štúdia a film: Rutgeerts et al., 2019)
Literatúra/referencie
- 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.
Fakty stojí za to vedieť
Protokol pre sonochemickú syntézu nanočastíc ZnO
ZnO NP boli syntetizované metódou chemického zrážania pod vplyvom ultrazvukového ožarovania. Pri typickom postupe sa ako prekurzor použil dihydrát octanu zinočnatého (Zn(CH3COO)2·2H2O) a ako redukčné činidlo roztok amoniaku 30 – 33 % (NH3) vo vodnom roztoku (NH4OH). Nanočastice ZnO boli vyrobené rozpustením príslušného množstva octanu zinočnatého v 100 ml deionizovanej vody za vzniku 0,1 M roztoku iónov zinku. Následne bol roztok zinkových iónov podrobený ultrazvukovému ožarovaniu vlnami pomocou Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlín, Nemecko) pri amplitúde 79% a cykle 0,76 po dobu 5 minút pri teplote 40 ◦C. Potom sa roztok amoniaku pridal po kvapkách do roztoku zinkových iónov pod vplyvom ultrazvukových vĺn. Po niekoľkých okamihoch sa ZnO NP začali zrážať a rásť a roztok amoniaku sa nepretržite pridával, až kým nedošlo k úplnému vyzrážaniu ZnO NP.
Získané ZnO NP boli niekoľkokrát premyté deionizovanou vodou a boli vynechané, aby sa usadili. Následne sa získaná zrazenina vysušila pri izbovej teplote.
(Ismail a kol., 2021)
Čo sú nanogély?
Nanogély alebo nanokompozitné hydrogély sú typom hydrogélu, ktorý do svojej štruktúry začleňuje nanočastice, zvyčajne v rozmedzí 1 až 100 nanometrov. Tieto nanočastice môžu byť organické, anorganické alebo môžu byť kombináciou oboch.
Nanogély sa formujú procesom známym ako zosieťovanie, ktorý zahŕňa chemickú väzbu polymérnych reťazcov na vytvorenie trojrozmernej siete. Pretože tvorba hydrogélov a nanogélov si vyžaduje dôkladné premiešanie, aby sa hydratovala polymérna štruktúra, podporilo zosieťovanie a začlenili nanočastice, ultrazvukom je vysoko účinná technika na výrobu hydrogélov a nanogélov. Hydrogélové a nanogélové siete sú schopné absorbovať veľké množstvo vody, vďaka čomu sú nanogély vysoko hydratované, a preto sú vhodné pre širokú škálu aplikácií, ako je dodávka liekov, tkanivové inžinierstvo a biosenzory.
Nanogélové hydrogély sa zvyčajne skladajú z nanočastíc, ako je oxid kremičitý alebo polymérne častice, ktoré sú rozptýlené v celej hydrogélovej matrici. Tieto nanočastice sa môžu syntetizovať rôznymi metódami, vrátane polymerizácie emulzie, polymerizácie inverznej emulzie a syntézy sol-gélu. Tieto polymerizačné a sol-gélové syntézy majú veľký prospech z ultrazvukového miešania.
Nanokompozitné hydrogély sa na druhej strane skladajú z kombinácie hydrogélu a nanoplniva, ako je hlina alebo oxid grafénu. Pridanie nanoplniva môže zlepšiť mechanické a fyzikálne vlastnosti hydrogélu, ako je jeho tuhosť, pevnosť v ťahu a húževnatosť. Tu silné disperzné kapacity sonikácie uľahčujú rovnomernú a stabilnú distribúciu nanočastíc do hydrogélovej matrice.
Celkovo majú nanogélové a nanokompozitné hydrogély vďaka svojim jedinečným vlastnostiam a funkciám širokú škálu potenciálnych aplikácií v oblastiach, ako je biomedicína, sanácia životného prostredia a skladovanie energie.
Aplikácie nanogélu na lekárske ošetrenie
| Typ nanogélu | droga | choroba | Aktivita | Referencie |
| PAMA-DMMA nanogély | Doxorubicín | Rakovina | Zvýšenie rýchlosti uvoľňovania so znížením hodnoty pH. Vyššia cytotoxicita pri pH 6,8 v štúdiách životaschopnosti buniek | Du et al. (2010) |
| Nanogély na báze chitosanu zdobené hyaluronátom | Fotosenzibilizátory ako tetrafenyl-porfyrín-tetra-sulfonát (TPPS4), tetra-fenyl-chlór-tetra-karboxylát (TPCC4) a chlór e6 (Ce6) | Reumatické poruchy | Rýchlo zachytené (4 hodiny) makrofágmi a nahromadené v ich cytoplazme a organelách | Schmitt et al. (2010) |
| Nanočastice PCEC v plurónových hydrogéloch | Lidokaín | Lokálna anestézia | Vznikla dlhotrvajúca infiltračná anestézia cca 360 min | Yin et al. (2009) |
| Nanočastice poly(laktid-co-glykolovej) a chitozánu dispergované v HPMC a Carbopolovom géli | Spantide II | Alergická kontaktná dermatitída a iné kožné zápalové poruchy | Nanogelinncreass potenciál pre perkutánne podanie spantidu II | Punit et al. (2012) |
| pH-citlivý polyvinylpyrolidón-poly (kyselina akrylová) (PVP/PAAc) nanogély | Pilokarpín | Udržujte primeranú koncentráciu pilokarpínu v mieste účinku po dlhšiu dobu | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Zosieťovaný poly (etylénglykol) a polyetylénimín | Oligonukleotidy | Neurodegeneratívne ochorenia | Efektívne prepravované cez BBB. Účinnosť transportu sa ďalej zvyšuje, keď sa povrch nanogélu upraví transferínom alebo inzulínom | Vinogradov et al. (2004) |
| Cholesterol nesúci pullulanové nanogély | Rekombinantný myší interleukín-12 | Imunoterapia nádorov | Nanogél s trvalým uvoľňovaním | Farhana et al. (2013) |
| Poly(N-izopropylakrylamid) a chitosan | Liečba rakoviny hypertermie a cielené podávanie liekov | Termosenzitívne magneticky modifikované | Farhana et al. (2013) | |
| Zosieťovaná rozvetvená sieť polyetylénimínu a PEG Polyplexnanogel | Fludarabín | Rakovina | Zvýšená aktivita a znížená cytotoxicita | Farhana et al. (2013) |
| Biokompatibilná nanogél pullulanu nesúceho cholesterol | Ako umelý gardeón | Liečba Alzheimerovej choroby | Inhibícia agregácie amyloidného β-proteínu | Ikeda et al. (2006) |
| DNA nanogél so zosieťovaním fotografií | Genetický materiál | Génová terapia | Kontrolované dodávanie plazmidovej DNA | Lee et al. (2009) |
| Hybridný gél na nanočastice Carbopol/oxid zinočnatý (ZnO) | ZnO nanočastice | Antibakteriálna aktivita, bakteriálny inhibítor | Ismail et al. (2021) |
Tabuľka prevzatá zo Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizers z laboratórium na priemyselnej veľkosti.