بلمرة بالموجات فوق الصوتية للهلاميات المائية: البروتوكول وتوسيع نطاق

توفر البلمرة التي يسببها الموجات فوق الصوتية نهجا خاليا من الجذور الراديكالية وخاليا من البادئ لتصنيع الهلاميات المائية من مونومرات الفينيل القابلة للذوبان في الماء والماكرومونومرات. تستغل هذه المنهجية التوليد الكيميائي الصوتي للجذور عن طريق التجويف وهي مناسبة بشكل مثالي للتطبيقات الطبية الحيوية حيث يجب تجنب بقايا البادئ.

الهلاميات المائية عبارة عن شبكات بوليمرية ثلاثية الأبعاد محبة للماء قادرة على الاحتفاظ بكميات كبيرة من الماء مع الحفاظ على السلامة الهيكلية - وهي سمة ناشئة عن سلاسل البوليمر المتشابكة. إن خصائصها الفيزيائية الكيميائية الفيزيائية - سلوك التورم والقوة الميكانيكية والتوافق الحيوي - تجعلها جذابة للغاية للتطبيقات الطبية الحيوية، بما في ذلك توصيل الأدوية وهندسة الأنسجة والتئام الجروح.

ميزة بلمرة الهيدروجيل بالموجات فوق الصوتية

تقليديا ، يعتمد تخليق الهيدروجيل على التشابك الحراري أو الكيميائي الضوئي أو الكيميائي. ومع ذلك ، فإن تخليق الهيدروجيل بالموجات فوق الصوتية يكتسب قوة دفع كبيرة حيث توفر طريقة الصوتنة نهجا بسيطا خاليا من الكاشف وقابلا للضبط وأكثر خضرة. يستخدم تخليق الهيدروجيل بالموجات فوق الصوتية التجويف الصوتي لتعزيز البلمرة والتشابك الفيزيائي أو الكيميائي دون الحاجة إلى البادئات الخارجية. والجدير بالذكر أن الموجات فوق الصوتية يمكن أن تسهل أيضا تشتت الجسيمات النانوية في الموقع أو تبدأ تفاعلات جذرية في الوسائط المائية ، مما يجعلها أداة متعددة الاستخدامات لصياغة الهلاميات المائية متعددة الوظائف أو النانوية المركبة في ظل ظروف معتدلة.

يوضح مقطع الفيديو أعلاه التوليف بالموجات فوق الصوتية للهيدروجيل باستخدام سونيكاتور UP50H وجل منخفض الوزن الجزيئي. والنتيجة هي هيدروجيل فوق جزيئي ذاتي الشفاء. (دراسة وفيلم: Rutgeerts et al. ، 2019)
 

الهلاميات المائية المتوافقة حيويا مع Sonication

في البحث عن الهلاميات المائية المتوافقة حيويا التي يمكن تشكيلها بشكل نظيف وآمن وعند الطلب ، غالبا ما تقصر استراتيجيات البلمرة التقليدية. يقدم عمل كاس وزملاؤه حلا فعالا لهذه المشكلة: طريقة نظيفة وخالية من البادئ لتخليق الهيدروجيل باستخدام الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد.

استكشفت دراستهم البلمرة الكيميائية الصوتية لمونومرات مختلفة قابلة للذوبان في الماء، ولكن برزت تركيبة واحدة على أنها فعالة وقوية بشكل خاص: محلول ديكستران ميثاكريلات ديكستران (Dex-MA) بنسبة 5% في 70% من ماء الغليسيرول والجلسرين، مبلمر تحت الموجات فوق الصوتية بكثافة معتدلة تبلغ 56 واط/سم². ومن اللافت للنظر أن هذا النظام أنتج هيدروجيل كامل التكوين في 6.5 دقيقة فقط، محققًا نسبة تحويل من المونومر إلى بوليمر تبلغ 72% - وهي أعلى نسبة بين جميع التركيبات التي تم اختبارها.

التجويف الصوتي: ويستند مبدأ عمل هذه الطريقة على ظاهرة قوية بقدر ما هي عابرة: التجويف الصوتي. عند التعرض للموجات فوق الصوتية القوية، تتشكل الفقاعات المجهرية وتنهار بعنف في الوسط السائل، مما يولد نقاطًا ساخنة موضعية قد تتجاوز فيها درجات الحرارة لفترة وجيزة 5000 كلفن. وتؤدي هذه الظروف إلى حدوث انقسام متجانس لجزيئات المذيب، مما ينتج عنه انفجار من الجذور التفاعلية. على عكس البلمرة التقليدية، التي تعتمد على البادئات الخارجية أو الحرارة، توفر الموجات فوق الصوتية كلاً من الطاقة والجذور اللازمة لبدء البلمرة - دون تجاوز درجات الحرارة السائبة ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية.

المذيب المشترك: لم يكن اختيار الجلسرين كمذيب مشارك أمرًا عارضًا. فبالإضافة إلى زيادة لزوجة المحلول - وهو عامل حاسم لتعزيز كثافة التجويف - يعمل الجلسرين نفسه كمتبرع مشارك للجذور. ومن المعروف أن مجموعاته الهيدروكسيلية تنتج جذورًا ثانوية مستقرة نسبيًا، وبالتالي زيادة عمر الجذور وتعزيز انتشار السلسلة. وبالإضافة إلى ذلك، تساعد البيئة اللزجة الغنية بالجلسرين على حبس سلاسل البوليمر الوليدة، مما يقلل من قابليتها للذوبان ويحميها من التحلل بالموجات فوق الصوتية، والذي يمكن أن يحدث في الأنظمة المائية الأكثر تمييعًا.

بلمرة بالموجات فوق الصوتية: لتوصيف تطور عملية البلمرة، استخدم الباحثون التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء، وتتبعوا استنفاد مجموعات الفينيل على ديكس-ما-ألف مع مرور الوقت. تضاءل الامتصاص المميز عند 1635 سم -¹ - الذي يشير إلى الروابط المزدوجة C=C - بسرعة أثناء عملية الصوتنة، بينما ظل امتداد كربونيل الإستر عند 1730 سم -¹ ثابتًا، حيث كان بمثابة مرجع داخلي. لم تؤكد هذه البيانات ليس فقط التحويل السريع للفينيل ولكن أيضًا درجة عالية من التشابك، كما يتضح من نسب التورم المنخفضة والبنى الهلامية القوية.

تحليل: كما كشف الفحص المجهري الإلكتروني عن تطور البنية المجهرية للهلام. في المراحل المبكرة، تميزت الشبكة بمسامات كبيرة ومفتوحة، ولكن مع استمرار عملية الصوتنة، امتلأت هذه المسام ببنية ثانوية أكثر كثافة. وبحلول 15 دقيقة، أظهر الهيدروجيل شكلاً متشابكاً متجانساً مع وجود مسام مترابطة بإحكام - وهي سمة مميزة للهلام الطبي الحيوي المتشكل بشكل جيد.

نتيجة: عند المقارنة مع الهلاميات المائية المنتجة باستخدام بادئات حرارية حرة الجذور، كانت الاختلافات مذهلة. على الرغم من إمكانية تحقيق تحويلات مماثلة حراريًا، إلا أن الشبكات الناتجة كانت أكثر مسامية وأقل اتساقًا وأظهرت نسب تورم أعلى - وهي علامات على بنية تشابك أكثر مرونة. وعلاوة على ذلك، تطلبت العملية الحرارية تطهيرًا بالنيتروجين وإضافات كيميائية ودرجات حرارة أعلى، في حين أن النهج فوق الصوتي يعمل في درجة حرارة محيطة تبلغ 37 درجة مئوية فقط.

ولعل الجانب الأكثر إثارة للاهتمام في هذا العمل هو ملاحظة أن البلمرة يمكن أن تستمر حتى بعد توقف الموجات فوق الصوتية. استمر الهلام في المعالجة وزيادة قوته على مدار 30 دقيقة بعد توقف عملية الصوتنة. وهذا يشير إلى أن الأنواع الجذرية الثابتة أو الهياكل الوسيطة التي تشكلت أثناء عملية الصوتنة قد تستمر في نشر سلاسل البوليمر في غياب المزيد من مدخلات الطاقة - وهو سلوك له آثار مفيدة محتملة للتطبيقات في الجسم الحي.

تعرف على المزيد حول مزايا إنتاج الهيدروجيل بالموجات فوق الصوتية!

البروتوكول: التوليف بالموجات فوق الصوتية لهيدروجيل Dextran Methacrylate (Dex-MA) باستخدام Sonicator

لتصنيع هيدروجيل Dex-MA المتشابك تساهميا ، يتم إقران الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة والتردد المنخفض بمحلول جلسرين / ماء. يتم التحكم بدقة في درجة الحرارة وكثافة طاقة الموجات فوق الصوتية.
أدناه ، نقدم لك التعليمات الخاصة بتخليق الهيدروجيل بالموجات فوق الصوتية على نطاق المختبر ، والتي يمكن توسيع نطاقها خطيا إلى كميات كبيرة.

المعدات والمواد

معدات

• معالج الموجات فوق الصوتية Hielscher UP200Ht (200 واط ، 26 كيلو هرتز)
• Sonotrode S26d2 (قطر الطرف: 2 مم ؛ موصى به للأحجام الصغيرة)
• وعاء تفاعل مغلف (50 مل) ، متوافق مع محرك مغناطيسي
• حمام مائي دائري (يتم التحكم فيه حراريا عند 37 درجة مئوية)
• مسبار درجة الحرارة PT100 (مدرج في نطاق تسليم UP200Ht)
• النمام المغناطيسي
• ميزان تحليلي (±0.1 مجم)
• فرن فراغ أو مجفف

المواد الكيميائيه

• ديكستران ميثاكريلات (Dex-MA) ، ~ 20٪ ميثاكريلیشن
• الجلسرين ، ≥99.5٪ (اللامائية)
• ماء منزوع الأيونات

يجب أن تكون جميع الكواشف من الدرجة التحليلية. تجنب البيئات الغنية بالأكسجين. مذيبات ديغاز: إن أمكن.

إجراء خطوة بخطوة: بلمرة هيدروجيل بالموجات فوق الصوتية

1. تحضير خليط البلمرة
   • يزن 0.75 جم من Dex-MA في وعاء تفاعل مغلف سعة 50 مل.
   • أضف 10.5 جم جلسرين و 3.75 جم ماء منزوع الأيونات.
   • قلب الخليط مغناطيسيا في درجة حرارة الغرفة (~ 22 درجة مئوية) لمدة 5-10 دقائق لإذابة Dex-MA تماما. يجب أن ينتج عن ذلك محلول متجانس ولزج قليلا.
   • سخن الحمام المائي إلى 37 درجة مئوية وقم بتوصيله بالوعاء المغلف للحفاظ على درجة حرارة ثابتة.
2. إعداد Sonicator
   • قم بتركيب S26d2 sonotrode على UP200Ht وتأكد من اقتران محكم.
   • اغمر طرف سونوترودي في خليط التفاعل. تجنب لمس جدران الوعاء أو قاعه.
   • ضع مسبار درجة الحرارة في المحلول بالقرب من سونوترودي ولكن ليس على اتصال مباشر. هذا يسمح لك باستخدام التحكم المتكامل في درجة الحرارة للصوتين.
   • اضبط السعة على 100٪.
3. البلمرة بالموجات فوق الصوتية
   • ابدأ بالتقليب عند 100-200 دورة في الدقيقة للحفاظ على التجانس اللطيف.
   • بدء الصوتنة في إعداد السعة المناسب لتقديم ~ 56 واط / سم² لمدة 6.5 دقيقة.
   • حافظ على درجة حرارة المحلول عند 37 درجة مئوية طوال الوقت. إذا بدأ الخليط في التسخين ، فقم بزيادة تدفق سائل التبريد أو أضف الثلج إلى الحمام المائي.
   • يبدأ التبلور عادة في غضون 5-6 دقائق. سوف تزداد اللزوجة بشكل حاد.
   • إذا حدث التبلور قبل 6.5 دقيقة ، فتوقف عن الصوتنة لتجنب التشابك المفرط أو التدهور.
4. ما بعد المعالجة والتنقية
   • انقل الجل على الفور إلى 200 مل من الماء منزوع الأيونات تحت التحريك القوي لترشيح المونومر والجلسرين غير المتفاعلين.
   • يقلب لمدة 30 دقيقة ، ثم يصب المطفي أو الفلتر.
   • كرر الغسيل 3 مرات إضافية باستخدام الماء الدافئ (~ 60 درجة مئوية) لتحسين الانتشار.
   • جفف الجل تحت الفراغ عند 60 درجة مئوية لمدة 8 ساعات ، أو قم بتجميد الهياكل المسامية.

 
النتيجة: هيدروجيل متوافق حيويا
يجب أن تحصل على هيدروجيل شفاف وقوي مع تحويل عالي (~ 70-75٪) ، وتشابك ممتاز ، والحد الأدنى من المونومر المتبقي. سوف يقاوم الهيدروجيل الذوبان في الماء ويظهر بنية موحدة عند التجفيف.

 
ملاحظات للتحكم الأمثل في العملية

التوسع : خطي وبسيط مع صوتنة

في مجال يتطلب بشكل متزايد الدقة والنقاء وقابلية التوسع ، توفر طريقة الموجات فوق الصوتية هذه بديلا مقنعا. يمكن التحكم فيه مكانيا ، وقابل للضبط في الوقت الفعلي ، ومتوافق مع المعالجة المستمرة باستخدام أنظمة الموجات فوق الصوتية الحديثة المضمنة.
توفر أجهزة الموجات فوق الصوتية من Hielscher Ultrasonics سعات دقيقة وتتدرج خطياً من المختبر إلى نطاق الإنتاج - مما يجعلها مثالية لترجمة أنظمة الهلاميات المائية هذه إلى تطبيقات علاجية وتشخيصية في العالم الحقيقي.

التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صنع في ألمانيا

Hielscher الموجات فوق الصوتية معروفة جيدا لأعلى معايير الجودة والتصميم. المتانة والتشغيل السهل تسمح بالتكامل السلس للموجات فوق الصوتية لدينا في المنشآت الصناعية. يتم التعامل بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات الصعبة بواسطة الموجات فوق الصوتية Hielscher.

Hielscher Ultrasonics هي شركة حاصلة على شهادة الأيزو وتركز بشكل خاص على الموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. بطبيعة الحال، الموجات فوق الصوتية Hielscher هي CE المتوافقة وتلبية متطلبات UL، وكالة الفضاء الكندية وبنفايات.

يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا: