Ултразвуков синтез на молекулярно отпечатани полимери (MIPs)

Молекулярно отпечатаните полимери (MIPs) са изкуствено проектирани рецептори с предварително определена селективност и специфичност към дадена структура на биологична или химична молекула. Ултразвуковата обработка може да подобри различни пътища за синтез на молекулярно отпечатани полимери, като направи полимеризацията по-ефективна и надеждна.

Какво представляват молекулярно отпечатаните полимери?

Молекулярно отпечатаният полимер (MIP) е полимерен материал с характеристики на разпознаване, подобни на тези на антителата, получен чрез техниката на молекулярно отпечатване. Техниката на молекулярно отпечатване създава молекулярно отпечатан полимер за конкретна целева молекула. Молекулярно отпечатаният полимер има кухини в полимерната си матрица с афинитет към конкретната „шаблонна“ молекула. Процесът обикновено включва иницииране на полимеризацията на мономери в присъствието на шаблонна молекула, която впоследствие се екстрахира, оставяйки комплементарни кухини. Тези полимери имат афинитет към първоначалната молекула и се използват в приложения като химично разделяне, катализа или молекулярни сензори. Молекулярно отпечатаните молекули могат да бъдат сравнени с молекулярна ключалка, на която съответства молекулярен ключ (т.нар. шаблонна молекула). Молекулярно отпечатаните полимери (MIPs) се характеризират със специално създадени места за свързване, които съответстват на шаблонните молекули по форма, размер и функционални групи. Характеристиката „ключалка – ключ“ позволява използването на молекулярно отпечатани полимери за различни приложения, при които определен тип молекула се разпознава и свързва с молекулярната ключалка, т.е. с молекулярно отпечатания полимер.

Схематичната илюстрация показва пътя на молекулярно отпечатване на циклодекстрини за получаване на специално създадени рецептори.
Изследване и изображение: Hishiya et al. 2003

Молекулярно отпечатаните полимери (MIPs) имат широко поле на приложение и се използват за разделяне и пречистване на определени биологични или химични молекули, включително аминокиселини и протеини, нуклеотидни производни, замърсители, както и лекарства и храни. Областите на приложение обхващат разделяне и пречистване, химични сензори, каталитични реакции, доставяне на лекарства, биологични антитела и рецепторни системи. (вж. Vasapollo et al. 2011)
Например технологията MIP се използва като техника за твърдофазна микроекстракция за обработване и пречистване на молекули, получени от канабис, като CBD или THC, от пълноспектърния екстракт, за да се получат канабиноидни изолати и дестилати.

Ултразвуков синтез на молекулярно отпечатани молекули

В зависимост от типа на целевата (шаблонната) молекула и крайното приложение на MIP, MIPs могат да бъдат синтезирани в различни форми, като сферични частици с нано- и микрометрови размери, нанопроводници, нанопръчки, нановлакна или тънки филми. За получаване на определена форма на MIP могат да се прилагат различни техники на полимеризация, като отпечатване в обем, преципитация, емулсионна полимеризация, суспензия, дисперсия, гелообразуване и многоетапна полимеризация с набъбване.
Прилагането на нискочестотен ултразвук с висок интензитет предлага високоефективна, универсална и проста техника за синтез на полимерни наноструктури.
Ултразвуковата обработка осигурява няколко предимства при синтеза на MIP в сравнение с традиционните процеси на полимеризация, тъй като способства за по-високи скорости на реакцията, по-хомогенен растеж на полимерните вериги, по-високи добиви и по-меки условия (напр. ниска реакционна температура). Освен това тя може да промени разпределението на популацията от места за свързване и следователно морфологията на крайния полимер. (Svenson 2011)
Чрез прилагане на сонохимична енергия при полимеризацията на MIPs се инициират полимеризационни реакции и се оказва положително въздействие върху тях. Едновременно с това ултразвуковата обработка способства за ефективното дегазиране на полимерната смес, без да се намаляват капацитетът за свързване или твърдостта.
Ултразвуковото хомогенизиране, диспергиране и емулгиране осигуряват превъзходно смесване и разбъркване за образуване на хомогенни суспензии и за предоставяне на енергия за иницииране на полимеризационните процеси. Viveiros et al. (2019) изследват потенциала на ултразвуковия синтез на MIP и посочват, че „MIPs, получени чрез ултразвук, показват свойства на свързване, подобни на или по-добри от тези при конвенционалните методи“.
MIPs с наноразмери откриват обещаващи възможности за подобряване на хомогенността на местата за свързване. Ултразвуковата обработка е добре известна с изключителните си резултати при получаването на нанодисперсии и наноемулсии.

Ултразвукова наноемулсионна полимеризация

MIPs могат да бъдат синтезирани чрез емулсионна полимеризация. Емулсионната полимеризация обикновено се осъществява чрез образуване на емулсия от типа масло във вода с добавяне на повърхностноактивно вещество. За образуването на стабилна емулсия с наноразмери е необходима високопроизводителна техника за емулгиране. Ултразвуковото емулгиране е утвърдена техника за получаване на нано- и миниемулсии.
Прочетете повече за ултразвуковото наноемулгиране!

Ултразвукът може да подобри следните пътища на синтез за производство на nanoMIP: преципитационна полимеризация, емулсионна полимеризация и полимеризация от типа ядро–обвивка.
Изследване и изображение от: Refaat et al. 2019

Ултразвукова екстракция на шаблона

След синтеза на молекулярно отпечатаните полимери шаблонът трябва да бъде отстранен от мястото за свързване, за да се получи активен молекулярно отпечатан полимер. Интензивните смесващи сили при ултразвуковата обработка способстват за разтворимостта, дифузивността, проникването и преноса на молекулите на разтворителя и шаблона. По този начин шаблоните се отстраняват бързо от местата за свързване.
Ултразвуковата екстракция може също да се комбинира със Сокслетова екстракция за отстраняване на шаблона от отпечатания полимер.

Примери от изследвания: ултразвукови приложения за молекулярно отпечатани полимери

Ултразвуков синтез на молекулярно отпечатани полимери

Капсулирането на магнитни наночастици с полимери, отпечатани с 17β-estradiol, чрез ултразвуков път на синтез постига бързо отстраняване на 17β-estradiol от водни среди. За ултразвуковия синтез на nanoMIPs са използвани метакрилова киселина (MAA) като мономер, етиленгликол диметилакрилат (EGDMA) като омрежващ агент и азобисизобутиронитрил (AIBN) като инициатор. Процедурата за ултразвуков синтез е проведена в продължение на 2h при 65ºC. Средните диаметри на частиците на магнитните NIPs и магнитните MIPs са съответно 200 и 300 nm. Използването на ултразвук не само подобрява скоростта на полимеризация и морфологията на наночастиците, но и води до увеличаване на броя на свободните радикали и по този начин улеснява растежа на MIP около магнитните наночастици. Адсорбционният капацитет спрямо 17β-estradiol е сравним с този при традиционните подходи. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ултразвук за молекулярно отпечатани сензори

Yu et al. проектират молекулярно отпечатан електрохимичен сензор на базата на електроди, модифицирани с никелови наночастици, за определяне на фенобарбитал. Описаният електрохимичен сензор е разработен чрез термична полимеризация с използване на метакрилова киселина (MAA) като функционален мономер, 2,2-azobisisobutyronitrile (AIBN) и акрилат на етиленгликол малеинов розинат (EGMRA) като омрежващ агент, фенобарбитали (PBs) като шаблонна молекула и диметилсулфоксид (DMSO) като органичен разтворител. В процеса на изработване на сензора 0,0464g PB и 0,0688g MAA са смесени в 3 mL DMSO и обработени с ултразвук в продължение на 10 min. След 5 h към сместа са добавени 1,0244g EGMRA и 0,0074g AIBN и тя е обработена с ултразвук в продължение на 30 min за получаване на разтвори на полимер, отпечатан с PB. След това 10 μL от разтвор с концентрация 2,0 mg mL^-1 на наночастици Ni са накапани върху повърхността на GCE, след което сензорът е изсушен при стайна температура. След това приблизително 5 μL от приготвения разтвор на полимер, отпечатан с PB, са нанесени като покритие върху GCE, модифициран с наночастици Ni, и изсушени под вакуум при 75◦C в продължение на 6 h. След термичната полимеризация отпечатаният сензор е промит с (оцетна киселина) HAc/метанол (обемно съотношение 3:7) в продължение на 7 min за отстраняване на шаблонните молекули. (вж. Uygun et al. 2015)

Ултразвукова микроекстракция с използване на MIPs

За извличане на никотинамид като аналит от проби се прилага дисперсионна твърдофазна микроекстракция с помощта на ултразвук, последвана от измерване с UV-vis спектрофотометър (UA-DSPME-UV-vis). За екстракцията и предварителното концентриране на никотинамид (витамин B3) са използвани молекулярно отпечатани полимери на базата на металоорганичната структура (MOF) HKUST-1. (Asfaram et al. 2017)

Високопроизводителни ултразвукови устройства за полимерни приложения

От лабораторията до производството с линейна мащабируемост: Специално проектираните молекулярно отпечатани полимери първоначално се разработват и изпитват в малък лабораторен и настолен мащаб, за да се проучи осъществимостта на полимерния синтез. След като осъществимостта и оптимизирането на MIPs са постигнати, производството на MIP се мащабира към по-големи обеми. Всички ултразвукови пътища на синтез могат да бъдат линейно мащабирани от настолен мащаб до пълно промишлено производство. Hielscher Ultrasonics предлага сонохимично оборудване за синтез на полимери в малки лабораторни и настолни установки до изцяло промишлени ултразвукови системи за обработка в поток и производство 24/7 при пълно натоварване. Ултразвуковите процеси могат да бъдат линейно мащабирани от размера на епруветка до големи производствени капацитети, достигащи камионни товари на час. Обширната продуктова гама на Hielscher Ultrasonics, от лабораторни до промишлени сонохимични системи, включва най-подходящото ултразвуково устройство за предвидения от вас технологичен капацитет. Нашият персонал с дългогодишен опит ще ви съдейства от изпитванията за осъществимост и оптимизирането на процеса до инсталирането на вашата ултразвукова система в окончателния производствен мащаб.

Hielscher Ultrasonics – усъвършенствано сонохимично оборудване

Продуктовата гама на Hielscher Ultrasonics обхваща целия диапазон от високопроизводителни ултразвукови екстрактори за малък до голям мащаб. Допълнителните принадлежности позволяват лесното сглобяване на най-подходящата конфигурация на ултразвуковото устройство за вашия процес. Оптималната ултразвукова установка зависи от предвидения капацитет, обема, материала, партидния процес или процеса в поток и времевия график. Hielscher ви помага да изградите идеалния сонохимичен процес.

Партидна обработка и обработка в поток

Ултразвуковите устройства на Hielscher могат да се използват за партидна обработка и непрекъсната проточна обработка. Малки и средни обеми могат удобно да се обработват с ултразвук в партиден процес (напр. във флакони, епруветки, лабораторни чаши, резервоари или варели). За обработка на големи обеми ултразвуковата обработка в поток може да бъде по-ефективна. Докато партидната обработка изисква повече време и труд, непрекъснатият процес на смесване в поток е по-ефективен, по-бърз и изисква значително по-малко труд. Hielscher Ultrasonics разполага с най-подходящата екстракционна установка за вашата полимеризационна реакция и технологичен обем.

Ултразвукови сонди за всеки производствен капацитет

Продуктовата гама на Hielscher Ultrasonics обхваща целия спектър от ултразвукови процесори – от компактни лабораторни ултразвукови устройства през настолни и пилотни системи до изцяло промишлени ултразвукови процесори с капацитет за обработка на камионни товари на час. Пълната продуктова гама ни позволява да ви предложим най-подходящото ултразвуково оборудване за вашите полимери, технологичен капацитет и производствени цели.
Настолните ултразвукови системи са идеални за изпитвания за осъществимост и оптимизиране на процеса. Линейното увеличаване на мащаба въз основа на установени технологични параметри прави увеличаването на капацитета за обработка от по-малки партиди до пълно промишлено производство много лесно. Увеличаването на мащаба може да се извърши чрез инсталиране на по-мощен ултразвуков екстрактор или чрез обединяване на няколко ултразвукови устройства в паралелно работеща група. С UIP16000 Hielscher предлага най-мощното ултразвуково устройство в света.

Прецизно управляеми амплитуди за оптимални резултати

Всички ултразвукови устройства на Hielscher могат да се управляват прецизно и по този начин са надеждни работни средства в производството. Амплитудата е един от решаващите технологични параметри, които влияят върху ефективността и резултатността на сонохимичните реакции, включително полимеризационните реакции и пътищата на синтез.
Всички процесори на Hielscher Ultrasonics позволяват прецизно настройване на амплитудата. Сонотродите и усилващите рогове са принадлежности, които позволяват промяна на амплитудата в още по-широк диапазон. Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher могат да осигурят много високи амплитуди и необходимия ултразвуков интензитет за взискателни приложения. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа 24/7.
Прецизните настройки на амплитудата и постоянното наблюдение на параметрите на ултразвуковия процес чрез интелигентен софтуер ви дават възможност да синтезирате своите молекулярно отпечатани полимери при най-ефективните ултразвукови условия. Оптимална ултразвукова обработка за най-добри резултати от полимеризацията!
Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа 24/7 при тежък режим и в условия с високи изисквания. Това прави ултразвуковото оборудване на Hielscher надежден работен инструмент, който отговаря на изискванията на вашия сонохимичен процес.

Лесно изпитване без риск

Ултразвуковите процеси могат да бъдат мащабирани изцяло линейно. Това означава, че всеки резултат, който сте постигнали с лабораторно или настолно ултразвуково устройство, може да бъде мащабиран до точно същия резултат при използване на точно същите технологични параметри. Това прави ултразвуковата обработка идеална за изпитване на осъществимостта без риск, оптимизиране на процеса и последващо внедряване в промишлено производство. Свържете се с нас, за да научите как ултразвуковата обработка може да повиши добива и качеството на вашите MIP.

Най-високо качество – проектирани и произведени в Германия

Като семейно притежавано и управлявано предприятие Hielscher отдава приоритет на най-високите стандарти за качество на своите ултразвукови процесори. Всички ултразвукови устройства се проектират, произвеждат и изпитват щателно в нашата централа в Телтов, близо до Берлин, Германия. Здравината и надеждността на ултразвуковото оборудване на Hielscher го превръщат в надеждно работно средство във вашето производство. Работата 24/7 при пълно натоварване и в условия с високи изисквания е естествена характеристика на високопроизводителните смесители на Hielscher.

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

Можете да закупите ултразвуков процесор на Hielscher в различни размери и с конфигурация, точно съобразена с изискванията на вашия процес. От обработване на реагенти в малка лабораторна епруветка до непрекъснато проточно смесване на полимерни суспензии в промишлен мащаб, Hielscher Ultrasonics предлага подходящо ултразвуково устройство за вас! Моля, свържете се с нас – с удоволствие ще ви препоръчаме идеалната ултразвукова установка!