Sinteza e hidroxheleve nanokompozite me anë të trajtimit me ultratinguj
Hidroxhelet nanokompozite ose nanoxhelet janë struktura 3D shumëfunksionale me efikasitet të lartë si bartës të barnave dhe sisteme të shpërndarjes së barnave me çlirim të kontrolluar. Trajtimi me ultratinguj nxit shpërndarjen e grimcave polimerike të hidroxhelit me përmasa nanometrike, si dhe përfshirjen/inkorporimin e mëpasshëm të nanogrimcave në këto struktura polimerike.
Sinteza e nanoxheleve me ultratinguj
Hidroxhelet nanokompozite janë struktura materialesh tredimensionale dhe mund të projektohen për të shfaqur veçori specifike, gjë që i bën bartës të fuqishëm të barnave dhe sisteme të shpërndarjes së barnave me çlirim të kontrolluar. Trajtimi me ultratinguj nxit sintezën e grimcave të funksionalizuara me përmasa nanometrike, si dhe përfshirjen/inkorporimin e mëpasshëm të nanogrimcave në struktura polimerike tredimensionale. Meqë nanoxhelet e sintetizuara me ultratinguj mund të mbërthejnë përbërje bioaktive brenda bërthamës së tyre nanometrike, këto hidroxhele me përmasa nanometrike ofrojnë funksionalitete të shkëlqyera.
Nanoxhelet janë dispersione ujore të nanogrimcave të hidroxhelit, të cilat lidhen tërthorazi në mënyrë fizike ose kimike duke formuar një rrjet polimerik hidrofil. Meqë ultratingujt me performancë të lartë janë shumë efikasë në prodhimin e nanodispersioneve, aparatet me ultratinguj të tipit sondë janë një mjet thelbësor për prodhimin e shpejtë dhe të besueshëm të nanoxheleve me funksionalitete superiore.
Aparati me ultratinguj UIP1000hdT me reaktor qelqi për sintezën e hidroxheleve nanokompozite
Funksionalitetet e nanoxheleve të prodhuara me ultratinguj
- qëndrueshmëri e shkëlqyer koloidale dhe sipërfaqe specifike e madhe
- mund të mbushen dendur me nanogrimca
- mundësojnë kombinimin e grimcave të forta dhe të buta në një nanoxhel hibrid me bërthamë/mbështjellës
- potencial i lartë hidratimi
- nxitje e biodisponueshmërisë
- veti të larta bymimi / tkurrjeje
Nanoxhelet e sintetizuara me ultratinguj përdoren në zbatime dhe industri të shumta, p.sh.
- për zbatime farmaceutike dhe mjekësore: p.sh. bartës barnash, xhel antibakterial, mbulesë antibakteriale për plagët
- në biokimi dhe biomjekësi për shpërndarjen e gjeneve
- si adsorbues/bioadsorbues në zbatime kimike dhe mjedisore
- në inxhinierinë e indeve, pasi hidroxhelet mund të imitojnë vetitë fizike, kimike, elektrike dhe biologjike të shumë indeve natyrore
Rast studimi: Sinteza e nanoxhelit të zinkut me metodë sonokimike
Nanogrimcat hibride të ZnO mund të stabilizohen në një xhel Carbopol me anë të një procesi të thjeshtë me ultratinguj: Trajtimi me ultratinguj përdoret për të nxitur precipitimin e nanogrimcave të zinkut, të cilat më pas lidhen tërthorazi me Carbopol me anë të ultratingujve për të formuar një nanohidroxhel.
Ismail et al. (2021) precipituan nanogrimca të oksidit të zinkut me një metodë të thjeshtë sonokimike. (Gjeni këtu protokollin për sintezën sonokimike të nanogrimcave të ZnO).
Më pas, nanogrimcat u përdorën për të sintetizuar nanoxhelin e ZnO. Për këtë qëllim, nanogrimcat e prodhuara të ZnO u shpëlanë me ujë të dejonizuar dy herë. U tretën 0,5 g Carbopol 940 në 300 mL ujë të dejonizuar dy herë, pastaj u shtuan nanogrimcat e sapolara të ZnO. Meqenëse Carbopol është natyrshëm acid, tretësira kërkon neutralizimin e vlerës së pH-së, përndryshe nuk do të trashej. Kështu, përzierja iu nënshtrua sonikimit të vazhdueshëm duke përdorur ultrasonikatorin Hielscher UP400S me amplitudë 95 dhe cikël 95% për 1 h. Pastaj, 50 mL trimetilaminë (TEA), si agjent neutralizues (duke e rritur pH-në në 7), u shtuan pikë-pikë nën sonikim të vazhdueshëm derisa u formua xheli i bardhë i ZnO. Trashja e Carbopol filloi kur pH-ja ishte pranë vlerës neutrale.
Ekipi kërkimor i shpjegon efektet jashtëzakonisht pozitive të trajtimit me ultratinguj në formimin e nanoxhelit me ndërveprimin e shtuar ndërmjet grimcave. Agjitimi molekular i përbërësve në përzierjen e reaksionit, i nxitur nga ultratingujt, përforcon procesin e trashjes të nxitur nga ndërveprimet polimer–tretës. Gjithashtu, sonikimi nxit tretjen e Carbopol. Përveç kësaj, rrezatimi me valë ultrasonike përforcon ndërveprimin polimer–nanogrimca të ZnO dhe përmirëson vetitë viskoelastike të xhelit të përgatitur me nanogrimca hibride Carbopol/ZnO.
Diagrami skematik i rrjedhës më sipër tregon sintezën e nanogrimcave të ZnO dhe të xhelit me nanogrimca hibride Carbopol/ZnO. Në studim, ultrasonikatori UP400St u përdor për precipitimin e nanogrimcave të ZnO dhe formimin e nanoxhelit. (përshtatur nga Ismail et al., 2021)
Nanogrimca të ZnO të sintetizuara me metodën e precipitimit kimik nën efektin e trajtimit me ultratinguj, ku në (a) ndodhen në tretësirën ujore dhe në (b) janë disperguar me ultratinguj në një hidro xhel të qëndrueshëm me bazë Carbopol.
(studimi dhe figura: Ismail et al., 2021)
Rast studimor: Përgatitja me ultratinguj e nanoxhelit poli(acid metakrilik)/montmorilonit (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) demonstruan sintezën e suksesshme të një hidroxheli nanokompozit poli(acid metakrilik)/montmorilonit (PMA/nMMT) nëpërmjet polimerizimit redoks të ndihmuar nga ultratingujt. Zakonisht, 1,0 g nMMT u dispergua në 50 mL ujë të distiluar me trajtim me ultratinguj për 2 h për të formuar një dispersion homogjen. Sonikimi përmirëson dispergimin e argjilës, duke sjellë përmirësimin e vetive mekanike dhe të kapacitetit adsorbues të hidroxheleve. Monomeri i acidit metakrilik (30 mL) iu shtua pikë-pikë suspensionit. Përzierjes iu shtua iniciuesi persulfat amoni (APS) (0,1 M), i ndjekur nga 1,0 mL përshpejtues TEMED. Dispersioni u përzie fuqishëm për 4 h në 50°C me një përzierës magnetik. Masa viskoze e përftuar u la me aceton dhe u tha për 48 h në 70°C në një furrë. Produkti i përftuar u blua dhe u ruajt në një shishe qelqi. U sintetizuan xhele të ndryshme nanokompozite duke ndryshuar sasinë e nMMT në 0,5, 1,0, 1,5 dhe 2,0 g. Hidroxhelet nanokompozite të përgatitura duke përdorur 1,0 g nMMT treguan rezultate më të mira adsorbimi sesa kompozitet e tjera dhe për këtë arsye u përdorën për hulumtime të mëtejshme të adsorbimit.
Mikrografitë SEM-EDX në të djathtë tregojnë analizën elementare dhe strukturore të nanoxheleve të përbëra nga montmoriloniti (MMT), nano-montmoriloniti (nMMT), poli(acid metakrilik)/nano-montmoriloniti (PMA/nMMT) dhe PMA/nMMT i ngarkuar me amoksicilinë (AMX) dhe me diklofenak (DF). Mikrografitë SEM të regjistruara me zmadhim 1,00 KX së bashku me analizën EDX të
- montmorilonitit (MMT),
- nano-montmorilonitit (nMMT),
- poli(acid metakrilik)/nano-montmorilonitit (PMA/nMMT),
- dhe PMA/nMMT të ngarkuar me amoksicilinë (AMX) dhe me diklofenak (DF).
Vërehet se MMT-ja e papërpunuar ka një strukturë fletëzore të shtresëzuar që tregon praninë e kokrrizave më të mëdha. Pas modifikimit, fletëzat e MMT-së eksfoliohen në grimca të imëta, gjë që mund të vijë nga eliminimi i Si2+ dhe Al3+ nga pozicionet oktaedrike. Spektri EDX i nMMT-së shfaq një përqindje të lartë karboni, e cila mund të vijë kryesisht nga lënda sipërfaqësisht aktive e përdorur për modifikim, pasi përbërësi kryesor i CTAB (C19H42BrN) është karboni (84%). PMA/nMMT shfaq një strukturë koherente dhe pothuajse bashkëvazhduese. Për më tepër, nuk shihen pore, çka tregon eksfolimin e plotë të nMMT-së në matricën PMA. Pas sorbimit të molekulave farmaceutike të amoksicilinës (AMX) dhe diklofenakut (DF), vërehen ndryshime në morfologjinë e PMA/nMMT. Sipërfaqja bëhet asimetrike dhe tekstura e saj bëhet më e ashpër.
Përdorimi dhe funksionalitetet e hidrogeleve me përmasa nanometrike me bazë argjile: Nanokompozitet e hidrogeleve me bazë argjile shihen si superadsorbentë të mundshëm për marrjen e ndotësve inorganikë dhe/ose organikë nga një tretësirë ujore, falë ndërthurjes së karakteristikave të argjilave dhe polimereve, si biodegradueshmëria, biopërputhshmëria, leverdia ekonomike, bollëku, sipërfaqja specifike e lartë, rrjeti tredimensional dhe vetitë e fryrjes / çfryrjes.
(krahaso Khan et al., 2020)
Mikrografi SEM-EDX të (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT dhe hidrogeleve nanokompozite të ngarkuara me (d) AMX dhe (e) DF. Nanogelet u përgatitën duke përdorur trajtimin me ultratinguj.
(studimi dhe figurat: ©Khan et al. 2020)
Ultrasonikues me performancë të lartë për prodhimin e hidrogeleve dhe nanogeleve
Ultrasonikues me performancë të lartë për prodhimin e hidrogeleve dhe nanogeleve
Hielscher Ultrasonics prodhon pajisje ultrasonike me performancë të lartë për sintezën e hidrogeleve dhe nanogeleve me funksionalitete superiore. Nga ultrasonikuesit e vegjël dhe të mesëm për kërkim dhe zhvillim dhe ata pilot deri te sistemet industriale për prodhimin tregtar të hidrogeleve në regjim të vazhdueshëm, Hielscher Ultrasonics ka procesorin e duhur ultrasonik për të përmbushur kërkesat tuaja për prodhimin e hidrogeleve / nanogeleve.
- efikasitet i lartë
- teknologji e fjalës së fundit
- besueshmëri dhe qëndrueshmëri
- përpunim me lote dhe në linjë
- për çdo vëllim
- softuer inteligjent
- funksione inteligjente (p.sh., regjistrimi i të dhënave)
- përdorim i lehtë dhe i sigurt
- pak mirëmbajtje
- CIP (pastrim në vend)
Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të ultrasonikuesve tanë:
| Vëllimi i lotit | Prurja | Pajisjet e rekomanduara |
|---|---|---|
| 1 deri në 500mL | 10 deri në 200mL/min | UP100H |
| 10 deri në 2000mL | 20 deri në 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 deri në 20L | 0,2 deri në 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 deri në 100L | 2 deri në 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 deri në 150L | 3 deri në 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 deri në 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | më e lartë | grup pajisjesh UIP16000 |
Na kontaktoni! / Na pyesni!
(Studimi dhe videoja: Rutgeerts et al., 2019)
Literatura / Referencat
- 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.
Fakte që ia vlen të njihen
Protokolli për sintezën sonokimike të nanogrimcave të ZnO
Nanogrimcat e ZnO u sintetizuan duke përdorur metodën e precipitimit kimik nën ndikimin e rrezatimit me ultratinguj. Në një procedurë tipike, u përdorën acetati i zinkut dihidrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) si pararendës dhe një tretësirë amoniaku 30–33% (NH3) në një tretësirë ujore (NH4OH) si agjent reduktues. Nanogrimcat e ZnO u prodhuan duke tretur sasinë e përshtatshme të acetatit të zinkut në 100 mL ujë të dejonizuar për të përftuar një tretësirë jonesh zinku me përqendrim 0,1 M. Më pas, tretësira e joneve të zinkut iu nënshtrua rrezatimit me valë ultrasonike duke përdorur një Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Gjermani) me amplitudë 79% dhe cikël 0,76 për 5 min në një temperaturë prej 40 ◦C. Pastaj, tretësira e amoniakut iu shtua pikë-pikë tretësirës së joneve të zinkut nën ndikimin e valëve ultrasonike. Pas pak çastesh, nanogrimcat e ZnO filluan të precipitonin dhe të rriteshin, dhe tretësira e amoniakut u shtua vazhdimisht derisa ndodhi precipitimi i plotë i nanogrimcave të ZnO.
Nanogrimcat e përftuara të ZnO u lanë disa herë me ujë të dejonizuar dhe u lanë të sedimentonin. Më pas, precipitati i përftuar u tha në temperaturë dhome.
(Ismail et al., 2021)
Çfarë janë nanoxhelet?
Nanoxhelet ose hidroxelet nanokompozite janë një lloj hidroxheli që përfshin në strukturën e tij nanogrimca, zakonisht në intervalin 1–100 nanometra. Këto nanogrimca mund të jenë organike, inorganike ose një kombinim i të dyjave.
Nanoxhelet formohen përmes një procesi të njohur si rrjetëzim, i cili përfshin lidhjen kimike të zinxhirëve polimerikë për të formuar një rrjet tredimensional. Meqenëse formimi i hidroxheleve dhe nanoxheleve kërkon përzierje të plotë për të hidratuar strukturën polimerike, për të nxitur rrjetëzimin dhe për të përfshirë nanogrimcat, trajtimi me ultratinguj është një teknikë shumë efikase për prodhimin e hidroxheleve dhe nanoxheleve. Rrjetet e hidroxheleve dhe nanoxheleve janë në gjendje të përthithin sasi të mëdha uji, duke i bërë nanoxhelet shumë të hidratuara dhe, rrjedhimisht, të përshtatshme për një gamë të gjerë zbatimesh, si administrimi i barnave, inxhinieria e indeve dhe biosensorët.
Hidroxelet e tipit nanoxhel zakonisht përbëhen nga nanogrimca, si grimca silice ose polimeri, të cilat janë të shpërndara në të gjithë matricën e hidroxhelit. Këto nanogrimca mund të sintetizohen me metoda të ndryshme, përfshirë polimerizimin në emulsion, polimerizimin në emulsion të anasjelltë dhe sintezën sol-xhel. Këto sinteza përmes polimerizimit dhe procesit sol-xhel përfitojnë shumë nga agjitimi me ultratinguj.
Nga ana tjetër, hidroxelet nanokompozite përbëhen nga një kombinim i një hidroxheli dhe një nanombushësi, si argjila ose oksidi i grafenit. Shtimi i nanombushësit mund të përmirësojë vetitë mekanike dhe fizike të hidroxhelit, si ngurtësia, rezistenca në tërheqje dhe qëndrueshmëria ndaj thyerjes. Këtu, aftësitë e fuqishme të dispergimit të trajtimit me ultratinguj lehtësojnë shpërndarjen uniforme dhe të qëndrueshme të nanogrimcave në matricën e hidroxhelit.
Në përgjithësi, hidroxelet e tipit nanoxhel dhe hidroxelet nanokompozite kanë një gamë të gjerë zbatimesh të mundshme në fusha si biomjekësia, rehabilitimi i mjedisit dhe ruajtja e energjisë, falë vetive dhe funksionaliteteve të tyre unike.
Zbatimet e nanoxhelit në trajtimet mjekësore
| Lloji i nanoxhelit | Bari | Sëmundja | Veprimtaria | Referencat |
| Nanoxhele PAMA-DMMA | Doksorubicina | Kanceri | Rritje e shpejtësisë së çlirimit me uljen e vlerës së pH. Citotoksicitet më i lartë në pH 6,8 në studimet e qëndrueshmërisë qelizore | Du et al. (2010) |
| Nanoxhele me bazë kitozani të dekoruara me hialuronat | Fotosensibilizues si tetra-fenil-porfirinë-tetra-sulfonati (TPPS4), tetra-fenil-klorinë-tetra-karboksilati (TPCC4) dhe klorina e6 (Ce6) | Çrregullime reumatike | Përthithen shpejt (4 h) nga makrofagët dhe grumbullohen në citoplazmën dhe organelet e tyre | Schmitt et al. (2010) |
| Nanogrimca PCEC në hidroxelet Pluronic | Lidokaina | Anestezi lokale | Prodhuan anestezi me infiltrim që zgjati rreth 360 min | Yin et al. (2009) |
| Nanogrimca të poli(laktid-ko-acid glikolik) dhe kitozanit të disperguara në xhel HPMC dhe Carbopol | Spantide II | Dermatit alergjik i kontaktit dhe çrregullime të tjera inflamatore të lëkurës | Nanoxheli rrit potencialin për shpërndarjen perkutane të spantidit II | Punit et al. (2012) |
| Nanoxhele të polivinilpirrolidonit-poli(acidit akrilik) (PVP/PAAc), të ndjeshme ndaj pH-së | Pilokarpinë | Ruajnë një përqendrim të përshtatshëm të pilokarpinës në vendin e veprimit për një periudhë të zgjatur kohore | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Poli(etilen glikol) dhe polietileniminë të ndërlidhura | Oligonukleotide | Sëmundje neurodegjenerative | Transportohen në mënyrë efektive përmes barrierës hematoencefalike (BBB). Efikasiteti i transportit rritet më tej kur sipërfaqja e nanoxhelit modifikohet me transferrinë ose insulinë | Vinogradov et al. (2004) |
| Nanoxhele të pululanit që mbart kolesterol | Interleukinë-12 rekombinante e miut | Imunoterapia e tumoreve | Nanoxhel me çlirim të zgjatur | Farhana et al. (2013) |
| Poli(N-izopropilakrilamid) dhe kitozan | Trajtimi i kancerit me hipertermi dhe shpërndarja e synuar e barnave | Termosensitiv, i modalizuar magnetikisht | Farhana et al. (2013) | |
| Rrjet i degëzuar dhe i ndërlidhur i polietileniminës dhe PEG, nanoxhel polipleks | Fludarabinë | Kancer | Aktivitet i rritur dhe citotoksicitet i reduktuar | Farhana et al. (2013) |
| Nanoxhel biokompatibël i pululanit që mbart kolesterol | Si shaperon artificial | Trajtimi i sëmundjes së Alzheimerit | Pengojnë agregimin e proteinës β-amiloide | Ikeda et al. (2006) |
| Nanoxhel i ADN-së me ndërlidhje të induktuar nga drita | Material gjenetik | Terapi gjenike | Shpërndarje e kontrolluar e ADN-së plazmidike | Lee et al. (2009) |
| Xhel me nanogrimca hibride Carbopol/oksid zinku (ZnO) | Nanogrimca ZnO | Aktivitet antibakterial, frenues i baktereve | Ismail et al. (2021) |
Tabela e përshtatur nga Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics prodhon homogjenizues ultrasonikë me performancë të lartë nga përmasat laboratorike deri te përmasat industriale.