Tổng hợp hydrogel nanocomposite bằng siêu âm

Hydrogel nanocomposite hay nanogel là các cấu trúc 3D đa chức năng có hiệu quả cao khi dùng làm chất mang thuốc và hệ dẫn truyền thuốc giải phóng có kiểm soát. Xử lý siêu âm thúc đẩy sự phân tán của các hạt hydrogel polyme có kích thước nano cũng như quá trình đưa/tích hợp các hạt nano vào những cấu trúc polyme này sau đó.

Tổng hợp nanogel bằng siêu âm

Hydrogel nanocomposite là các cấu trúc vật liệu ba chiều và có thể được thiết kế để thể hiện những đặc tính cụ thể, nhờ đó trở thành chất mang thuốc và hệ dẫn truyền thuốc giải phóng có kiểm soát hiệu quả cao. Xử lý siêu âm thúc đẩy quá trình tổng hợp các hạt có kích thước nano đã được chức năng hóa cũng như quá trình đưa/tích hợp các hạt nano vào các cấu trúc polyme ba chiều sau đó. Vì nanogel được tổng hợp bằng siêu âm có thể giữ các hợp chất có hoạt tính sinh học bên trong lõi kích thước nano, những hydrogel kích thước nano này mang lại các chức năng vượt trội.
Nanogel là hệ phân tán trong nước của các hạt nano hydrogel được liên kết chéo bằng phương pháp vật lý hoặc hóa học để tạo thành mạng lưới polyme ưa nước. Vì siêu âm hiệu năng cao rất hiệu quả trong việc tạo ra các hệ phân tán nano, máy siêu âm dạng đầu dò là công cụ thiết yếu để sản xuất nhanh chóng và đáng tin cậy các nanogel có chức năng ưu việt.

Các chức năng của nanogel được sản xuất bằng siêu âm

• độ ổn định keo tuyệt vời và diện tích bề mặt riêng lớn
• có thể được nạp các hạt nano với mật độ cao
• cho phép kết hợp các hạt cứng và mềm trong nanogel lai có cấu trúc lõi/vỏ
• khả năng hydrat hóa cao
• tăng cường sinh khả dụng
• đặc tính trương nở / co ngót cao

 
Nanogel được tổng hợp bằng siêu âm được sử dụng trong nhiều ứng dụng và ngành công nghiệp, ví dụ:

• trong các ứng dụng dược phẩm và y tế: ví dụ như chất mang thuốc, gel kháng khuẩn, băng vết thương kháng khuẩn
• trong hóa sinh và y sinh để chuyển gen
• làm chất hấp phụ/chất hấp phụ sinh học trong các ứng dụng hóa học và môi trường
• trong kỹ thuật mô vì hydrogel có thể mô phỏng các đặc tính vật lý, hóa học, điện và sinh học của nhiều loại mô tự nhiên

Nghiên cứu điển hình: Tổng hợp nanogel kẽm bằng phương pháp hóa siêu âm

Các hạt nano lai ZnO có thể được ổn định trong gel Carbopol bằng một quy trình siêu âm đơn giản: Xử lý siêu âm được sử dụng để thúc đẩy sự kết tủa của các hạt nano kẽm, sau đó các hạt này được liên kết chéo với Carbopol bằng siêu âm để tạo thành hydrogel nano.
Ismail et al. (2021) đã kết tủa các hạt nano oxit kẽm bằng một phương pháp hóa siêu âm đơn giản. (Xem quy trình tổng hợp các hạt nano ZnO bằng phương pháp hóa siêu âm tại đây).
Sau đó, các hạt nano được sử dụng để tổng hợp nanogel ZnO. Để thực hiện điều này, các hạt nano ZnO đã tạo ra được rửa bằng nước khử ion hai lần. 0,5 g Carbopol 940 được hòa tan trong 300 mL nước khử ion hai lần, sau đó bổ sung các hạt nano ZnO vừa được rửa. Vì Carbopol vốn có tính axit, dung dịch cần được trung hòa pH, nếu không dung dịch sẽ không đặc lại. Do đó, hỗn hợp được xử lý siêu âm liên tục bằng thiết bị siêu âm Hielscher UP400S với biên độ 95 và chu kỳ 95% trong 1 h. Sau đó, 50 mL trimethylamine (TEA) được thêm từng giọt làm chất trung hòa (nâng pH lên 7) trong khi tiếp tục xử lý siêu âm cho đến khi hình thành gel ZnO màu trắng. Carbopol bắt đầu đặc lại khi pH gần đạt mức trung tính.
Nhóm nghiên cứu giải thích những tác động tích cực đặc biệt mạnh mẽ của quá trình xử lý siêu âm đối với sự hình thành nanogel là do tương tác giữa các hạt được tăng cường. Sự khuấy động phân tử của các thành phần trong hỗn hợp phản ứng do siêu âm khởi phát giúp tăng cường quá trình làm đặc được thúc đẩy bởi tương tác giữa polyme và dung môi. Ngoài ra, xử lý siêu âm thúc đẩy sự hòa tan Carbopol. Bên cạnh đó, chiếu xạ sóng siêu âm tăng cường tương tác giữa polyme và các hạt nano ZnO, đồng thời cải thiện tính chất nhớt đàn hồi của gel hạt nano lai Carbopol/ZnO đã điều chế.
Sơ đồ quy trình ở trên minh họa quá trình tổng hợp các hạt nano ZnO và gel hạt nano lai Carbopol/ZnO. Trong nghiên cứu, thiết bị siêu âm UP400St được sử dụng để kết tủa các hạt nano ZnO và hình thành nanogel. (phỏng theo Ismail et al., 2021)

Các hạt nano ZnO được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa hóa học dưới tác động của siêu âm, trong đó (a) là các hạt trong dung dịch nước và (b) là các hạt được phân tán bằng siêu âm vào hydrogel ổn định trên nền Carbopol.
(nghiên cứu và hình ảnh: Ismail et al., 2021)

Nghiên cứu điển hình: Điều chế nanogel poly(axit metacrylic)/montmorillonite (PMA/nMMT) bằng siêu âm

Khan et al. (2020) đã chứng minh việc tổng hợp thành công hydrogel nanocomposite poly(axit metacrylic)/montmorillonite (PMA/nMMT) thông qua quá trình trùng hợp oxy hóa khử có hỗ trợ siêu âm. Trong quy trình điển hình, 1,0 g nMMT được phân tán trong 50 mL nước cất bằng siêu âm trong 2 h để tạo thành hệ phân tán đồng nhất. Xử lý siêu âm cải thiện sự phân tán của đất sét, qua đó tăng cường các tính chất cơ học và khả năng hấp phụ của hydrogel. Monome axit metacrylic (30 mL) được thêm từng giọt vào huyền phù. Chất khơi mào amoni persulfat (APS) (0,1 M) được thêm vào hỗn hợp, tiếp theo là 1,0 mL chất xúc tiến TEMED. Hệ phân tán được khuấy mạnh trong 4 h ở 50°C bằng máy khuấy từ. Khối nhớt thu được được rửa bằng acetone và sấy khô trong 48 h ở 70°C trong tủ sấy. Sản phẩm thu được được nghiền và bảo quản trong chai thủy tinh. Các gel nanocomposite khác nhau được tổng hợp bằng cách thay đổi lượng nMMT ở các mức 0,5, 1,0, 1,5 và 2,0 g. Hydrogel nanocomposite được điều chế với 1,0 g nMMT cho kết quả hấp phụ tốt hơn các composite còn lại, do đó được sử dụng cho nghiên cứu hấp phụ tiếp theo.
Các ảnh hiển vi SEM-EDX ở bên phải trình bày kết quả phân tích nguyên tố và cấu trúc của các nanogel gồm montmorillonite (MMT), nano-montmorillonite (nMMT), poly(axit metacrylic)/nano-montmorillonite (PMA/nMMT), cùng PMA/nMMT được nạp amoxicillin (AMX) và diclofenac (DF). Các ảnh hiển vi SEM được ghi lại ở độ phóng đại 1,00 KX cùng với phổ EDX của

• montmorillonite (MMT),
• nano-montmorillonite (nMMT),
• poly(axit metacrylic)/nano-montmorillonite (PMA/nMMT),
• và PMA/nMMT được nạp amoxicillin (AMX) và PMA/nMMT được nạp diclofenac (DF).

Quan sát cho thấy MMT thô có cấu trúc dạng phiến phân lớp với sự hiện diện của các hạt lớn hơn. Sau khi biến tính, các phiến MMT được bóc tách thành các hạt rất nhỏ, điều này có thể là do Si2+ và Al3+ bị loại khỏi các vị trí bát diện. Phổ EDX của nMMT cho thấy tỷ lệ cacbon cao, điều này có thể chủ yếu là do chất hoạt động bề mặt được sử dụng để biến tính, vì thành phần chính của CTAB (C19H42BrN) là cacbon (84%). PMA/nMMT thể hiện cấu trúc gắn kết và gần như đồng liên tục. Ngoài ra, không quan sát thấy lỗ xốp nào, cho thấy nMMT đã được bóc tách hoàn toàn trong nền PMA. Sau khi hấp thu các phân tử dược phẩm amoxicillin (AMX) và diclofenac (DF), có thể quan sát thấy những thay đổi về hình thái của PMA/nMMT. Bề mặt trở nên bất đối xứng và có kết cấu thô ráp hơn.
Ứng dụng và các đặc tính chức năng của hydrogel kích thước nano trên nền đất sét: Vật liệu nanocomposite hydrogel trên nền đất sét được kỳ vọng có tiềm năng trở thành chất siêu hấp phụ để thu giữ các chất ô nhiễm vô cơ và/hoặc hữu cơ từ dung dịch nước nhờ kết hợp các đặc tính của cả đất sét và polyme, như khả năng phân hủy sinh học, tính tương thích sinh học, tính khả thi về kinh tế, sự dồi dào, diện tích bề mặt riêng lớn, mạng lưới ba chiều và đặc tính trương nở / co ngót.
(xem Khan et al., 2020)

Thiết bị siêu âm hiệu năng cao để sản xuất hydrogel và nanogel

Thiết bị siêu âm hiệu năng cao để sản xuất hydrogel và nanogel
Hielscher Ultrasonics chế tạo thiết bị siêu âm hiệu năng cao để tổng hợp hydrogel và nanogel với các đặc tính chức năng vượt trội. Từ các thiết bị siêu âm nghiên cứu và phát triển quy mô nhỏ và vừa cùng các thiết bị quy mô thí điểm đến các hệ thống công nghiệp để sản xuất hydrogel thương mại ở chế độ liên tục, Hielscher Ultrasonics có thiết bị xử lý siêu âm phù hợp để đáp ứng các yêu cầu sản xuất hydrogel / nanogel của bạn.

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: