Синтеза нанокомпозитног хидрогела коришћењем ултразвука
Нанокомпозитни хидрогелови или наногели су мултифункционалне 3Д структуре са високом ефикасношћу као носачи лекова и системи за испоруку лекова са контролисаним ослобађањем. Ултразвучна обрада промовише дисперзију честица полимерног хидрогела нано величине као и накнадно укључивање/уградњу наночестица у ове полимерне структуре.
Ултразвучна синтеза наногела
Нанокомпозитни хидрогелови су тродимензионалне структуре материјала и могу бити дизајнирани да испољавају специфичне карактеристике, што их чини моћним носачима лекова и системима за испоруку лекова са контролисаним ослобађањем. Ултразвучна обрада промовише синтезу функционализованих честица нано величине, као и накнадно укључивање/уградњу наночестица у тродимензионалне полимерне структуре. Како ултразвучно синтетизовани наногели могу да заробе биоактивна једињења унутар свог нано језгра, ови хидрогелови нано величине нуде одличне функционалности.
Наногели су водена дисперзија наночестица хидрогела, које су физички или хемијски умрежене као хидрофилна полимерна мрежа. Пошто је ултразвук високих перформанси веома ефикасан у производњи нано-дисперзија, ултразвучни апарати типа сонде су кључно средство за брзу и поуздану производњу наногела са супериорном функционалношћу.
Ултрасоницатор УИП1000хдТ са стакленим реактором за синтезу нанокомпозитног хидрогела
Функционалности ултразвучно произведених наногела
- одлична колоидна стабилност и велика специфична површина
- може бити густо напуњена наночестицама
- омогућавају комбиновање тврдих и меких честица у хибридном језгро/љуска наногела
- висок потенцијал хидратације
- промовисање биорасположивости
- висока својства бубрења / уклањања бубрења
Ултразвучно синтетисани наногели се користе у бројним апликацијама и индустријама, нпр
- за фармацеутску и медицинску примену: нпр. носач лекова, антибактеријски гел, антибактеријски завој за ране
- у биохемији и биомедицини за испоруку гена
- као адсорбент/биосорбент у хемијским и еколошким применама
- у инжењерству ткива јер хидрогелови могу опонашати физичка, хемијска, електрична и биолошка својства многих природних ткива
Студија случаја: Синтеза наногела цинка путем сонохемијског пута
ЗнО хибридне наночестице се могу стабилизовати у Царбопол гелу помоћу лаког ултразвучног процеса: Соникација се користи за покретање таложења наночестица цинка, које су накнадно ултразвучно умрежене са Царбополом да би се формирао нано-хидрогел.
Исмаил и др. (2021) исталожили су наночестице цинк оксида лаким сонохемијским путем. (Пронађите протокол за сонохемијску синтезу ЗнО наночестица овде).
Након тога, наночестице су коришћене за синтезу ЗнО наногела. Због тога су произведени ЗнО НП испрани двоструко дејонизованом водом. 0,5 г Царбопола 940 је растворено у 300 мЛ удвостручене дејонизоване воде, након чега је уследило додавање свеже испраних ЗнО НП. Пошто је Царбопол природно кисео, раствор захтева неутрализацију пХ вредности, иначе се не би згуснуо. Дакле, смеша је била подвргнута континуираној соникацији помоћу Хиелсцхер ултрасоникатора УП400С са амплитудом од 95 и циклусом од 95% током 1 х. Затим је укапавањем додато 50 мЛ триметиламина (ТЕА) као средство за неутрализацију (подизање пХ на 7) уз континуирану соникацију све док није дошло до формирања белог гела ЗнО. Згушњавање Царбопола је почело када је пХ био близу неутралног пХ.
Истраживачки тим објашњава изузетно позитивне ефекте ултразвучне обраде на формирање наногела појачаном интеракцијом честица-честица. Ултразвучно иницирано молекуларно мешање састојака у реакционој смеши побољшава процес згушњавања изазван интеракцијама полимер-растварач. Поред тога, соникација промовише растварање Царбопола. Поред тога, зрачење ултразвучним таласима побољшава интеракцију полимер-ЗнО НП и побољшава вискоеластична својства припремљеног гела Царбопол/ЗнО хибридних наночестица.
Горњи шематски дијаграм тока приказује синтезу ЗнО НП и Царбопол/ЗнО хибридног гела наночестица. У студији је коришћен ултразвучни апарат УП400Ст за преципитацију наночестица ЗнО и формирање наногела. (прилагођено из Исмаил ет ал., 2021)
ЗнО НП синтетизовани методом хемијске преципитације под дејством ултразвука, при чему је (а) у воденом раствору, и (б) је ултразвучно диспергован у стабилан хидрогел на бази карбопола.
(студија и слика: Исмаил ет ал., 2021)
Студија случаја: Ултразвучна припрема поли(метакрилне киселине)/монтморилонита (ПМА/нММТ) наногела
Кхан ет ал. (2020) су демонстрирали успешну синтезу поли(метакрилне киселине)/Монтморилонит (ПМА/нММТ) нанокомпозитног хидрогела путем редокс полимеризације потпомогнуте ултразвуком. Типично, 1,0 г нММТ је диспергован у 50 мЛ дестиловане воде уз ултразвучну обраду током 2 х да би се формирала хомогена дисперзија. Соникација побољшава дисперзију глине, што резултира побољшаним механичким својствима и капацитетом адсорпције хидрогелова. Мономер метакрилне киселине (30 мЛ) је додат у капима у суспензију. У смешу је додат иницијатор амонијум персулфат (АПС) (0,1 М), а затим 1,0 мЛ ТЕМЕД акцелератора. Дисперзија је снажно мешана 4 х на 50°Ц помоћу магнетне мешалице. Добијена вискозна маса је испрана ацетоном и исушена 48 х на 70°Ц у пећници. Добијени производ је млевен и чуван у стакленој боци. Различити нанокомпозитни гелови су синтетизовани варирањем нММТ у количинама од 0,5, 1,0, 1,5 и 2,0 г. Нанокомпозитни хидрогелови припремљени коришћењем 1,0 г нММТ показали су боље резултате адсорпције од осталих композита и стога су коришћени за даља испитивања адсорпције.
СЕМ-ЕДКС микрографије са десне стране показују елементарну и структурну анализу наногела који се састоји од монтморилонита (ММТ), нано-монтморилонита (нММТ), поли(метакрилне киселине)/наномонтморилонита (ПМА/нММТ) и амоксицилина (АМКС). )- и диклофенаком (ДФ) напуњеним ПМА/нММТ. СЕМ микрографије снимљене при увећању од 1,00 ККС заједно са ЕДКС-ом
- монтморилонит (ММТ),
- нано-монтморилонит (нММТ),
- поли(метакрилна киселина)/нано-монтморилонит (ПМА/нММТ),
- и ПМА/нММТ напуњене амоксицилином (АМКС) и диклофенаком (ДФ).
Примећено је да сирови ММТ дугује слојевиту структуру листа која показује присуство већих зрна. Након модификације, листови ММТ-а се љуште у ситне честице, што може бити последица елиминације Си2+ и Ал3+ са октаедарских места. ЕДКС спектар нММТ показује висок проценат угљеника, што може првенствено бити последица сурфактанта који се користи за модификацију јер је главни састојак ЦТАБ (Ц19Х42БрН) угљеник (84%). ПМА/нММТ приказује кохерентну и скоро ко-континуирану структуру. Даље, поре нису видљиве, што приказује потпуни пилинг нММТ у ПМА матрици. Након сорпције фармацеутским молекулима амоксицилина (АМКС) и диклофенака (ДФ), примећују се промене у морфологији ПМА/нММТ. Површина постаје асиметрична са повећањем грубе текстуре.
Употреба и функционалност хидрогелова нано-величине на бази глине: Нанокомпозити хидрогела на бази глине су замишљени као потенцијални супер адсорбенти за упијање неорганских и/или органских загађивача из воденог раствора због комбинованих карактеристика глине и полимера, као што су као биоразградљивост, биокомпатибилност, економска одрживост, обиље, висока специфична површина, тродимензионална мрежа и својства бубрења / отклањања бубрења.
(уп. Кхан ет ал., 2020)
СЕМ-ЕДКС микрофотографије (а) ММТ, (б) нММТ, (ц) ПМА/нММТ и (д) АМКС- и (е) нанокомпозитних хидрогелова напуњених ДФ. Наногели су припремљени коришћењем ултразвука.
(студија и слике: ©Кхан ет ал. 2020)
Ултрасоникатори високих перформанси за производњу хидрогела и наногела
Ултрасоникатори високих перформанси за производњу хидрогела и наногела
Хиелсцхер Ултрасоницс производи ултразвучну опрему високих перформанси за синтезу хидрогелова и наногела са врхунским функционалностима. Од малих и средњих Р&Д и пилот ултрасоникатори за индустријске системе за комерцијалну производњу хидрогела у континуираном режиму, Хиелсцхер Ултрасоницс има прави ултразвучни процесор да покрије ваше захтеве за производњу хидрогела/наногела.
- висока ефикасност
- најсавременија технологија
- поузданост & робусност
- батцх & у реду
- за било коју запремину
- интелигентни софтвер
- паметне функције (нпр. протоколирање података)
- једноставан и сигуран за рад
- минимално одржавање
- ЦИП (чишћење на месту)
Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата:
| Батцх Волуме | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | УП100Х |
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20Л | 0.2 до 4Л/мин | УИП2000хдТ |
| 10 до 100 л | 2 до 10 л/мин | УИП4000хдТ |
| 15 до 150Л | 3 до 15 л/мин | УИП6000хдТ |
| на | 10 до 100 л/мин | УИП16000 |
| на | већи | кластер оф УИП16000 |
Контактирајте нас! / Питајте нас!
(Студија и филм: Рутгеертс ет ал., 2019)
Литература / Референце
- 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.
Чињенице које вреди знати
Протокол за сонохемијску синтезу наночестица ЗнО
ЗнО НП су синтетизовани методом хемијске преципитације под дејством ултразвучног зрачења. У типичној процедури коришћени су цинк ацетат дихидрат (Зн(ЦХ3ЦОО)2·2Х2О) као прекурсор и раствор амонијака од 30–33% (НХ3) у воденом раствору (НХ4ОХ) као редукционо средство. Наночестице ЗнО су произведене растварањем одговарајуће количине цинк ацетата у 100 мЛ дејонизоване воде да би се добило 0,1 М раствора јона цинка. Након тога, раствор јона цинка је подвргнут ултразвучном таласном зрачењу коришћењем Хиелсцхер УП400С (400 В, 24 кХз, Берлин, Немачка) при амплитуди од 79% и циклусу од 0,76 током 5 минута на температури од 40 ◦Ц. Затим је раствор амонијака додат у капима раствору јона цинка под дејством ултразвучних таласа. После неколико тренутака, ЗнО НП су почели да се таложе и расту, а раствор амонијака је континуирано додаван све док није дошло до потпуног таложења ЗнО НП.
Добијени ЗнО НП су неколико пута испрани дејонизованом водом и остављени да се слегну. Позади, добијени талог је осушен на собној температури.
(Исмаил ет ал., 2021)
Шта су Наногели?
Наногели или нанокомпозитни хидрогелови су врста хидрогела који у своју структуру укључује наночестице, обично у опсегу од 1-100 нанометара. Ове наночестице могу бити органске, неорганске или комбинација оба.
Наногели се формирају кроз процес познат као умрежавање, који укључује хемијско везивање полимерних ланаца да би се формирала тродимензионална мрежа. Пошто формирање хидрогелова и наногела захтева темељно мешање како би се хидратисала полимерна структура, промовисало умрежавање и инкорпорирале наночестице, ултразвучна обрада је веома ефикасна техника за производњу хидрогелова и наногела. Мреже хидрогела и наногела су способне да апсорбују велике количине воде, чинећи наногеле високо хидратизованим и стога погодним за широк спектар примена као што су испорука лекова, инжењеринг ткива и биосензори.
Наногел хидрогелови се обично састоје од наночестица, као што су честице силицијум диоксида или полимера, које су дисперговане у матрици хидрогела. Ове наночестице се могу синтетизовати различитим методама, укључујући емулзиону полимеризацију, инверзну емулзијску полимеризацију и сол-гел синтезу. Ова полимеризација и сол-гел синтезе имају велике користи од ултразвучног мешања.
Нанокомпозитни хидрогелови, с друге стране, се састоје од комбинације хидрогела и нанопунила, као што је глина или графен оксид. Додатак нанопунила може побољшати механичка и физичка својства хидрогела, као што су његова крутост, затезна чврстоћа и жилавост. Овде, моћни дисперзиони капацитети соникације олакшавају уједначену и стабилну дистрибуцију наночестица у матрици хидрогела.
Све у свему, наногел и нанокомпозитни хидрогелови имају широк спектар потенцијалних примена у областима као што су биомедицина, санација животне средине и складиштење енергије због својих јединствених својстава и функционалности.
Примена Наногела за медицинске третмане
| Тип Наногела | Дрог | болест | Активност | Референце |
| ПАМА-ДММА наногели | доксорубицин | Рак | Повећање брзине ослобађања како се пХ вредност смањивала. Већа цитотоксичност при пХ 6,8 у студијама виталности ћелија | Ду ет ал. (2010) |
| Наногели на бази хитозана украшени хијалуронатом | Фотосензибилизатори као што су тетра-фенил-порфирин-тетра-сулфонат (ТППС4), тетра-фенил-хлорин-тетра-карбоксилат (ТПЦЦ4) и хлорин е6 (Це6) | Реуматски поремећаји | Макрофаги брзо преузимају (4 х) и акумулирају се у њиховој цитоплазми и органелама | Сцхмитт ет ал. (2010) |
| ПЦЕЦ наночестице у Плурониц хидрогеловима | Лидокаин | Локална анестезија | Произведена дуготрајна инфилтрациона анестезија од око 360 мин | Иин ет ал. (2009) |
| Наночестице поли(лактид-ко-гликолне киселине) и хитозана дисперговане у ХПМЦ и Царбопол гелу | Спантиде ИИ | Алергијски контактни дерматитис и други инфламаторни поремећаји коже | Наногелин повећава потенцијал за перкутану испоруку спантида ИИ | Пунит и др. (2012) |
| пХ-осетљиви поливинил пиролидон-поли (акрилна киселина) (ПВП/ПААц) наногели | Пилокарпин | Одржавајте адекватну концентрацију пилокарпина на месту дејства током дужег временског периода | Абд Ел-Рехим и др. (2013) | |
| Умрежени поли (етилен гликол) и полиетиленимин | Олигонуклеотиди | Неуродегенеративне болести | Ефикасно транспортован преко БББ-а. Ефикасност транспорта се додатно повећава када се површина наногела модификује трансферином или инсулином | Виноградов и др. (2004) |
| Пулулан наногели који садрже холестерол | Рекомбинантни мишји интерлеукин-12 | Имунотерапија тумора | Наногел са продуженим ослобађањем | Фархана и др. (2013) |
| Поли(Н-изопропилакриламид) и хитозан | Лечење рака хипертермије и циљана испорука лекова | Термосензитивни магнетно модализован | Фархана и др. (2013) | |
| Умрежена разграњена мрежа полиетиленимина и ПЕГ полиплекснаногела | Флударабин | Рак | Повишена активност и смањена цитотоксичност | Фархана и др. (2013) |
| Биокомпатибилни наногел пулулана који садржи холестерол | Као вештачки пратилац | Лечење Алцхајмерове болести | Инхибирају агрегацију амилоидног β-протеина | Икеда и др. (2006) |
| ДНК наногел са умрежавањем фотографија | Генетски материјал | Генска терапија | Контролисана испорука плазмидне ДНК | Лее ет ал. (2009) |
| Карбопол/цинк оксид (ЗнО) хибридни гел наночестица | ЗнО наночестице | Антибактеријска активност, бактеријски инхибитор | Исмаил и др. (2021) |
Табела прилагођена из Сварнали ет ал., 2017
Хиелсцхер Ултрасоницс производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси од лаб до индустријска величина.