Syntes av nanokomposithydrogeler med ultraljudsbehandling
Nanokomposithydrogeler eller nanogeler är multifunktionella 3D-strukturer med hög effektivitet som läkemedelsbärare och system för läkemedelstillförsel med kontrollerad frisättning. Ultraljudsbehandling främjar dispergeringen av polymera hydrogelpartiklar i nanostorlek samt den efterföljande inneslutningen/inkorporeringen av nanopartiklar i dessa polymerstrukturer.
Ultraljudssyntes av nanogeler
Nanokomposithydrogeler är tredimensionella materialstrukturer och kan utformas för att uppvisa specifika egenskaper, vilket gör dem till effektiva läkemedelsbärare och system för läkemedelstillförsel med kontrollerad frisättning. Ultraljudsbehandling främjar syntesen av funktionaliserade partiklar i nanostorlek samt den efterföljande inneslutningen/inkorporeringen av nanopartiklar i tredimensionella polymerstrukturer. Eftersom ultraljudssyntetiserade nanogeler kan innesluta bioaktiva föreningar i sin kärna i nanoskala erbjuder dessa hydrogeler i nanostorlek utmärkta funktionella egenskaper.
Nanogeler är vattenbaserade dispersioner av hydrogelnanopartiklar som är fysikaliskt eller kemiskt tvärbundna till ett hydrofilt polymernätverk. Eftersom högpresterande ultraljud är mycket effektivt för att framställa nanodispersioner är ultraljudsapparater av sondtyp ett avgörande verktyg för snabb och tillförlitlig produktion av nanogeler med överlägsna funktionella egenskaper.
Ultraljudsapparaten UIP1000hdT med glasreaktor för syntes av nanokomposithydrogeler
Funktionella egenskaper hos ultraljudsproducerade nanogeler
- utmärkt kolloidal stabilitet och stor specifik yta
- kan packas tätt med nanopartiklar
- gör det möjligt att kombinera hårda och mjuka partiklar i en hybridnanogel med kärna/skal
- hög hydratiseringspotential
- främjar biotillgängligheten
- hög förmåga till svällning / avsvällning
Ultraljudssyntetiserade nanogeler används inom många tillämpningar och branscher, t.ex.
- för farmaceutiska och medicinska tillämpningar: t.ex. läkemedelsbärare, antibakteriell gel, antibakteriella sårförband
- inom biokemi och biomedicin för genleverans
- som adsorbent/biosorbent i kemiska och miljötekniska tillämpningar
- inom vävnadsteknik eftersom hydrogeler kan efterlikna de fysikaliska, kemiska, elektriska och biologiska egenskaperna hos många naturliga vävnader
Fallstudie: syntes av zinknanogel på sonokemisk väg
ZnO-hybridnanopartiklar kan stabiliseras i en Carbopol-gel genom en enkel ultraljudsprocess: Ultraljudsbehandling används för att driva utfällningen av zinknanopartiklar, som därefter tvärbinds med Carbopol med hjälp av ultraljud för att bilda en nanohydrogel.
Ismail et al. (2021) fällde ut zinkoxidnanopartiklar på en enkel sonokemisk väg. (Här finns protokollet för sonokemisk syntes av ZnO-nanopartiklar).
Därefter användes nanopartiklarna för att syntetisera ZnO-nanogelen. För detta sköljdes de framställda ZnO-nanopartiklarna med dubbelt avjoniserat vatten. 0,5 g Carbopol 940 löstes i 300 mL dubbelt avjoniserat vatten, varefter de nytvättade ZnO-nanopartiklarna tillsattes. Eftersom Carbopol är naturligt surt kräver lösningen en neutralisering av pH-värdet, annars skulle den inte tjockna. Blandningen behandlades därför kontinuerligt med ultraljud med Hielscher-ultraljudsapparaten UP400S vid en amplitud på 95 och en arbetscykel på 95% under 1 h. Därefter tillsattes 50 mL trimetylamin (TEA) som neutraliseringsmedel (för att höja pH till 7) droppvis under kontinuerlig ultraljudsbehandling tills den vita ZnO-gelen bildades. Carbopol började tjockna när pH-värdet närmade sig ett neutralt pH.
Forskargruppen förklarar ultraljudsbehandlingens utomordentligt positiva effekter på nanogelbildningen med en förstärkt växelverkan mellan partiklarna. Den molekylära omrörning av beståndsdelarna i reaktionsblandningen som initieras av ultraljud förstärker den förtjockningsprocess som främjas av växelverkan mellan polymer och lösningsmedel. Dessutom främjar ultraljudsbehandlingen upplösningen av Carbopol. Bestrålning med ultraljudsvågor förstärker också växelverkan mellan polymeren och ZnO-nanopartiklarna och förbättrar de viskoelastiska egenskaperna hos den framställda Carbopol/ZnO-hybridnanopartikelgelen.
Det schematiska flödesschemat ovan visar syntesen av ZnO-nanopartiklar och Carbopol/ZnO-hybridnanopartikelgel. I studien användes ultraljudsapparaten UP400St för utfällning av ZnO-nanopartiklar och bildning av nanogel. (bearbetat efter Ismail et al., 2021)
ZnO-nanopartiklar syntetiserade med den kemiska utfällningsmetoden under inverkan av ultraljudsbehandling, där (a) finns i vattenlösningen och (b) har dispergerats med ultraljud till en stabil Carbopol-baserad hydrogel.
(studie och bild: Ismail et al., 2021)
Fallstudie: Framställning av nanogel av poly(metakrylsyra)/montmorillonit (PMA/nMMT) med ultraljud
Khan et al. (2020) demonstrerade framgångsrik syntes av en nanokomposithydrogel av poly(metakrylsyra)/montmorillonit (PMA/nMMT) genom ultraljudsassisterad redoxpolymerisation. Vanligtvis dispergerades 1,0 g nMMT i 50 mL destillerat vatten med ultraljudsbehandling under 2 h för att bilda en homogen dispersion. Ultraljudsbehandling förbättrar dispergeringen av lera, vilket ger hydrogelerna förbättrade mekaniska egenskaper och högre adsorptionskapacitet. Metakrylsyramonomer (30 mL) tillsattes droppvis till suspensionen. Initiatorn ammoniumpersulfat (APS) (0,1 M) tillsattes till blandningen, följt av 1,0 mL av acceleratorn TEMED. Dispersionen rördes om kraftigt under 4 h vid 50°C med en magnetomrörare. Den resulterande viskösa massan tvättades med aceton och torkades under 48 h vid 70°C i en ugn. Den resulterande produkten maldes och förvarades i en glasflaska. Olika nanokompositgeler syntetiserades genom att variera mängden nMMT mellan 0,5, 1,0, 1,5 och 2,0 g. De nanokomposithydrogeler som framställdes med 1,0 g nMMT uppvisade bättre adsorptionsresultat än de övriga kompositerna och användes därför för fortsatta adsorptionsundersökningar.
SEM-EDX-mikrobilderna till höger visar grundämnesanalysen och strukturanalysen av nanogelerna bestående av montmorillonit (MMT), nano-montmorillonit (nMMT), poly(metakrylsyra)/nano-montmorillonit (PMA/nMMT) samt PMA/nMMT laddad med amoxicillin (AMX) respektive diklofenak (DF). SEM-mikrobilderna tagna vid en förstoring på 1,00 KX tillsammans med EDX-analysen av
- montmorillonit (MMT),
- nano-montmorillonit (nMMT),
- poly(metakrylsyra)/nano-montmorillonit (PMA/nMMT),
- samt PMA/nMMT laddad med amoxicillin (AMX) respektive diklofenak (DF).
Det observeras att obehandlad MMT har en skiktad struktur med större korn. Efter modifiering exfolieras MMT-skikten till mycket små partiklar, vilket kan bero på att Si2+ och Al3+ avlägsnas från de oktaedriska positionerna. EDX-spektrumet för nMMT visar en hög andel kol, vilket främst kan bero på det ytaktiva ämne som används vid modifieringen, eftersom huvudbeståndsdelen i CTAB (C19H42BrN) är kol (84%). PMA/nMMT uppvisar en sammanhängande och nästan samkontinuerlig struktur. Dessutom är inga porer synliga, vilket visar att nMMT är fullständigt exfolierad i PMA-matrisen. Efter sorption av läkemedelsmolekylerna amoxicillin (AMX) och diklofenak (DF) observeras förändringar i morfologin hos PMA/nMMT. Ytan blir asymmetrisk och får en grövre textur.
Användning och funktionella egenskaper hos lerbaserade hydrogeler i nanostorlek: Lerbaserade hydrogelnanokompositer betraktas som potentiella superadsorbenter för upptag av oorganiska och/eller organiska föroreningar från en vattenlösning tack vare kombinationen av lerornas och polymerernas egenskaper, såsom biologisk nedbrytbarhet, biokompatibilitet, ekonomisk bärkraft, riklig tillgång, stor specifik yta, tredimensionellt nätverk samt förmåga att svälla och krympa.
(jfr Khan et al., 2020)
SEM-EDX-mikrobilder av (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT samt nanokomposithydrogeler laddade med (d) AMX och (e) DF. Nanogelerna framställdes med ultraljudsbehandling.
(studie och bilder: ©Khan et al. 2020)
Högpresterande ultraljudsapparater för produktion av hydrogeler och nanogeler
Högpresterande ultraljudsapparater för produktion av hydrogeler och nanogeler
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudsutrustning för syntes av hydrogeler och nanogeler med överlägsna funktionella egenskaper. Från små och medelstora ultraljudsapparater för forskning och utveckling och pilotförsök till industriella system för kommersiell hydrogeltillverkning i kontinuerlig drift har Hielscher Ultrasonics rätt ultraljudsprocessor för att uppfylla dina krav på produktion av hydrogeler / nanogeler.
- hög effektivitet
- toppmodern teknik
- tillförlitlighet och robusthet
- satsvis och inline
- för alla volymer
- intelligent programvara
- smarta funktioner (t.ex. dataloggning)
- enkel och säker att använda
- lågt underhållsbehov
- CIP (rengöring på plats)
Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:
| Satsvolym | Flödeshastighet | Rekommenderade apparater |
|---|---|---|
| 1 till 500mL | 10 till 200mL/min | UP100H |
| 10 till 2000mL | 20 till 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 till 20L | 0,2 till 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 till 150L | 3 till 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 till 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | högre | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
(Studie och film: Rutgeerts et al., 2019)
Litteratur / Referenser
- 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.
Fakta värda att veta
Protokoll för sonokemisk syntes av ZnO-nanopartiklar
ZnO-nanopartiklar syntetiserades med kemisk utfällning under inverkan av ultraljudsbestrålning. I ett typiskt förfarande användes zinkacetatdihydrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) som prekursor och en ammoniaklösning på 30–33% (NH3) i en vattenlösning (NH4OH) som reduktionsmedel. ZnO-nanopartiklarna framställdes genom att lösa upp en lämplig mängd zinkacetat i 100 mL avjoniserat vatten för att erhålla en zinkjonlösning med koncentrationen 0,1 M. Därefter utsattes zinkjonlösningen för ultraljudsbestrålning med en Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Tyskland) vid en amplitud på 79% och en arbetscykel på 0,76 under 5 min vid en temperatur på 40 ◦C. Därefter tillsattes ammoniaklösningen droppvis till zinkjonlösningen under inverkan av ultraljudsvågorna. Efter några ögonblick började ZnO-nanopartiklarna fällas ut och växa, och ammoniaklösningen tillsattes kontinuerligt tills ZnO-nanopartiklarna hade fällts ut fullständigt.
De erhållna ZnO-nanopartiklarna tvättades flera gånger med avjoniserat vatten och fick stå för att sedimentera. Därefter torkades den erhållna fällningen vid rumstemperatur.
(Ismail et al., 2021)
Vad är nanogeler?
Nanogeler eller nanokomposithydrogeler är en typ av hydrogel som innehåller nanopartiklar, vanligtvis i storleksintervallet 1–100 nanometer, i sin struktur. Dessa nanopartiklar kan vara organiska, oorganiska eller en kombination av båda.
Nanogeler bildas genom en process som kallas tvärbindning, där polymerkedjor binds kemiskt till varandra för att bilda ett tredimensionellt nätverk. Eftersom bildningen av hydrogeler och nanogeler kräver grundlig blandning för att hydratisera polymerstrukturen, främja tvärbindningen och införliva nanopartiklarna är ultraljudsbehandling en mycket effektiv teknik för framställning av hydrogeler och nanogeler. Hydrogel- och nanogelnätverk kan absorbera stora mängder vatten, vilket gör nanogeler starkt hydratiserade och därmed lämpliga för ett brett spektrum av tillämpningar såsom läkemedelstillförsel, vävnadsteknik och biosensorer.
Nanogelhydrogeler består vanligtvis av nanopartiklar, såsom kiseldioxid- eller polymerpartiklar, som är dispergerade i hela hydrogelmatrisen. Dessa nanopartiklar kan syntetiseras med olika metoder, bland annat emulsionspolymerisation, invers emulsionspolymerisation och sol–gel-syntes. Dessa polymerisations- och sol–gel-synteser gynnas i hög grad av ultraljudsinducerad omrörning.
Nanokomposithydrogeler består å andra sidan av en kombination av en hydrogel och ett nanofyllmedel, såsom lera eller grafenoxid. Tillsatsen av nanofyllmedlet kan förbättra hydrogelens mekaniska och fysikaliska egenskaper, såsom styvhet, draghållfasthet och seghet. Här underlättar ultraljudsbehandlingens kraftfulla dispergeringsförmåga en jämn och stabil fördelning av nanopartiklar i hydrogelmatrisen.
Sammantaget har nanogel- och nanokomposithydrogeler ett brett spektrum av potentiella tillämpningar inom områden såsom biomedicin, miljösanering och energilagring tack vare sina unika egenskaper och funktioner.
Användning av nanogel vid medicinska behandlingar
| Typ av nanogel | Läkemedel | Sjukdom | Verkan | Referenser |
| PAMA-DMMA-nanogeler | Doxorubicin | Cancer | Ökad frisättningshastighet när pH-värdet sjönk. Högre cytotoxicitet vid pH 6,8 i studier av cellviabilitet | Du et al. (2010) |
| Kitosanbaserade nanogeler dekorerade med hyaluronat | Fotosensibiliserare såsom tetrafenylporfyrintetrasulfonat (TPPS4), tetrafenylklorintetrakarboxylat (TPCC4) och klorin e6 (Ce6) | Reumatiska sjukdomar | Togs snabbt upp (4 h) av makrofagerna och ansamlades i deras cytoplasma och organeller | Schmitt et al. (2010) |
| PCEC-nanopartiklar i Pluronic-hydrogeler | Lidokain | Lokalbedövning | Gav långvarig infiltrationsanestesi som varade i cirka 360 min | Yin et al. (2009) |
| Nanopartikel av poly(laktid-co-glykolsyra) och kitosan dispergerad i HPMC- och Carbopol-gel | Spantide II | Allergisk kontaktdermatit och andra inflammatoriska hudsjukdomar | Nanogelen ökar potentialen för perkutan tillförsel av spantid II | Punit et al. (2012) |
| pH-känsliga nanogeler av polyvinylpyrrolidon–poly(akrylsyra) (PVP/PAAc) | Pilokarpin | Upprätthåller en tillräcklig koncentration av pilokarpin vid verkningsstället under en längre tid | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Tvärbunden poly(etylenglykol) och polyetylenimin | Oligonukleotider | Neurodegenerativa sjukdomar | Transporteras effektivt över blod–hjärnbarriären. Transporteffektiviteten ökar ytterligare när nanogelens yta modifieras med transferrin eller insulin | Vinogradov et al. (2004) |
| Nanogeler av kolesterolbärande pullulan | Rekombinant murint interleukin-12 | Immunterapi mot tumörer | Nanogel med förlängd frisättning | Farhana et al. (2013) |
| Poly(N-isopropylakrylamid) och kitosan | Cancerbehandling med hypertermi och riktad läkemedelstillförsel | Termokänslig, magnetiskt modaliserad | Farhana et al. (2013) | |
| Tvärbundet förgrenat nätverk av polyetylenimin och PEG-polyplexnanogel | Fludarabin | Cancer | Ökad aktivitet och minskad cytotoxicitet | Farhana et al. (2013) |
| Biokompatibel nanogel av kolesterolbärande pullulan | Som artificiell chaperon | Behandling av Alzheimers sjukdom | Hämmar aggregering av amyloid-β-protein | Ikeda et al. (2006) |
| DNA-nanogel med fototvärbindning | Genetiskt material | Genterapi | Kontrollerad tillförsel av plasmid-DNA | Lee et al. (2009) |
| Hybridnanopartikelgel av Carbopol/zinkoxid (ZnO) | ZnO-nanopartiklar | Antibakteriell aktivitet, bakteriehämmare | Ismail et al. (2021) |
Tabell bearbetad efter Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från laboratoriestorlek till industriell storlek.