Синтез нанокомпозитних гідрогелів за допомогою ультразвукової обробки
Нанокомпозитні гідрогелі або наногелі є багатофункціональними 3D-структурами з високою ефективністю як носіїв ліків і систем контрольованої доставки ліків. Ультразвукова обробка сприяє диспергуванню нанорозмірних полімерних частинок гідрогелю, а також подальшому включенню/впровадженню наночастинок у ці полімерні структури.
Ультразвуковий синтез наногелів
Нанокомпозитні гідрогелі є тривимірними матеріальними структурами, які можна спроектувати так, щоб вони демонстрували специфічні властивості, що робить їх потужними носіями ліків і системами контрольованої доставки ліків. Ультразвукова обробка сприяє синтезу функціоналізованих нанорозмірних частинок, а також подальшому включенню/впровадженню наночастинок у тривимірні полімерні структури. Оскільки наногелі, синтезовані за допомогою ультразвуку, можуть утримувати біоактивні сполуки всередині свого нанорозмірного ядра, ці нанорозмірні гідрогелі пропонують широкі функціональні можливості.
Наногелі є водною дисперсією наночастинок гідрогелю, які фізично або хімічно зшиті як гідрофільна полімерна мережа. Оскільки високоефективний ультразвук є надзвичайно ефективним для створення нанодисперсій, зондові ультразвукові гомогенізатори є важливим інструментом для швидкого та надійного виробництва наногелів із покращеними функціональними властивостями.
Ультразвуковий гомогенізатор UIP1000hdT зі скляним реактором для синтезу нанокомпозитних гідрогелів
Функціональні властивості наногелів, отриманих за допомогою ультразвуку
- відмінна колоїдна стабільність і велика питома поверхня
- можуть бути щільно упаковані наночастинками
- дозволяють поєднувати тверді та м’які частинки в гібридному наногелі з ядром/оболонкою
- високий потенціал гідратації
- сприяння біодоступності
- високі властивості набухання / дегідратації
Наногелі, синтезовані за допомогою ультразвуку, використовуються в численних застосуваннях та галузях промисловості, наприклад:
- для фармацевтичних та медичних застосувань: наприклад, носій ліків, антибактеріальний гель, антибактеріальна пов’язка для ран
- у біохімії та біомедицині для доставки генів
- як адсорбент/біосорбент у хімічних та екологічних застосуваннях
- у тканинній інженерії, оскільки гідрогелі можуть імітувати фізичні, хімічні, електричні та біологічні властивості багатьох природних тканин
Кейс: Синтез цинкового наногелю за допомогою сонохімічного методу
Гібридні наночастинки ZnO можна стабілізувати в гелі Carbopol за допомогою простого ультразвукового процесу: Ультразвукова обробка використовується для стимулювання осадження наночастинок цинку, які потім зшиваються за допомогою ультразвуку з Carbopol для утворення наногідрогелю.
Ismail et al. (2021) осаджували наночастинки оксиду цинку за допомогою простого сонохімічного методу. (Протокол сонохімічного синтезу наночастинок ZnO знайдіть тут).
Після цього наночастинки використовували для синтезу ZnO наногелю. Тому отримані ZnO НЧ промивали подвійно дистильованою водою. 0,5 г Карбополу 940 розчиняли в 300 mL подвійно дистильованої води, після чого додавали щойно промиті ZnO НЧ. Оскільки Карбопол є природно кислим, розчин потребує нейтралізації значення pH, інакше він не загусне. Таким чином, суміш піддавали безперервній ультразвуковій обробці за допомогою Hielscher ultrasonicator UP400S з амплітудою 95 і циклом 95% протягом 1 h. Потім 50 mL триметиламіну (TEA) як нейтралізуючого агента (підвищення pH до 7) додавали крапельно за безперервної ультразвукової обробки до утворення білого ZnO гелю. Загущення Карбополу починалося, коли pH був близьким до нейтрального.
Дослідницька група пояснює надзвичайно позитивні ефекти ультразвукової обробки на формування наногелю посиленим взаємодіям між частинками. Молекулярне перемішування компонентів у реакційній суміші, ініційоване ультразвуком, посилює процес загущення, який сприяє взаємодіям між полімером і розчинником. Крім того, ультразвукова обробка сприяє розчиненню Карбополу. Додатково опромінення ультразвуковими хвилями посилює взаємодію між полімером і ZnO НЧ та покращує в’язкопружні властивості підготовленого гелю гібридних наночастинок Карбопол/ZnO.
Наведена вище схематична блок-схема показує синтез ZnO НЧ та гелю гібридних наночастинок Карбопол/ZnO. У дослідженні для осадження наночастинок ZnO та формування наногелю використовували ultrasonicator UP400St. (адаптовано з Ismail et al., 2021)
ZnO НЧ, синтезовані методом хімічного осадження під дією ультразвукової обробки, де (а) – у водному розчині, а (b) – ультразвуково дисперговані в стабільний гідрогель на основі Карбополу.
(дослідження та зображення: Ismail et al., 2021)
Приклад: Ультразвукове приготування наногелю полі(метакрилової кислоти)/монтморилоніту (PMA/nMMT)
Khan et al. (2020) продемонстрували успішний синтез нанокомпозитного гідрогелю полі(метакрилової кислоти)/монтморилоніту (PMA/nMMT) за допомогою редокс-полімеризації, що супроводжується ультразвуком. Зазвичай 1,0 г nMMT диспергували в 50 mL дистильованої води за допомогою ультразвукової обробки протягом 2 h для отримання однорідної дисперсії. Ультразвукова обробка покращує диспергування глини, що призводить до посилених механічних властивостей та адсорбційної ємності гідрогелів. Мономер метакрилової кислоти (30 mL) додавали крапельно до суспензії. Ініціатор амоній персульфат (APS) (0,1 M) додавали до суміші, після чого 1,0 mL прискорювача TEMED. Дисперсію інтенсивно перемішували протягом 4 h при 50°C за допомогою магнітної мішалки. Отриману в’язку масу промивали ацетоном та сушили протягом 48 h при 70°C у печі. Отриманий продукт подрібнювали та зберігали в скляній пляшці. Різні нанокомпозитні гелі синтезували, змінюючи кількість nMMT у кількостях 0,5, 1,0, 1,5 та 2,0 г. Нанокомпозитні гідрогелі, підготовлені з використанням 1,0 г nMMT, показали кращі результати адсорбції, ніж решта композитів, і тому були використані для подальшого дослідження адсорбції.
Мікрографії SEM-EDX праворуч показують елементний та структурний аналіз наногелів, що складаються з монтморилоніту (MMT), наномонтморилоніту (nMMT), полі(метакрилової кислоти)/наномонтморилоніту (PMA/nMMT) та PMA/nMMT, навантаженого амоксициліном (AMX) і диклофенаком (DF). Мікрографії SEM, записані при збільшенні 1,00 KX, разом з EDX
- монтморилоніту (MMT),
- наномонтморилоніту (nMMT),
- полі(метакрилової кислоти)/наномонтморилоніту (PMA/nMMT),
- та PMA/nMMT, навантаженого амоксициліном (AMX) і диклофенаком (DF).
Спостерігається, що вихідний ММТ має шарувату пластинчасту структуру, що свідчить про наявність великих зерен. Після модифікації пластинки ММТ розшаровуються на дрібні частинки, що може бути пов’язано з видаленням Si2+ та Al3+ з октаедричних позицій. Спектр EDX для nMMT демонструє високий відсоток вуглецю, що, ймовірно, зумовлено поверхнево-активною речовиною, використаною для модифікації, оскільки основним компонентом CTAB (C19H42BrN) є вуглець (84%). PMA/nMMT демонструє узгоджену та майже суцільну структуру. Крім того, пори не спостерігаються, що свідчить про повне розшарування nMMT у матриці PMA. Після сорбції фармацевтичних молекул амоксициліну (AMX) та диклофенаку (DF) спостерігаються зміни в морфології PMA/nMMT. Поверхня стає асиметричною зі збільшенням шорсткості текстури.
Використання та функціональні можливості нанорозмірних гідрогелів на основі глини: гідрогелеві нанокомпозити на основі глини розглядаються як потенційні суперсорбенти для поглинання неорганічних та/або органічних забруднювачів з водного розчину завдяки поєднанню характеристик як глин, так і полімерів, таких як біорозкладність, біосумісність, економічна доцільність, поширеність, висока питома поверхня, тривимірна мережа та властивості набухання / зневоднення.
(див. Khan et al., 2020)
Мікрографії SEM-EDX для (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT, а також (d) AMX- та (e) DF-навантажених нанокомпозитних гідрогелів. Наногелі були приготовані за допомогою ультразвукової обробки.
(дослідження та зображення: ©Khan et al. 2020)
Високоефективні ультразвукові пристрої для виробництва гідрогелів та наногелів
Високоефективні ультразвукові пристрої для виробництва гідрогелів та наногелів
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективне ультразвукове обладнання для синтезу гідрогелів та наногелів із покращеними функціональними характеристиками. Від малих та середніх ультразвукових пристроїв для НДДКР та пілотних установок до промислових систем для комерційного виробництва гідрогелів у безперервному режимі, Hielscher Ultrasonics має відповідний ультразвуковий процесор, який задовольнить ваші вимоги до виробництва гідрогелів / наногелів.
- висока ефективність
- передові технології
- надійність та міцність
- партійний та потоковий режим
- для будь-якого об’єму
- інтелектуальне програмне забезпечення
- розумні функції (наприклад, протоколювання даних)
- простота та безпека в експлуатації
- низькі витрати на обслуговування
- CIP (мийка на місці)
У таблиці нижче наведено орієнтовну продуктивність обробки наших ультразвукових пристроїв:
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 1–500 mL | 10–200 mL/min | UP100H |
| 10–2000 mL | 20–400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20 L | 0,2–4 L/min | UIP2000hdT |
| 10–100 L | 2–10 L/min | UIP4000hdT |
| 15–150 L | 3–15 L/min | UIP6000hdT |
| н.д. | 10–100 L/min | UIP16000 |
| н.д. | більший | кластер UIP16000 |
Зв’яжіться з нами! / Запитайте нас!
(Дослідження та відео: Rutgeerts et al., 2019)
Література / Посилання
- 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.
Факти, які варто знати
Протокол сонохімічного синтезу наночастинок ZnO
Наночастинки ZnO були синтезовані за допомогою методу хімічного осадження під впливом ультразвукового опромінення. У типовій процедурі використовували дигідрат ацетату цинку (Zn(CH3COO)2·2H2O) як прекурсор та розчин аміаку концентрацією 30–33% (NH3) у водному розчині (NH4OH) як відновник. Наночастинки ZnO отримували, розчиняючи відповідну кількість ацетату цинку в 100 mL деіонізованої води для отримання 0,1 M розчину іонів цинку. Згодом розчин іонів цинку піддавали опроміненню ультразвуковою хвилею за допомогою Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz, Berlin, Germany) при амплітуді 79% та циклічності 0,76 протягом 5 min при температурі 40 ◦C. Потім розчин аміаку додавали краплями до розчину іонів цинку під впливом ультразвукових хвиль. Через кілька моментів наночастинки ZnO почали осаджуватися та зростати, і розчин аміаку безперервно додавали до повного осадження наночастинок ZnO.
Отримані наночастинки ZnO промивали деіонізованою водою кілька разів і залишали для осідання. Згодом отриманий осад висушували при кімнатній температурі.
(Ismail et al., 2021)
Що таке наногелі?
Наногелі або нанокомпозитні гідрогелі – це тип гідрогелів, які інкорпорують наночастинки, зазвичай розміром від 1 до 100 нанометрів, у свою структуру. Ці наночастинки можуть бути органічними, неорганічними або їх комбінацією.
Наногелі формуються в процесі, відомому як зшивання, який включає хімічне зв’язування полімерних ланцюгів для утворення тривимірної сітки. Оскільки утворення гідрогелів і наногелів вимагає ретельного змішування для гідратації полімерної структури, сприяння зшиванню та інкорпорації наночастинок, ультразвукова обробка є високоефективною технікою для виробництва гідрогелів і наногелів. Сітки гідрогелів і наногелів здатні поглинати великі кількості води, роблячи наногелі сильно гідратованими і, отже, придатними для широкого спектру застосувань, таких як доставка ліків, тканинна інженерія та біосенсори.
Наногелеві гідрогелі зазвичай складаються з наночастинок, таких як частинки діоксиду кремнію або полімерні частинки, які дисперговані по всій матриці гідрогелю. Ці наночастинки можуть бути синтезовані різними методами, включаючи емульсійну полімеризацію, зворотну емульсійну полімеризацію та золь-гель синтез. Ці полімеризації та золь-гель синтези значно виграють від ультразвукового перемішування.
Нанокомпозитні гідрогелі, з іншого боку, складаються з комбінації гідрогелю та нанонаповнювача, такого як глина або оксид графену. Додавання нанонаповнювача може покращити механічні та фізичні властивості гідрогелю, такі як його жорсткість, міцність на розрив і в’язкість. Тут потужні дисперсійні можливості ультразвукової обробки сприяють рівномірному та стабільному розподілу наночастинок у матриці гідрогелю.
Загалом, наногелеві та нанокомпозитні гідрогелі мають широкий спектр потенційних застосувань у таких галузях, як біомедицина, екологічна ремедіація та накопичення енергії, завдяки їхнім унікальним властивостям і функціональним можливостям.
Застосування наногелів для медичного лікування
| Тип наногелю | Лікарський засіб | Захворювання | Активність | Посилання |
| Наногелі PAMA-DMMA | Доксорубіцин | Рак | Збільшення швидкості вивільнення зі зменшенням значення pH. Вища цитотоксичність при pH 6,8 у дослідженнях життєздатності клітин | Du et al. (2010) |
| Наногелі на основі хітозану, декоровані гіалуронатом | Фотосенсибілізатори, такі як тетрафенілпорфіринтетрасульфонат (TPPS4), тетрафенілхлортетракарбоксилат (TPCC4) та хлорин e6 (Ce6) | Ревматичні захворювання | Швидко поглинаються (4 год) макрофагами та накопичуються в їхній цитоплазмі та органелах | Schmitt et al. (2010) |
| Наночастинки PCEC у гідрогелях Pluronic | Лідокаїн | Місцева анестезія | Створювали тривалу інфільтраційну анестезію тривалістю близько 360 хв | Yin et al. (2009) |
| Наночастинки полі(лактид-ко-гліколевої кислоти) та хітозану, дисперговані в гелях HPMC та Carbopol | Спантид II | Алергічний контактний дерматит та інші запальні захворювання шкіри | Наногель підвищує потенціал для трансдермальної доставки спантиду II | Punit et al. (2012) |
| pH-чутливі наногелі на основі полівінілпіролідону та полі(акрилової кислоти) (PVP/PAAc) | Пілокарпін | Підтримувати адекватну концентрацію пілокарпіну в місці дії протягом тривалого періоду часу | Abd El-Rehim et al. (2013) | |
| Зшиті полі(етиленгліколь) та поліетиленімін | Олігонуклеотиди | Нейродегенеративні захворювання | Ефективно транспортуються через гематоенцефалічний бар’єр (ГЕБ). Ефективність транспортування ще більше підвищується, коли поверхня наногелю модифікована трансферином або інсуліном | Vinogradov et al. (2004) |
| Наногелі на основі пулулану з холістероловими групами | Рекомбінантний інтерлейкін-12 миші | Імунотерапія пухлин | Наногель із пролонгованим вивільненням | Farhana et al. (2013) |
| Полі(N-ізопропілакриламід) та хітозан | Гіпертермічне лікування раку та цільова доставка ліків | Термочутливі магнітно-модифіковані | Farhana et al. (2013) | |
| Зшита розгалужена мережа поліетиленіміну та PEG Поліплексний наногель | Флударабін | Рак | Підвищена активність та знижена цитотоксичність | Farhana et al. (2013) |
| Біосумісний наногель на основі пулулану з холістероловими групами | Як штучний шаперон | Лікування хвороби Альцгеймера | Інгібування агрегації амілоїду β-білка | Ikeda et al. (2006) |
| ДНК-наногель із фото-зшиванням | Генетичний матеріал | Генна терапія | Контрольована доставка плазмідної ДНК | Lee et al. (2009) |
| Карбопол/оксид цинку (ZnO) гібридний наночастинковий гель | Наночастинки ZnO | Антибактеріальна активність, інгібітор бактерій | Ismail et al. (2021) |
Таблиця адаптована з Swarnali et al., 2017
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори від лабораторного до промислового розміру.