Nanokompsit hidrogel sinteza pomoću ultrazvučnosti
Nanokompozite hidrogeli ili nanogeli su multifunkcionalne 3D strukture sa visokim efifikatima kao nosači lekova i kontrolisani sistemi za isporuku lekova. Ultrazvučnost promoviše raspršivanje nano-veličina, polimernih hidrogel čestica kao i naknadno uključivanje/unošenje nanočestica u ove polimerne strukture.
Ultrazvučna sinteza nanogela
Nanokompozitni hidrogeli su trodimenzionalne materijalne strukture i mogu se dizajnirati tako da ispoljavaju specifične karakteristike, što ih čini moćnim nosačima lekova i kontrolisanim sistemima za isporuku lekova. Ultrazvučnost promoviše sintezu funkcionalnih čestica nano veličine, kao i naknadno uključivanje/uključivanje nanočestica u trodimenzionalne polimerne strukture. Kako ultrasonično sintetisani nanogeli mogu da zarobe bioaktivna jedinjenja unutar jezgra nanosa, ovi hidrogeli veličine nanoa nude velike funkcionalnosti.
Nanogeli su aqueous disperzija hidrogel nanočestica, koje su fizički ili hemijski ukrštene kao hidrofilna polimerna mreža. Kako je ultrazvuk visokih performansi veoma efikasan u proizvodnji nano-disperzija, ultrazvučnici tipa sonde su ključno sredstvo za brzu i pouzdanu proizvodnju nanogela sa superiornim funkcionalnostima.
ultrazvučni UIP1000hdT sa staklenim reaktorom za sintezu nanokompsita hidrogela
Funkcionalnosti ultrazvučno proizvedenih nanogela
- odlična koloidna stabilnost i velika specifična površina
- može gusto da se pakuje nanočesticama
- omogućavaju kombinovanje tvrdih i mekih čestica u hibridnom jezgru/ljusci nanogela
- visok potencijal hidratacije
- promovisanje bioavailability
- visok otok / svojstva de-oticanja
Ultrasonično sintetisani nanogeli se koriste u brojnim aplikacijama i industrijama, npr.
- za farmaceutsku i medicinsku primenu: npr. nosač lekova, antibakterijski gel, antibakterijski preliv za rane
- u biohemiji i biomedicini za isporuku gena
- kao adsorbent/biosorbent u hemijskim i ekološkim primenama
- u inženjerstvu tkiva kao hidrogeli mogu da oponašaju fizička, hemijska, električna i biološka svojstva mnogih domorodačkih tkiva
Case Study: Zinc Nanogel Synthesis via Sonochemical Route
ZnO hibridne nanočestice se mogu stabilizovati u Karbopol gelu putem ultrazvučnog procesa facile: Sonication se koristi za vožnju padavina cinka nanočestica, koje se naknadno ultrasonično ukrštaju sa Karbopolom kako bi se formirao nano-hidrogel.
Ismail et al. (2021) precipitated cink oxide nanoparticles via a facile sonochemical route. (Pronađite protokol za sonohemijsku sintezu ZnO nanočestica ovde).
Nakon toga, nanočestice su korišćene za sintezu ZnO nanogela. Zbog toga su proizvedeni ZnO NPS ispirani duplom deionizovanom vodom. 0,5 g Karbopolja 940 je rastvorena u 300 mL duplirane deionizovane vode, nakon čega je usledio dodatak sveže opranih ZnO NPS. Pošto je Karbopol prirodno kiselkast, rešenje zahteva neutralisanje pH vrednosti, inače se ne bi zgusnulo. Tako je mešavina prošla kroz neprekidnu sonikuaciju koristeći Hielscher ultrazvučni UP400S sa amplitude 95 i ciklusom od 95% za 1 h. Zatim, 50 mL trimetilamina (TEA) kao neutrališući agens (podizanje pH na 7) je dodato dropwise pod neprekidnom sonikacijom dok nije došlo do formiranja ZnO belog gela. Zadebljanje Karbopola je poиelo kada je pH bio blizu neutralnog pH.
Istraživački tim objašnjava izuzetno pozitivne efekte ultrazvučnosti na formiranje nanogela poboljšanom interakcijom čestica i čestica. Ultrasonično inicirana molekularna agitacija birača u mešavini reakcije pospešuje proces zadebljanja koji promovišu interakcije sa polimernim rastvaračem. Pored toga, sonicija promoviše rastvaranje Karbopola. Pored toga, ultrazvučna talasna ozračenost pospešuje polimer–ZnO NPS interakciju i poboljšava viskoelastična svojstva pripremljenog Carbopol/ZnO hibridnog nanočesticnog gela.
