Hidrogellərin ultrasəs polimerləşməsi: Protokol və Ölçəyin

Ultrasəslə induksiya olunan polimerləşmə suda həll olunan vinil monomerlərdən və makromonomerlərdən hidrogellərin sintezinə radikalsız, təşəbbüskarsız yanaşma təklif edir. Bu metodologiya kavitasiya vasitəsilə radikalların sonokimyəvi nəslindən istifadə edir və təşəbbüskar qalıqların qarşısının alınması lazım olan biotibbi tətbiqlər üçün idealdır.

Hidrojellər üçölçülü, hidrofilik polimer şəbəkələridir, eyni zamanda struktur bütövlüyünü qoruyarkən əhəmiyyətli miqdarda suyu saxlaya bilir - bu, çarpaz bağlanmış polimer zəncirlərindən yaranan bir atributdur. Onların fiziki-kimyəvi xassələri – şişkinlik davranışı, mexaniki qüvvə və biouyğunluq – onları dərmanların çatdırılması, toxuma mühəndisliyi və yaraların sağalması da daxil olmaqla biotibbi tətbiqlər üçün olduqca cəlbedici edir.

Ultrasonik Hidrogel Polimerizasiyasının Üstünlüyü

Ənənəvi olaraq, hidrogel sintezi termal, fotokimyəvi və ya kimyəvi çarpaz əlaqəyə əsaslanır; lakin, ultrasəs hidrogel sintezi əhəmiyyətli dartma qazanır, çünki sonication metodu sadə reagentsiz, tənzimlənən və daha yaşıl bir yanaşma təklif edir. Ultrasəs hidrogel sintezi xarici təşəbbüskarlara ehtiyac olmadan polimerləşməni və fiziki və ya kimyəvi çarpaz əlaqəni təşviq etmək üçün akustik kavitasiyadan istifadə edir. Qeyd edək ki, ultrasəsləşdirmə həm də in situ nanohissəciklərin dispersiyasını asanlaşdıra və ya sulu mühitdə radikal reaksiyalara başlaya bilər ki, bu da onu mülayim şəraitdə çoxfunksiyalı və ya nanokompozit hidrogellərin hazırlanması üçün çox yönlü alətə çevirir.

Yuxarıdakı videoklip hidrogelin ultrasəs sintezini nümayiş etdirir sonicator UP50H istifadə edərək və aşağı molekulyar çəkili gelator. Nəticə özünü sağaldan supramolekulyar hidrogeldir. (Tədqiqat və film: Rutgeerts et al., 2019)
 

Sonication ilə biouyğun hidrogellər

Təmiz, təhlükəsiz və tələb oluna bilən biouyğun hidrogellərin axtarışında ənənəvi polimerləşmə strategiyaları çox vaxt uğursuz olur. Cass və həmkarlarının işi bu problemin effektiv həllini təqdim edir: aşağı tezlikli ultrasəsdən istifadə edərək hidrogel sintezi üçün təmiz, təşəbbüskarsız üsul.

Onların tədqiqatı müxtəlif suda həll olunan monomerlərin sonokimyəvi polimerləşməsini araşdırır, lakin bir formulasiya xüsusilə effektiv və möhkəm kimi fərqlənirdi: 70% qliserin-suda 5% dekstran metakrilat (Dex-MA) məhlulu, 56 Vt/sm² orta intensivlikdə ultrasəs altında polimerləşmişdir. Maraqlıdır ki, bu sistem cəmi 6,5 dəqiqə ərzində tam formalaşmış hidrogel verdi və 72% monomerdən polimerə çevrilməyə nail oldu - sınaqdan keçirilmiş bütün formulalar arasında ən yüksək göstərici.

Akustik kavitasiya: Bu metodun iş prinsipi keçici olduğu qədər də güclü bir fenomenə əsaslanır: akustik kavitasiya. Güclü ultrasəsə məruz qaldıqda, maye mühitdə mikroskopik baloncuklar əmələ gəlir və şiddətlə çökür, temperaturun qısa müddət ərzində 5000 Kelvin-i keçə biləcəyi lokallaşdırılmış qaynar nöqtələr yaradır. Bu şərtlər həlledici molekulların homolitik parçalanmasına səbəb olur və reaktiv radikalların partlamasına səbəb olur. Xarici təşəbbüskarlardan və ya istilikdən asılı olan adi polimerləşmədən fərqli olaraq, ultrasəs polimerləşməni başlatmaq üçün lazım olan həm enerjini, həm də radikalları verir - fizioloji cəhətdən müvafiq kütlə temperaturlarını keçmədən.

Birgə həlledici: Birgə həlledici kimi qliserolun seçilməsi təsadüfi deyildi. Məhlulun özlülüyünü artırmaqdan başqa - kavitasiya intensivliyini artırmaq üçün vacib amil - qliserin özü radikal köməkçi donor kimi çıxış edir. Onun hidroksil qrupları məlumdur ki, nisbətən sabit ikincili radikallar əmələ gətirir və bununla da radikalların ömrünü artırır və zəncirin yayılmasını təşviq edir. Bundan əlavə, özlü qliserinlə zəngin mühit yaranan polimer zəncirlərini tutmağa kömək edir, onların həll olunma qabiliyyətini azaldır və onları daha çox seyreltilmiş sulu sistemlərdə baş verə biləcək ultrasəs deqradasiyasından qoruyur.

Ultrasonik polimerləşmə: Polimerləşmənin gedişatını xarakterizə etmək üçün tədqiqatçılar zamanla Dex-MA-da vinil qruplarının tükənməsini izləyən infraqırmızı spektroskopiyadan istifadə etdilər. 1635 sm⁻¹-də xarakterik udma – C=C ikiqat bağlarının göstəricisi – sonikasiya zamanı sürətlə azaldı, 1730 sm⁻¹-də ester karbonil uzanması isə daxili istinad olaraq sabit qaldı. Bu məlumatlar nəinki sürətli vinil çevrilməsini, həm də aşağı şişkinlik nisbətləri və möhkəm gel strukturları ilə sübut edilən yüksək dərəcədə çarpaz əlaqəni təsdiqlədi.

Təhlil: Skan elektron mikroskopiyası gelin mikrostrukturunun təkamülünü daha da üzə çıxardı. İlkin mərhələlərdə şəbəkə böyük, açıq məsamələrə malik idi, lakin davamlı sonikasiya ilə bunlar daha sıx ikinci dərəcəli strukturla dolduruldu. 15 dəqiqə ərzində hidrojel bir-biri ilə sıx bağlı məsamələri olan homojen çarpaz bağlı morfologiyanı nümayiş etdirdi - bu, yaxşı formalaşmış biotibbi gellərin əlamətidir.

Nəticə: Termal sərbəst radikal təşəbbüskarları ilə istehsal olunan hidrojellərlə müqayisə edildikdə, fərqlər təəccüblü idi. Oxşar çevrilmələri termal yolla əldə etmək mümkün olsa da, nəticədə yaranan şəbəkələr daha məsaməli, daha az vahid idi və daha yüksək şişkinlik əmsalları nümayiş etdirdi - daha boş çarpaz əlaqə arxitekturasının əlamətləri. Üstəlik, termal proses azotun təmizlənməsi, kimyəvi əlavələr və daha yüksək temperatur tələb edirdi, halbuki ultrasəs yanaşma yalnız 37°C mühit temperaturunda işləyirdi.

Bəlkə də bu işin ən maraqlı tərəfi, ultrasəs dayandırıldıqdan sonra da polimerləşmənin davam edə biləcəyinin müşahidəsidir. Gel sonikasiya dayandırıldıqdan sonra 30 dəqiqə ərzində müalicə etməyə və gücünü artırmağa davam etdi. Bu, sonikasiya zamanı əmələ gələn davamlı radikal növlərin və ya ara strukturların, əlavə enerji girişi olmadıqda polimer zəncirlərini yaymağa davam edə biləcəyini göstərir - in vivo tətbiqlər üçün potensial faydalı təsirləri olan bir davranış.

Ultrasəs hidrogel istehsalının üstünlükləri haqqında daha çox məlumat əldə edin!

Protokol: Sonikatordan istifadə edərək Dekstran Metakrilat (Dex-MA) Hidrogelin Ultrasəs Sintezi

Kovalent olaraq çarpaz bağlanmış Dex-MA hidrogelini sintez etmək üçün yüksək intensivlikli, aşağı tezlikli ultrasəs qliserin/su məhluluna birləşdirilir. Temperatur və ultrasəs enerji sıxlığı dəqiq idarə olunur.
Aşağıda, biz sizə laboratoriya miqyasında ultrasəs hidrogel sintezi üçün təlimat veririk ki, bu da xətti olaraq böyük miqdarda ölçülə bilər.

Avadanlıq və Materiallar

Avadanlıq

• Hielscher UP200Ht Ultrasonik Prosessor (200 Vt, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (ucu diametri: 2 mm; kiçik həcmli həcmlər üçün tövsiyə olunur)
• Maqnit qarışdırıcı ilə uyğun olan gödəkçəli reaksiya qabı (50 mL).
• Sirkulyasiya edən su hamamı (termostatik olaraq 37°C-də idarə olunur)
• Temperatur zondu PT100 (UP200Ht-nin çatdırılması əhatəsinə daxildir)
• Maqnit qarışdırıcı
• Analitik balans (±0,1 mq)
• Vakuum sobası və ya liyofilizator

kimyəvi maddələr

• Dekstran metakrilat (Dex-MA), ~20% metakrilləşmə
• Gliserin, ≥99,5% (susuz)
• Deionlaşdırılmış su

Bütün reagentlər analitik dərəcəli olmalıdır. oksigenlə zəngin mühitlərdən qaçın; mümkünsə həllediciləri qazsızlaşdırın.

Addım-addım Prosedur: Ultrasonik Hidrogel Polimerizasiyası

1. Polimerləşmə qarışığının hazırlanması
   • 50 ml gödəkçəli reaksiya qabına 0,75 q Dex-MA çəkin.
   • 10,5 q qliserin və 3,75 q deionlaşdırılmış su əlavə edin.
   • Dex-MA-nı tamamilə həll etmək üçün qarışığı otaq temperaturunda (~22 °C) maqnitlə 5-10 dəqiqə qarışdırın. Bir az viskoz, homojen bir həll əldə edilməlidir.
   • Su banyosunu 37 °C-ə qədər qızdırın və sabit temperaturu saxlamaq üçün onu gödəkçəli qaba birləşdirin.
2. Sonicatorun qurulması
   • S26d2 sonotrodu UP200Ht-ə quraşdırın və sıx birləşməni təmin edin.
   • Sonotrotun ucunu reaksiya qarışığına batırın. Damar divarlarına və ya dibinə toxunmaqdan çəkinin.
   • Temperatur probunu sonotroda yaxın, lakin birbaşa təmasda olmayan məhlulda yerləşdirin. Bu, sonikatorun inteqrasiya olunmuş temperatur nəzarətindən istifadə etməyə imkan verir.
   • Amplitudu 100% təyin edin.
3. ultrasəs polimerləşməsi
   • Yumşaq homogenləşməni saxlamaq üçün 100-200 rpm sürətlə qarışdırmağa başlayın.
   • 6,5 dəqiqə ərzində ~56 Vt/sm² çatdırmaq üçün müvafiq amplituda qəbulunda sonikasiyaya başlayın.
   • Bütün məhlulun temperaturunu 37°C-də saxlayın. Qarışıq qızmağa başlayırsa, soyuducu axını artırın və ya su banyosuna buz əlavə edin.
   • Gelləşmə adətən 5-6 dəqiqə ərzində başlayır. Özlülük kəskin artacaq.
   • Jelləşmə 6,5 dəqiqədən əvvəl baş verərsə, həddindən artıq çarpazlaşmanın və ya deqradasiyanın qarşısını almaq üçün sonikasiyanı dayandırın.
4. Post-Emal və Təmizləmə
   • Reaksiyaya girməyən monomeri və qliserini süzmək üçün dərhal geli güclü qarışdıraraq 200 ml deionlaşdırılmış suya köçürün.
   • 30 dəqiqə qarışdırın, sonra supernatant və ya süzün.
   • Təkmilləşdirilmiş diffuziya üçün isti su (~60 °C) istifadə edərək əlavə 3 dəfə yumağı təkrarlayın.
   • Geli vakuum altında 60 ° C-də 8 saat qurudun və ya məsaməli strukturlar üçün liyofilləşdirin.

 
Nəticə: Biouyğun Hidrogel
Siz yüksək konversiyaya (~70-75%), əla çarpaz əlaqəyə və minimal qalıq monomerə malik şəffaf, möhkəm hidrojel əldə etməlisiniz. Hidrojel suda həll olunmağa müqavimət göstərəcək və quruduqdan sonra vahid struktur nümayiş etdirəcək.

 
Optimal Prosesə Nəzarət üçün Qeydlər

Scale-Up: Sonication ilə Xətti və Sadə

Getdikcə daha çox dəqiqlik, təmizlik və genişlənmə tələb edən bir sahədə bu ultrasəs metodu cəlbedici alternativ təklif edir. O, məkan baxımından idarə oluna bilir, real vaxt rejimində tənzimlənə bilir və müasir ultrasəs inline sistemlərindən istifadə etməklə davamlı emalla uyğun gəlir.
Hielscher Ultrasonics-in sonikatorları dəqiq amplitüdləri və miqyasını laboratoriyadan istehsal miqyasına xətti olaraq çatdırır - onları bu cür hidrojel sistemlərini real dünya terapevtik və diaqnostik tətbiqlərə çevirmək üçün ideal hala gətirir.

Dizayn, İstehsalat və Konsaltinq – Keyfiyyətli Almaniya istehsalı

Hielscher ultrasəs cihazları ən yüksək keyfiyyət və dizayn standartları ilə tanınır. Sağlamlıq və asan əməliyyat ultrasəs aparatlarımızın sənaye obyektlərinə rahat inteqrasiyasına imkan verir. Kobud şərtlər və tələbkar mühitlər Hielscher ultrasəs cihazları tərəfindən asanlıqla idarə olunur.

Hielscher Ultrasonics, ISO sertifikatlı bir şirkətdir və ən müasir texnologiya və istifadəçi dostu olan yüksək performanslı ultrasəs cihazlarına xüsusi diqqət yetirir. Əlbəttə ki, Hielscher ultrasəs cihazları CE-yə uyğundur və UL, CSA və RoHs tələblərinə cavab verir.

Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal qabiliyyətinin göstəricisini verir: