Sinteza nanokompozitnih hidrogelov z ultrazvočno obdelavo
Nanokompozitni hidrogeli ali nanogeli so večfunkcionalne 3D-strukture z visoko učinkovitostjo kot nosilci zdravilnih učinkovin in sistemi za dostavo zdravilnih učinkovin z nadzorovanim sproščanjem. Ultrazvočna obdelava spodbuja dispergiranje polimernih hidrogelnih delcev nanometrske velikosti ter poznejše vključevanje/vgrajevanje nanodelcev v te polimerne strukture.
Ultrazvočna sinteza nanogelov
Nanokompozitni hidrogeli so tridimenzionalne strukture materialov, ki jih je mogoče zasnovati tako, da imajo posebne lastnosti, zaradi česar so učinkoviti nosilci zdravilnih učinkovin in sistemi za dostavo zdravilnih učinkovin z nadzorovanim sproščanjem. Ultrazvočna obdelava spodbuja sintezo funkcionaliziranih delcev nanometrske velikosti ter poznejše vključevanje/vgrajevanje nanodelcev v tridimenzionalne polimerne strukture. Ker lahko ultrazvočno sintetizirani nanogeli ujamejo bioaktivne spojine v svoje nanometrsko jedro, ti hidrogeli nanometrske velikosti ponujajo izjemne funkcionalnosti.
Nanogeli so vodne disperzije hidrogelnih nanodelcev, ki so fizikalno ali kemijsko zamreženi v hidrofilno polimerno mrežo. Ker je visokozmogljiv ultrazvok zelo učinkovit pri pripravi nanodisperzij, so ultrazvočne naprave s sondo ključno orodje za hitro in zanesljivo proizvodnjo nanogelov z vrhunskimi funkcionalnostmi.
Ultrazvočna naprava UIP1000hdT s steklenim reaktorjem za sintezo nanokompozitnih hidrogelov
Funkcionalnosti ultrazvočno proizvedenih nanogelov
- odlična koloidna stabilnost in velika specifična površina
- mogoče jih je gosto napolniti z nanodelci
- omogočajo združevanje trdih in mehkih delcev v hibridnem nanogelu s strukturo jedro/lupina
- visok hidratacijski potencial
- spodbujanje biološke uporabnosti
- izrazita sposobnost nabrekanja / zmanjševanja nabreklosti
Ultrazvočno sintetizirani nanogeli se uporabljajo v številnih aplikacijah in panogah, npr.
- za farmacevtske in medicinske namene: npr. kot nosilec zdravilnih učinkovin, antibakterijski gel, antibakterijska obloga za rane
- v biokemiji in biomedicini za dostavo genov
- kot adsorbent/biosorbent pri kemijskih in okoljskih aplikacijah
- v tkivnem inženirstvu, saj lahko hidrogeli posnemajo fizikalne, kemijske, električne in biološke lastnosti številnih naravnih tkiv
Študija primera: sinteza cinkovega nanogela po sonokemijski poti
Hibridne nanodelce ZnO je mogoče stabilizirati v gelu Carbopol s preprostim ultrazvočnim postopkom: sonikacija se uporablja za pospeševanje obarjanja cinkovih nanodelcev, ki se nato ultrazvočno zamrežijo s Carbopolom in tvorijo nanohidrogel.
Ismail et al. (2021) so nanodelce cinkovega oksida oborili po preprosti sonokemijski poti. (Protokol za sonokemijsko sintezo nanodelcev ZnO najdete tukaj).
Nato so nanodelce uporabili za sintezo nanogela ZnO. V ta namen so proizvedene nanodelce ZnO sprali z dvakrat deionizirano vodo. 0,5 g Carbopola 940 so raztopili v 300 mL dvakrat deionizirane vode, nato pa dodali sveže oprane nanodelce ZnO. Ker je Carbopol po naravi kisel, je treba nevtralizirati pH-vrednost raztopine, sicer se ne bi zgostila. Zato so zmes 1 h neprekinjeno sonicirali z ultrazvočno napravo Hielscher UP400S pri amplitudi 95 in ciklu 95%. Nato so med neprekinjeno sonikacijo po kapljicah dodajali 50 mL trimetilamina (TEA) kot nevtralizacijskega sredstva (ki zviša pH na 7), dokler ni nastal bel gel ZnO. Zgoščevanje Carbopola se je začelo, ko se je pH približal nevtralnemu pH.
Raziskovalna skupina izjemno pozitivne učinke ultrazvočne obdelave na nastanek nanogela pojasnjuje z okrepljenimi interakcijami med delci. Z ultrazvokom sproženo molekularno gibanje sestavin v reakcijski zmesi okrepi proces zgoščevanja, ki ga spodbujajo interakcije med polimerom in topilom. Poleg tega sonikacija spodbuja raztapljanje Carbopola. Obsevanje z ultrazvočnimi valovi dodatno okrepi interakcijo med polimerom in nanodelci ZnO ter izboljša viskoelastične lastnosti pripravljenega gela s hibridnimi nanodelci Carbopol/ZnO.
Zgornji shematski diagram poteka prikazuje sintezo nanodelcev ZnO in gela s hibridnimi nanodelci Carbopol/ZnO. V študiji so za obarjanje nanodelcev ZnO in nastanek nanogela uporabili ultrazvočno napravo UP400St. (prirejeno po Ismail et al., 2021)
Nanodelci ZnO, sintetizirani z metodo kemijskega obarjanja pod vplivom ultrazvočne obdelave, pri čemer so pri (a) v vodni raztopini, pri (b) pa so ultrazvočno dispergirani v stabilen hidrogel na osnovi Carbopola.
(študija in slika: Ismail et al., 2021)
Študija primera: ultrazvočna priprava nanogela poli(metakrilna kislina)/montmorilonit (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) so dokazali uspešno sintezo nanokompozitnega hidrogela poli(metakrilna kislina)/montmorilonit (PMA/nMMT) z ultrazvočno podprto redoks polimerizacijo. Pri običajnem postopku so 1,0 g nMMT z ultrazvočno obdelavo 2 h dispergirali v 50 mL destilirane vode, da je nastala homogena disperzija. Sonikacija izboljša dispergiranje gline, kar izboljša mehanske lastnosti in adsorpcijsko kapaciteto hidrogelov. Monomer metakrilne kisline (30 mL) so suspenziji dodali po kapljicah. Zmesi so dodali iniciator amonijev persulfat (APS) (0,1 M), nato pa še 1,0 mL pospeševalca TEMED. Disperzijo so z magnetnim mešalom intenzivno mešali 4 h pri 50°C. Nastalo viskozno maso so oprali z acetonom in sušili 48 h pri 70°C v sušilniku. Nastali produkt so zmleli in shranili v steklenici. Različne nanokompozitne gele so sintetizirali s spreminjanjem količine nMMT na 0,5, 1,0, 1,5 in 2,0 g. Nanokompozitni hidrogeli, pripravljeni z 1,0 g nMMT, so pokazali boljše adsorpcijske rezultate kot preostali kompoziti, zato so jih uporabili za nadaljnje raziskave adsorpcije.
Mikrografije SEM-EDX na desni prikazujejo elementno in strukturno analizo nanogelov iz montmorilonita (MMT), nanomontmorilonita (nMMT), poli(metakrilne kisline)/nanomontmorilonita (PMA/nMMT) ter PMA/nMMT z vgrajenima amoksicilinom (AMX) in diklofenakom (DF). Mikrografije SEM, posnete pri povečavi 1,00 KX, skupaj z analizo EDX za
- montmorilonit (MMT),
- nanomontmorilonit (nMMT),
- poli(metakrilno kislino)/nanomontmorilonit (PMA/nMMT),
- ter PMA/nMMT z vgrajenima amoksicilinom (AMX) in diklofenakom (DF).
Opaziti je mogoče, da ima surovi MMT plastovito lamelarno strukturo, v kateri so prisotna večja zrna. Po modifikaciji se plasti MMT eksfolirajo v drobne delce, kar je lahko posledica odstranitve Si2+ in Al3+ z oktaedrskih mest. Spekter EDX za nMMT kaže visok delež ogljika, kar je lahko predvsem posledica površinsko aktivne snovi, uporabljene za modifikacijo, saj je glavna sestavina CTAB (C19H42BrN) ogljik (84%). PMA/nMMT ima koherentno in skoraj sokontinuirno strukturo. Poleg tega ni vidnih por, kar kaže na popolno eksfoliacijo nMMT v matrico PMA. Po sorpciji farmacevtskih molekul amoksicilina (AMX) in diklofenaka (DF) je mogoče opaziti spremembe v morfologiji PMA/nMMT. Površina postane asimetrična in bolj hrapava.
Uporaba in funkcionalnosti hidrogelov nanometrske velikosti na osnovi gline: hidrogelni nanokompoziti na osnovi gline veljajo za potencialne superadsorbente za zajemanje anorganskih in/ali organskih onesnaževal iz vodne raztopine zaradi združenih lastnosti glin in polimerov, kot so biorazgradljivost, biokompatibilnost, ekonomska upravičenost, velika razpoložljivost, velika specifična površina, tridimenzionalna mreža ter sposobnost nabrekanja / zmanjševanja nabreklosti.
(prim. Khan et al., 2020)
Mikrografije SEM-EDX za (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT ter nanokompozitne hidrogele z vgrajenim (d) AMX in (e) DF. Nanogeli so bili pripravljeni z ultrazvočno obdelavo.
(študija in slike: ©Khan et al. 2020)
Visokozmogljive ultrazvočne naprave za proizvodnjo hidrogelov in nanogelov
Visokozmogljive ultrazvočne naprave za proizvodnjo hidrogelov in nanogelov
Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljivo ultrazvočno opremo za sintezo hidrogelov in nanogelov z vrhunskimi funkcionalnostmi. Od majhnih in srednje velikih ultrazvočnih naprav za raziskave in razvoj ter pilotno uporabo do industrijskih sistemov za komercialno proizvodnjo hidrogelov v neprekinjenem načinu – Hielscher Ultrasonics ima ustrezen ultrazvočni procesor za izpolnitev vaših zahtev pri proizvodnji hidrogelov / nanogelov.
- visoka učinkovitost
- najsodobnejša tehnologija
- zanesljivost in robustnost
- šaržna obdelava in obdelava v pretočni liniji
- za katero koli prostornino
- inteligentna programska oprema
- pametne funkcije (npr. beleženje podatkov)
- preprosto in varno upravljanje
- malo vzdrževanja
- CIP (čiščenje na mestu)
Spodnja tabela prikazuje okvirno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
(Študija in videoposnetek: 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.
Koristna dejstva
Protokol za sonokemijsko sintezo nanodelcev ZnO
Nanodelci ZnO so bili sintetizirani z metodo kemijskega obarjanja pod vplivom ultrazvočnega obsevanja. Pri običajnem postopku so uporabili cinkov acetat dihidrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) kot prekurzor in 30–33% raztopino amonijaka (NH3) v vodni raztopini (NH4OH) kot reducent. Nanodelce ZnO so proizvedli z raztapljanjem ustrezne količine cinkovega acetata v 100 mL deionizirane vode, da so dobili 0,1 M raztopino cinkovih ionov. Nato so raztopino cinkovih ionov obsevali z ultrazvočnimi valovi z napravo Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Nemčija) pri amplitudi 79% in ciklu 0,76, 5 min pri temperaturi 40 ◦C. Zatem so raztopino amonijaka po kapljicah dodajali raztopini cinkovih ionov pod vplivom ultrazvočnih valov. Po nekaj trenutkih so se nanodelci ZnO začeli obarjati in rasti, raztopino amonijaka pa so neprekinjeno dodajali, dokler se nanodelci ZnO niso popolnoma oborili.
Dobljene nanodelce ZnO so večkrat oprali z deionizirano vodo in jih pustili, da se usedejo. Nato so dobljeno oborino posušili 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 obojih.
Nanogeli nastajajo s postopkom, imenovanim zamreževanje, ki vključuje kemijsko povezovanje polimernih verig v tridimenzionalno mrežo. Ker nastanek hidrogelov in nanogelov zahteva temeljito mešanje za hidratacijo polimerne strukture, spodbujanje zamreževanja in vključevanje nanodelcev, je ultrazvočna obdelava zelo učinkovita tehnika za proizvodnjo hidrogelov in nanogelov. Mreže hidrogelov in nanogelov lahko absorbirajo velike količine vode, zaradi česar so nanogeli močno hidratirani in zato primerni za širok nabor aplikacij, kot so dostava zdravilnih učinkovin, tkivno inženirstvo in biosenzorji.
Nanogelni hidrogeli so običajno sestavljeni iz nanodelcev, kot so delci silicijevega dioksida ali polimerni delci, ki so dispergirani po celotni hidrogelni matrici. Te nanodelce je mogoče sintetizirati z različnimi metodami, vključno z emulzijsko polimerizacijo, inverzno emulzijsko polimerizacijo in sintezo sol-gel. Ultrazvočno mešanje znatno izboljša te postopke polimerizacije in sinteze sol-gel.
Nanokompozitni hidrogeli pa so sestavljeni iz kombinacije hidrogela in nanopolnila, kot sta glina ali grafenov oksid. Dodatek nanopolnila lahko izboljša mehanske in fizikalne lastnosti hidrogela, kot so togost, natezna trdnost in žilavost. Pri tem velika dispergacijska zmogljivost sonikacije omogoča enakomerno in stabilno porazdelitev nanodelcev v hidrogelni matrici.
Na splošno imajo nanogelni in nanokompozitni hidrogeli zaradi svojih edinstvenih lastnosti in funkcionalnosti širok nabor potencialnih aplikacij na področjih, kot so biomedicina, sanacija okolja in shranjevanje energije.
Uporaba nanogelov pri medicinskem zdravljenju
| Vrsta nanogela | Zdravilna učinkovina | Bolezen | Delovanje | Reference |
| Nanogeli PAMA-DMMA | Doksorubicin | Rak | Povečanje hitrosti sproščanja ob znižanju pH-vrednosti. Večja citotoksičnost pri pH 6,8 v študijah viabilnosti celic | Du et al. (2010) |
| Nanogeli na osnovi hitozana s površinsko vezanim hialuronatom | Fotosenzibilizatorji, kot so tetrafenilporfirintetrasulfonat (TPPS4), tetrafenilklorintetrakarboksilat (TPCC4) in klorin e6 (Ce6) | Revmatske bolezni | Makrofagi jih hitro privzamejo (4 h), nato pa se kopičijo v njihovi citoplazmi in organelih | Schmitt et al. (2010) |
| Nanodelci PCEC v hidrogelih Pluronic | Lidokain | Lokalna anestezija | Povzročili so dolgotrajno infiltracijsko anestezijo, ki je trajala približno 360 min | Yin et al. (2009) |
| Nanodelec poli(laktid-ko-glikolne kisline) in hitozana, dispergiran v gelu HPMC in Carbopol | Spantide II | Alergijski kontaktni dermatitis in druge vnetne kožne bolezni | Nanogel poveča potencial za perkutano dostavo spantida II | Punit et al. (2012) |
| Na pH občutljivi nanogeli polivinilpirolidona-poli(akrilne kisline) (PVP/PAAc) | Pilokarpin | Dalj časa vzdržujejo ustrezno koncentracijo pilokarpina na mestu delovanja | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Zamrežena poli(etilen glikol) in polietilenimin | Oligonukleotidi | Nevrodegenerativne bolezni | Učinkovit transport skozi krvno-možgansko pregrado (BBB). Učinkovitost transporta se dodatno poveča, kadar je površina nanogela modificirana s transferinom ali inzulinom | Vinogradov et al. (2004) |
| Nanogeli pululana z vezanim holesterolom | Rekombinantni mišji interlevkin-12 | Imunoterapija tumorjev | Nanogel s podaljšanim sproščanjem | Farhana et al. (2013) |
| Poli(N-izopropilakrilamid) in hitozan | Zdravljenje raka s hipertermijo in ciljna dostava zdravilnih učinkovin | Toplotno občutljiv, magnetno modaliziran | Farhana et al. (2013) | |
| Zamrežena razvejana mreža polietilenimina in PEG polipleksni nanogel | Fludarabin | Rak | Povečano delovanje in zmanjšana citotoksičnost | Farhana et al. (2013) |
| Biokompatibilni nanogel pululana z vezanim holesterolom | Kot umetni šaperon | Zdravljenje Alzheimerjeve bolezni | Zaviranje agregacije amiloidnega β-proteina | Ikeda et al. (2006) |
| Nanogel DNA s fotozamreževanjem | Genski material | Genska terapija | Nadzorovana dostava plazmidne DNA | Lee et al. (2009) |
| Gel s hibridnimi nanodelci Carbopol/cinkov oksid (ZnO) | Nanodelci ZnO | Antibakterijsko delovanje, zaviralec bakterij | Ismail et al. (2021) |
Tabela prirejena po Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje od laboratorijske do industrijske velikosti.