Синтеза нанокомпозитних хидрогелова применом ултразвука

Нанокомпозитни хидрогелови или наногелови су мултифункционалне 3D структуре са високом ефикасношћу као носачи лекова и системи за испоруку лекова са контролисаним ослобађањем. Ултразвучна обрада подстиче дисперговање полимерних честица хидрогела нанометарских димензија, као и накнадно укључивање/уграђивање наночестица у ове полимерне структуре.

Ултразвучна синтеза наногелова

Нанокомпозитни хидрогелови су тродимензионалне структуре материјала и могу се пројектовати тако да испољавају специфична својства, што их чини ефикасним носачима лекова и системима за испоруку лекова са контролисаним ослобађањем. Ултразвучна обрада подстиче синтезу функционализованих честица нанометарских димензија, као и накнадно укључивање/уграђивање наночестица у тродимензионалне полимерне структуре. Пошто ултразвучно синтетисани наногелови могу да заробе биоактивна једињења унутар свог језгра нанометарских димензија, ови хидрогелови нанометарских димензија пружају изузетне функционалности.
Наногелови су водене дисперзије наночестица хидрогела које су физички или хемијски умрежене у хидрофилну полимерну мрежу. Пошто је ултразвук високих перформанси веома ефикасан у производњи нанодисперзија, ултразвучни уређаји са сондом представљају кључан алат за брзу и поуздану производњу наногелова са супериорним функционалностима.

Функционалности ултразвучно произведених наногелова

• одлична колоидна стабилност и велика специфична површина
• могу се густо испунити наночестицама
• омогућавају комбиновање тврдих и меких честица у хибридном наногелу са структуром језгро/омотач
• висок потенцијал хидратације
• повећање биорасположивости
• изражена способност бубрења / скупљања

 
Ултразвучно синтетисани наногелови користе се у бројним применама и индустријским гранама, нпр.

• за фармацеутске и медицинске примене: нпр. као носач лекова, антибактеријски гел, антибактеријска облога за ране
• у биохемији и биомедицини за испоруку гена
• као адсорбент/биосорбент у хемијским применама и применама у заштити животне средине
• у ткивном инжењерству, јер хидрогелови могу да опонашају физичка, хемијска, електрична и биолошка својства многих природних ткива

Студија случаја: синтеза наногела цинка сонохемијским поступком

Хибридне наночестице ZnO могу се стабилизовати у гелу Carbopol једноставним ултразвучним поступком: ултразвучна обрада користи се за подстицање таложења наночестица цинка, које се затим ултразвучно умрежавају са полимером Carbopol ради формирања нанохидрогела.
Ismail et al. (2021) исталожили су наночестице цинк-оксида једноставним сонохемијским поступком. (Овде пронађите протокол за сонохемијску синтезу наночестица ZnO).
Након тога, наночестице су коришћене за синтезу ZnO наногела. У ту сврху, добијене ZnO наночестице су испране двоструко дејонизованом водом. У 300 mL двоструко дејонизоване воде растворено је 0,5 g Carbopol 940, након чега су додате свеже испране ZnO наночестице. Пошто је Carbopol по природи кисео, потребно је неутралисати pH вредност раствора, јер се у супротном не би згуснуо. Стога је смеша подвргнута непрекидној соникацији помоћу ултразвучног уређаја Hielscher UP400S при амплитуди од 95 и радном циклусу од 95% током 1 h. Затим је, уз непрекидну соникацију, кап по кап додато 50 mL триметиламина (TEA) као средства за неутрализацију (које повећава pH на 7), све док није настао бели ZnO гел. Згушњавање Carbopol-а почело је када је pH био близу неутралне вредности.
Истраживачки тим објашњава изузетно позитивне ефекте ултразвучне обраде на формирање наногела појачаном интеракцијом између честица. Ултразвучно изазвано молекулско кретање састојака у реакционој смеши појачава процес згушњавања који подстичу интеракције између полимера и растварача. Поред тога, соникација подстиче растварање Carbopol-а. Такође, озрачивање ултразвучним таласима појачава интеракцију између полимера и ZnO наночестица и побољшава вискоеластична својства припремљеног хибридног гела са наночестицама Carbopol/ZnO.
Горња шема тока приказује синтезу ZnO наночестица и хибридног гела са наночестицама Carbopol/ZnO. У студији је ултразвучни уређај UP400St коришћен за таложење ZnO наночестица и формирање наногела. (прилагођено према Ismail et al., 2021)

ZnO наночестице синтетисане методом хемијског таложења под дејством ултразвучне обраде, при чему су у (a) у воденом раствору, а у (b) су ултразвучно дисперговане у стабилан хидрогел на бази Carbopol-а.
(студија и слика: Ismail et al., 2021)

Студија случаја: Ултразвучна припрема наногела од поли(метакрилне киселине)/монтморилонита (PMA/nMMT)

Khan et al. (2020) показали су успешну синтезу нанокомпозитног хидрогела од поли(метакрилне киселине)/монтморилонита (PMA/nMMT) редокс полимеризацијом потпомогнутом ултразвуком. У типичном поступку, 1,0 g nMMT дисперговано је у 50 mL дестиловане воде ултразвучном обрадом током 2 h да би се формирала хомогена дисперзија. Соникација побољшава дисперговање глине, што доводи до побољшаних механичких својстава и адсорпционог капацитета хидрогелова. Мономер метакрилне киселине (30 mL) додат је кап по кап у суспензију. У смешу је додат иницијатор амонијум-персулфат (APS) (0,1 M), а затим 1,0 mL акцелератора TEMED. Дисперзија је интензивно мешана магнетном мешалицом током 4 h на 50°C. Добијена вискозна маса испрана је ацетоном и сушена током 48 h на 70°C у сушници. Добијени производ је самлевен и чуван у стакленој боци. Различити нанокомпозитни гелови синтетисани су варирањем количине nMMT од 0,5, 1,0, 1,5 и 2,0 g. Нанокомпозитни хидрогелови припремљени са 1,0 g nMMT показали су боље резултате адсорпције од осталих композита и стога су коришћени за даље испитивање адсорпције.
SEM-EDX микрографије са десне стране приказују елементну и структурну анализу наногелова који се састоје од монтморилонита (MMT), нано-монтморилонита (nMMT), поли(метакрилне киселине)/нано-монтморилонита (PMA/nMMT) и PMA/nMMT са уграђеним амоксицилином (AMX) и диклофенаком (DF). SEM микрографије снимљене при увећању од 1,00 KX, заједно са EDX анализом

• монтморилонита (MMT),
• нано-монтморилонита (nMMT),
• поли(метакрилне киселине)/нано-монтморилонита (PMA/nMMT),
• и PMA/nMMT са уграђеним амоксицилином (AMX) и диклофенаком (DF).

Уочава се да сирови MMT има слојевиту плочасту структуру са присутним крупнијим зрнима. Након модификације, слојеви MMT се ексфолирају у ситне честице, што може бити последица уклањања Si2+ и Al3+ из октаедарских положаја. EDX спектар nMMT показује висок проценат угљеника, што може првенствено бити последица површински активне материје коришћене за модификацију, јер је главни састојак CTAB (C19H42BrN) угљеник (84%). PMA/nMMT показује кохерентну и готово коконтинуалну структуру. Поред тога, поре нису видљиве, што указује на потпуну ексфолијацију nMMT у матрици PMA. Након сорпције фармацеутских молекула амоксицилина (AMX) и диклофенака (DF), уочавају се промене у морфологији PMA/nMMT. Површина постаје асиметрична, са израженијом храпавом текстуром.
Примена и функционална својства хидрогелова нанометарских димензија на бази глине: нанокомпозити хидрогела на бази глине сматрају се потенцијалним суперадсорбентима за уклањање неорганских и/или органских загађујућих материја из воденог раствора захваљујући обједињеним својствима глина и полимера, као што су биоразградивост, биокомпатибилност, економска исплативост, обилна доступност, велика специфична површина, тродимензионална мрежа и својства бубрења / смањења набубрелости.
(уп. Khan et al., 2020)

Ултразвучни уређаји високих перформанси за производњу хидрогелова и наногелова

Ултразвучни уређаји високих перформанси за производњу хидрогелова и наногелова
Hielscher Ultrasonics производи ултразвучну опрему високих перформанси за синтезу хидрогелова и наногелова са врхунским функционалним својствима. Од малих и средњих ултразвучних уређаја за истраживање и развој и пилот-постројења до индустријских система за комерцијалну производњу хидрогелова у континуалном режиму, Hielscher Ultrasonics има одговарајући ултразвучни процесор који испуњава ваше захтеве за производњу хидрогелова / наногелова.

Табела испод даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: