การสังเคราะห์ไฮโดรเจลนาโนคอมโพสิตด้วยอัลตราโซนิก

ไฮโดรเจลนาโนคอมโพสิตหรือนาโนเจลเป็นโครงสร้าง 3 มิติที่มีหน้าที่หลากหลายและมีประสิทธิผลสูงในการเป็นตัวพายาและระบบนำส่งยาแบบควบคุมการปลดปล่อย การใช้อัลตราโซนิกช่วยส่งเสริมการกระจายตัวของอนุภาคไฮโดรเจลพอลิเมอร์ขนาดนาโน รวมทั้งการนำอนุภาคนาโนเข้าไปบรรจุหรือผนวกรวมในโครงสร้างพอลิเมอร์เหล่านี้ในขั้นตอนต่อมา

การสังเคราะห์นาโนเจลด้วยอัลตราโซนิก

ไฮโดรเจลนาโนคอมโพสิตเป็นโครงสร้างวัสดุสามมิติที่สามารถออกแบบให้มีคุณลักษณะเฉพาะได้ จึงเป็นตัวพายาและระบบนำส่งยาแบบควบคุมการปลดปล่อยที่มีประสิทธิผลสูง การใช้อัลตราโซนิกช่วยส่งเสริมการสังเคราะห์อนุภาคขนาดนาโนที่ได้รับการปรับหมู่ฟังก์ชัน รวมทั้งการนำอนุภาคนาโนเข้าไปบรรจุหรือผนวกรวมในโครงสร้างพอลิเมอร์สามมิติในขั้นตอนต่อมา เนื่องจากนาโนเจลที่สังเคราะห์ด้วยอัลตราโซนิกสามารถกักเก็บสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพไว้ภายในแกนขนาดนาโนได้ ไฮโดรเจลขนาดนาโนเหล่านี้จึงมีสมบัติการทำหน้าที่ที่โดดเด่น
นาโนเจลเป็นระบบกระจายตัวในน้ำของอนุภาคไฮโดรเจลขนาดนาโน ซึ่งเชื่อมขวางกันทางกายภาพหรือทางเคมีเป็นโครงข่ายพอลิเมอร์ที่ชอบน้ำ เนื่องจากอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงมีประสิทธิภาพสูงในการผลิตระบบกระจายตัวระดับนาโน เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบจึงเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการผลิตนาโนเจลที่มีสมบัติการทำหน้าที่เหนือกว่าได้อย่างรวดเร็วและเชื่อถือได้

สมบัติการทำหน้าที่ของนาโนเจลที่ผลิตด้วยอัลตราโซนิก

• เสถียรภาพของคอลลอยด์ที่ดีเยี่ยมและพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่
• สามารถบรรจุอนุภาคนาโนได้อย่างหนาแน่น
• ช่วยให้รวมอนุภาคแข็งและอนุภาคอ่อนเข้าด้วยกันในนาโนเจลไฮบริดแบบแกน/เปลือกได้
• ศักยภาพในการรับน้ำสูง
• ส่งเสริมชีวปริมาณออกฤทธิ์
• สมบัติการพองตัว / การลดการพองตัวสูง

 
นาโนเจลที่สังเคราะห์ด้วยอัลตราโซนิกถูกนำไปใช้ในงานและอุตสาหกรรมต่าง ๆ มากมาย เช่น

• งานด้านเภสัชกรรมและการแพทย์ เช่น ตัวพายา เจลต้านแบคทีเรีย วัสดุปิดแผลต้านแบคทีเรีย
• งานด้านชีวเคมีและชีวเวชศาสตร์สำหรับการนำส่งยีน
• เป็นตัวดูดซับ/ตัวดูดซับชีวภาพในงานด้านเคมีและสิ่งแวดล้อม
• งานด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อ เนื่องจากไฮโดรเจลสามารถเลียนแบบสมบัติทางกายภาพ เคมี ไฟฟ้า และชีวภาพของเนื้อเยื่อธรรมชาติหลายชนิดได้

กรณีศึกษา: การสังเคราะห์นาโนเจลสังกะสีด้วยกระบวนการโซโนเคมี

อนุภาคนาโนไฮบริด ZnO สามารถทำให้มีเสถียรภาพในเจล Carbopol ได้ด้วยกระบวนการอัลตราโซนิกที่ทำได้ง่าย โดยใช้อัลตราโซนิกขับเคลื่อนการตกตะกอนของอนุภาคนาโนสังกะสี จากนั้นจึงใช้อัลตราโซนิกเชื่อมขวางอนุภาคเหล่านี้กับ Carbopol เพื่อสร้างนาโนไฮโดรเจล
Ismail et al. (2021) ทำให้อนุภาคนาโนซิงก์ออกไซด์ตกตะกอนด้วยกระบวนการโซโนเคมีที่ทำได้ง่าย (ดูวิธีดำเนินการสังเคราะห์อนุภาคนาโน ZnO ด้วยโซโนเคมีได้ที่นี่).
จากนั้นนำอนุภาคนาโนไปใช้สังเคราะห์นาโนเจล ZnO โดยล้างอนุภาคนาโน ZnO ที่ผลิตได้ด้วยน้ำที่ผ่านการกำจัดไอออนสองครั้ง ละลาย Carbopol 940 ปริมาณ 0.5 g ในน้ำที่ผ่านการกำจัดไอออนสองครั้ง ปริมาตร 300 mL แล้วเติมอนุภาคนาโน ZnO ที่เพิ่งล้างเสร็จ เนื่องจาก Carbopol มีสภาพเป็นกรดโดยธรรมชาติ จึงต้องปรับค่า pH ของสารละลายให้เป็นกลาง มิฉะนั้นสารละลายจะไม่ข้นขึ้น ดังนั้นจึงให้สารผสมผ่านการใช้อัลตราโซนิกอย่างต่อเนื่องด้วยเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher รุ่น UP400S ที่แอมพลิจูด 95 และรอบการทำงาน 95% เป็นเวลา 1 h จากนั้นเติม trimethylamine (TEA) ปริมาตร 50 mL ซึ่งเป็นสารปรับให้เป็นกลาง (เพิ่มค่า pH เป็น 7) ทีละหยดขณะใช้อัลตราโซนิกอย่างต่อเนื่อง จนเกิดเจล ZnO สีขาว การข้นขึ้นของ Carbopol เริ่มขึ้นเมื่อค่า pH ใกล้เคียงกับค่า pH ที่เป็นกลาง
ทีมวิจัยอธิบายว่าผลเชิงบวกที่โดดเด่นอย่างยิ่งของการใช้อัลตราโซนิกต่อการเกิดนาโนเจลมาจากการเพิ่มปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาค การเคลื่อนไหวระดับโมเลกุลขององค์ประกอบในสารผสมปฏิกิริยาที่กระตุ้นด้วยอัลตราโซนิกช่วยเสริมกระบวนการข้นขึ้น ซึ่งได้รับการส่งเสริมจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างพอลิเมอร์กับตัวทำละลาย นอกจากนี้ การใช้อัลตราโซนิกยังส่งเสริมการละลายของ Carbopol และการฉายคลื่นอัลตราซาวนด์ยังเพิ่มปฏิสัมพันธ์ระหว่างพอลิเมอร์กับอนุภาคนาโน ZnO และปรับปรุงสมบัติวิสโคอีลาสติกของเจลอนุภาคนาโนไฮบริด Carbopol/ZnO ที่เตรียมได้
แผนภาพการไหลด้านบนแสดงการสังเคราะห์อนุภาคนาโน ZnO และเจลอนุภาคนาโนไฮบริด Carbopol/ZnO ในการศึกษานี้ ใช้เครื่องอัลตราโซนิก UP400St สำหรับการตกตะกอนของอนุภาคนาโน ZnO และการเกิดนาโนเจล (ดัดแปลงจาก Ismail et al., 2021)

อนุภาคนาโน ZnO ที่สังเคราะห์ด้วยวิธีตกตะกอนทางเคมีภายใต้ผลของการใช้อัลตราโซนิก โดย (a) อยู่ในสารละลายในน้ำ และ (b) ถูกกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกในไฮโดรเจลที่มี Carbopol เป็นองค์ประกอบหลักและมีเสถียรภาพ
(การศึกษาและภาพ: Ismail et al., 2021)

กรณีศึกษา: การเตรียมนาโนเจล Poly(methacrylic acid)/Montmorillonite (PMA/nMMT) ด้วยอัลตราโซนิก

Khan et al. (2020) แสดงให้เห็นถึงความสำเร็จในการสังเคราะห์ไฮโดรเจลนาโนคอมโพสิต poly(methacrylic acid)/Montmorillonite (PMA/nMMT) ด้วยพอลิเมอไรเซชันแบบรีดอกซ์ที่ใช้อัลตราซาวนด์ช่วย โดยทั่วไป นำ nMMT ปริมาณ 1.0 g ไปกระจายตัวในน้ำกลั่นปริมาตร 50 mL ด้วยอัลตราโซนิกเป็นเวลา 2 h เพื่อให้ได้ระบบกระจายตัวที่เป็นเนื้อเดียวกัน การใช้อัลตราโซนิกช่วยปรับปรุงการกระจายตัวของดินเหนียว ส่งผลให้สมบัติเชิงกลและความสามารถในการดูดซับของไฮโดรเจลดีขึ้น เติมมอนอเมอร์ methacrylic acid (30 mL) ลงในสารแขวนลอยทีละหยด เติมสารริเริ่ม ammonium persulfate (APS) (0.1 M) ลงในสารผสม ตามด้วยสารเร่ง TEMED ปริมาตร 1.0 mL กวนระบบกระจายตัวอย่างแรงด้วยเครื่องกวนแม่เหล็กเป็นเวลา 4 h ที่ 50°C ล้างมวลหนืดที่ได้ด้วย acetone แล้วทำให้แห้งในตู้อบเป็นเวลา 48 h ที่ 70°C บดผลิตภัณฑ์ที่ได้และเก็บไว้ในขวดแก้ว สังเคราะห์เจลนาโนคอมโพสิตชนิดต่าง ๆ โดยปรับปริมาณ nMMT เป็น 0.5, 1.0, 1.5 และ 2.0 g ไฮโดรเจลนาโนคอมโพสิตที่เตรียมโดยใช้ nMMT ปริมาณ 1.0 g ให้ผลการดูดซับดีกว่าคอมโพสิตชนิดอื่น ๆ จึงนำไปใช้ศึกษาการดูดซับต่อไป
ภาพจุลทรรศน์ SEM-EDX ทางด้านขวาแสดงการวิเคราะห์ธาตุและโครงสร้างของนาโนเจลที่ประกอบด้วย montmorillonite (MMT), nano-montmorillonite (nMMT), poly(methacrylic acid)/nano-montmorillonite (PMA/nMMT) และ PMA/nMMT ที่บรรจุ amoxicillin (AMX) และ diclofenac (DF) ภาพจุลทรรศน์ SEM ที่บันทึกด้วยกำลังขยาย 1.00 KX พร้อมผล EDX ของ

• montmorillonite (MMT),
• nano-montmorillonite (nMMT),
• poly(methacrylic acid)/nano-montmorillonite (PMA/nMMT),
• และ PMA/nMMT ที่บรรจุ amoxicillin (AMX) และ diclofenac (DF)

สังเกตได้ว่า MMT ดิบมีโครงสร้างเป็นแผ่นเรียงชั้นที่แสดงให้เห็นเม็ดขนาดใหญ่กว่า หลังการดัดแปร แผ่น MMT แยกชั้นออกเป็นอนุภาคขนาดเล็กมาก ซึ่งอาจเกิดจากการกำจัด Si2+ และ Al3+ ออกจากตำแหน่งออกตะฮีดรัล สเปกตรัม EDX ของ nMMT แสดงสัดส่วนคาร์บอนสูง ซึ่งอาจมีสาเหตุหลักมาจากสารลดแรงตึงผิวที่ใช้ในการดัดแปร เนื่องจากองค์ประกอบหลักของ CTAB (C19H42BrN) คือคาร์บอน (84%) PMA/nMMT แสดงโครงสร้างที่เชื่อมประสานกันและเกือบมีความต่อเนื่องร่วมกัน นอกจากนี้ ยังไม่เห็นรูพรุน ซึ่งแสดงถึงการแยกชั้นอย่างสมบูรณ์ของ nMMT ในเมทริกซ์ PMA หลังการดูดซับโมเลกุลยา amoxicillin (AMX) และ diclofenac (DF) พบการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของ PMA/nMMT พื้นผิวมีความไม่สมมาตรและมีลักษณะขรุขระเพิ่มขึ้น
การใช้และสมบัติการทำหน้าที่ของไฮโดรเจลขนาดนาโนที่มีดินเหนียวเป็นองค์ประกอบหลัก: นาโนคอมโพสิตไฮโดรเจลที่มีดินเหนียวเป็นองค์ประกอบหลักได้รับการคาดหมายว่ามีศักยภาพเป็นตัวดูดซับประสิทธิภาพสูงเป็นพิเศษสำหรับการรับสารปนเปื้อนอนินทรีย์และ/หรืออินทรีย์จากสารละลายในน้ำ เนื่องจากรวมคุณลักษณะของทั้งดินเหนียวและพอลิเมอร์เข้าด้วยกัน เช่น ความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ ความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ ความอุดมสมบูรณ์ พื้นที่ผิวจำเพาะสูง โครงข่ายสามมิติ และสมบัติการพองตัว / การลดการพองตัว
(ดูประกอบ Khan et al., 2020)

เครื่องอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงสำหรับการผลิตไฮโดรเจลและนาโนเจล

เครื่องอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงสำหรับการผลิตไฮโดรเจลและนาโนเจล
Hielscher Ultrasonics ผลิตอุปกรณ์อัลตราโซนิกสมรรถนะสูงสำหรับการสังเคราะห์ไฮโดรเจลและนาโนเจลที่มีสมบัติการทำหน้าที่เหนือกว่า ตั้งแต่เครื่องอัลตราโซนิกขนาดเล็กและขนาดกลางสำหรับการวิจัยและพัฒนาและระดับนำร่อง ไปจนถึงระบบอุตสาหกรรมสำหรับการผลิตไฮโดรเจลเชิงพาณิชย์แบบต่อเนื่อง Hielscher Ultrasonics มีเครื่องประมวลผลด้วยอัลตราโซนิกที่เหมาะสมและครอบคลุมความต้องการของคุณในการผลิตไฮโดรเจล / นาโนเจล

ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา: