Syntéza nanokompozitného hydrogélu pomocou ultrazvuku
Nanokompozitné hydrogély alebo nanogély sú multifunkčné 3D štruktúry s vysokou účinnosťou ako nosiče liečiv a systémy podávania liečiv s riadeným uvoľňovaním. Ultrazvuk podporuje disperziu polymérnych hydrogélových častíc nanoveľkosti, 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 liečiv a systémy podávania liekov s riadeným uvoľňovaním. Ultrazvuk podporuje syntézu funkcionalizovaných nanočastíc, ako aj následné začlenenie/začlenenie nanočastíc do trojrozmerných polymérnych štruktúr. Keďže ultrazvukom syntetizované nanogély môžu zachytávať bioaktívne zlúčeniny vo svojom nanojadre, tieto nanogély ponúkajú skvelé funkcie.
Nanogély sú vodná disperzia hydrogélových nanočastíc, ktoré sú fyzikálne alebo chemicky zosieťované ako hydrofilná polymérna sieť. Keďže vysokovýkonný ultrazvuk je vysoko účinný pri výrobe nanodisperzií, ultrazvukové prístroje sondového typu sú kľúčovým nástrojom pre rýchlu a spoľahlivú výrobu nanogélov s vynikajúcimi funkciami.
Ultrazvuk UIP1000hdT so skleneným reaktorom na syntézu nanokompozitného hydrogélu
Funkcie ultrazvukom vyrábaných nanogélov
- vynikajúca koloidná stabilita a veľká špecifická plocha
- môže byť husto zabalený nanočasticami
- umožňujú kombinovať tvrdé a mäkké častice v hybridnom jadre/obale nanogél
- vysoký hydratačný potenciál
- podpora biologickej dostupnosti
- vysoké vlastnosti opuchu / odbuchnutia
Ultrazvukom syntetizované nanogély sa používajú v mnohých aplikáciách a priemyselných odvetviach, napr.
- pre farmaceutické a lekárske aplikácie: napr. nosič liečiv, antibakteriálny gél, antibakteriálny obväz na rany
- v biochémii a biomedicíne na dodanie génov
- ako adsorbent/biosorbent v chemických a environmentálnych aplikáciách
- v tkanivovom inžinierstve, pretože hydrogély môžu napodobňovať fyzikálne, chemické, elektrické a biologické vlastnosti mnohých natívnych tkanív
Prípadová štúdia: Syntéza zinkového nanogélu sonochemickou cestou
Hybridné nanočastice ZnO môžu byť stabilizované v géli Carbopol pomocou jednoduchého ultrazvukového procesu: Sonikácia sa používa na riadenie zrážania nanočastíc zinku, ktoré sú následne ultrazvukovo zosieťované s Carbopolom za vzniku nano-hydrogélu.
Ismail et al. (2021) vyzrážali nanočastice oxidu zinočnatého jednoduchou sonochemickou cestou. (Protokol pre sonochemickú syntézu nanočastíc ZnO nájdete tu).
Následne sa nanočastice použili na syntézu nanogélu ZnO. Preto sa vyrobené ZnO NP opláchnuli dvojitou deionizovanou vodou. 0,5 g Carbopolu 940 sa rozpustilo v 300 ml zdvojnásobenej deionizovanej vody, po ktorej 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 Hielscherovho ultrazvuku UP400S s amplitúdou 95 a cyklom 95 % počas 1 hodiny. Potom sa po kvapkách pri nepretržitej sonikacii pridalo 50 ml trimetylamínu (TEA) ako neutralizačného činidla (zvýšenie pH na 7), kým nedošlo k vytvoreniu bieleho gélu ZnO. Zahusťovanie Carbopolu začalo, keď sa pH blížilo k neutrálnemu pH.
Výskumný tím vysvetľuje mimoriadne pozitívne účinky ultrazvuku na tvorbu nanogélu zvýšenou interakciou častic-častica. Ultrazvukom iniciované molekulárne miešanie zložiek v reakčnej zmesi zvyšuje proces zahusťovania podporovaný interakciami polymér-rozpúšťadlo. Okrem toho sonikácia podporuje rozpúšťanie Carbopolu. Okrem toho ožarovanie ultrazvukovými vlnami zvyšuje interakciu polymér-ZnO NP a zlepšuje viskoelastické vlastnosti pripraveného hybridného nanočastica gélu Carbopol/ZnO.
Schematický vývojový diagram vyššie ukazuje syntézu ZnO NP a hybridného nanočasticového gélu Carbopol/ZnO. V štúdii bol ultrazvuk UP400St použitý na zrážanie nanočastíc ZnO a tvorbu nanogélu. (upravené podľa Ismail et al., 2021)
ZnO NP syntetizované metódou chemického zrážania pod vplyvom ultrazvuku, kde (a) je vo vodnom roztoku a (b) je ultrazvukovo dispergovaný do stabilného hydrogélu na báze Carbopolu.
(štúdia a obrázok: Ismail et al., 2021)
Prípad Stuy: Ultrazvuková príprava poly(metakrylovej kyseliny)/montmorillonitu (PMA/nMMT) nanogélu
Khan et al. (2020) preukázali úspešnú syntézu nanokompozitného hydrogélu kyseliny poly(methakrylovej)/montmorillonitu (PMA/nMMT) prostredníctvom ultrazvukom asistovanej redoxnej polymerizácie. Typicky sa 1,0 g nMMT rozptýlilo v 50 ml destilovanej vody ultrazvukom po dobu 2 hodín, aby sa vytvorila homogénna disperzia. Sonikácia zlepšuje disperziu ílu, čo vedie k zlepšeniu mechanických vlastností a adsorpčnej kapacity hydrogélov. Do suspenzie sa po kvapkách pridal monomér kyseliny metakrylovej (30 ml). Do zmesi sa pridal iniciátor persulfát amónny (APS) (0,1 M) a potom 1,0 ml urýchľovača TEMED. Disperzia bola intenzívne miešaná 4 hodiny pri 50 °C magnetickým miešadlom. Výsledná viskózna hmota bola premytá acetónom a sušená 48 hodín pri 70 °C v peci. Výsledný produkt bol zomletý 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 výsledky adsorpcie ako ostatné kompozity, a preto boli použité na ďalší adsorpčný výskum.
Mikrosnímky SEM-EDX vpravo ukazujú elementárnu a štrukturálnu analýzu nanogélov pozostávajúcich z montmorillonitu (MMT), nano-montmorillonitu (nMMT), poly(kyseliny metakrylovej)/nano-montmorillonitu (PMA/nMMT) a amoxicilínom (AMX) a diklofenakom (DF) zaťaženým PMA/nMMT. Mikrosnímky SEM zaznamenali pri zväčšení 1,00 KX spolu s EDX
- montmorillonit (MMT),
- nano-montmorillonit (nMMT),
- poly(kyselina metakrylová)/nanomontmorillonit (PMA/nMMT),
- a PMA/nMMT zaťažené amoxicilínom (AMX) a diklofenakom (DF).
Pozoruje sa, že surová MMT vďačí za vrstvenú štruktúru listu, ktorá ukazuje prítomnosť väčších zŕn. Po úprave sa listy MMT odlupujú na drobné častice, čo môže byť spôsobené elimináciou Si2+ a Al3+ z oktaedrických 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 kosúvislú štruktúru. Ďalej nie sú viditeľné žiadne póry, čo znázorňuje úplnú exfoliáciu nMMT do matrice PMA. Po sorpcii s farmaceutickými molekulami amoxicilínom (AMX) a diklofenakom (DF) sa pozorujú zmeny v morfológii PMA/nMMT. Povrch sa stáva asymetrickým so zväčšením hrubej textúry.
Použitie a funkcie nanohydrogélov na báze ílu: Predpokladá sa, že hydrogélové nanokompozity na báze ílu budú potenciálnymi superadsorbentmi na absorpciu anorganických a/alebo organických kontaminantov z vodného roztoku vďaka kombinačným vlastnostiam ílov a polymérov, ako je biologická odbúrateľnosť, biokompatibilita, ekonomická životaschopnosť, hojnosť, vysoký špecifický povrch, trojrozmerná sieť a vlastnosti napučiavania / odbučiavania.
(porovnaj Khan a kol., 2020)
Mikrosnímky SEM-EDX (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)
Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na výrobu hydrogélu a nanogélu
Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na výrobu hydrogélu a nanogélu
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia na syntézu hydrogélov a nanogélov s vynikajúcimi funkciami. Od malého a stredného R&D a pilotné ultrazvukové prístroje pre priemyselné systémy pre komerčnú výrobu hydrogélov v nepretržitom režime, Hielscher Ultrasonics má správny ultrazvukový procesor, ktorý pokryje vaše požiadavky na výrobu hydrogélu / nanogélu.
- vysoká účinnosť
- Najmodernejšia technológia
- spoľahlivosť & odolnosť
- dávka & Inline
- pre akýkoľvek objem
- inteligentný softvér
- inteligentné funkcie (napr. protokolovanie údajov)
- jednoduchá a bezpečná obsluha
- nízka údržba
- CIP (čistenie na mieste)
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte 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, ktoré stoja za to vedieť
Protokol pre sonochemickú syntézu nanočastíc ZnO
ZnO NP boli syntetizované metódou chemického zrážania pod vplyvom ultrazvukového ožarovania. V typickom postupe sa ako prekurzor použil dihydrát octanu zinočnatého (Zn(CH3COO)2·2H2O) a roztok amoniaku 30–33% (NH3) vo vodnom roztoku (NH4OH) ako redukčné činidlo. 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 vystavený ožarovaniu ultrazvukovými 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 iónov zinku pod vplyvom ultrazvukových vĺn. Po niekoľkých chvíľach sa NP ZnO začali zrážať a rásť a roztok amoniaku sa nepretržite pridával, až kým nedošlo k úplnému vyzrážaniu NP ZnO.
