Tổng hợp Hydrogel Nanocomposite bằng cách sử dụng Ultrasonication

Hydrogel nanocomposite hoặc nanogel là các cấu trúc 3D đa chức năng với hiệu quả cao như chất mang thuốc và hệ thống phân phối thuốc giải phóng có kiểm soát. Ultrasonication thúc đẩy sự phân tán của kích thước nano, các hạt hydrogel polymer cũng như sự bao gồm / kết hợp tiếp theo của các hạt nano vào các cấu trúc polymer này.

Ultrasonic Synthesis of Nanogels

Nanocomposite hydrogels are three-dimensional material structures and can be designed to exhibit specific features, which makes them potent drug carriers and controlled-release drug delivery systems. Ultrasonication promotes the synthesis of functionalized nano-sized particles as well as the subsequent inclusion/incorporation of nanoparticles in three-dimensional polymeric structures. As ultrasonically synthesized nanogels can entrap bioactive compounds inside their nanoscale core, these nano-sized hydrogels offer great functionalities.
Nanogels are aqueous dispersion of hydrogel nanoparticles, which are physically or chemically cross-linked as hydrophilic polymer network. As high-performance ultrasound is highly efficient in producing nano-dispersions, probe-type ultrasonicators are a crucial tool for the fast and reliable production of nanogels with superior functionalities.

Functionalities of Ultrasonically Produced Nanogels

• excellent colloidal stability and the large specific surface area
• can be densely packed with nanoparticles
• allow to combine hard and soft particles in hybrid core/shell nanogel
• high hydration potential
• promoting bioavailability
• high swelling / de-swelling properties

 
Ultrasonically synthesized nanogels are used in numerous applications and industries, e.g.

• for pharmaceutical and medical applications: e.g. drug carrier, antibacterial gel, antibacterial wound dressing
• in biochemistry and biomedicine for gene delivery
• as adsorbent/biosorbent in chemical and environmental applications
• in tissue engineering as hydrogels can mimic the physical, chemical, electrical, and biological properties of many native tissue

Case Study: Zinc Nanogel Synthesis via Sonochemical Route

ZnO hybrid nanoparticles can be stabilized in a Carbopol gel via a facile ultrasonic process: Sonication is used to drive the precipitation of zinc nanoparticles, which are subsequently ultrasonically crosslinked with Carbopol to form a nano-hydrogel.
Ismail et al. (2021) precipitated zinc oxide nanoparticles via a facile sonochemical route. (Find the protocol for the sonochemical synthesis of ZnO nanoparticles here).
Sau đó, các hạt nano được sử dụng để tổng hợp gel nano ZnO. Do đó, các NP ZnO được sản xuất đã được rửa sạch bằng nước khử ion kép. 0,5 g Carbopol 940 đã được hòa tan trong 300 ml nước khử ion gấp đôi, tiếp theo là bổ sung các NP ZnO mới rửa. Vì Carbopol có tính axit tự nhiên, dung dịch đòi hỏi phải trung hòa giá trị pH, nếu không nó sẽ không đặc lại. Do đó, hỗn hợp đã trải qua quá trình sonication liên tục bằng cách sử dụng máy siêu âm Hielscher UP400S với biên độ 95 và chu kỳ 95% trong 1 giờ. Sau đó, 50 ml trimethylamine (TEA) làm chất trung hòa (tăng pH lên 7) đã được thêm vào từng giọt dưới sonication liên tục cho đến khi sự hình thành gel trắng ZnO xảy ra. Sự dày lên của Carbopol bắt đầu khi độ pH gần với pH trung tính .
The research team explains the extraordinarily positive effects of ultrasonication on nanogel formation by enhanced particle-particle interaction. Ultrasonically initiated molecular agitation of the constituents in the reaction mixture enhances the thickening process promoted by the polymer-solvent interactions. Additionally, sonication promotes the dissolving of Carbopol. In addition, ultrasound wave irradiation enhances the polymer–ZnO NPs interaction and improves the viscoelastic properties of the prepared Carbopol/ZnO hybrid nanoparticles gel.
The schematic flowchart above shows the synthesis of ZnO NPs and Carbopol/ZnO hybrid nanoparticle gel. In the study, the ultrasonicator UP400St was used for ZnO nanoparticle precipitation and nanogel formation. (adapted from Ismail et al., 2021)

ZnO NPs synthesized by the chemical precipitation method under the effect of ultrasonication, where (a) is in the aqueous solution, and (b) is ultrasonically dispersed into a stable Carbopol-based hydrogel.
(study and picture: Ismail et al., 2021)

Case Stuy: Ultrasonic Preparation of Poly(methacrylic acid)/Montmorillonite (PMA/nMMT) Nanogel

Khan et al. (2020) demonstrated the successful synthesis of a poly(methacrylic acid)/Montmorillonite (PMA/nMMT) nanocomposite hydrogel via ultrasound-assisted redox polymerization. Typically, 1.0 g of nMMT was dispersed in 50 mL of distilled water with ultrasonication for 2 h to form a homogeneous dispersion. Sonication improves the dispersion of clay, resulting in enhanced mechanical properties and adsorption capacity of the hydrogels. Methacrylic acid monomer (30 mL) was added dropwise to the suspension. Initiator ammonium persulfate (APS) (0.1 M) was added to the mixture followed by 1.0 mL of TEMED accelerator. The dispersion was vigorously stirred for 4 h at 50°C by a magnetic stirrer. The resulting viscous mass was acetone-washed and desiccated for 48 h at 70°C in an oven. The resulting product was ground and stored in a glass bottle. Different nanocomposite gels were synthesized by varying the nMMT in quantities of 0.5, 1.0, 1.5, and 2.0 g. The nanocomposite hydrogels prepared using 1.0 g of nMMT depicted better adsorption results than the rest of composites and was therefore used for further adsorption investigation.
The SEM-EDX micrographs on the right show the elemental and structural analysis of the nanogels consisting in montmorillonite (MMT), nano-montmorillonite (nMMT), poly(methacrylic acid)/nano-montmorillonite (PMA/nMMT), and amoxicillin (AMX)- and diclofenac (DF)-loaded PMA/nMMT. The SEM micrographs recorded at a magnification of 1.00 KX along with the EDX of

• montmorillonite (MMT),
• nano-montmorillonite (nMMT),
• poly(methacrylic acid)/nano-montmorillonite (PMA/nMMT),
• and amoxicillin (AMX)- and diclofenac (DF)-loaded PMA/nMMT.

Người ta quan sát thấy rằng MMT thô nợ một cấu trúc tấm phân lớp cho thấy sự hiện diện của các hạt lớn hơn. Sau khi sửa đổi, các tấm MMT được tẩy tế bào chết thành các hạt nhỏ, có thể là do loại bỏ Si2 + và Al3 + khỏi các vị trí bát diện. Phổ EDX của nMMT thể hiện tỷ lệ carbon cao, chủ yếu có thể là do chất hoạt động bề mặt được sử dụng để sửa đổi vì thành phần chính của CTAB (C19H42BrN) là carbon (84%). PMA / nMMT hiển thị một cấu trúc mạch lạc và gần như đồng liên tục. Hơn nữa, không nhìn thấy lỗ chân lông, mô tả sự tẩy da chết hoàn toàn của nMMT vào ma trận PMA. Sau khi hấp thu với các phân tử dược phẩm amoxicillin (AMX) và diclofenac (DF), những thay đổi trong hình thái PMA / nMMT được quan sát thấy. Bề mặt trở nên không đối xứng với sự gia tăng kết cấu thô.
Use and functionalities of clay-based nano-sized hydrogels: Clay-based hydrogel nanocomposites are envisioned to be potential super adsorbents for the uptake of inorganic and/or organic contaminants from an aqueous solution due to the combining characteristics of both clays and polymers, such as biodegradability, biocompatibility, economic viability, abundance, high specific surface area, three-dimensional network, and swelling / de-swelling properties.
(cf. Khan et al., 2020)

High Performance Ultrasonicators for Hydrogel and Nanogel Production

High Performance Ultrasonicators for Hydrogel and Nanogel Production
Hielscher Ultrasonics manufactures high-performance ultrasonic equipment for the synthesis of hydrogels and nanogels with superior functionalities. From small and mid-size R&D and pilot ultrasonicators to industrial systems for commercial hydrogel manufacturing in continuous mode, Hielscher Ultrasonics has the right ultrasonic processor to cover your requirements for hydrogel / nanogel production.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: