Ултразвукова полимеризация на хидрогелове: протокол и мащабиране

Индуцираната от ултразвук полимеризация предлага подход без радикали и без инициатори за синтезиране на хидрогелове от водоразтворими винилови мономери и макромономери. Тази методология използва сонохимичното генериране на радикали чрез кавитация и е идеално подходяща за биомедицински приложения, при които трябва да се избягват остатъци от инициатори.

Хидрогеловете са триизмерни, хидрофилни полимерни мрежи, способни да задържат значителни количества вода, като същевременно запазват структурната си цялост – свойство, произтичащо от омрежените полимерни вериги. Техните физикохимични свойства – поведение при набъбване, механична якост и биосъвместимост – ги правят изключително привлекателни за биомедицински приложения, включително доставяне на лекарства, тъканно инженерство и заздравяване на рани.

Предимството на ултразвуковата полимеризация на хидрогелове

Традиционно синтезът на хидрогелове се основава на термично, фотохимично или химично омрежване; ултразвуковият синтез на хидрогелове обаче набира значителна популярност, тъй като методът на ултразвукова обработка предлага прост, регулируем и по-екологичен подход без реагенти. Ултразвуковият синтез на хидрогелове използва акустична кавитация, за да подпомогне полимеризацията и физичното или химичното омрежване без необходимост от външни инициатори. Трябва да се отбележи, че ултразвуковата обработка може също да улесни диспергирането на наночастици in situ или да инициира радикални реакции във водни среди, което я прави универсален инструмент за създаване на многофункционални или нанокомпозитни хидрогелове при меки условия.

Видеоклипът по-горе демонстрира ултразвуковия синтез на хидрогел с помощта на ултразвуковия апарат UP50H и нискомолекулен гелообразувател. Резултатът е самовъзстановяващ се супрамолекулен хидрогел. (Изследване и видео: Rutgeerts et al., 2019)
 

Биосъвместими хидрогелове чрез ултразвукова обработка

В стремежа към биосъвместими хидрогелове, които могат да се образуват чисто, безопасно и при необходимост, традиционните стратегии за полимеризация често се оказват недостатъчни. Работата на Cass и колегите му представя ефективно решение на този проблем: чист метод без инициатори за синтез на хидрогелове с нискочестотен ултразвук.

Тяхното изследване разглежда сонохимичната полимеризация на различни водоразтворими мономери, но една рецептура се откроява като особено ефективна и надеждна: 5% разтвор на декстран метакрилат (Dex-MA) в 70% глицерол–вода, полимеризиран под въздействието на ултразвук с умерен интензитет от 56 W/cm². Забележително е, че тази система дава напълно формиран хидрогел само за 6,5 минути, постигайки степен на превръщане на мономера в полимер от 72% – най-високата сред всички изпитани рецептури.

Акустична кавитация: Принципът на действие на този метод се основава на явление, което е колкото мощно, толкова и краткотрайно: акустичната кавитация. При въздействие на мощен ултразвук в течната среда се образуват микроскопични мехурчета, които колапсират бурно, генерирайки локализирани горещи зони, в които температурите могат за кратко да надхвърлят 5000 келвина. Тези условия предизвикват хомолитично разкъсване на молекулите на разтворителя, при което се образуват множество реактивни радикали. За разлика от конвенционалната полимеризация, която зависи от външни инициатори или топлина, ултразвукът осигурява както енергията, така и радикалите, необходими за иницииране на полимеризацията – без температурата в обема на средата да надхвърля физиологично значимите стойности.

Съразтворител: Изборът на глицерол като съразтворител не е случаен. Освен че увеличава вискозитета на разтвора – критичен фактор за усилване на интензитета на кавитацията – самият глицерол действа като допълнителен донор на радикали. Известно е, че неговите хидроксилни групи образуват относително стабилни вторични радикали, като по този начин удължават времето на живот на радикалите и подпомагат растежа на веригите. Освен това вискозната, богата на глицерол среда спомага за задържането на новообразуваните полимерни вериги, намалявайки тяхната разтворимост и предпазвайки ги от ултразвукова деструкция, която може да възникне в по-разредени водни системи.

Ултразвукова полимеризация: За да характеризират хода на полимеризацията, изследователите използват инфрачервена спектроскопия, като проследяват намаляването на виниловите групи в Dex-MA с течение на времето. Характерната абсорбция при 1635 cm⁻¹ – показателна за двойни връзки C=C – намалява бързо по време на ултразвуковата обработка, докато ивицата на валентните трептения на естерната карбонилна група при 1730 cm⁻¹ остава постоянна и служи като вътрешен еталон. Тези данни потвърждават не само бързото превръщане на виниловите групи, но и висока степен на омрежване, за което свидетелстват ниските степени на набъбване и здравите гелни структури.

Анализ: Сканиращата електронна микроскопия допълнително разкрива развитието на микроструктурата на гела. В ранните етапи мрежата се характеризира с големи, отворени пори, но при продължаване на ултразвуковата обработка те се запълват с по-плътна вторична структура. Към 15-ата минута хидрогелът показва хомогенно омрежена морфология с тясно свързани помежду си пори – отличителен белег на добре формираните биомедицински гелове.

Резултат: При сравнение с хидрогелове, получени с термични свободнорадикални инициатори, разликите са поразителни. Въпреки че по термичен път могат да се постигнат сходни степени на превръщане, получените мрежи са по-порести, по-нееднородни и показват по-високи степени на набъбване – признаци на по-рехава омрежена структура. Освен това термичният процес изисква продухване с азот, химични добавки и по-високи температури, докато ултразвуковият подход работи при температура на околната среда от само 37°C.

Може би най-интригуващият аспект на тази работа е наблюдението, че полимеризацията може да продължи дори след спиране на ултразвука. Гелът продължава да се втвърдява и да увеличава якостта си в продължение на 30 минути след прекратяване на ултразвуковата обработка. Това предполага, че дългоживеещи радикални частици или междинни структури, образувани по време на ултразвуковата обработка, могат да продължат растежа на полимерните вериги без допълнително подаване на енергия – поведение с потенциално полезни последици за приложения in vivo.

Научете повече за предимствата на ултразвуковото производство на хидрогелове!

Протокол: ултразвуков синтез на хидрогел от декстран метакрилат (Dex-MA) с ултразвуков апарат

За синтезиране на ковалентно омрежен хидрогел от Dex-MA в разтвор на глицерол/вода се предава високоинтензивен, нискочестотен ултразвук. Температурата и плътността на ултразвуковата енергия се контролират прецизно.
По-долу ви предоставяме инструкции за ултразвуков синтез на хидрогел в лабораторен мащаб, който може да бъде линейно мащабиран до големи количества.

Оборудване и материали

Оборудване

• Ултразвуков процесор Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• Сонотрод S26d2 (диаметър на върха: 2 mm; препоръчва се за малки обеми)
• Реакционен съд с риза (50 mL), съвместим с магнитна бъркалка
• Циркулационна водна баня (с термостатично регулиране при 37°C)
• Температурна сонда PT100 (включена в комплекта на доставката на UP200Ht)
• Магнитна бъркалка
• Аналитична везна (±0,1 mg)
• Вакуумна сушилня или лиофилизатор

Химикали

• Декстран метакрилат (Dex-MA), ~20% степен на метакрилиране
• Глицерол, ≥99,5% (безводен)
• Дейонизирана вода

Всички реагенти трябва да са с аналитична чистота. Избягвайте среди, богати на кислород; дегазирайте разтворителите, ако е възможно.

Процедура стъпка по стъпка: ултразвукова полимеризация на хидрогелове

1. Приготвяне на полимеризационната смес
   • Претеглете 0,75 g Dex-MA в реакционен съд с риза с обем 50 mL.
   • Добавете 10,5 g глицерол и 3,75 g дейонизирана вода.
   • Разбърквайте сместа с магнитна бъркалка при стайна температура (~22 °C) в продължение на 5–10 минути, за да разтворите напълно Dex-MA. Трябва да се получи леко вискозен, хомогенен разтвор.
   • Загрейте предварително водната баня до 37 °C и я свържете към съда с риза, за да поддържате постоянна температура.
2. Подготовка на ултразвуковия апарат
   • Монтирайте сонотрода S26d2 към UP200Ht и осигурете здраво съединяване.
   • Потопете върха на сонотрода в реакционната смес. Избягвайте допир до стените или дъното на съда.
   • Поставете температурната сонда в разтвора близо до сонотрода, но без пряк контакт с него. Това ви позволява да използвате вградения температурен контрол на ултразвуковия апарат.
   • Задайте амплитудата на 100%.
3. Ултразвукова полимеризация
   • Започнете разбъркване при 100–200 rpm, за да поддържате леко хомогенизиране.
   • Започнете ултразвуковата обработка при подходящата настройка на амплитудата, за да осигурите ~56 W/cm² в продължение на 6,5 минути.
   • Поддържайте температурата на разтвора при 37°C през цялото време. Ако сместа започне да се нагрява, увеличете дебита на охлаждащата течност или добавете лед към водната баня.
   • Гелообразуването обикновено започва в рамките на 5–6 минути. Вискозитетът ще нарасне рязко.
   • Ако гелообразуването настъпи преди 6,5 min, спрете ултразвуковата обработка, за да избегнете прекомерно омрежване или деструкция.
4. Последваща обработка и пречистване
   • Незабавно прехвърлете гела в 200 mL дейонизирана вода при интензивно разбъркване, за да извлечете нереагиралия мономер и глицерола.
   • Разбърквайте в продължение на 30 минути, след което декантирайте надстоящата течност или филтрирайте.
   • Повторете промиването още 3 пъти, като използвате топла вода (~60 °C) за подобряване на дифузията.
   • Изсушете гела под вакуум при 60°C в продължение на 8 часа или го лиофилизирайте, за да получите порести структури.

 
Резултатът: биосъвместим хидрогел
Трябва да получите прозрачен, здрав хидрогел с висока степен на превръщане (~70–75%), отлично омрежване и минимално количество остатъчен мономер. Хидрогелът ще устоява на разтваряне във вода и ще показва еднородна структура след изсушаване.

 
Бележки за оптимален контрол на процеса

Мащабиране: линейно и лесно чрез ултразвукова обработка

В област, която все повече изисква прецизност, чистота и възможност за мащабиране, този ултразвуков метод предлага убедителна алтернатива. Той може да се контролира пространствено, да се настройва в реално време и е съвместим с непрекъсната обработка чрез съвременни ултразвукови системи за поточни линии.
Ултразвуковите апарати на Hielscher Ultrasonics осигуряват точни амплитуди и се мащабират линейно от лабораторен до производствен мащаб – което ги прави идеални за внедряване на такива хидрогелни системи в реални терапевтични и диагностични приложения.

Проектиране, производство и консултиране – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни с най-високото си качество и стандарти за проектиране. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Ултразвуковите апарати Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни среди.

Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови апарати с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати Hielscher са в съответствие с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати: