Синтез нанокомпозитного гідрогелю за допомогою ультразвуку
Нанокомпозитні гідрогелі або наногелі – це багатофункціональні 3D-структури з високою ефективністю як носії ліків, так і системи доставки ліків з контрольованим вивільненням. Ультразвук сприяє диспергуванню 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 для демонстрації 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 захоплювати біологічно активні сполуки всередині свого нанорозмірного ядра, ці нанорозмірні гідрогелі пропонують чудові функціональні можливості.
Наногелі – це водна дисперсія гідрогелевих наночастинок, які фізично або хімічно зшиті у вигляді гідрофільної полімерної мережі. Оскільки високопродуктивний ультразвук є високоефективним у виробництві нанодисперсій, ультразвукові апарати зондового типу є важливим інструментом для швидкого та надійного виробництва наногелів із чудовими функціональними можливостями.
Функціональні можливості наногелів, отриманих ультразвуковим способом
- відмінна колоїдна стабільність і велика питома поверхня
- може бути щільно упакований наночастинками
- дозволяють поєднувати тверді та м'які частинки в гібридному наногелі core/shell
- високий гідратаційний потенціал
- сприяння біодоступності
- високі властивості набухання / зняття набряку
Ультразвуково синтезовані наногелі використовуються в численних додатках і галузях, наприклад:
- для фармацевтичного та медичного застосування: наприклад, носій ліків, антибактеріальний гель, антибактеріальна пов'язка для ран
- в біохімії та біомедицині для доставки генів
- як адсорбент/біосорбент у хімічних та екологічних застосуваннях
- у тканинній інженерії як гідрогелі можуть імітувати фізичні, хімічні, електричні та біологічні властивості багатьох нативних тканин
Приклад з практики: Синтез наногелю цинку сонохімічним шляхом
Гібридні наночастинки ZnO можуть бути стабілізовані в гелі Carbopol за допомогою легкого ультразвукового процесу: ультразвук використовується для осадження наночастинок цинку, які згодом ультразвуково зшиваються з Carbopol з утворенням нано-гідрогелю.
Ismail et al. (2021) осадили наночастинки оксиду цинку легким сонохімічним шляхом. (Протокол сонохімічного синтезу наночастинок ZnO можна знайти тут).
Згодом наночастинки були використані для синтезу наногелю ZnO. Тому отримані НЧ ZnO промивали подвійною деіонізованою водою. 0,5 г Карбопол 940 розчиняли в 300 мл подвоєної деіонізованої води з подвоєним додаванням свіжопромитих НЧ ZnO. Так як Карбопол від природи кислий, то розчин вимагає нейтралізації значення рН, інакше він не загусне б. 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 (підвищуючи рН до 7) додавали по краплях під безперервним ультразвуковим дослідженням до утворення білого гелю ZnO. Згущення Карбополя починалося, коли рН був близький до нейтрального рН .
Дослідницька група пояснює надзвичайно позитивний вплив ультразвуку на формування наногелю посиленням взаємодії частинок-частинок. Ініційоване ультразвуком молекулярне перемішування компонентів реакційної суміші підсилює процес згущення, якому сприяє взаємодія полімер-розчинник. Крім того, ультразвукове дослідження сприяє розчиненню Карбопола. Крім того, опромінення ультразвуковими хвилями підсилює взаємодію полімер-ZnO NPs та покращує в'язкопружні властивості приготованого гелю з гібридними наночастинками Carbopol/ZnO.
Схематична блок-схема вище показує синтез НЧ ZnO та гелю гібридних наночастинок Carbopol/ZnO. У дослідженні ультразвуковий апарат UP400St використовувався для осадження наночастинок ZnO та формування наногелю. (адаптовано з Ісмаїл та ін., 2021)
Case Stuy: 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 ультразвукової окислювально-відновної полімеризації. Як правило, 1,0 г nMMT диспергували в 50 мл дистильованої води за допомогою ультразвуку протягом 2 год для утворення однорідної дисперсії. Ультразвукове дослідження покращує дисперсність глини, в результаті чого підвищуються механічні властивості і адсорбційна здатність гідрогелів. Мономер метакрилової кислоти (30 мл) додавали по краплях до суспензії. До суміші був доданий персульфат амонію (APS) (0,1 М), а потім 1,0 мл прискорювача TEMED. Дисперсію енергійно перемішували протягом 4 год при температурі 50 ° С магнітною мішалкою. Отриману в'язку масу промивали ацетоном і висушували протягом 48 ч при температурі 70°С в печі. Отриманий продукт подрібнюють і зберігають в скляній пляшці. Різні нанокомпозитні гелі були синтезовані шляхом варіювання nMMT у кількостях 0,5, 1,0, 1,5 та 2,0 г. Нанокомпозитні гідрогелі, приготовані з використанням 1,0 г nMMT, показали кращі результати адсорбції, ніж решта композитів, і тому були використані для подальших досліджень адсорбції.
Мікрофотографії SEM-EDX праворуч показують елементний та структурний аналіз наногелів, що складаються з монтморилоніту (MMT), нано-монтморилоніту (nMMT), полі(метакрилової кислоти)/нано-монтморилоніту (PMA/nMMT) та амоксициліну (AMX) та диклофенаку (DF), навантажених PMA/nMMT. Мікрофотографії SEM записані зі збільшенням 1,00 KX разом з EDX
- монтморилоніт (СТГ),
- нано-монтморилоніт (nMMT),
- полі(метакрилова кислота)/нано-монтморилоніт (PMA/nMMT),
- та амоксицилін (AMX) та диклофенак (DF), навантажені PMA/nMMT.
Помічено, що сирий СТГ зобов'язаний шаруватою структурою листа, що свідчить про наявність більших зерен. Після модифікації листи ММТ відшаровуються на найдрібніші частинки, що може бути пов'язано з виведенням Si2+ і Al3+ з восьмигранних ділянок. Спектр EDX nMMT демонструє високий відсоток вуглецю, що в першу чергу може бути пов'язано з поверхнево-активною речовиною, яка використовується для модифікації, оскільки основною складовою CTAB (C19H42BrN) є вуглець (84%). PMA/nMMT відображає когерентну та майже співнеперервну структуру. Крім того, не видно пір, що відображає повне відлущування nMMT в матрицю PMA. Після сорбції з фармацевтичними молекулами амоксициліну (AMX) та диклофенаку (DF) спостерігаються зміни морфології PMA/nMMT. Поверхня стає асиметричною зі збільшенням шорсткої фактури.
Використання та функціональні можливості нанорозмірних гідрогелів на основі глини: гідрогелеві нанокомпозити на основі глини передбачаються як потенційні суперадсорбенти для поглинання неорганічних та/або органічних забруднювачів з водного розчину завдяки комбінованим характеристикам як глин, так і полімерів, таким як біорозкладність, біосумісність, економічна життєздатність, поширеність, висока питома площа поверхні, тривимірна мережа та властивості набухання/зняття набухання.
(пор. Хан та ін., 2020)
Високоефективні ультразвукові апарати для виробництва гідрогелю та наногелю
Високоефективні ультразвукові апарати 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 та пілотні ультразвукові пристрої до промислових систем для комерційного виробництва гідрогелю в безперервному режимі, Hielscher Ultrasonics має відповідний ультразвуковий процесор, щоб покрити ваші вимоги до виробництва гідрогелю / наногелю.
- високий ККД
- Найсучасніші технології
- надійність & Надійності
- Пакетний & Вбудовані
- на будь-який обсяг
- Інтелектуальне програмне забезпечення
- інтелектуальні функції (наприклад, протоколювання даних)
- Простота і безпека в експлуатації
- низькі експлуатаційні витрати
- CIP (прибирання на місці)
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:
Об'єм партії | Витрата | Рекомендовані пристрої |
---|---|---|
Від 1 до 500 мл | Від 10 до 200 мл/хв | UP100H |
Від 10 до 2000 мл | Від 20 до 400 мл/хв | UP200Ht, UP400St |
0від 1 до 20 л | 0від .2 до 4 л/хв | UIP2000HDT |
Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л/хв | UIP4000HDT |
Від 15 до 150 л | Від 3 до 15 л/хв | UIP6000HDT |
Н.А. | Від 10 до 100 л/хв | UIP16000 |
Н.А. | Більше | кластер UIP16000 |
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Література / Список літератури
- 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
НЧ ZnO синтезували методом хімічного осадження під впливом ультразвукового опромінення. У типовій процедурі використовували дигідрат ацетату цинку (Zn(CH3COO)2·2H2O) як попередник і розчин аміаку 30–33% (NH3) у водному розчині (NH4OH) як відновник. Наночастинки ZnO були отримані шляхом розчинення відповідної кількості ацетату цинку в 100 мл деіонізованої води для отримання 0,1 м розчину іонів цинку. Надалі розчин іонів цинку піддавали опроміненню ультразвуковими хвилями за допомогою апарату Hielscher UP400S (400 Вт, 24 кГц, Берлін, Німеччина) з амплітудою 79% і циклом 0,76 протягом 5 хв при температурі 40 ◦С. Потім розчин аміаку додавали по краплях до розчину іонів цинку під дією ультразвукових хвиль. Через кілька миттєвостей НЧ ZnO почали випадати в осад і рости, а розчин аміаку безперервно додавався до тих пір, поки не відбулося повне осадження НЧ ZnO.
Отримані НЧ ZnO кілька разів промивали деіонізованою водою і залишали для осідання. Ззаду отриманий осад сушили при кімнатній температурі.
(Ісмаїл та ін., 2021)
Що таке наногелі?
Наногелі або нанокомпозитні гідрогелі - це тип гідрогелю, який включає в свою структуру наночастинки, зазвичай в діапазоні 1-100 нанометрів. Ці наночастинки можуть бути органічними, неорганічними або поєднувати обидва.
Наногелі утворюються за допомогою процесу, відомого як зшивання, яке включає хімічне склеювання полімерних ланцюгів для формування тривимірної мережі. Оскільки формування гідрогелів і наногелів вимагає ретельного перемішування з метою гідратації полімерної структури, сприяння зшиванню і включенню наночастинок, ультразвук є високоефективним методом виробництва гідрогелів і наногелів. Гідрогелеві та наногелеві мережі здатні поглинати велику кількість води, що робить 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 дисперговані по всій матриці гідрогелю. Ці наночастинки можуть бути синтезовані за допомогою різних методів, включаючи емульсійну полімеризацію, зворотну емульсійну полімеризацію та золь-гель синтез. Ці синтези полімеризації та золь-гелю значно виграють від ультразвукового збудження.
З іншого боку, нанокомпозитні гідрогелі 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 ультразвуку сприяють рівномірному і стабільному розподілу наночастинок в гідрогелеву матрицю.
Загалом, наногелі та нанокомпозитні гідрогелі мають широкий спектр потенційних застосувань у таких галузях, як біомедицина, відновлення навколишнього середовища та зберігання енергії завдяки своїм унікальним властивостям та функціональним можливостям.
Застосування наногелю для медичних процедур
Тип наногелю | Лік | хвороба | Діяльність | Посилання |
Наногелі PAMA-DMMA | доксорубіцин | Рак | Збільшення швидкості вивільнення в міру зниження значення рН. Вища цитотоксичність при рН 6,8 у дослідженнях життєздатності клітин | Du та ін (2010) |
Наногелі на основі хітозану, прикрашені гіалуронатом | Фотосенсибілізатори, такі як тетра-феніл-порфірин-тетра-сульфонат (TPPS4), тетра-феніл-хлорін-тетра-карбоксилат (TPCC4) і хлор е6 (Ce6) | Ревматичні захворювання | Швидко поглинається (4 год) макрофагами і накопичується в їх цитоплазмі і органелах | Schmitt et al. (2010) |
Наночастинки PCEC у плюронових гідрогелях | Лідокаїн | Місцева анестезія | Проводиться тривала інфільтраційна анестезія тривалістю близько 360 хв | Інь та інші (2009) |
Наночастинки полі(лактид-ко-гліколевої кислоти) та хітозану, дисперговані в HPMC та Carbopol gel | Спантід ІІ | Алергічний контактний дерматит та інші шкірні запальні захворювання | Потенціал наногелінскладок для черезшкірної доставки спатиду II | Пуніт та ін (2012) |
pH-чутливі наногелі полівінілпіролідон-полі (акрилова кислота) (PVP/PAAc) | Пілокарпін | Підтримуйте адекватну концентрацію пілокарпіну в місці дії протягом тривалого періоду часу | Абд Ель-Рехім та ін (2013) | |
Зшитий полі (етиленгліколь) і поліетиленімін | Олігонуклеотиди | Нейродегенеративні захворювання | Ефективно транспортується через ВВВ. Транспортна ефективність ще більше підвищується при модифікації поверхні наногеля трансферином або інсуліном | Виноградов та ін (2004) |
Наногелі пуллулан, що містять холестерин | Рекомбінантний мишачий інтерлейкін-12 | Імунотерапія пухлин | Наногель пролонгованого вивільнення | Фархана та ін (2013) |
Полі(N-ізопропілакриламід) і хітозан | Лікування гіпертермії, раку та адресна доставка ліків | Термочутливий магнітно-модалізований | Фархана та ін (2013) | |
Зшита розгалужена мережа з поліетиленаміну та поліплекснаногеля ПЕГ | Флударабін | Рак | Підвищена активність та зниження цитотоксичності | Фархана та ін (2013) |
Біосумісний наногель пуллулану, що містить холестерин | Як штучний шаперон | Лікування хвороби Альцгеймера | Пригнічують агрегацію амілоїдного β-білка | Ikeda та ін (2006) |
ДНК-наногель з фотозшиванням | Генетичний матеріал | Генна терапія | Контрольована доставка ДНК плазміди | Lee та ін (2009) |
Гель з гібридними наночастинками карбопол/оксид цинку (ZnO) | Наночастинки ZnO | Антибактеріальна активність, бактеріальний інгібітор | Ісмаїл та ін (2021) |
Таблиця адаптована з Swarnali et al., 2017