Gorenavedeni šematski dijagram toka prikazuje sintezu ZnO NPs i Carbopol/ZnO hibridnog nanočesnog gela. U studiji, ultrazvučni UP400St je korišćen za ZnO nanočecicle padavine i formiranje nanogela. (adaptirano iz Ismail et al., 2021)
ZnO NPS sintetisan metodom hemijskih padavina pod dejstvom ultrazvučnosti, gde se (a) nalazi u aqueous rastvoru, i (b) se ultrasonično raspršuje u stabilni hidrogel na bazi Karbopola.
(studija i slika: Ismail et al., 2021)
Case Stuy: Ultrazvučna priprema poli(methacrylic acid)/Montmorillonite (PMA/nMMT) Nanogel
Khan et al. (2020) demonstrirao je uspešnu sintezu poli(methacrylic acid)/Montmorillonite (PMA/nMMT) nanokompsite hidrogela putem ultrazvučno potpomognute redoks polimerizacije. Obično je 1,0 g nMMT-a raspršeno u 50 mL destilovane vode ultrazvučno za 2 h da bi se formirala homogena disperzija. Sonicija poboljšava raspršivanje gline, što rezultira poboljšanim mehaničkim svojstvima i adsorpcionim kapacitetom hidrogela. Monomer methacrylic acid (30 mL) je dodat dropwise suspenziji. Inicijator amonijum persulfata (APS) (0,1 M) dodat je u smesu posle koje je usledilo 1,0 mL TEMED akceleratora. Disperzija je energično promešana za 4 h na 50°C magnetnim mešačem. Dobijena viskozna masa je oprana acetonom i poželjna za 48 h na 70°C u rerni. Dobijeni proizvod je bio prizemljen i uskladišten u staklenoj flaši. Različiti nanokompozitni gelovi sintetisani su variranjem nMMT-a u količinama od 0,5, 1,0, 1,5 i 2,0 g. Hidrogeli nanokompsita pripremljeni pomoću 1,0 g nMMT prikazuju bolje rezultate adsorpcije od ostalih kompozita i zato su korišćeni za dalju istragu adsorpcije.
Mikrografi SEM-EDX sa desne strane pokazuju elementarnu i strukturnu analizu nanogela koja se sastoji u montmorillonitetu (MMT), nano-montmorillonitetu (nMMT), poli(methacrylic acid)/nano-montmorillonite (PMA/nMMT) i amoksicilinu (AMX)- i diklofenak (DF)-loaded PMA SEM mikrografi zabeleženi na uvećanju od 1.00 KX zajedno sa EDX-om
- montmorillonite (MMT),
- nano-montmorillonite (nMMT),
- poli(methacrylic acid)/nano-montmorillonite (PMA/nMMT),
- i amoksicilin (AMX)- i diklofenac (DF)-učitan PMA/nMMT.
Primećeno je da sirovi MMT duguje slojevitu strukturu lista koja pokazuje prisustvo većih žitarica. Nakon modifikacije, listovi MMT-a se eksfolišu u sitne čestice, što može biti posledica eliminacije Si2+ i Al3+ sa oktahedralnih mesta. EDX spektar nMMT ispoljava visok procenat ugljenika, što pre svega može biti posledica surfaktanta koji se koristi za modifikaciju jer je glavni konstituent CTAB (C19H42BrN) ugljenik (84%). PMA/nMMT prikazuje koherentnu i skoro ko-kontinuiranu strukturu. Dalje, nisu vidljive pore, što prikazuje kompletnu eksfolijaciju nMMT-a u PMA matricu. Nakon sorpcije sa farmaceutskim molekulima amoksicilin (AMX) i diklofenac (DF), primećuju se promene u PMA/nMMT morfologiji. Površina postaje asimetrična sa povećanjem grube teksture.
Upotreba i funkcionalnost hidrogela na bazi gline nano veličine: Hidrogel nanokompoziti na bazi gline predviđeni su da budu potencijalni super adsorbenti za preuzimanje neorganskih i/ili organskih zagađivača iz aqueous rešenja zbog kombinovanih karakteristika i gline i polimera, kao što su biorazgradivost, biokompatibilnost, ekonomska održivost, obilje, visoka specifična površinska površina, trodimenzionalna mreža i oticanje / oticanje.
(cf. Khan et al., 2020)
SEM-EDX micrographs of (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT, and (d) AMX- and (e) DF-loaded nanocomposite hydrogels. Nanogeli su pripremljeni koristeći ultrazvučnost.
(study and pictures: ©Khan et al. 2020)
Ultrazvučni kapaciteti visokih performansi za proizvodnju hidrogela i nanogela
Ultrazvučni kapaciteti visokih performansi za proizvodnju hidrogela i nanogela
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučnu opremu visokih performansi za sintezu hidrogela i nanogela sa superiornim funkcionalnostima. Od male i srednje veličine R&D i pilot ultrazvučni za industrijske sisteme za komercijalnu proizvodnju hidrogela u kontinuiranom režimu, Hielscher Ultrasonics ima pravi ultrazvučni procesor koji pokriva vaše zahteve za proizvodnju hidrogela / nanogela.
- висока ефикасност
- Najmodnišna tehnologija
- Pouzdanost & robusnosti
- grupnu obradu & Umetnute
- za bilo koji volumen
- inteligentan softver
- pametne funkcije (npr. protokolarstvo podataka)
- Lak i bezbedan za rad
- slabo održavanje
- CIP (čisto na mestu)
Табела испод показује приближни капацитет обраде наших ултразвучних уређаја:
| батцх tom | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 1 до 500 мл | 10 до 200мЛ / мин | УП100Х |
| 10 до 2000мЛ | 20 до 400мЛ / мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20Л | 0.2 до 4Л / мин | УИП2000хдТ |
| 10 до 100Л | 2 до 10Л / мин | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| Н.А. | 10 до 100Л / мин | УИП16000 |
| Н.А. | веће | кластер УИП16000 |
Контактирајте нас! / Питајте нас!
(Studija i 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.
Чињенице вреди знати
Protokol za sonohemijsku sintezu ZnO Nanočestica
ZnO NPS je sintetisan pomoću metode hemijskih padavina pod dejstvom ultrazvučne ozračenosti. U tipičnom postupku, korišćen je cink acetat dihidrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) kao preteča, i rastvor amonijaka od 30–33% (NH3% (NH3) u aqueous rastvoru (NH4OH) kao redukcioni agens. ZnO nanočestice su proizvedene rastvaranjem odgovarajuće količine cinka acetat u 100 mL deionizovane vode za proizvodnju 0,1 M rastvora cinka jona. Naknadno, rastvor cinka jona bio je podvrgnut ultrazvučnoj talasnoj iradijaciji koristeći Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Nemačka) na amplitude od 79% i ciklusu od 0,76 za 5 min na temperaturi od 40 ◦C. Zatim, rastvor amonijaka je dodat dropwise rastvoru cinka jona pod dejstvom ultrazvučnih talasa. Posle nekoliko trenutaka, ZnO NPs je počeo da se presijava i raste, a rešenje amonijaka se neprekidno dodavalo sve dok se nisu desile potpune padavine ZnO NPS.
Dobijeni ZnO NPS su nekoliko puta prali deionizovanu vodu i izostavljeni su da se skrase. Potomstvo, dobijena padavina je osušena na sobnoj temperaturi.
(Ismail et al., 2021)
Šta su Nanogelsi?
Nanogeli ili nanokompostatni hidrogeli su vrsta hidrogela koji uključuje nanočestice, obično u opsegu od 1-100 nanometra, u njihovu strukturu. Ove nanočestice mogu biti organske, neorganske ili kombinacija obe.
Nanogeli se formiraju kroz proces poznat kao unakrsno vezivanje, koji podrazumeva hemijsko vezivanje polimernih lanaca za formiranje trodimenzionalne mreže. S obzirom na to da formiranje hidrogela i nanogela zahteva temeljno mešanje kako bi se hidrirala polimerna struktura, promovisala ukrštenja i ugradili nanočestice, ultrazvučnost je veoma efikasna tehnika za proizvodnju hidrogela i nanogela. Hidrogel i nanogel mreže su sposobne da apsorbuju velike količine vode, čineći nanogele visoko hidriranim i samim tim pogodnim za širok spektar primena kao što su isporuka lekova, inženjering tkiva i biosensori.
Nanogel hidrogeli se obično sastoje od nanočestica, kao što su čestice silikona ili polimera, koje se raspršuju po celoj hidrogel matrici. Ove nanočestice se mogu sintetizovati kroz različite metode, uključujući emulziju polimerizacije, inverznu emulziju polimerizacije i sintezu sol-gela. Ove polimerizacije i sol-gel sinteze imaju veliku korist od ultrazvučne agitacije.
Hidrogeli nanokompostajta, sa druge strane, sastoje se od kombinacije hidrogela i nanofilera, kao što su glina ili grafen oksid. Dodatak nanofilera može poboljšati mehanička i fizička svojstva hidrogela, kao što su njegova ukočenost, napeta snaga i čvrstina. Ovde moćni disperzioni kapaciteti sonication olakšavaju ujednačenu i stabilnu raspodelu nanočestica u hidrogel matricu.
Sveukupno, nanogel i nanokomponozitni hidrogeli imaju širok spektar potencijalnih primena u poljima kao što su biomedicina, remedijacija životne sredine i skladištenje energije zbog svojih jedinstvenih svojstava i funkcionalnosti.
Primena Nanogela za medicinske tretmane
| Tip Nanogela | Droge | Bolest | Aktivnosti | Reference |
| PAMA-DMMA nanogeli | doxorubicin | Rak | Povećanje stope oslobađanja kako se pH vrednost smanjiva. Veća citotoksičnost na pH 6.8 u studijama održivosti ćelija | Du et al. (2010) |
| Nanogeli na bazi čitosana ukrašeni hijaluronom | Fotosenzitizeri kao što su tetra-phenyl-porphyrin-tetra-sulfonate (TPPS4), tetra-phenyl-chlorin-tetra-carboxylate (TPCC4) i hlor e6 (Ce6) | Reumatski poremećaji | Brzo su zauzeli (4 h) makrofage i akumulirali se u svojoj citoplazmi i organelama | Schmitt et al. (2010) |
| PCEC nanočestice u Pluronskim hidrogelima | Lidokain | Lokalna anestezija | Proizvedena dugotrajna infiltracija anestezija od oko 360 min | Yin et al. (2009) |
| Poli(lactide-co-glikolna kiselina) i chitosan nanoparticle raspršeni u HPMC i Carbopol gel | Spantide II | Alergijski kontakt dermatitis i drugi upalni poremećaji kože | Nanogelinncreases potential for the percutaneous delivery of spantide II | Punit et al. (2012) |
| pH-osetljivi polivinil pirolidon-poli (akrilna kiselina) (PVP/PAAc) nanogeli | Pilokarpine | Održavajte adekvatnu koncentraciju pilokarpina na mestu radnje duži vremenski period | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Ukršteni poli (etilen glikol) i polietilenimin | Oligonukleotidi | Neurodegenerativne bolesti | Efektivno transportovan preko BBB- a. Efikasnost transporta se dodatno povećava kada se površina nanogela modifikuje transferrinom ili insulinom | Vinogradov et al. (2004) |
| Holesterol koji nosi pullulan nanogele | Rekombinantni murin interleukine-12 | Imunoterapija tumora | Održivo oslobađanje nanogela | Farhana et al. (2013) |
| Poli(N-isopropylacrylamide) i chitosan | Lečenje raka hipertermije i ciljano dostavljanje lekova | Termosensitivni magnetski modalizovan | Farhana et al. (2013) | |
| Ukrštena razgranata mreža polietileneimina i PEG Polipleksnanogela | Fludarabine | Rak | Povišena aktivnost i smanjena citotoksičnost | Farhana et al. (2013) |
| Biocompatible nanogel of holesterol-bearing pullulan | Kao veštački pratilac | Lečenje Alchajmerove bolesti | Inhibiraju agregaciju amiloidnog β-proteina | Ikeda et al. (2006) |
| DNK nanogel sa unakrsnim povezivanjem fotografija | Genetski materijal | Genska terapija | Kontrolisana isporuka plazmidne DNK | Lee et al. (2009) |
| Karbopol/cink oksid (ZnO) hibridni nanočesni gel | ZnO nanočestice | Antibakterijska aktivnost, bakterijski inhibitor | Ismail et al. (2021) |
Tabela prilagođena iz Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od Лаб до industrijske veličine.