Hidrogellərin ultrasəslə polimerləşməsi: protokol və miqyasın artırılması

Ultrasəsin induksiya etdiyi polimerləşmə suda həll olan vinil monomerlərindən və makromonomerlərdən hidrogellərin sintezi üçün radikalsız və inisiatorsuz yanaşma təklif edir. Bu metodologiya kavitasiya vasitəsilə radikalların sonokimyəvi yaranmasından istifadə edir və inisiator qalıqlarından qaçınmaq tələb olunan biotibbi tətbiqlər üçün ideal dərəcədə uyğundur.

Hidrogellər struktur bütövlüyünü qoruyaraq əhəmiyyətli miqdarda su saxlaya bilən üçölçülü, hidrofil polimer şəbəkələridir – bu xüsusiyyət eninə əlaqələnmiş polimer zəncirlərindən qaynaqlanır. Onların fiziki-kimyəvi xüsusiyyətləri – şişmə davranışı, mexaniki möhkəmlik və biouyğunluq – onları dərmanların çatdırılması, toxuma mühəndisliyi və yaraların sağalması daxil olmaqla biotibbi tətbiqlər üçün olduqca cəlbedici edir.

Hidrogellərin ultrasəslə polimerləşməsinin üstünlüyü

Ənənəvi olaraq hidrogel sintezi termik, fotokimyəvi və ya kimyəvi eninə əlaqələnməyə əsaslanır; lakin ultrasəslə emal üsulu sadə, reagentsiz, tənzimlənə bilən və daha ekoloji yanaşma təklif etdiyindən hidrogellərin ultrasəslə sintezi getdikcə daha çox yayılır. Hidrogellərin ultrasəslə sintezi xarici inisiatorlara ehtiyac olmadan polimerləşməni və fiziki və ya kimyəvi eninə əlaqələnməni təşviq etmək üçün akustik kavitasiyadan istifadə edir. Xüsusilə, ultrasəslə emal həmçinin nanohissəciklərin in situ dispersiyasını asanlaşdıra və ya sulu mühitlərdə radikal reaksiyalarını başlada bilər; bu da onu mülayim şəraitdə çoxfunksiyalı və ya nanokompozit hidrogellərin hazırlanması üçün çoxşaxəli vasitəyə çevirir.

Yuxarıdakı video hidrogelin ultrasəslə sintezini nümayiş etdirir; UP50H sonikatorundan və aşağı molekulyar kütləli geləmələgətiricidən istifadə edilir. Nəticədə özünü bərpa edən supramolekulyar hidrogel alınır. (Tədqiqat və video: Rutgeerts et al., 2019)
 

Ultrasəslə emal vasitəsilə biouyğun hidrogellər

Təmiz, təhlükəsiz şəkildə və tələb olunan anda əmələ gətirilə bilən biouyğun hidrogellərin əldə edilməsində ənənəvi polimerləşmə strategiyaları çox vaxt yetərsiz qalır. Cass və həmkarlarının işi bu problemə effektiv həll təqdim edir: aşağı tezlikli ultrasəsdən istifadə etməklə hidrogel sintezi üçün təmiz, inisiatorsuz üsul.

Onların tədqiqatında müxtəlif suda həll olan monomerlərin sonokimyəvi polimerləşməsi araşdırılır, lakin bir formulasiya xüsusilə səmərəli və etibarlı olması ilə seçilmişdir: 70% qliserin–su mühitində 5% dekstran metakrilat (Dex-MA) məhlulu, 56 W/cm² orta intensivlikli ultrasəs təsiri altında polimerləşdirilmişdir. Diqqətəlayiq haldır ki, bu sistem cəmi 6,5 dəqiqəyə tam formalaşmış hidrogel vermiş və monomerin polimerə çevrilmə dərəcəsi 72% olmuşdur – bu, sınaqdan keçirilmiş bütün formulasiyalar arasında ən yüksək göstəricidir.

Akustik kavitasiya: Bu üsulun iş prinsipi güclü olduğu qədər də qısamüddətli bir hadisəyə əsaslanır: akustik kavitasiya. Güclü ultrasəsin təsirinə məruz qaldıqda maye mühitdə mikroskopik qabarcıqlar yaranır və şiddətlə çökür; nəticədə temperaturun qısa müddətə 5000 Kelvin-dən yuxarı qalxa bildiyi lokal qaynar nöqtələr əmələ gəlir. Bu şərait həlledici molekullarının homolitik parçalanmasına səbəb olur və birdən-birə çoxlu reaktiv radikal yaradır. Xarici inisiatorlardan və ya istilikdən asılı olan ənənəvi polimerləşmədən fərqli olaraq, ultrasəs polimerləşməni başlatmaq üçün lazım olan həm enerjini, həm də radikalları təmin edir – mühitin ümumi temperaturunu fizioloji baxımdan uyğun hədlərdən yuxarı qaldırmadan.

Birgə həlledici: Qliserinin birgə həlledici kimi seçilməsi təsadüfi deyildi. Məhlulun özlülüyünü artırmaqla yanaşı – bu, kavitasiya intensivliyinin artırılması üçün mühüm amildir – qliserinin özü də əlavə radikal donoru kimi çıxış edir. Onun hidroksil qruplarının nisbətən sabit ikincili radikallar əmələ gətirdiyi məlumdur; bu, radikalların yaşama müddətini artırır və zəncirlərin böyüməsini təşviq edir. Bundan əlavə, özlü, qliserinlə zəngin mühit yeni yaranan polimer zəncirlərini tutub saxlamağa kömək edir, onların həllolmasını azaldır və onları daha duru sulu sistemlərdə baş verə bilən ultrasəs deqradasiyasından qoruyur.

Ultrasəslə polimerləşmə: Polimerləşmənin gedişini xarakterizə etmək üçün tədqiqatçılar infraqırmızı spektroskopiyadan istifadə edərək Dex-MA üzərindəki vinil qruplarının zamanla azalmasını izləmişlər. 1635 cm⁻¹-də xarakterik udulma – C=C ikiqat rabitələrinin göstəricisi – ultrasəslə emal zamanı sürətlə azalmış, 1730 cm⁻¹-də efir karbonil qrupunun valent rəqsi isə sabit qalaraq daxili istinad kimi xidmət etmişdir. Bu məlumatlar yalnız vinil qruplarının sürətli çevrilməsini deyil, həm də aşağı şişmə nisbətləri və möhkəm gel strukturları ilə sübut olunan yüksək eninə əlaqələnmə dərəcəsini təsdiqləmişdir.

Təhlil: Skanedici elektron mikroskopiyası gelin mikrostrukturunun təkamülünü də üzə çıxarmışdır. İlkin mərhələlərdə şəbəkədə iri, açıq məsamələr olmuş, lakin ultrasəslə emal davam etdikcə bunlar daha sıx ikincili strukturla dolmuşdur. 15 dəqiqə tamam olduqda hidrogel bir-biri ilə sıx bağlı məsamələrə malik, bircins eninə əlaqələnmiş morfologiya nümayiş etdirmişdir – bu, yaxşı formalaşmış biotibbi gellərin səciyyəvi əlamətidir.

Nəticə: Termik sərbəst-radikal inisiatorları ilə istehsal olunan hidrogellərlə müqayisədə fərqlər nəzərəçarpan olmuşdur. Termik yolla oxşar çevrilmə dərəcələrinə nail olmaq mümkün olsa da, alınan şəbəkələr daha məsaməli, daha az bircins olmuş və daha yüksək şişmə nisbətləri göstərmişdir – bunlar daha seyrək eninə əlaqələnmə quruluşunun əlamətləridir. Üstəlik, termik proses azotla üfürmə, kimyəvi əlavələr və daha yüksək temperatur tələb etmiş, ultrasəs yanaşması isə cəmi 37°C ətraf mühit temperaturunda işləyərək nəticə vermişdir.

Bu işin bəlkə də ən maraqlı cəhəti ultrasəs dayandırıldıqdan sonra belə polimerləşmənin davam edə bilməsinin müşahidə olunmasıdır. Ultrasəslə emal dayandırıldıqdan sonrakı 30 dəqiqə ərzində gel bərkiməyə və möhkəmlənməyə davam etmişdir. Bu, ultrasəslə emal zamanı yaranan uzunömürlü radikal növlərinin və ya aralıq strukturların əlavə enerji verilmədən polimer zəncirlərini böyütməyə davam edə biləcəyini göstərir – bu davranışın in vivo tətbiqlər üçün potensial faydalı nəticələri ola bilər.

Hidrogellərin ultrasəslə istehsalının üstünlükləri haqqında daha çox məlumat əldə edin!

Protokol: sonikatordan istifadə etməklə dekstran metakrilat (Dex-MA) hidrogelinin ultrasəslə sintezi

Kovalent eninə əlaqələnmiş Dex-MA hidrogelini sintez etmək üçün yüksək intensivlikli, aşağı tezlikli ultrasəs enerjisi qliserin/su məhluluna ötürülür. Temperatur və ultrasəs enerjisinin sıxlığı dəqiq idarə olunur.
Aşağıda laboratoriya miqyasında hidrogelin ultrasəslə sintezi üçün təlimatlar verilir; bu prosesin miqyası böyük miqdarlar üçün xətti şəkildə artırıla bilər.

Avadanlıq və materiallar

Avadanlıq

• Hielscher UP200Ht ultrasəs prosessoru (200 W, 26 kHz)
• S26d2 sonotrodu (uc diametri: 2 mm; kiçik həcmli işlər üçün tövsiyə olunur)
• Maqnit qarışdırıcı ilə uyğun olan köynəkli reaksiya qabı (50 mL)
• Sirkulyasiyalı su hamamı (37°C-də termostatla idarə olunan)
• PT100 temperatur zondu (UP200Ht cihazının təchizat dəstinə daxildir)
• Maqnit qarışdırıcı
• Analitik tərəzi (±0,1 mg)
• Vakuum qurutma şkafı və ya liofilizator

Kimyəvi maddələr

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

Bütün reagentlər analitik təmizlik dərəcəsində olmalıdır. Oksigenlə zəngin mühitlərdən qaçının; mümkünsə, həllediciləri qazsızlaşdırın.

Addım-addım prosedur: hidrogellərin ultrasəslə polimerləşməsi

1. Polimerləşmə qarışığının hazırlanması
   • 0,75 g Dex-MA çəkərək 50 mL həcmli köynəkli reaksiya qabına yerləşdirin.
   • 10,5 g qliserin və 3,75 g deionlaşdırılmış su əlavə edin.
   • Dex-MA-nı tam həll etmək üçün qarışığı otaq temperaturunda (~22 °C) maqnit qarışdırıcı ilə 5–10 dəqiqə qarışdırın. Bir qədər özlü, bircins məhlul alınmalıdır.
   • Su hamamını əvvəlcədən 37 °C-yə qədər qızdırın və sabit temperaturu saxlamaq üçün onu köynəkli qaba qoşun.
2. Sonikatorun quraşdırılması
   • S26d2 sonotrodunu UP200Ht cihazına bərkidin və birləşmənin möhkəm olmasını təmin edin.
   • Sonotrodun ucunu reaksiya qarışığına batırın. Qabın divarlarına və ya dibinə toxunmasına yol verməyin.
   • Temperatur zondunu məhlulda sonotroda yaxın, lakin onunla birbaşa təmas etməyən yerdə yerləşdirin. Bu, sonikatorun inteqrasiya olunmuş temperatur idarəetməsindən istifadə etməyə imkan verir.
   • Amplitudanı 100%-ə təyin edin.
3. Ultrasəslə polimerləşmə
   • Yumşaq homogenləşdirməni saxlamaq üçün 100–200 rpm sürətlə qarışdırmağa başlayın.
   • 6,5 dəqiqə ərzində ~56 W/cm² təmin etmək üçün uyğun amplituda parametrində ultrasəslə emala başlayın.
   • Bütün proses boyunca məhlulun temperaturunu 37°C-də saxlayın. Qarışıq qızmağa başlayarsa, soyuducu mayenin axınını artırın və ya su hamamına buz əlavə edin.
   • Gelləşmə adətən 5–6 dəqiqə ərzində başlayır. Özlülük kəskin artacaq.
   • Gelləşmə 6,5 min tamam olmadan baş verərsə, həddindən artıq eninə əlaqələnmənin və ya deqradasiyanın qarşısını almaq üçün ultrasəslə emalı dayandırın.
4. Sonrakı emal və təmizləmə
   • Reaksiyaya girməmiş monomeri və qliserini yuyub çıxarmaq üçün geli dərhal intensiv qarışdırılan 200 mL deionlaşdırılmış suya köçürün.
   • 30 dəqiqə qarışdırın, sonra üst mayeni dekantasiya edin və ya süzün.
   • Diffuziyanı yaxşılaşdırmaq üçün ilıq sudan (~60 °C) istifadə edərək yumanı əlavə 3 dəfə təkrarlayın.
   • Geli vakuum altında 60°C-də 8 saat qurudun və ya məsaməli strukturlar əldə etmək üçün liofilizasiya edin.

 
Nəticə: biouyğun hidrogel
Yüksək çevrilmə dərəcəsinə (~70–75%), əla eninə əlaqələnməyə və minimal qalıq monomer miqdarına malik şəffaf, möhkəm hidrogel əldə etməlisiniz. Hidrogel suda həllolmaya davamlı olacaq və qurudulduqda bircins struktur nümayiş etdirəcək.

 
Optimal proses idarəetməsi üçün qeydlər

Miqyasın artırılması: ultrasəslə emal ilə xətti və sadə

Dəqiqliyə, təmizliyə və miqyasın artırıla bilməsinə tələbatın getdikcə artdığı bir sahədə bu ultrasəs üsulu cəlbedici alternativ təklif edir. Onu məkan üzrə idarə etmək, real vaxtda tənzimləmək mümkündür və o, müasir ultrasəs axın xətti sistemlərindən istifadə etməklə fasiləsiz emalla uyğundur.
Hielscher Ultrasonics sonikatorları dəqiq amplitudalar təmin edir və laboratoriyadan istehsal miqyasına xətti şəkildə miqyaslandırılır – bu da onları belə hidrogel sistemlərinin real terapevtik və diaqnostik tətbiqlərə keçirilməsi üçün ideal edir.

Layihələndirmə, istehsal və məsləhət xidməti – Almaniya istehsalı keyfiyyət

Hielscher ultrasəs cihazları ən yüksək keyfiyyət və dizayn standartları ilə tanınır. Möhkəmlik və istifadənin asanlığı ultrasəs cihazlarımızın sənaye müəssisələrinə problemsiz inteqrasiyasına imkan verir. Hielscher ultrasəs cihazları sərt şəraitdə və yüksək tələblər qoyan mühitlərdə asanlıqla işləyir.

Hielscher Ultrasonics ISO sertifikatlı şirkətdir və ən müasir texnologiyaya və istifadə rahatlığına malik yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs cihazlarına xüsusi diqqət yetirir. Əlbəttə, Hielscher ultrasəs cihazları CE tələblərinə uyğundur və UL, CSA və RoHs tələblərinə cavab verir.

Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal gücü barədə məlumat verir: