Nanokomposit hydrogel syntes med hjälp av ultraljud
Nanokomposithydrogeler eller nanogeler är multifunktionella 3D-strukturer med hög effektivitet som läkemedelsbärare och system för kontrollerad frisättning av läkemedel. Ultraljud främjar dispersionen av nano-storlek, polymera hydrogelpartiklar samt den efterföljande inkluderingen / inkorporeringen av nanopartiklar i dessa polymerstrukturer.
Ultraljud syntes av nanogeler
Nanokomposithydrogeler är tredimensionella materialstrukturer och kan designas för att uppvisa specifika egenskaper, vilket gör dem till potenta läkemedelsbärare och system för läkemedelstillförsel med kontrollerad frisättning. Ultraljud främjar syntesen av funktionaliserade nano-storlek partiklar samt den efterföljande inkluderingen / inkorporeringen av nanopartiklar i tredimensionella polymera strukturer. Eftersom ultraljudssyntetiserade nanogeler kan fånga bioaktiva föreningar inuti sin nanokärna, erbjuder dessa hydrogeler i nanostorlek stora funktioner.
Nanogeler är vattenhaltig dispersion av hydrogelnanopartiklar, som är fysikaliskt eller kemiskt tvärbundna som hydrofila polymernätverk. Eftersom högpresterande ultraljud är mycket effektivt för att producera nanodispersioner, är ultraljudsapparater av sondtyp ett avgörande verktyg för snabb och tillförlitlig produktion av nanogeler med överlägsna funktioner.
Ultraljudsapparat UIP1000hdT med glasreaktor för syntes av nanokomposithydrogel
Funktioner hos ultraljudsproducerade nanogeler
- Utmärkt kolloidal stabilitet och den stora specifika ytan
- Kan packas tätt med nanopartiklar
- Låt dig kombinera hårda och mjuka partiklar i Hybrid Core/Shell Nanogel
- Hög vätskepotential
- Främjande av biotillgänglighet
- Höga svullnads- / avsvällningsegenskaper
Ultraljudssyntetiserade nanogeler används i många applikationer och industrier, t.ex.
- för farmaceutiska och medicinska tillämpningar: t.ex. läkemedelsbärare, antibakteriell gel, antibakteriell sårförband
- inom biokemi och biomedicin för genleverans
- som adsorbent/biosorbent i kemiska och miljömässiga tillämpningar
- inom vävnadsteknik eftersom hydrogeler kan efterlikna de fysiska, kemiska, elektriska och biologiska egenskaperna hos många inhemska vävnader
Fallstudie: Zinknanogelsyntes via sonokemisk väg
ZnO hybrid nanopartiklar kan stabiliseras i en Carbopol gel via en enkel ultraljudsprocess: Ultraljudsbehandling används för att driva utfällningen av zink nanopartiklar, som därefter ultraljud tvärbinds med Carbopol för att bilda en nano-hydrogel.
Ismail et al. (2021) fällde ut nanopartiklar av zinkoxid via en enkel sonokemisk väg. (Hitta protokollet för den sonokemiska syntesen av ZnO-nanopartiklar här).
Därefter användes nanopartiklarna för att syntetisera ZnO-nanogelen. Därför sköljdes de producerade ZnO NP:erna med dubbelt avjoniserat vatten. 0,5 g Carbopol 940 löstes upp i 300 ml dubbelt avjoniserat vatten, följt av tillsats av de nytvättade ZnO-NPs. Eftersom karbopol är naturligt surt kräver lösningen en neutralisering av pH-värdet, annars skulle det inte tjockna. Således hade blandningen genomgått kontinuerlig ultraljudsbehandling med hjälp av Hielscher ultraljudsapparat UP400S med en amplitud på 95 och en cykel på 95% i 1 timme. Sedan, 50 ml trimetylamin (TEA) som ett neutraliserande medel (höja pH till 7) tillsattes droppvis under kontinuerlig ultraljudsbehandling tills bildandet av ZnO vit gel inträffade. Förtjockningen av Carbopol började när pH-värdet var nära ett neutralt pH-värde.
Forskargruppen förklarar de utomordentligt positiva effekterna av ultraljud på nanogelbildning genom förbättrad partikel-partikelinteraktion. Ultraljudsinitierad molekylär omrörning av beståndsdelarna i reaktionsblandningen förbättrar förtjockningsprocessen som främjas av polymer-lösningsmedelsinteraktionerna. Dessutom, ultraljudsbehandling främjar upplösningen av Carbopol. Dessutom förbättrar ultraljudsvågsbestrålning interaktionen mellan polymer och ZnO NPs och förbättrar de viskoelastiska egenskaperna hos den beredda Carbopol/ZnO-hybridnanopartikelgelen.
Det schematiska flödesschemat ovan visar syntesen av ZnO NPs och Carbopol/ZnO hybrid nanopartikelgel. I studien användes ultraljudsapparaten UP400St för ZnO utfällning av nanopartiklar och bildning av nanogel. (anpassad från Ismail et al., 2021)
ZnO NPs syntetiseras av den kemiska utfällningsmetoden under påverkan av ultraljud, där (a) är i den vattenhaltiga lösningen, och (b) är ultraljudsdispergerat till en stabil Carbopol-baserad hydrogel.
(studie och bild: Ismail et al., 2021)
Case Stuy: Ultraljud förberedelse av poly (metakrylsyra) / montmorillonit (PMA / nMMT) nanogel
Khan et al. (2020) demonstrerade den framgångsrika syntesen av en poly(metakrylsyra)/montmorillonit (PMA/nMMT) nanokomposithydrogel via ultraljudsassisterad redoxpolymerisation. Vanligtvis dispergerades 1,0 g nMMT i 50 ml destillerat vatten med ultraljud i 2 timmar för att bilda en homogen dispersion. Ultraljudsbehandling förbättrar dispersionen av lera, vilket resulterar i förbättrade mekaniska egenskaper och adsorptionskapacitet hos hydrogelerna. Metakrylsyramonomer (30 ml) tillsattes droppvis till suspensionen. Initiatorammoniumpersulfat (APS) (0,1 M) tillsattes till blandningen följt av 1,0 ml TEMED-accelerator. Dispersionen rördes om kraftigt i 4 timmar vid 50 °C med hjälp av en magnetomrörare. Den resulterande trögflytande massan tvättades med aceton och torkades ut i 48 timmar vid 70 °C i en ugn. Den resulterande produkten maldes och förvarades i en glasflaska. Olika nanokompositgeler syntetiserades genom att variera nMMT i mängderna 0,5, 1,0, 1,5 och 2,0 g. Nanokomposithydrogelerna framställda med 1,0 g nMMT visade bättre adsorptionsresultat än resten av kompositer och användes därför för vidare adsorptionsundersökning.
SEM-EDX-mikrobilderna till höger visar den elementära och strukturella analysen av nanogelerna som består av montmorillonit (MMT), nano-montmorillonit (nMMT), poly(metakrylsyra)/nano-montmorillonit (PMA/nMMT) och amoxicillin (AMX)- och diklofenak (DF)-laddad PMA/nMMT. SEM-mikrobilderna registrerade vid en förstoring på 1,00 KX tillsammans med EDX på
- montmorillonit (MMT),
- nanomontmorillonit (nMMT),
- poly(metakrylsyra)/nanomontmorillonit (PMA/nMMT),
- och amoxicillin (AMX)- och diklofenak (DF)-laddad PMA/nMMT.
Det observeras att rå MMT har en skiktad plåtstruktur som visar närvaron av större korn. Efter modifiering exfolieras MMT-arken till små partiklar, vilket kan bero på eliminering av Si2+ och Al3+ från de oktaedriska platserna. EDX-spektrumet av nMMT uppvisar en hög andel kol, vilket främst kan bero på det ytaktiva ämnet som används för modifiering eftersom huvudbeståndsdelen i CTAB (C19H42BrN) är kol (84%). PMA/nMMT uppvisar en sammanhängande och nästan kokontinuerlig struktur. Dessutom är inga porer synliga, vilket visar den fullständiga exfolieringen av nMMT i PMA-matrisen. Efter sorption med de farmaceutiska molekylerna amoxicillin (AMX) och diklofenak (DF) observeras förändringar i PMA/nMMT-morfologin. Ytan blir asymmetrisk med en ökning av den grova strukturen.
Användning och funktionalitet av lerbaserade hydrogeler i nanostorlek: Lerbaserade hydrogelnanokompositer är tänkta att vara potentiella superadsorbenter för upptag av oorganiska och/eller organiska föroreningar från en vattenlösning på grund av de kombinerade egenskaperna hos både lera och polymerer, såsom biologisk nedbrytbarhet, biokompatibilitet, ekonomisk lönsamhet, överflöd, hög specifik yta, tredimensionellt nätverk och svällnings-/avsvällningsegenskaper.
(jfr Khan et al., 2020)
SEM-EDX-mikrobilder av (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT och (d) AMX- och (e) DF-laddade nanokomposithydrogeler. Nanogelerna framställdes med hjälp av ultraljud.
(studie och bilder: ©Khan et al. 2020)
Högpresterande ultraljudsapparater för produktion av hydrogel och nanogel
Högpresterande ultraljudsapparater för produktion av hydrogel och nanogel
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudsutrustning för syntes av hydrogeler och nanogeler med överlägsna funktioner. Från små och medelstora R&D och pilot ultraljud till industriella system för kommersiell hydrogel tillverkning i kontinuerligt läge, Hielscher Ultrasonics har rätt ultraljud processor för att täcka dina krav på hydrogel / nanogel produktion.
- Hög effektivitet
- Toppmodern teknik
- tillförlitlighet & robusthet
- batch & Inline
- för vilken volym som helst
- Intelligent programvara
- Smarta funktioner (t.ex. dataprotokoll)
- Enkel och säker att använda
- Lågt underhåll
- CIP (clean-in-place)
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:
| Batchvolym | Flöde | Rekommenderade enheter |
|---|---|---|
| 1 till 500 ml | 10 till 200 ml/min | UP100H |
| 10 till 2000 ml | 20 till 400 ml/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 15 l/min | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 till 100 L/min | UIP16000 |
| N.A. | Större | 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 som är värda att veta
Protokoll för sonokemisk syntes av ZnO-nanopartiklar
ZnO NP syntetiserades med hjälp av den kemiska utfällningsmetoden under påverkan 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 producerades genom att lösa upp lämplig mängd zinkacetat i 100 ml avjoniserat vatten för att producera 0,1 M av en zinkjonlösning. Därefter utsattes zinkjonlösningen för ultraljudsvågbestrålning med hjälp av en Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Tyskland) med en amplitud på 79% och en cykel på 0,76 i 5 minuter vid en temperatur på 40 ◦C. Därefter tillsattes ammoniaklösningen droppvis till zinkjonlösningen under påverkan av ultraljudsvågorna. Efter några ögonblick började ZnO-NP:erna att fällas ut och växa, och ammoniaklösningen tillsattes kontinuerligt tills den fullständiga utfällningen av ZnO-NP:er inträffade.
De erhållna ZnO NP:erna tvättades med avjoniserat vatten flera gånger och lämnades ute för att sätta sig. Efteråt 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 intervallet 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, vilket innebär kemisk bindning av polymerkedjor för att bilda ett tredimensionellt nätverk. Eftersom bildandet av hydrogeler och nanogeler kräver noggrann blandning för att återfukta den polymera strukturen, för att främja tvärbindningen och för att införliva nanopartiklarna, är ultraljud en mycket effektiv teknik för produktion av hydrogeler och nanogeler. Hydrogel- och nanogelnätverk kan absorbera stora mängder vatten, vilket gör nanogeler mycket hydratiserade och därmed lämpliga för ett brett spektrum av tillämpningar som läkemedelstillförsel, vävnadsteknik och biosensorer.
Nanogelhydrogeler består vanligtvis av nanopartiklar, såsom kiseldioxid- eller polymerpartiklar, som är dispergerade genom hydrogelmatrisen. Dessa nanopartiklar kan syntetiseras genom olika metoder, inklusive emulsionspolymerisation, invers emulsionspolymerisation och sol-gel-syntes. Dessa polymerisations- och sol-gel-synteser drar stor nytta av ultraljudsomrörning.
Nanokomposithydrogeler, å andra sidan, består av en kombination av en hydrogel och ett nanofyllmedel, såsom lera eller grafenoxid. Tillsatsen av nanofyllmedel kan förbättra de mekaniska och fysikaliska egenskaperna hos hydrogelen, såsom dess styvhet, draghållfasthet och seghet. Här, den kraftfulla dispersionskapaciteten hos ultraljudsbehandling underlätta den enhetliga och stabila fördelningen av nanopartiklar i hydrogelmatrisen.
Sammantaget har nanogel och nanokomposithydrogeler ett brett spektrum av potentiella tillämpningar inom områden som biomedicin, miljösanering och energilagring på grund av deras unika egenskaper och funktioner.
Tillämpningar av nanogel för medicinska behandlingar
| Typ av nanogel | Läkemedel | sjukdom | Aktivitet | Referenser |
| PAMA-DMMA nanogeler | Doxorubicin | Cancer | Ökning av frisättningshastigheten när pH-värdet minskade. Högre cytotoxicitet vid pH 6,8 i cellviabilitetsstudier | Du et al. (2010) |
| Kitosanbaserade nanogeler dekorerade med hyaluronat | Fotosensibilisatorer som tetra-fenyl-porfyrin-tetra-sulfonat (TPPS4), tetra-fenyl-klorin-tetra-karboxylat (TPCC4) och klorin e6 (Ce6) | Reumatiska sjukdomar | Tas snabbt upp (4 timmar) av makrofagerna och ackumuleras i deras cytoplasma och organeller | Schmitt et al. (2010) |
| PCEC-nanopartiklar i pluronichydrogeler | Lidokain | Lokalbedövning | Producerade långvarig infiltrationsanestesi på ca 360 min | Yin et al. (2009) |
| Poly(laktid-co-glykolsyra) och kitosan nanopartiklar dispergerade i HPMC och karbopolgel | Spantide II | Allergisk kontaktdermatit och andra hudinflammatoriska sjukdomar | Nanogelinnökar potentialen för perkutan tillförsel av spantide II | Punit et al. (2012) |
| pH-känslig polyvinyl pyrrolidon-poly (akrylsyra) (PVP/PAAc) nanogeler | Pilokarpin | Upprätthåll 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 BBB. Transporteffektiviteten ökar ytterligare när nanogelens yta modifieras med transferrin eller insulin | Vinogradov et al. (2004) |
| Kolesterolbärande pullulannanogeler | Rekombinant musinterleukin-12 | Immunterapi mot tumörer | Nanogel med fördröjd frisättning | Farhana et al. (2013) |
| Poly(N-isopropylakrylamid) och kitosan | Behandling av hypertermicancer och riktad läkemedelstillförsel | Termokänslig magnetiskt modaliserad | Farhana et al. (2013) | |
| Tvärbundet grenat nätverk av polyetylenimin och PEG Polyplexnanogel | Fludarabin | Cancer | Förhöjd aktivitet och minskad cytotoxicitet | Farhana et al. (2013) |
| Biokompatibel nanogel av kolesterolbärande pullulan | Som konstgjord chaperon | Behandling av Alzheimers sjukdom | Hämmar aggregering av amyloid β-protein | Ikeda et al. (2006) |
| DNA-nanogel med tvärbindning av foton | Genetiskt material | Genterapi | Kontrollerad leverans av plasmid-DNA | Lee et al. (2009) |
| Karbopol/zinkoxid (ZnO) hybrid nanopartikelgel | ZnO nanopartiklar | Antibakteriell aktivitet, bakteriell hämmare | Ismail et al. (2021) |
Tabell anpassad från Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från labb till industriell storlek.