Синтез нанокомпозитного гідрогелю за допомогою ультразвуку
Нанокомпозитні гідрогелі або наногелі - це багатофункціональні 3D-структури з високою ефективністю як носіїв ліків і систем доставки ліків з контрольованим вивільненням. Ультразвук сприяє розсіюванню нанорозмірних, полімерних частинок гідрогелю, а також подальшому включенню / включенню наночастинок у ці полімерні структури.
Ультразвуковий синтез наногелів
Нанокомпозитні гідрогелі є тривимірними матеріальними структурами і можуть бути розроблені з урахуванням специфічних особливостей, що робить їх потужними носіями ліків і системами доставки ліків з контрольованим вивільненням. Ультразвук сприяє синтезу функціоналізованих нанорозмірних частинок, а також подальшому включенню / включенню наночастинок у тривимірні полімерні структури. Оскільки ультразвуково синтезовані наногелі можуть заманювати біоактивні сполуки всередину свого нанорозмірного ядра, ці нанорозмірні гідрогелі пропонують чудові функціональні можливості.
Наногелі - це водна дисперсія гідрогелевих наночастинок, які фізично або хімічно зшиті як гідрофільна полімерна мережа. Оскільки високопродуктивний ультразвук є високоефективним у виробництві нанодисперсій, ультразвукові апарати типу зонда є важливим інструментом для швидкого та надійного виробництва наногелів з чудовими функціональними можливостями.
ультраакулятор UIP1000hdT зі скляним реактором для синтезу нанокомпозитного гідрогелю
Функціональні можливості ультразвуково вироблених наногелів
- відмінна колоїдна стійкість і велика питома площа поверхні,
- можуть бути щільно упаковані наночастинками
- дозволяють поєднувати тверді та м'які частинки в гібридному наногелі ядра/оболонки
- високий потенціал гідратації,
- сприяння біодоступності
- високі властивості набухання / де-набухання
Ультразвуково синтезовані наногелі використовуються в численних застосуваннях і промисловості, наприклад.
- для фармацевтичних та медичних застосувань: наприклад, носій лікарських засобів, антибактеріальний гель, антибактеріальна пов'язка на рану
- в біохімії та біомедицині для доставки генів
- як адсорбент/біосорбент у хімічному та екологічному застосуванні
- в тканинній інженерії як гідрогелі можуть імітувати фізичні, хімічні, електричні та біологічні властивості багатьох нативних тканин
Тематичне дослідження: Синтез наногелю цинку за допомогою сонохімічного шляху
Гібридні наночастинки ZnO можуть бути стабілізовані в гелі Карбопол за допомогою фацільного ультразвукового процесу: Ультразвукова обробка використовується для приводу осадження наночастинок цинку, які згодом ультразвуково зшиваються з Карбополем, утворюючи нано-гідрогель.
Ismail et al. (2021) випали в осад наночастинки оксиду цинку за допомогою фацільного сонохімічного шляху. (Знайдіть протокол сонохімічного синтезу наночастинок ZnO тут)
Згодом наночастинки були використані для синтезу наногелю ZnO. Тому вироблені НП ZnO промивали подвійною деіонізованою водою. 0,5 г Карбополя 940 розчинили в 300 мл подвоєної деіонізованої води з подальшим додаванням свіжовимитих НП ZnO. Так як карбопол від природи кислий, розчин вимагає нейтралізації значення рН, інакше він би не загус. Таким чином, суміш пройшла безперервну ультразвукову обробку за допомогою ультразвукового апарату Hielscher UP400S з амплітудою 95 і циклом 95% протягом 1 год. Потім 50 мл триметиламіну (TEA) як нейтралізуючого агента (підвищення рН до 7) було додано по краплях під безперервною ультразвуковою обробкою, поки не відбулося утворення білого гелю ZnO. Потовщення Карбополя почалося, коли рН був близький до нейтрального рН .
Дослідницька група пояснює надзвичайно позитивний вплив ультразвуку на утворення наногелю посиленою взаємодією частинок і частинок. Ультразвукове ініційоване молекулярне збудження складових в реакційній суміші підсилює процес згущення, чому сприяють взаємодії полімер-розчинник. Крім того, ультразвукова обробка сприяє розчиненню Карбополя. Крім того, ультразвукове хвильове опромінення підсилює взаємодію полімер–ZnO NPs та покращує в'язко-еластичні властивості підготовленого гібридного наночастинки гелю Carbopol/ZnO.
Схематична блок-схема вище показує синтез ZnO NPs і гібридного гелю наночастинок Carbopol/ZnO. У дослідженні ультразвуковий апарат UP400St використовувався для осадження наночастинок ZnO та утворення наногелю. (адаптовано з Ісмаїла та ін., 2021)
ZnO NPs, синтезовані методом хімічного осадження під дією ультразвуку, де (а) знаходиться у водному розчині, а (б) ультразвуково дисперсний у стабільний гідрогель на основі Карбополя.
(дослідження та фото: Ісмаїл та ін., 2021)
Випадок Стюй: Ультразвукова підготовка полі(метакрилова кислота)/Монтморилоніт (PMA/nMMT) Наногель
Khan et al. (2020) продемонстрували успішний синтез полі(метакрилової кислоти)/Montmorillonite (PMA/nMMT) нанокомпозитного гідрогелю за допомогою ультразвукової окислювально-відновної полімеризації. Зазвичай 1,0 г нММТ диспергували в 50 мл дистильованої води з ультразвуком протягом 2 год з утворенням однорідної дисперсії. Ультразвукова обробка покращує дисперсність глини, в результаті чого підвищуються механічні властивості і адсорбційна здатність гідрогелів. Мономер метакрилової кислоти (30 мл) був доданий в суспензію по краплях. В суміш додавали ініціатор персульфату амонію (АПС) (0,1 м) з подальшим 1,0 мл прискорювача ТЕМЕД. Дисперсію енергійно перемішували протягом 4 год при 50°С магнітною мішалкою. Отриману в'язку масу промивали ацетоном і висушували протягом 48 год при 70°С у духовці. Отриманий продукт подрібнювали і зберігали в скляній пляшці. Різні нанокомпозитні гелі синтезувалися шляхом варіювання нММТ в кількостях 0,5, 1,0, 1,5 і 2,0 г. Нанокомпозитні гідрогелі, приготовані з використанням 1,0 г нММТ, відображали кращі результати адсорбції, ніж інші композити, і тому використовувалися для подальшого адсорбційного дослідження.
Мікрофотографії SEM-EDX праворуч показують елементний та структурний аналіз наногелів, що складаються з монтморилоніту (MMT), наномонтморилоніту (nMMT), полі(метакрилової кислоти)/наномонтморилоніту (PMA/nMMT) та амоксициліну (AMX) та диклофенаку (DF)-навантаженого PMA/nMMT. Мікрофотографії SEM, записані зі збільшенням 1,00 KX разом з EDX
- монтморилоніт (ММТ),
- наномонтморилоніт (нММТ),
- полі(метакрилова кислота)/наномонтморилоніт (PMA/nMMT),
- і амоксицилін (AMX)- і диклофенак (DF)-завантажені PMA/nMMT.
Помічено, що сира ММТ зобов'язана шаруватою листової структурою, що показує наявність більших зерен. Після модифікації листи ММТ відшаровуються на найдрібніші частинки, що може бути пов'язано з усуненням Si2+ і Al3+ з октаедричних ділянок. Спектр EDX nMMT демонструє високий відсоток вуглецю, що в першу чергу може бути пов'язано з поверхнево-активною речовиною, що використовується для модифікації, оскільки основною складовою CTAB (C19H42BrN) є вуглець (84%). PMA/nMMT відображає цілісну та майже спільну структуру. Далі не видно пір, що зображує повне відлущування нММТ в матрицю PMA. Після сорбції фармацевтичними молекулами амоксициліну (AMX) і диклофенаку (DF) спостерігаються зміни морфології PMA/nMMT. Поверхня стає асиметричною зі збільшенням шорсткою текстури.
Використання та функціональні можливості нанорозмірних гідрогелів на основі глини: Передбачається, що гідрогелеві нанокомпозити на основі глини будуть потенційними суперадсорбентами для поглинання неорганічних та/або органічних забруднень з водного розчину завдяки комбінуючим характеристикам як глин, так і полімерів, таким як біорозкладаність, біосумісність, економічна життєздатність, велика кількість, висока питома площа поверхні, тривимірна мережа та властивості набухання / де-набухання.
(пор. Хан та ін., 2020)
Мікрофотографії SEM-EDX (a) MMT, (b) nMMT, (c) PMA/nMMT та (d) AMX- та (e) навантажених DF нанокомпозитних гідрогелів. Наногелі були підготовлені за допомогою ультразвуку.
(дослідження та картинки: ©Хан та ін. 2020)
Високопродуктивні ультразвукові агенти для виробництва гідрогелю та наногелю
Високопродуктивні ультразвукові агенти для виробництва гідрогелю та наногелю
Hielscher Ultrasonics виробляє високопродуктивне ультразвукове обладнання для синтезу гідрогелів і наногелів з чудовими функціональними можливостями. Від малого і середнього розміру R&D і пілотні ультразвукові агенти до промислових систем для комерційного виробництва гідрогелю в безперервному режимі, Hielscher Ultrasonics має право ультразвуковий процесор для покриття ваших вимог до виробництва гідрогелю / наногелю.
- висока ефективність
- Нові технології
- надійність & надійність
- партія & в лінію
- для будь-якого обсягу
- Інтелектуальне програмне забезпечення
- інтелектуальні функції (наприклад, протоколування даних)
- Легко і безпечно працювати
- Низькі витрати
- CIP (чистий на місці)
У таблиці нижче наведено приблизну потужність обробки наших ультразвукових пристроїв:
| пакетний Обсяг | швидкість потоку | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| Від 1 до 500мл | Від 10 до 200мл / хв | UP100H |
| Від 10 до 2000мл | Від 20 до 400мл / хв | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 до 20 л | 0.2 до 4л / хв | UIP2000hdT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л / хв | UIP4000hdT |
| від 15 до 150л | від 3 до 15 л/хв | UIP6000hdT |
| застосовується | Від 10 до 100 л / хв | UIP16000 |
| застосовується | більший | кластер UIP16000 |
Зв'яжіться з нами! / Запитати нас!
(Навчання та кіно: Rutgeerts et al., 2019)
Література/довідники
- 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 варті знати
Протокол сонохімічного синтезу наночастинок ZnO
ZnO NPs були синтезовані методом хімічного осадження під дією ультразвукового опромінення. У типовій процедурі в якості попередника використовували дигідрат ацетату цинку (Zn(CH3COO)2·2H2O), а в якості відновника - розчин аміаку 30-33% (NH3) у водному розчині (NH4OH). Наночастинки ZnO були отримані шляхом розчинення відповідної кількості ацетату цинку в 100 мл деіонізованої води для отримання 0,1 М розчину іонів цинку. Згодом розчин іонів цинку був підданий ультразвуковому хвильовому опроміненню за допомогою Hielscher UP400S (400 Вт, 24 кГц, Берлін, Німеччина) при амплітуді 79% і циклі 0,76 протягом 5 хв при температурі 40 ◦C. Потім розчин аміаку краплинно додавали в розчин іонів цинку під дією ультразвукових хвиль. Через кілька миттєвостей НП ZnO почали випадати в осад і рости, а аміачний розчин безперервно додавали до тих пір, поки не відбулося повне осадження НП ZnO.
Отримані НП ZnO кілька разів промивалися за допомогою деіонізованої води і залишалися поза увагою, щоб осісти. Ззаду отриманий осад сушили при кімнатній температурі.
(Ісмаїл та ін., 2021)
Що таке наногели?
Наногелі або нанокомпозитні гідрогелі - це тип гідрогелю, який включає в свою структуру наночастинки, як правило, в діапазоні 1-100 нанометрів. Ці наночастинки можуть бути органічними, неорганічними або їх комбінацією.
Наногелі утворюються за допомогою процесу, відомого як зшивання, який передбачає хімічний зв'язок полімерних ланцюгів з утворенням тривимірної мережі. Оскільки утворення гідрогелів і наногелів вимагає ретельного змішування, щоб гідратувати полімерну структуру, сприяти зшиванню та включати наночастинки, ультразвук є високоефективною технікою для виробництва гідрогелів та наногелів. Гідрогелеві та наногелеві мережі здатні поглинати велику кількість води, роблячи наногелі високогідратованими і, таким чином, придатними для широкого спектру застосувань, таких як доставка ліків, тканинна інженерія та біосенсори.
Наногелеві гідрогелі зазвичай складаються з наночастинок, таких як кремнезем або полімерні частинки, які дисперсні по всій гідрогелевій матриці. Ці наночастинки можуть бути синтезовані за допомогою різних методів, включаючи полімеризацію емульсії, полімеризацію зворотної емульсії та синтез золь-гелю. Ці полімеризації та синтези золь-гелю значною мірою виграють від ультразвукового збудження.
Нанокомпозитні гідрогелі, з іншого боку, складаються з комбінації гідрогелю та нанофіллера, такого як глина або оксид графена. Додавання нанонаповнювача може поліпшити механічні та фізичні властивості гідрогелю, такі як його жорсткість, міцність на розрив і в'язкість. Тут потужні дисперсійні можливості ультразвукової обробки полегшують рівномірний і стабільний розподіл наночастинок у гідрогелеву матрицю.
Загалом, наногель та нанокомпозитні гідрогелі мають широкий спектр потенційного застосування в таких галузях, як біомедицина, відновлення навколишнього середовища та зберігання енергії завдяки своїм унікальним властивостям та функціональним можливостям.
Застосування наногелю для лікування
| Тип наногелю | лік | хвороба | Діяльність | Посилання |
| Наногелі PAMA-DMMA | доксорубіцин | Рак | Збільшення швидкості випуску в міру зниження значення рН. Більш висока цитотоксичність при рН 6,8 в дослідженнях життєздатності клітин | Du et al. (2010) |
| Наногелі на основі хітозану, прикрашені гіалуронатом | Фотосенсибілізатори, такі як тетра-феніл-порфірин-тетра-сульфонат (TPPS4), тетра-феніл-хлор-тетра-карбоксилат (TPCC4) і хлор e6 (Ce6) | Ревматичні розлади | Швидко поглинаються (4 год) макрофагами і накопичуються в їх цитоплазмі і органелах | Шмітт та ін (2010) |
| Наночастинки PCEC в гідрогелях Pluronic | Лідокаїн | місцева анестезія | Проводиться тривала інфільтраційна анестезія близько 360 хв | Інь та ін (2009) |
| Полі(лактид-ко-гліколева кислота) і наночастинка хітозану, дисперговані в гелі HPMC і Carbopol | Спантід II | Алергічний контактний дерматит та інші запальні розлади шкіри | Потенціал наногеліннкреаз для черезшкірної доставки спантиду II | Punit et al. (2012) |
| рН-чутливі полівінілпіролідон-полі (акрилова кислота) (PVP/PAAc) наногелі | Пілокарпін | Підтримувати адекватну концентрацію пілокарпіну в місці дії протягом тривалого періоду часу | Абд Ель-Рехім та ін (2013) | |
| Зшиті полі (етиленгліколь) і поліетиленімін | Олігонуклеотиди | Нейродегенеративні захворювання | Ефективно транспортується через ВВВ. Транспортна ефективність ще більше підвищується, коли поверхня наногелю модифікується трансферином або інсуліном | Виноградов та ін (2004) |
| Холестериноносні пулулан-наногелі | Рекомбінантний мишачий інтерлейкін-12 | імунотерапія пухлини | Сталий випуск наногелю | Фархана та ін(2013) |
| Полі(N-ізопропілакриламід) і хітозан | Лікування раку гіпертермії та адресна доставка ліків | Термочутливий магнітно модулізований | Фархана та ін(2013) | |
| Зшита розгалужена мережа поліетилену та поліплекснаногелю PEG | Флударабін | Рак | Підвищена активність і знижена цитотоксичність | Фархана та ін(2013) |
| Біосумісний наногель холестериноносного пулулану | Як штучний шаперон | Лікування хвороби Альцгеймера | Інгібувати агрегацію амілоїдного β-білка | Ікеда та ін(2006) |
| ДНК-наногель з фотозшиванням | генетичний матеріал | Генна терапія | Контрольована доставка плазмідної ДНК | Лі та ін (2009) |
| Карбополь/оксид цинку (ZnO) гібридний гель з наночастинками | Наночастинки ZnO | Антибактеріальна активність, інгібітор бактерій | Ісмаїл та ін(2021) |
Таблиця, адаптована з Swarnali et al., 2017
Hielscher Ультразвук виробляє високоемоціивні ультразвукові гомогенізатори з Лабораторія до промислових розмірів.