Ultrasonikasyon Kullanılarak Nanokompozit Hidrojel Sentezi
Nanokompozit hidrojeller veya nanojeller, ilaç taşıyıcıları ve kontrollü salımlı ilaç iletim sistemleri olarak yüksek etkinliğe sahip çok işlevli 3D yapılardır. Ultrasonikasyon, nano boyutlu polimerik hidrojel parçacıklarının dispersiyonunu ve ardından nanoparçacıkların bu polimer yapılara dahil edilmesini destekler.
Nanojellerin Ultrasonik Sentezi
Nanokompozit hidrojeller, üç boyutlu malzeme yapılarıdır ve belirli özellikler sergileyecek şekilde tasarlanabilirler; bu da onları etkili ilaç taşıyıcıları ve kontrollü salımlı ilaç iletim sistemleri haline getirir. Ultrasonikasyon, işlevselleştirilmiş nano boyutlu parçacıkların sentezini ve ardından nanoparçacıkların üç boyutlu polimerik yapılara dahil edilmesini destekler. Ultrasonik olarak sentezlenen nanojeller, biyoaktif bileşikleri nano ölçekli çekirdeklerinin içinde hapsedebildiğinden, bu nano boyutlu hidrojeller çok iyi işlevsel özellikler sunar.
Nanojeller, hidrofilik bir polimer ağı oluşturacak şekilde fiziksel veya kimyasal olarak çapraz bağlanmış hidrojel nanoparçacıklarının sulu dispersiyonlarıdır. Yüksek performanslı ultrason, nano dispersiyonların üretilmesinde oldukça verimli olduğundan, prob tipi sonikatörler üstün işlevsel özelliklere sahip nanojellerin hızlı ve güvenilir üretimi için kritik bir araçtır.
UIP1000hdT sonikatörü – nanokompozit hidrojel sentezi için cam reaktörlü
Ultrasonik Olarak Üretilen Nanojellerin İşlevsel Özellikleri
- mükemmel kolloidal kararlılık ve geniş özgül yüzey alanı
- nanoparçacıklarla yoğun biçimde doldurulabilir
- hibrit çekirdek/kabuk nanojelinde sert ve yumuşak parçacıkların birleştirilmesine olanak tanır
- yüksek hidratasyon potansiyeli
- biyoyararlanımı artırma
- yüksek şişme / büzülme özellikleri
Ultrasonik olarak sentezlenen nanojeller çok sayıda uygulamada ve endüstride kullanılır; örneğin:
- farmasötik ve tıbbi uygulamalarda: örneğin ilaç taşıyıcısı, antibakteriyel jel, antibakteriyel yara örtüsü
- biyokimya ve biyotıpta gen iletimi için
- kimyasal ve çevresel uygulamalarda adsorban/biyosorban olarak
- hidrojeller birçok doğal dokunun fiziksel, kimyasal, elektriksel ve biyolojik özelliklerini taklit edebildiğinden doku mühendisliğinde
Vaka Çalışması: Sonokimyasal Yolla Çinko Nanojel Sentezi
ZnO hibrit nanoparçacıkları, kolay bir ultrasonik işlemle Carbopol jelinde stabilize edilebilir: Sonikasyon, çinko nanoparçacıklarının çökelmesini sağlamak için kullanılır; bu nanoparçacıklar daha sonra bir nano hidrojel oluşturmak üzere Carbopol ile ultrasonik olarak çapraz bağlanır.
Ismail et al. (2021), kolay bir sonokimyasal yolla çinko oksit nanoparçacıklarını çöktürmüştür. (ZnO nanoparçacıklarının sonokimyasal sentez protokolünü burada bulabilirsiniz).
Ardından nanoparçacıklar, ZnO nanojelini sentezlemek için kullanılmıştır. Bu amaçla, üretilen ZnO nanoparçacıkları iki kez deiyonize edilmiş suyla durulanmıştır. 0,5 g Carbopol 940, 300 mL iki kez deiyonize edilmiş suda çözülmüş, ardından yeni yıkanmış ZnO nanoparçacıkları eklenmiştir. Carbopol doğal olarak asidik olduğundan, çözeltinin pH değerinin nötralize edilmesi gerekir; aksi takdirde kıvamı koyulaşmaz. Bu nedenle karışım, Hielscher UP400S sonikatörü kullanılarak 95 genlikte ve %95 döngüde 1 h boyunca sürekli sonikasyona tabi tutulmuştur. Ardından, nötralize edici madde olarak 50 mL trimetilamin (TEA) (pH değerini 7’ye yükselterek), beyaz ZnO jeli oluşana kadar sürekli sonikasyon altında damla damla eklenmiştir. Carbopol, pH değeri nötr pH değerine yaklaştığında koyulaşmaya başlamıştır.
Araştırma ekibi, ultrasonikasyonun nanojel oluşumu üzerindeki olağanüstü olumlu etkilerini artan parçacık–parçacık etkileşimiyle açıklamaktadır. Reaksiyon karışımındaki bileşenlerin ultrasonik olarak başlatılan moleküler hareketi, polimer–çözücü etkileşimlerinin desteklediği koyulaşma sürecini güçlendirir. Ayrıca sonikasyon, Carbopolün çözünmesini destekler. Bunun yanında, ultrason dalgalarıyla ışınlama polimer–ZnO nanoparçacığı etkileşimini artırır ve hazırlanan Carbopol/ZnO hibrit nanoparçacık jelinin viskoelastik özelliklerini iyileştirir.
Yukarıdaki şematik akış diyagramı, ZnO nanoparçacıklarının ve Carbopol/ZnO hibrit nanoparçacık jelinin sentezini göstermektedir. Çalışmada, ZnO nanoparçacıklarının çöktürülmesi ve nanojel oluşumu için UP400St sonikatörü kullanılmıştır. (Ismail et al., 2021 kaynağından uyarlanmıştır)
Ultrasonikasyonun etkisi altında kimyasal çöktürme yöntemiyle sentezlenen ZnO nanoparçacıkları; (a) sulu çözelti içinde, (b) ise kararlı bir Carbopol bazlı hidrojel içine ultrasonik olarak disperse edilmiş halde.
(çalışma ve görsel: Ismail et al., 2021)
Vaka Çalışması: Poli(metakrilik asit)/Montmorillonit (PMA/nMMT) Nanojelinin Ultrasonik Olarak Hazırlanması
Khan et al. (2020), ultrason destekli redoks polimerizasyonuyla poli(metakrilik asit)/Montmorillonit (PMA/nMMT) nanokompozit hidrojelinin başarılı sentezini göstermiştir. Tipik olarak, homojen bir dispersiyon oluşturmak için 1,0 g nMMT, 50 mL damıtılmış suda 2 h boyunca ultrasonikasyonla disperse edilmiştir. Sonikasyon kilin dispersiyonunu iyileştirir; bunun sonucunda hidrojellerin mekanik özellikleri ve adsorpsiyon kapasitesi artar. Süspansiyona metakrilik asit monomeri (30 mL) damla damla eklenmiştir. Karışıma başlatıcı olarak amonyum persülfat (APS) (0,1 M), ardından 1,0 mL TEMED hızlandırıcısı eklenmiştir. Dispersiyon, manyetik bir karıştırıcıyla 50°C sıcaklıkta 4 h boyunca kuvvetlice karıştırılmıştır. Ortaya çıkan viskoz kütle asetonla yıkanmış ve bir etüvde 70°C sıcaklıkta 48 h boyunca kurutulmuştur. Elde edilen ürün öğütülmüş ve cam bir şişede saklanmıştır. nMMT miktarı 0,5, 1,0, 1,5 ve 2,0 g olarak değiştirilerek farklı nanokompozit jeller sentezlenmiştir. 1,0 g nMMT kullanılarak hazırlanan nanokompozit hidrojeller, diğer kompozitlerden daha iyi adsorpsiyon sonuçları göstermiş ve bu nedenle sonraki adsorpsiyon araştırmalarında kullanılmıştır.
Sağdaki SEM-EDX mikrografları; montmorillonit (MMT), nano montmorillonit (nMMT), poli(metakrilik asit)/nano montmorillonit (PMA/nMMT) ve amoksisilin (AMX) ve diklofenak (DF) yüklü PMA/nMMT’den oluşan nanojellerin elementel ve yapısal analizini göstermektedir. 1,00 KX büyütmede kaydedilen SEM mikrografları ve EDX analizleri aşağıdaki malzemelere aittir:
- montmorillonit (MMT),
- nano montmorillonit (nMMT),
- poli(metakrilik asit)/nano montmorillonit (PMA/nMMT),
- ve amoksisilin (AMX) ve diklofenak (DF) yüklü PMA/nMMT.
Ham MMT’nin, daha büyük tanelerin varlığını gösteren tabakalı bir levha yapısına sahip olduğu gözlenmektedir. Modifikasyondan sonra MMT levhaları, oktahedral konumlardan Si2+ ve Al3+ uzaklaştırılmasından kaynaklanabilecek şekilde, çok küçük parçacıklara ayrılarak eksfoliye olur. nMMT’nin EDX spektrumu yüksek oranda karbon göstermektedir; bu durum esas olarak modifikasyon için kullanılan yüzey aktif maddeden kaynaklanabilir, çünkü CTAB (C19H42BrN) bileşiğinin ana bileşeni karbondur (%84). PMA/nMMT, bütünlüklü ve eş sürekli olmaya yakın bir yapı sergiler. Ayrıca hiçbir gözenek görünmemektedir; bu da nMMT’nin PMA matrisi içinde tamamen eksfoliye olduğunu göstermektedir. Farmasötik moleküller olan amoksisilin (AMX) ve diklofenak (DF) ile sorpsiyondan sonra PMA/nMMT morfolojisinde değişiklikler gözlenmektedir. Yüzey, pürüzlü dokunun artmasıyla asimetrik hale gelir.
Kil bazlı nano boyutlu hidrojellerin kullanımı ve işlevsel özellikleri: Kil bazlı hidrojel nanokompozitlerinin, hem killerin hem de polimerlerin biyobozunurluk, biyouyumluluk, ekonomik uygulanabilirlik, bolluk, yüksek özgül yüzey alanı, üç boyutlu ağ ve şişme / büzülme özellikleri gibi özelliklerini bir araya getirmeleri nedeniyle, sulu bir çözeltiden inorganik ve/veya organik kirleticilerin tutulması için potansiyel süper adsorbanlar olabileceği öngörülmektedir.
(karş. Khan et al., 2020)
(a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT ve (d) AMX ve (e) DF yüklü nanokompozit hidrojellerin SEM-EDX mikrografları. Nanojeller ultrasonikasyon kullanılarak hazırlanmıştır.
(çalışma ve görseller: ©Khan et al. 2020)
Hidrojel ve Nanojel Üretimi için Yüksek Performanslı Sonikatörler
Hidrojel ve Nanojel Üretimi için Yüksek Performanslı Sonikatörler
Hielscher Ultrasonics, üstün işlevsel özelliklere sahip hidrojellerin ve nanojellerin sentezi için yüksek performanslı ultrasonik ekipman üretir. Küçük ve orta boy Ar-Ge ve pilot ölçekli sonikatörlerden, sürekli modda ticari hidrojel üretimine yönelik endüstriyel sistemlere kadar Hielscher Ultrasonics, hidrojel / nanojel üretim gereksinimlerinizi karşılayacak uygun ultrasonik işlemciye sahiptir.
- yüksek verimlilik
- en son teknoloji
- güvenilirlik ve sağlamlık
- kesikli ve hat içi
- her hacim için
- akıllı yazılım
- akıllı özellikler (örneğin veri kaydı)
- kolay ve güvenli kullanım
- düşük bakım gereksinimi
- CIP (yerinde temizlik)
Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir vermektedir:
| Kesikli İşlem Hacmi | Debi | Önerilen Cihazlar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| uygulanamaz | 10–100L/min | UIP16000 |
| uygulanamaz | daha yüksek | Cihaz kümesi: UIP16000 |
Bizimle İletişime Geçin! / Bize Sorun!
(Çalışma ve video: Rutgeerts et al., 2019)
Literatür / Kaynaklar
- 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.
Bilinmesi Gerekenler
ZnO Nanoparçacıklarının Sonokimyasal Sentezi için Protokol
ZnO nanoparçacıkları, ultrasonla ışınlamanın etkisi altında kimyasal çöktürme yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Tipik bir prosedürde, öncül olarak çinko asetat dihidrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) ve indirgeyici madde olarak sulu çözelti (NH4OH) içindeki %30–33 amonyak çözeltisi (NH3) kullanılmıştır. ZnO nanoparçacıkları, 0,1 M çinko iyonu çözeltisi elde etmek için uygun miktarda çinko asetatın 100 mL deiyonize suda çözülmesiyle üretilmiştir. Ardından çinko iyonu çözeltisi, Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Almanya) kullanılarak %79 genlikte ve 0,76 döngüde, 40 ◦C sıcaklıkta 5 min boyunca ultrasonik dalgalarla ışınlamaya tabi tutulmuştur. Daha sonra amonyak çözeltisi, ultrasonik dalgaların etkisi altında çinko iyonu çözeltisine damla damla eklenmiştir. Kısa bir süre sonra ZnO nanoparçacıkları çökelmeye ve büyümeye başlamış; ZnO nanoparçacıklarının tamamen çökelmesi gerçekleşene kadar amonyak çözeltisi sürekli olarak eklenmiştir.
Elde edilen ZnO nanoparçacıkları birkaç kez deiyonize suyla yıkanmış ve çökmeleri için bekletilmiştir. Daha sonra elde edilen çökelti oda sıcaklığında kurutulmuştur.
(Ismail et al., 2021)
Nanojeller Nedir?
Nanojeller veya nanokompozit hidrojeller, yapılarına genellikle 1–100 nanometre aralığındaki nanoparçacıkları dahil eden bir hidrojel türüdür. Bu nanoparçacıklar organik, inorganik veya her ikisinin bir kombinasyonu olabilir.
Nanojeller, üç boyutlu bir ağ oluşturmak için polimer zincirlerinin kimyasal olarak bağlanmasını içeren ve çapraz bağlanma olarak bilinen bir süreçle oluşur. Hidrojellerin ve nanojellerin oluşumu, polimerik yapıyı hidrate etmek, çapraz bağlanmayı desteklemek ve nanoparçacıkları dahil etmek için kapsamlı bir karıştırma gerektirdiğinden, ultrasonikasyon hidrojel ve nanojel üretimi için oldukça etkili bir tekniktir. Hidrojel ve nanojel ağları büyük miktarlarda su emebilir; bu da nanojelleri yüksek derecede hidrate hale getirir ve dolayısıyla ilaç iletimi, doku mühendisliği ve biyosensörler gibi geniş bir uygulama yelpazesi için uygun kılar.
Nanojel hidrojelleri tipik olarak, hidrojel matrisinin tamamına disperse edilmiş silika veya polimer parçacıkları gibi nanoparçacıklardan oluşur. Bu nanoparçacıklar, emülsiyon polimerizasyonu, ters emülsiyon polimerizasyonu ve sol-jel sentezi dahil olmak üzere çeşitli yöntemlerle sentezlenebilir. Bu polimerizasyonlar ve sol-jel sentezleri ultrasonik karıştırmadan büyük ölçüde yararlanır.
Nanokompozit hidrojeller ise bir hidrojel ile kil veya grafen oksit gibi bir nano dolgu maddesinin kombinasyonundan oluşur. Nano dolgu maddesinin eklenmesi, hidrojelin rijitlik, çekme dayanımı ve tokluk gibi mekanik ve fiziksel özelliklerini iyileştirebilir. Burada sonikasyonun güçlü dispersiyon kapasitesi, nanoparçacıkların hidrojel matrisi içinde homojen ve kararlı dağılımını kolaylaştırır.
Genel olarak nanojel ve nanokompozit hidrojeller, kendilerine özgü özellikleri ve işlevleri nedeniyle biyotıp, çevresel iyileştirme ve enerji depolama gibi alanlarda geniş bir potansiyel uygulama yelpazesine sahiptir.
Tıbbi Tedavilerde Nanojel Uygulamaları
| Nanojel Türü | İlaç | Hastalık | Aktivite | Kaynaklar |
| PAMA-DMMA nanojelleri | Doksorubisin | Kanser | pH değeri azaldıkça salım hızında artış. Hücre canlılığı çalışmalarında pH 6,8’de daha yüksek sitotoksisite | Du et al. (2010) |
| Hiyalüronat ile süslenmiş kitosan bazlı nanojeller | Tetra-fenil-porfirin-tetra-sülfonat (TPPS4), tetra-fenil-klorin-tetra-karboksilat (TPCC4) ve klorin e6 (Ce6) gibi fotosensitizanlar | Romatizmal hastalıklar | Makrofajlar tarafından hızla alınmış (4 h) ve sitoplazmalarında ve organellerinde birikmiştir | Schmitt et al. (2010) |
| Pluronic hidrojellerindeki PCEC nanoparçacıkları | Lidokain | Lokal anestezi | Yaklaşık 360 min süren uzun etkili infiltrasyon anestezisi oluşturmuştur | Yin et al. (2009) |
| HPMC ve Carbopol jeli içinde disperse edilmiş poli(laktid-ko-glikolik asit) ve kitosan nanoparçacığı | Spantide II | Alerjik kontakt dermatit ve diğer inflamatuvar deri hastalıkları | Nanojel, spantide II’nin perkütan iletim potansiyelini artırır | Punit et al. (2012) |
| pH’ye duyarlı polivinil pirolidon-poli(akrilik asit) (PVP/PAAc) nanojelleri | Pilokarpin | Etki bölgesinde uzun süre boyunca yeterli pilokarpin konsantrasyonunu korur | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Çapraz bağlı poli(etilen glikol) ve polietilenimin | Oligonükleotidler | Nörodejeneratif hastalıklar | Kan-beyin bariyerini (BBB) geçerek etkili biçimde taşınmıştır. Nanojelin yüzeyi transferrin veya insülin ile modifiye edildiğinde taşıma etkinliği daha da artar | Vinogradov et al. (2004) |
| Kolesterol taşıyan pullulan nanojelleri | Rekombinant fare interlökin-12 | Tümör immünoterapisi | Uzatılmış salımlı nanojel | Farhana et al. (2013) |
| Poli(N-izopropilakrilamid) ve kitosan | Hipertermi ile kanser tedavisi ve hedefli ilaç iletimi | Isıya duyarlı, manyetik olarak modalize edilmiş | Farhana et al. (2013) | |
| Polietilenimin ve PEG Polipleks nanojelinin çapraz bağlı dallanmış ağı | Fludarabin | Kanser | Artmış aktivite ve azalmış sitotoksisite | Farhana et al. (2013) |
| Kolesterol taşıyan pullulandan oluşan biyouyumlu nanojel | Yapay şaperon olarak | Alzheimer hastalığının tedavisi | Amiloid β-proteinin agregasyonunu inhibe eder | Ikeda et al. (2006) |
| Foto çapraz bağlanmalı DNA nanojeli | Genetik materyal | Gen tedavisi | Plazmid DNA’nın kontrollü iletimi | Lee et al. (2009) |
| Carbopol/çinko oksit (ZnO) hibrit nanoparçacık jeli | ZnO nanoparçacıkları | Antibakteriyel aktivite, bakteri inhibitörü | Ismail et al. (2021) |
Tablo, Swarnali et al., 2017 kaynağından uyarlanmıştır
