Sinteza nanokompozitnega hidrogela z uporabo ultrazvoka
Nanokompozitni hidrogeli ali nanogeli so večnamenske 3D strukture z visoko učinkovitostjo kot nosilci zdravil in sistemi za dovajanje zdravil z nadzorovanim sproščanjem. Ultrasonication spodbuja disperzijo nano-velikih, polimernih hidrogelnih delcev in posledično vključitev? vgradnjo nanodelcev v te polimerne strukture.
Ultrazvočna sinteza nanogelov
Nanokompozitni hidrogeli so tridimenzionalne materialne strukture in so lahko zasnovani tako, da kažejo posebne lastnosti, zaradi česar so močni nosilci zdravil in sistemi za dovajanje zdravil z nadzorovanim sproščanjem. Ultrasonication spodbuja sintezo funkcionaliziranih nano-delcev in posledično vključitev? vključitev nanodelcev v tridimenzionalne polimerne strukture. Ker lahko ultrazvočno sintetizirani nanogeli ujamejo bioaktivne spojine v svojem nanomerilu, ti nano-veliki hidrogeli ponujajo odlične funkcionalnosti.
Nanogeli so vodna disperzija hidrogelnih nanodelcev, ki so fizikalno ali kemično zamreženi kot hidrofilna polimerna mreža. Ker je ultrazvok visoke zmogljivosti zelo učinkovit pri proizvodnji nano-disperzij, so ultrazvočni aparati tipa sonde ključno orodje za hitro in zanesljivo proizvodnjo nanogelov z vrhunskimi funkcijami.
Ultrazvočni aparat UIP1000hdT s steklenim reaktorjem za sintezo nanokompozitnega hidrogela
Funkcionalnosti ultrazvočno proizvedenih nanogelov
- odlična koloidna stabilnost in velika specifična površina
- je lahko gosto zapakiran z nanodelci
- omogočajo združevanje trdih in mehkih delcev v hibridnem jedru? lupini nanogel
- visok hidracijski potencial
- spodbujanje biološke uporabnosti
- visoke lastnosti otekanja? odstranjevanja otekanja
Ultrazvočno sintetizirani nanogeli se uporabljajo v številnih aplikacijah in industrijah, npr.
- za farmacevtsko in medicinsko uporabo: npr. nosilec zdravil, antibakterijski gel, antibakterijska obloga za rane
- v biokemiji in biomedicini za dostavo genov
- kot adsorbent/biosorbent v kemičnih in okoljskih aplikacijah
- v tkivnem inženiringu, saj lahko hidrogeli posnemajo fizikalne, kemične, električne in biološke lastnosti številnih naravnih tkiv
Študija primera: Sinteza cinkovega nanogela po sonokemični poti
Hibridni nanodelci ZnO se lahko stabilizirajo v gelu Carbopol z enostavnim ultrazvočnim postopkom: Sonication se uporablja za obarjanje cinkovih nanodelcev, ki so nato ultrazvočno premreženi s Carbopolom, da tvorijo nano-hidrogel.
Ismail et al. (2021) so oborili nanodelce cinkovega oksida po enostavni sonokemični poti. (Protokol za sonokemično sintezo nanodelcev ZnO najdete tukaj).
Nato so bili nanodelci uporabljeni za sintezo ZnO nanogela. Zato so proizvedene NP ZnO sprali z dvojno deionizirano vodo. 0,5 g Carbopol 940 je bilo raztopljeno v 300 ml podvojene deionizirane vode, nato pa je bilo dodano sveže opranih ZnO NPs. Ker je zdravilo Carbopol naravno kislo, je treba raztopino nevtralizirati pH vrednosti, sicer se ne bi zgostila. Tako je bila mešanica neprekinjeno ultrazvočno obdelava s Hielscherjevim ultrazvočnim aparatom UP400S z amplitudo 95 in ciklom 95% za 1 uro. Nato je bilo po kapljicah dodanih 50 ml trimetilamina (TEA) kot nevtralizacijskega sredstva (dvig pH na 7) pod neprekinjeno ultrazvočno razbijanjem, dokler ni prišlo do nastanka belega gela ZnO. Zgoščevanje Carbopola se je začelo, ko je bil pH blizu nevtralnega pH.
Raziskovalna skupina pojasnjuje izjemno pozitivne učinke ultrasonication na tvorbo nanogela z izboljšano interakcijo delcev in delcev. Ultrazvočno sproženo molekularno mešanje sestavin v reakcijski zmesi izboljša proces zgoščevanja, ki ga spodbujajo interakcije med polimerom in topilom. Poleg tega ultrazvočno raztapljanje spodbuja raztapljanje Carbopola. Poleg tega ultrazvočno valovno obsevanje poveča interakcijo polimer-ZnO NP in izboljša viskoelastične lastnosti pripravljenega hibridnega nanodelca gela Carbopol? ZnO.
Zgornji shematski diagram poteka prikazuje sintezo ZnO NP in hibridnega nanodelčnega gela Carbopol? ZnO. V študiji je bil ultrazvočni UP400St uporabljen za obarjanje nanodelcev ZnO in tvorbo nanogela. (prilagojeno po Ismail et al., 2021)
ZnO NP, sintetizirani s kemično metodo obarjanja pod vplivom ultrazvočne razlage, kjer je (a) v vodni raztopini in (b) je ultrazvočno razpršen v stabilen hidrogel na osnovi Carbopola.
Primer Stuy: Ultrazvočna priprava poli(metakrilne kisline)/montmorilonita (PMA/nMMT) Nanogela
(2020) so pokazali uspešno sintezo nanokompozitnega hidrogela poli(metakrilne kisline)? montmorilonita (PMA? nMMT) z ultrazvočno podprto redoks polimerizacijo. Običajno je bilo 1,0 g nMMT razpršeno v 50 ml destilirane vode z ultrazvokom 2 uri, da se oblikuje homogena disperzija. Sonication izboljša disperzijo gline, kar ima za posledico izboljšane mehanske lastnosti in adsorpcijsko sposobnost hidrogelov. Suspenziji je bil po kapljicah dodan monomer metakrilne kisline (30 ml). Mešanici je bil dodan iniciatorski amonijev persulfat (APS) (0,1 M), ki mu je sledil 1,0 ml pospeševalnika TEMED. Disperzijo smo močno mešali 4 ure pri 50 °C z magnetnim mešalom. Nastala viskozna masa je bila oprana z acetonom in sušena 48 ur pri 70 °C v pečici. Nastali izdelek je bil zmlet in shranjen v steklenici. Različni nanokompozitni geli so bili sintetizirani s spreminjanjem nMMT v količinah 0,5, 1,0, 1,5 in 2,0 g. Nanokompozitni hidrogeli, pripravljeni z uporabo 1,0 g nMMT, so pokazali boljše rezultate adsorpcije kot ostali kompoziti, zato so bili uporabljeni za nadaljnjo adsorpcijsko raziskavo.
Mikrografije SEM-EDX na desni prikazujejo elementarno in strukturno analizo nanogelov, ki jih sestavljajo montmorilonit (MMT), nano-montmorilonit (nMMT), poli(metakrilna kislina)/nano-montmorilonit (PMA/nMMT) ter PMA/nMMT, obremenjeni z amoksicilinom (AMX) in diklofenakom (DF). Mikrografije SEM so bile posnete pri povečavi 1,00 KX skupaj z EDX
- montmorilonit (MMT),
- nano-montmorilonit (nMMT),
- poli(metakrilna kislina)/nanomontmorilonit (PMA/nMMT),
- in PMA/nMMT, obremenjena z amoksicilinom (AMX) in diklofenakom (DF).
Ugotovljeno je, da surovi MMT dolguje večplastno strukturo lista, ki kaže prisotnost večjih zrn. Po spremembi se listi MMT luščijo v drobne delce, kar je lahko posledica izločanja Si2+ in Al3+ iz oktaedričnih mest. EDX spekter nMMT kaže visok odstotek ogljika, kar je lahko predvsem posledica površinsko aktivne snovi, ki se uporablja za modifikacijo, saj je glavna sestavina CTAB (C19H42BrN) ogljik (84%). PMA/nMMT prikazuje koherentno in skoraj soneprekinjeno strukturo. Poleg tega niso vidne nobene pore, kar prikazuje popolno luščenje nMMT v matrico PMA. Po sorpciji s farmacevtskima molekulama amoksicilinom (AMX) in diklofenakom (DF) opazimo spremembe v morfologiji PMA/nMMT. Površina postane asimetrična s povečanjem grobe teksture.
Uporaba in funkcionalnosti nano-velikih hidrogelov na osnovi gline: Hidrogelni nanokompoziti na osnovi gline so predvideni kot potencialni super adsorbenti za absorpcijo anorganskih in? ali organskih onesnaževalcev iz vodne raztopine zaradi kombinirajočih lastnosti gline in polimerov, kot so biorazgradljivost, biokompatibilnost, ekonomska upravičenost, številčnost, visoka specifična površina, tridimenzionalna mreža in lastnosti nabrekanja? razbrekanja.
(prim. Khan et al., 2020)
Mikrografije SEM-EDX (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT in (d) nanokompozitnih hidrogelov, obremenjenih z AMX in (e) DF. Nanogeli so bili pripravljeni z ultrazvokom.
Visoko zmogljivi ultrazvočni aparati za proizvodnjo hidrogela in nanogela
Visoko zmogljivi ultrazvočni aparati za proizvodnjo hidrogela in nanogela
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljivo ultrazvočno opremo za sintezo hidrogelov in nanogelov z vrhunskimi funkcionalnostmi. Od majhnih in srednje velikih R&D in pilotni ultrazvočni aparati za industrijske sisteme za komercialno proizvodnjo hidrogela v neprekinjenem načinu, Hielscher Ultrasonics ima pravi ultrazvočni procesor, ki pokriva vaše zahteve za proizvodnjo hidrogela? nanogela.
- visoka učinkovitost
- Najsodobnejša tehnologija
- Zanesljivost & Robustnosti
- Serije & Inline
- za poljubno količino
- Inteligentna programska oprema
- pametne funkcije (npr. protokoliranje podatkov)
- enostaven in varen za uporabo
- nizko vzdrževanje
- CIP (čiščenje na mestu)
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml? min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml? min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas!? Vprašajte nas!
(Študija in film: Rutgeerts et al., 2019)
Literatura? Reference
- 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.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Protokol za sonokemično sintezo nanodelcev ZnO
ZnO NP so bili sintetizirani s kemično metodo obarjanja pod vplivom ultrazvočnega obsevanja. V tipičnem postopku so bili uporabljeni cinkov acetat dihidrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) kot predhodna sestavina in raztopina amoniaka 30–33% (NH3) v vodni raztopini (NH4OH) kot redukcijsko sredstvo. Nanodelci ZnO so bili proizvedeni z raztapljanjem ustrezne količine cinkovega acetata v 100 ml deionizirane vode, da se proizvede 0,1 M raztopine cinkovih ionov. Nato je bila raztopina cinkovih ionov izpostavljena ultrazvočnemu valovnemu obsevanju z uporabo Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Nemčija) pri amplitudi 79% in ciklu 0,76 5 minut pri temperaturi 40 ° C. Nato je bila raztopina amoniaka dodana po kapljicah raztopini cinkovih ionov pod vplivom ultrazvočnih valov. Po nekaj trenutkih so se ZnO NP začeli oboriti in rasti, raztopina amoniaka pa se je nenehno dodajala, dokler ni prišlo do popolnega obarjanja ZnO NP.
Pridobljene ZnO NP so večkrat oprali z deionizirano vodo in jih pustili, da se usedejo. Posteriorno je bila dobljena oborina posušena pri sobni temperaturi.
(Ismail et al., 2021)
Kaj so Nanogeli?
Nanogeli ali nanokompozitni hidrogeli so vrsta hidrogela, ki v svojo strukturo vključuje nanodelce, običajno v območju 1-100 nanometrov. Ti nanodelci so lahko organski, anorganski ali kombinacija obeh.
Nanogeli nastanejo s postopkom, znanim kot navzkrižno povezovanje, ki vključuje kemično vez polimernih verig, da tvorijo tridimenzionalno mrežo. Ker je za nastanek hidrogelov in nanogelov potrebno temeljito mešanje, da se hidrira polimerna struktura, spodbuja premreževanje in vključijo nanodelci, je ultrazvok zelo učinkovita tehnika za proizvodnjo hidrogelov in nanogelov. Hidrogelna in nanogelna omrežja so sposobna absorbirati velike količine vode, zaradi česar so nanogeli visoko hidrirani in zato primerni za široko paleto aplikacij, kot so dostava zdravil, tkivni inženiring in biosenzorji.
Nanogel hidrogeli so običajno sestavljeni iz nanodelcev, kot so silicijev dioksid ali polimerni delci, ki so razpršeni po celotni hidrogelni matrici. Te nanodelce lahko sintetiziramo z različnimi metodami, vključno z emulzično polimerizacijo, inverzno emulzično polimerizacijo in sintezo sol-gela. Te polimerizacijske in sol-gel sinteze imajo veliko koristi od ultrazvočnega mešanja.
Nanokompozitni hidrogeli pa so sestavljeni iz kombinacije hidrogela in nanopolnila, kot sta glina ali grafen oksid. Dodatek nanopolnila lahko izboljša mehanske in fizikalne lastnosti hidrogela, kot so njegova togost, natezna trdnost in žilavost. Tukaj močne disperzijske zmogljivosti ultrazvočnega razbijanja olajšajo enakomerno in stabilno porazdelitev nanodelcev v hidrogelni matriks.
Na splošno imajo nanogel in nanokompozitni hidrogeli zaradi svojih edinstvenih lastnosti in funkcionalnosti široko paleto potencialnih aplikacij na področjih, kot so biomedicina, sanacija okolja in shranjevanje energije.
Uporaba nanogela za zdravljenje
| Vrsta nanogela | Zdravilo | bolezen | Dejavnost | Sklicevanja |
| PAMA-DMMA nanogeli | doksorubicin | Rak | Povečanje hitrosti sproščanja, ko se je pH vrednost zmanjšala. Višja citotoksičnost pri pH 6,8 v študijah viabilnosti celic | Du et al. (2010) |
| Nanogeli na osnovi hitozana, okrašeni s hialuronatom | Fotosenzibilizatorji, kot so tetra-fenil-porfirin-tetra-sulfonat (TPPS4), tetra-fenil-klorin-tetra-karboksilat (TPCC4) in klorin e6 (Ce6) | Revmatične bolezni | Makrofagi ga hitro absorbirajo (4 h) in se kopičijo v citoplazmi in organelih | Schmitt et al. (2010) |
| Nanodelci PCEC v pluronskih hidrogelih | Lidokain | Lokalna anestezija | Izdelana dolgotrajna infiltracijska anestezija približno 360 min | Yin et al. (2009) |
| Poli(laktid-ko-glikolna kislina) in nanodelci hitosana, razpršeni v HPMC in Carbopol gelu | Spantida II | Alergijski kontaktni dermatitis in druge vnetne bolezni kože | Nanogelinngube potencial za perkutano dajanje spantida II | Punit et al. (2012) |
| pH-občutljivi polivinilpirolidon-poli (akrilna kislina) (PVP/PAAc) nanogeli | Pilokarpin | Vzdržujte ustrezno koncentracijo pilokarpina na mestu delovanja dlje časa. | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Umreženi poli (etilen glikol) in polietilenin | Oligonukleotidi | Nevrodegenerativne bolezni | Učinkovito se prevaža čez BBB. Učinkovitost transporta se še poveča, ko se površina nanogela spremeni s transferinom ali insulinom | Vinogradov et al. (2004) |
| Pullulan nanogeli, ki vsebujejo holesterol | Rekombinantni mišji interlevkin-12 | Imunoterapija tumorjev | Nanogel s podaljšanim sproščanjem | Farhana et al. (2013) |
| Poli(N-izopropilakrilamid) in hitozan | Zdravljenje raka hipertermije in ciljno dajanje zdravil | Termosenzitivna magnetno modalizirana | Farhana et al. (2013) | |
| Umrežena razvejana mreža polietilenimina in PEG Polyplexnanogel | Fludarabin | Rak | Povečana aktivnost in zmanjšana citotoksičnost | Farhana et al. (2013) |
| Biokompatibilen nanogel pululana, ki vsebuje holesterol | Kot umetni spremljevalec | Treatment of Alzheimer’s disease | Zavira agregacijo amiloidnih β-beljakovin | Ikeda et al. (2006) |
| DNK nanogel s foto-navzkrižnim povezovanjem | Genski material | Genska terapija | Nadzorovana dostava plazmidne DNA | Lee et al. (2009) |
| Hibridni gel nanodelcev karbopol/cinkov oksid (ZnO) | Nanodelci ZnO | Antibakterijsko delovanje, bakterijski zaviralec | Ismail et al. (2021) |
Tabela, povzeta po Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.