Syntéza nanokompozitných hydrogélov pomocou ultrazvuku
Nanokompozitné hydrogély alebo nanogély sú multifunkčné 3D štruktúry s vysokou účinnosťou ako nosiče liečiv a systémy na podávanie liečiv s riadeným uvoľňovaním. Pôsobenie ultrazvuku podporuje dispergovanie polymérnych hydrogélových častíc s nanometrovými rozmermi, ako aj následné začlenenie/zabudovanie nanočastíc do týchto polymérnych štruktúr.
Ultrazvuková syntéza nanogélov
Nanokompozitné hydrogély sú trojrozmerné materiálové štruktúry a možno ich navrhnúť tak, aby vykazovali špecifické vlastnosti, vďaka čomu sú účinnými nosičmi liečiv a systémami na podávanie liečiv s riadeným uvoľňovaním. Pôsobenie ultrazvuku podporuje syntézu funkcionalizovaných častíc s nanometrovými rozmermi, ako aj následné začlenenie/zabudovanie nanočastíc do trojrozmerných polymérnych štruktúr. Keďže ultrazvukovo syntetizované nanogély môžu zachytávať bioaktívne zlúčeniny vo svojom jadre s nanometrovými rozmermi, tieto hydrogély s nanometrovými rozmermi ponúkajú vynikajúce funkčné vlastnosti.
Nanogély sú vodné disperzie hydrogélových nanočastíc, ktoré sú fyzikálne alebo chemicky zosieťované do hydrofilnej polymérnej siete. Keďže vysokovýkonný ultrazvuk je pri výrobe nanodisperzií vysoko účinný, sondové ultrazvukové prístroje sú kľúčovým nástrojom na rýchlu a spoľahlivú výrobu nanogélov s vynikajúcimi funkčnými vlastnosťami.
Ultrazvukový prístroj UIP1000hdT so skleneným reaktorom na syntézu nanokompozitných hydrogélov
Funkčné vlastnosti ultrazvukovo vyrábaných nanogélov
- vynikajúca koloidná stabilita a veľký merný povrch
- možno ich husto naplniť nanočasticami
- umožňujú kombinovať tvrdé a mäkké častice v hybridnom nanogéli so štruktúrou jadro/obal
- vysoký hydratačný potenciál
- podpora biologickej dostupnosti
- vysoká schopnosť napučiavania / zmenšovania objemu pri strate vody
Ultrazvukovo syntetizované nanogély sa používajú v mnohých aplikáciách a priemyselných odvetviach, napr.
- vo farmaceutických a medicínskych aplikáciách: napr. ako nosič liečiv, antibakteriálny gél, antibakteriálne krytie rán
- v biochémii a biomedicíne na prenos génov
- ako adsorbent/biosorbent v chemických a environmentálnych aplikáciách
- v tkanivovom inžinierstve, keďže hydrogély môžu napodobňovať fyzikálne, chemické, elektrické a biologické vlastnosti mnohých prirodzených tkanív
Prípadová štúdia: Syntéza zinkového nanogélu sonochemickou cestou
Hybridné nanočastice ZnO možno stabilizovať v géli Carbopol jednoduchým ultrazvukovým procesom: sonikácia sa používa na vyvolanie zrážania nanočastíc zinku, ktoré sa následne ultrazvukovo zosieťujú s polymérom Carbopol za vzniku nanohydrogélu.
Ismail et al. (2021) vyzrážali nanočastice oxidu zinočnatého jednoduchou sonochemickou cestou. (Protokol sonochemickej syntézy nanočastíc ZnO nájdete tu).
Následne sa nanočastice použili na syntézu nanogélu ZnO. Na tento účel sa pripravené nanočastice ZnO opláchli dvakrát deionizovanou vodou. 0,5 g Carbopol 940 sa rozpustilo v 300 mL dvakrát deionizovanej vody a následne sa pridali čerstvo premyté nanočastice ZnO. Keďže Carbopol je prirodzene kyslý, roztok si vyžaduje neutralizáciu hodnoty pH, inak by nezhustol. Zmes sa preto nepretržite sonikovala ultrazvukovým prístrojom Hielscher UP400S s amplitúdou 95 a cyklom 95% počas 1 h. Potom sa za nepretržitej sonikácie po kvapkách pridávalo 50 mL trimetylamínu (TEA) ako neutralizačného činidla (zvyšujúceho pH na 7), až kým sa nevytvoril biely gél ZnO. Carbopol začal hustnúť, keď sa pH priblížilo k neutrálnej hodnote.
Výskumný tím vysvetľuje mimoriadne pozitívne účinky pôsobenia ultrazvuku na tvorbu nanogélu zosilnenou interakciou medzi časticami. Molekulový pohyb zložiek reakčnej zmesi vyvolaný ultrazvukom zintenzívňuje proces zahusťovania podporovaný interakciami medzi polymérom a rozpúšťadlom. Sonikácia navyše podporuje rozpúšťanie Carbopolu. Pôsobenie ultrazvukových vĺn tiež zosilňuje interakciu medzi polymérom a nanočasticami ZnO a zlepšuje viskoelastické vlastnosti pripraveného gélu s hybridnými nanočasticami Carbopol/ZnO.
Schematický vývojový diagram vyššie znázorňuje syntézu nanočastíc ZnO a gélu s hybridnými nanočasticami Carbopol/ZnO. V štúdii sa na zrážanie nanočastíc ZnO a tvorbu nanogélu použil ultrazvukový prístroj UP400St. (upravené podľa Ismail et al., 2021)
Nanočastice ZnO syntetizované metódou chemického zrážania za pôsobenia ultrazvuku, pričom (a) sú vo vodnom roztoku a (b) sú ultrazvukom dispergované do stabilného hydrogélu na báze Carbopolu.
(štúdia a obrázok: Ismail et al., 2021)
Prípadová štúdia: Ultrazvuková príprava nanogélu z poly(kyseliny metakrylovej)/montmorillonitu (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) preukázali úspešnú syntézu nanokompozitného hydrogélu z poly(kyseliny metakrylovej)/montmorillonitu (PMA/nMMT) redoxnou polymerizáciou za pomoci ultrazvuku. Pri typickom postupe sa 1,0 g nMMT dispergovalo v 50 mL destilovanej vody pôsobením ultrazvuku počas 2 h, čím sa vytvorila homogénna disperzia. Sonikácia zlepšuje dispergovanie 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 peroxodisíran amónny (APS) (0,1 M) a následne 1,0 mL urýchľovača TEMED. Disperzia sa intenzívne miešala magnetickým miešadlom počas 4 h pri 50°C. Výsledná viskózna hmota sa premyla acetónom a sušila počas 48 h pri 70°C v sušiarni. Výsledný produkt sa pomlel a uskladnil v sklenenej fľaši. Rôzne nanokompozitné gély sa syntetizovali zmenou množstva nMMT na 0,5, 1,0, 1,5 a 2,0 g. Nanokompozitné hydrogély pripravené s použitím 1,0 g nMMT vykazovali lepšie výsledky adsorpcie než ostatné kompozity, a preto sa použili na ďalší výskum adsorpcie.
Mikroskopické snímky SEM-EDX vpravo zobrazujú prvkovú a štruktúrnu analýzu nanogélov pozostávajúcich z montmorillonitu (MMT), nano-montmorillonitu (nMMT), poly(kyseliny metakrylovej)/nano-montmorillonitu (PMA/nMMT) a PMA/nMMT s obsahom amoxicilínu (AMX) a diklofenaku (DF). Mikroskopické snímky SEM zaznamenané pri zväčšení 1,00 KX spolu s EDX analýzou
- montmorillonitu (MMT),
- nano-montmorillonitu (nMMT),
- poly(kyseliny metakrylovej)/nano-montmorillonitu (PMA/nMMT),
- a PMA/nMMT s obsahom amoxicilínu (AMX) a diklofenaku (DF).
Pozoruje sa, že surový MMT má vrstevnatú doštičkovú štruktúru s prítomnosťou väčších zŕn. Po modifikácii sa doštičky MMT exfoliujú na drobné častice, čo môže byť spôsobené odstránením Si2+ a Al3+ z oktaedrických polôh. EDX spektrum nMMT vykazuje vysoký percentuálny obsah uhlíka, čo môže byť spôsobené predovšetkým povrchovo aktívnou látkou použitou pri modifikácii, keďže hlavnou zložkou CTAB (C19H42BrN) je uhlík (84%). PMA/nMMT vykazuje súdržnú a takmer kokontinuálnu štruktúru. Navyše nie sú viditeľné žiadne póry, čo poukazuje na úplnú exfoliáciu nMMT do matrice PMA. Po sorpcii molekúl liečiv amoxicilínu (AMX) a diklofenaku (DF) sa pozorujú zmeny v morfológii PMA/nMMT. Povrch sa stáva asymetrickým a jeho textúra je drsnejšia.
Použitie a funkčné vlastnosti hydrogélov na báze ílu s nanometrovými rozmermi: Hydrogélové nanokompozity na báze ílu sa považujú za potenciálne superadsorbenty na zachytávanie anorganických a/alebo organických kontaminantov z vodného roztoku vďaka spojeniu vlastností ílov aj polymérov, ako sú biologická odbúrateľnosť, biokompatibilita, ekonomická výhodnosť, hojný výskyt, veľký merný povrch, trojrozmerná sieť a schopnosť napučiavania / odpučiavania.
(porov. Khan et al., 2020)
Mikrosnímky SEM-EDX nanokompozitných hydrogélov: (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT a hydrogély s obsahom (d) AMX a (e) DF. Nanogély boli pripravené pomocou ultrazvuku.
(štúdia a obrázky: ©Khan et al. 2020)
Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na výrobu hydrogélov a nanogélov
Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na výrobu hydrogélov a nanogélov
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia na syntézu hydrogélov a nanogélov s vynikajúcimi funkčnými vlastnosťami. Od malých a stredne veľkých ultrazvukových prístrojov na výskum a vývoj a pilotnú prevádzku až po priemyselné systémy na komerčnú výrobu hydrogélov v kontinuálnom režime – Hielscher Ultrasonics má vhodný ultrazvukový procesor, ktorý splní vaše požiadavky na výrobu hydrogélov / nanogélov.
- vysoká účinnosť
- najmodernejšia technológia
- spoľahlivosť a robustnosť
- dávkové a prietokové spracovanie
- pre akýkoľvek objem
- inteligentný softvér
- inteligentné funkcie (napr. zaznamenávanie údajov)
- jednoduchá a bezpečná obsluha
- nízke nároky na údržbu
- CIP (čistenie na mieste)
Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150L | 3 až 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zoskupenie zariadení UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
(Štúdia a video: 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.
Užitočné informácie
Protokol sonochemickej syntézy nanočastíc ZnO
Nanočastice ZnO sa syntetizovali metódou chemického zrážania za pôsobenia ultrazvukového ožarovania. Pri typickom postupe sa použil dihydrát octanu zinočnatého (Zn(CH3COO)2·2H2O) ako prekurzor a 30–33% roztok amoniaku (NH3) vo vodnom roztoku (NH4OH) ako redukčné činidlo. Nanočastice ZnO sa pripravili rozpustením príslušného množstva octanu zinočnatého v 100 mL deionizovanej vody, čím sa získal 0,1 M roztok zinočnatých iónov. Následne sa roztok zinočnatých iónov vystavil pôsobeniu ultrazvukových vĺn pomocou zariadenia Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlín, Nemecko) pri amplitúde 79% a cykle 0,76 počas 5 min pri teplote 40 ◦C. Potom sa do roztoku zinočnatých iónov za pôsobenia ultrazvukových vĺn po kvapkách pridával roztok amoniaku. Po niekoľkých okamihoch sa nanočastice ZnO začali zrážať a rásť a roztok amoniaku sa nepretržite pridával až do úplného vyzrážania nanočastíc ZnO.
Získané nanočastice ZnO sa niekoľkokrát premyli deionizovanou vodou a nechali sa usadiť. Následne sa získaná zrazenina vysušila pri izbovej teplote.
(Ismail et al., 2021)
Čo sú nanogély?
Nanogély alebo nanokompozitné hydrogély sú typom hydrogélu, ktorý do svojej štruktúry zahŕňa nanočastice, zvyčajne s veľkosťou v rozsahu 1–100 nanometrov. Tieto nanočastice môžu byť organické, anorganické alebo kombináciou oboch.
Nanogély vznikajú procesom známym ako zosieťovanie, pri ktorom sa polymérne reťazce chemicky spájajú a vytvárajú trojrozmernú sieť. Keďže tvorba hydrogélov a nanogélov vyžaduje dôkladné miešanie na hydratáciu polymérnej štruktúry, podporu zosieťovania a začlenenie nanočastíc, ultrazvukové spracovanie je vysoko účinnou technikou výroby hydrogélov a nanogélov. Hydrogélové a nanogélové siete dokážu absorbovať veľké množstvá vody, vďaka čomu sú nanogély vysoko hydratované, a teda vhodné na širokú škálu použití, ako sú dodávanie liečiv, tkanivové inžinierstvo a biosenzory.