Získané ZnO NP sa niekoľkokrát premyli deionizovanou vodou a nechali sa usadiť. 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 zahŕňa nanočastice, zvyčajne v rozmedzí 1-100 nanometrov. Tieto nanočastice môžu byť organické, anorganické alebo kombináciou oboch.
Nanogély vznikajú procesom známym ako zosieťovanie, ktorý zahŕňa chemické spojenie polymérnych reťazcov za vzniku trojrozmernej siete. Keďže tvorba hydrogélov a nanogélov si vyžaduje dôkladné premiešanie, aby sa hydratovala polymérna štruktúra, podporilo zosieťovanie a začlenili nanočastice, ultrazvuk 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 podávanie liekov, tkanivové inžinierstvo a biosenzory.
Nanogélové hydrogély sa zvyčajne skladajú z nanočastíc, ako sú častice oxidu kremičitého alebo polyméru, ktoré sú rozptýlené v hydrogélovej matrici. Tieto nanočastice môžu byť syntetizované rôznymi metódami, vrátane emulznej polymerizácie, inverznej emulznej polymerizácie a syntézy sol-gél. Tieto polymerizačné a sol-gélové syntézy majú veľký úžitok z ultrazvukového miešania.
Nanokompozitné hydrogély sa na druhej strane skladajú z kombinácie hydrogélu a nanoplniva, ako je íl alebo oxid grafénu. Pridanie nanoplniva môže zlepšiť mechanické a fyzikálne vlastnosti hydrogélu, ako je jeho tuhosť, pevnosť v ťahu a húževnatosť. Silné disperzné kapacity sonikácie tu 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 a kol. (2010) |
| Nanogély na báze chitosanu zdobené hyaluronátom | Fotosenzibilizátory ako tetra-fenyl-porfyrín-tetra-sulfonát (TPPS4), tetra-fenyl-chlórín-tetra-karboxylát (TPCC4) a chlórín e6 (Ce6) | Reumatické ochorenia | Rýchlo sa prijíma (4 hodiny) makrofágmi a hromadí sa v ich cytoplazme a organelách | Schmitt a kol. (2010) |
| Nanočastice PCEC v pluronových hydrogéloch | Lidokaín | Lokálna anestézia | Vytvorená dlhotrvajúca infiltračná anestézia v trvaní približne 360 min | Yin a kol. (2009) |
| Poly(laktid-koglykolová kyselina) a chitozánová nanočastica dispergovaná v HPMC a Carbopol géli | Spantide II | Alergická kontaktná dermatitída a iné zápalové ochorenia kože | Nanogelinnzvyšuje potenciál pre perkutánne podávanie spantidu II | Punit a kol. (2012) |
| nanogély z polyvinylpyrolidónu (kyselina akrylová) (PVP/PAAc) citlivé na pH | Pilokarpín | Udržujte primeranú koncentráciu pilokarpínu v mieste pôsobenia po dlhšiu dobu | Abd El-Rehim a kol. (2013) | |
| Zosieťovaný poly (etylénglykol) a polyetylenín | Oligonukleotidy | Neurodegeneratívne ochorenia | Efektívne sa prepravuje cez BBB. Transportná účinnosť sa ďalej zvyšuje, keď sa povrch nanogélu modifikuje transferínom alebo inzulínom | Vinogradov a kol. (2004) |
| Pullulanové nanogély s obsahom cholesterolu | Rekombinantný myší interleukín-12 | Imunoterapia nádorov | Nanogél s predĺženým uvoľňovaním | Farhana a kol. (2013) |
| Poly (N-izopropylakrylamid) a chitozán | Liečba rakoviny hypertermie a cielené podávanie liekov | Termosenzitívne magneticky modalizované | Farhana a kol. (2013) | |
| Zosieťovaná rozvetvená sieť polyetyléneimínu a PEG Polyplexnanogélu | Fudarabín | Rakovina | Zvýšená aktivita a znížená cytotoxicita | Farhana a kol. (2013) |
| Biokompatibilný nanogél pullulanu obsahujúceho cholesterol | Ako umelý sprievodca | Liečba Alzheimerovej choroby | Inhibuje agregáciu amyloidného β-proteínu | Ikeda a kol. (2006) |
| DNA nanogél s fotozosieťovaním | Genetický materiál | Génová terapia | Riadené dodávanie plazmidovej DNA | Lee a kol. (2009) |
| Hybridný nanočasticový gél karbopol/oxid zinočnatý (ZnO) | Nanočastice ZnO | Antibakteriálna aktivita, bakteriálny inhibítor | Ismail a kol. (2021) |
Tabuľka upravená podľa Swarnali et al., 2017
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.