Ултразвукова полимеризация на хидрогелове: протокол и мащабиране

Ултразвуково индуцираната полимеризация предлага безрадикален подход 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, където трябва да се избягват остатъци от инициатори.

Хидрогелите 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 - набъбване, механична якост и биосъвместимост - ги правят изключително привлекателни за биомедицински приложения, включително за доставка на лекарства, тъканно инженерство и заздравяване на рани.

Предимството на ултразвуковата хидрогелна полимеризация

Традиционно синтезът на хидрогел разчита на термично, фотохимично или химическо омрежване; Въпреки това, синтезът на ултразвуков хидрогел набира значителна популярност, тъй като методът на ултразвук предлага прост подход без реагенти, регулируем и по-екологичен подход. Ултразвуковият хидрогелен синтез използва акустична кавитация за насърчаване на полимеризацията и физическото или химическото омрежване без необходимост от външни инициатори. По-специално, ултразвукът може също така да улесни дисперсията на наночастици in situ или да инициира радикални реакции във водна среда, което го прави универсален инструмент за изработване на многофункционални или нанокомпозитни хидрогелове при меки условия.

Видеоклипът по-горе демонстрира ултразвуковия синтез на хидрогел използване на ултразвуков уред UP50H и гелатор с ниско молекулно тегло. Резултатът е самовъзстановяващ се супрамолекулярен хидрогел. (Проучване и филм: Rutgeerts et al., 2019)
 

Биосъвместими хидрогелове със Sonication

В търсенето на биосъвместими хидрогелове, които могат да се образуват чисто, безопасно и при поискване, традиционните стратегии за полимеризация често не достигат. Работата на Кас и колегите му представя ефективно решение на този проблем: чист метод за синтез на хидрогел без инициатор с помощта на нискочестотен ултразвук.

Тяхното проучване изследва сонохимичната полимеризация на различни водоразтворими мономери, но една формулировка се откроява като особено ефективна и устойчива: 5% разтвор на декстран-метакрилат (Dex-MA) в 70% глицерол-вода, полимеризиран под ултразвук с умерен интензитет от 56 W/cm². Забележително е, че тази система дава напълно оформен хидрогел само за 6,5 минути, постигайки 72% конверсия на мономера към полимера - най-високата сред всички тествани формулировки.

Акустична кавитация: Принципът на работа на този метод се основава на едно колкото мощно, толкова и преходно явление - акустичната кавитация. Когато се подложи на мощно ултразвуково въздействие, в течната среда се образуват микроскопични мехурчета, които се разрушават бурно и създават локални горещи точки, в които температурата за кратко може да надхвърли 5000 Келвина. Тези условия предизвикват хомолитично разцепване на молекулите на разтворителя, което води до избухване на реактивни радикали. За разлика от конвенционалната полимеризация, която зависи от външни инициатори или топлина, ултразвукът доставя както енергията, така и радикалите, необходими за започване на полимеризацията - без да се превишават физиологично значимите температури на обема.

Съразтворител: Изборът на глицерол като съразтворител не е случаен. Освен че увеличава вискозитета на разтвора - критичен фактор за повишаване на интензивността на кавитацията - глицеролът действа като радикален кодонор. Известно е, че неговите хидроксилни групи произвеждат относително стабилни вторични радикали, като по този начин увеличават времето на живот на радикалите и насърчават разпространението на веригите. Освен това вискозната среда, богата на глицерол, спомага за улавянето на зараждащите се полимерни вериги, като намалява тяхната разтворимост и ги предпазва от ултразвуково разграждане, което може да настъпи в по-разредени водни системи.

Ултразвукова полимеризация: За да характеризират хода на полимеризацията, изследователите използват инфрачервена спектроскопия, като проследяват изчерпването на виниловите групи върху Dex-MA с течение на времето. Характерната абсорбция при 1635 cm-¹ - показателна за двойните връзки C=C - бързо намалява по време на сонирането, докато карбонилният участък на естера при 1730 cm-¹ остава постоянен, служейки като вътрешен еталон. Тези данни потвърждават не само бързото превръщане на винила, но и високата степен на омрежване, както се вижда от ниските коефициенти на набъбване и здравите гелови структури.

Анализ: Сканиращата електронна микроскопия разкрива допълнително развитието на микроструктурата на гела. В ранните етапи мрежата се характеризира с големи, отворени пори, но при продължително сониране те се запълват с по-плътна вторична структура. До 15 минути хидрогелът показа хомогенно омрежена морфология с плътно свързани пори - отличителен белег на добре оформените биомедицински гелове.

Резултат: В сравнение с хидрогеловете, произведени с термични инициатори на свободни радикали, разликите са поразителни. Въпреки че термично могат да се постигнат сходни конверсии, получените мрежи са по-порести, по-малко еднородни и показват по-високи коефициенти на набъбване - признаци на по-хлабава архитектура на омрежване. Освен това термичният процес изискваше продухване с азот, химически добавки и по-високи температури, докато ултразвуковият подход функционираше 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 здравината си в продължение на 30 минути след прекратяване на звуковото въздействие. Това предполага, че устойчивите радикални видове или междинни структури, образувани по време на сонирането, могат да продължат да разпространяват полимерните вериги при липса на по-нататъшно въвеждане на енергия - поведение с потенциално полезни последици за приложенията in vivo.

Научете повече за предимствата на производството на ултразвуков хидрогел!

Протокол: Ултразвуков синтез на хидрогел от декстран метакрилат (Dex-MA) с помощта на соникатор

За да се синтезира ковалентно омрежен Dex-MA хидрогел, високоинтензивен, нискочестотен ултразвук се свързва в разтвор на глицерол/вода. Температурата и плътността на ултразвуковата енергия се контролират прецизно.
По-долу ви даваме инструкциите за синтеза на ултразвуков хидрогел в лабораторен мащаб, който може да бъде линейно увеличен до големи количества.

Оборудване и материали

Оборудване

• Ултразвуков процесор Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (диаметър на върха: 2 mm; препоръчва се за малки обеми)
• Реакционен съд с кожух (50 ml), съвместим с магнитна бъркалка
• Циркулационна водна баня (термостатно контролирана при 37°C)
• Температурна сонда PT100 (включена в обхвата на доставката на UP200Ht)
• Магнитна бъркалка
• Аналитична везна (±0,1 mg)
• Вакуумна фурна или лиофилизатор

Химикали

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

Всички реактиви трябва да са от аналитичен клас. Избягвайте богата на кислород среда; дегазирайте разтворителите, ако е възможно.

Процедура стъпка по стъпка: ултразвукова хидрогелна полимеризация

1. Приготвяне на полимеризационна смес
   • Претеглете 0,75 g Dex-MA в 50 ml реакционен съд с обвивка.
   • Добавете 10,5 г глицерол и 3,75 г дейонизирана вода.
   • Разбъркайте сместа магнитно при стайна температура (~22 °C) за 5-10 минути, за да се разтвори напълно Dex-MA. Трябва да се получи леко вискозен, хомогенен разтвор.
   • Загрейте водната баня до 37 °C и я свържете към съда с кожух, за да поддържате постоянна температура.
2. Настройка на Sonicator
   • Монтирайте S26d2 sonotrode към UP200Ht и осигурете здраво съединение.
   • Потопете върха на сонотрода в реакционната смес. Избягвайте да докосвате стените или дъното на съда.
   • Поставете температурната сонда в разтвора близо до сонотрода, но не в пряк контакт. Това ви позволява да използвате интегрирания контрол на температурата на ултразвука.
   • Задайте амплитуда на 100%.
3. ултразвукова полимеризация
   • Започнете да разбърквате при 100–200 оборота в минута, за да поддържате нежна хомогенизация.
   • Започнете ултразвука при подходящата амплитудна настройка, за да осигурите ~56 W/cm² за 6,5 минути.
   • Поддържайте температурата на разтвора на 37°C през цялото време. Ако сместа започне да се нагрява, увеличете потока на охлаждащата течност или добавете лед към водната баня.
   • Желирането обикновено започва в рамките на 5-6 минути. Вискозитетът рязко ще се увеличи.
   • Ако желирането настъпи преди 6,5 минути, спрете ултразвука, за да избегнете прекомерно омрежване или разграждане.
4. Последваща обработка и пречистване
   • Незабавно прехвърлете гела в 200 ml дейонизирана вода при енергично разбъркване, за да се отделят нереагиралите мономери и глицерол.
   • Разбъркайте 30 минути, след това декантирайте супернатанта или филтрирайте.
   • Повторете измиването още 3 пъти с топла вода (~60 °C) за подобрена дифузия.
   • Изсушете гела под вакуум при 60°C за 8 часа или лиофилизирайте за порести структури.

 
Резултатът: биосъвместим хидрогел
Трябва да получите прозрачен, здрав хидрогел с високо преобразуване (~70–75%), отлично омрежване и минимален остатъчен мономер. Хидрогелът ще устои на разтваряне във вода и ще покаже равномерна структура при изсъхване.

 
Бележки за оптимален контрол на процеса

Мащабирането: линейно и просто със звук

В област, която все повече изисква прецизност, чистота и мащабируемост, този ултразвуков метод предлага завладяваща алтернатива. Той е пространствено контролиран, регулируем в реално време и съвместим с непрекъсната обработка с помощта на модерни ултразвукови вградени системи.
Соникаторите на Hielscher Ultrasonics осигуряват точни амплитуди и се мащабират линейно от лабораторията до производствения мащаб, което ги прави идеални за превръщането на такива хидрогелни системи в реални терапевтични и диагностични приложения.

Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.

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

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