Nanogélové hydrogély sa zvyčajne skladajú z nanočastíc, napríklad častíc oxidu kremičitého alebo polymérnych častíc, ktoré sú rozptýlené v celej hydrogélovej matrici. Tieto nanočastice možno syntetizovať rôznymi metódami vrátane emulznej polymerizácie, inverznej emulznej polymerizácie a sól-gélovej syntézy. Tieto polymerizačné a sól-gélové syntézy výrazne ťažia z ultrazvukového miešania.
Nanokompozitné hydrogély sa zasa skladajú z kombinácie hydrogélu a nanoplniva, napríklad ílu alebo oxidu grafénu. Pridanie nanoplniva môže zlepšiť mechanické a fyzikálne vlastnosti hydrogélu, ako sú jeho tuhosť, pevnosť v ťahu a húževnatosť. Výkonné dispergačné schopnosti sonikácie tu uľahčujú rovnomerné a stabilné rozloženie nanočastíc v hydrogélovej matrici.
Celkovo majú nanogélové a nanokompozitné hydrogély vďaka svojim jedinečným vlastnostiam a funkciám širokú škálu potenciálnych použití v oblastiach, ako sú biomedicína, sanácia životného prostredia a skladovanie energie.
Použitie nanogélov pri liečbe
| Typ nanogélu | Liečivo | Ochorenie | Účinok | Referencie |
| Nanogély PAMA-DMMA | Doxorubicín | Rakovina | Zvýšenie rýchlosti uvoľňovania pri poklese hodnoty pH. Vyššia cytotoxicita pri pH 6,8 v štúdiách životaschopnosti buniek | Du et al. (2010) |
| Nanogély na báze chitozánu s hyaluronátom na povrchu | Fotosenzibilizátory ako tetrafenylporfyríntetrasulfonát (TPPS4), tetrafenylchloríntetrakarboxylát (TPCC4) a chlorín e6 (Ce6) | Reumatické ochorenia | Rýchlo prijímané (4 h) makrofágmi a akumulované v ich cytoplazme a organelách | Schmitt et al. (2010) |
| Nanočastice PCEC v hydrogéloch Pluronic | Lidokaín | Lokálna anestézia | Vyvolali dlhotrvajúcu infiltračnú anestéziu trvajúcu približne 360 min | Yin et al. (2009) |
| Nanočastica z poly(kyseliny mliečnej-ko-glykolovej) a chitozánu dispergovaná v géli HPMC a Carbopol | Spantide II | Alergická kontaktná dermatitída a iné zápalové ochorenia kože | Nanogél zvyšuje potenciál perkutánneho podávania spantidu II | Punit et al. (2012) |
| Nanogély z polyvinylpyrolidónu a poly(kyseliny akrylovej) (PVP/PAAc) citlivé na pH | Pilokarpín | Udržiavajú primeranú koncentráciu pilokarpínu v mieste účinku počas dlhšieho obdobia | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Zosieťovaný poly(etylénglykol) a polyetylénimín | Oligonukleotidy | Neurodegeneratívne ochorenia | Účinne sa transportujú cez hematoencefalickú bariéru (BBB). Účinnosť transportu sa ďalej zvyšuje, keď je povrch nanogélu modifikovaný transferínom alebo inzulínom | Vinogradov et al. (2004) |
| Nanogély z pullulánu nesúceho cholesterol | Rekombinantný myší interleukín-12 | Imunoterapia nádorov | Nanogél s predĺženým uvoľňovaním | Farhana et al. (2013) |
| Poly(N-izopropylakrylamid) a chitozán | Liečba rakoviny hypertermiou a cielené podávanie liečiv | Termocitlivý, magneticky modalizovaný | Farhana et al. (2013) | |
| Zosieťovaná rozvetvená sieť polyetylénimínu a PEG, polyplexový nanogél | Fludarabín | Rakovina | Zvýšená aktivita a znížená cytotoxicita | Farhana et al. (2013) |
| Biokompatibilný nanogél z pullulánu nesúceho cholesterol | Ako umelý chaperón | Liečba Alzheimerovej choroby | Inhibuje agregáciu amyloidového β-proteínu | Ikeda et al. (2006) |
| Nanogél z DNA s fotosieťovaním | Genetický materiál | Génová terapia | Riadené podávanie plazmidovej DNA | Lee et al. (2009) |
| Hybridný nanočasticový gél z Carbopolu a oxidu zinočnatého (ZnO) | Nanočastice ZnO | Antibakteriálna aktivita, inhibítor baktérií | Ismail et al. (2021) |
Tabuľka upravená podľa Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórnej až po priemyselnú veľkosť.