Ultrazvučna polimerizacija hidrogelova: protokol i povećanje razmjera

Polimerizacija izazvana ultrazvukom nudi pristup sintezi hidrogelova iz vodotopivih vinilnih monomera i makromonomera bez radikala i bez inicijatora. Ova metodologija koristi sonohemijsko stvaranje radikala putem kavitacije i idealno je prikladna za biomedicinske primjene u kojima se moraju izbjeći ostaci inicijatora.

Hidrogelovi su trodimenzionalne, hidrofilne polimerne mreže sposobne zadržati znatne količine vode uz očuvanje strukturnog integriteta – svojstvo koje proizlazi iz umreženih polimernih lanaca. Njihova fizikalno-hemijska svojstva – ponašanje pri bubrenju, mehanička čvrstoća i biokompatibilnost – čine ih vrlo privlačnim za biomedicinske primjene, uključujući isporuku lijekova, tkivno inženjerstvo i cijeljenje rana.

Prednost ultrazvučne polimerizacije hidrogelova

Tradicionalno se sinteza hidrogelova oslanja na toplinsko, fotohemijsko ili hemijsko umrežavanje; međutim, ultrazvučna sinteza hidrogelova sve više dobija na značaju jer metoda ultrazvučne obrade nudi jednostavan, podesiv i ekološki prihvatljiviji pristup bez reagenasa. Ultrazvučna sinteza hidrogelova koristi akustičnu kavitaciju za poticanje polimerizacije te fizikalnog ili hemijskog umrežavanja bez potrebe za vanjskim inicijatorima. Posebno je značajno da ultrazvučna obrada također može olakšati disperziju nanočestica in situ ili pokrenuti radikalske reakcije u vodenim medijima, što je čini svestranim alatom za izradu multifunkcionalnih ili nanokompozitnih hidrogelova u blagim uvjetima.

Gornji videoisječak prikazuje ultrazvučnu sintezu hidrogela pomoću sonikatora UP50H i gelatora male molekulske mase. Rezultat je supramolekularni hidrogel koji se sam obnavlja. (Studija i film: Rutgeerts et al., 2019)
 

Biokompatibilni hidrogelovi dobijeni ultrazvučnom obradom

U potrazi za biokompatibilnim hidrogelovima koji se mogu oblikovati čisto, sigurno i na zahtjev, tradicionalne strategije polimerizacije često ne zadovoljavaju. Rad Cassa i saradnika predstavlja djelotvorno rješenje tog problema: čistu metodu sinteze hidrogelova bez inicijatora primjenom niskofrekventnog ultrazvuka.

Njihova studija istražuje sonohemijsku polimerizaciju različitih vodotopivih monomera, ali se jedna formulacija isticala kao posebno učinkovita i robusna: otopina 5% dekstran-metakrilata (Dex-MA) u mješavini glicerola i vode s 70% glicerola, polimerizirana ultrazvukom umjerenog intenziteta od 56 W/cm². Izuzetno je da je ovaj sistem već nakon svega 6,5 minuta dao potpuno oblikovan hidrogel, postigavši konverziju monomera u polimer od 72% – najvišu među svim ispitanim formulacijama.

Akustična kavitacija: Princip rada ove metode temelji se na pojavi jednako snažnoj koliko i prolaznoj: akustičnoj kavitaciji. Kada su izloženi snažnom ultrazvuku, mikroskopski mjehurići nastaju i silovito kolabiraju u tekućem mediju, stvarajući lokalizirane vruće tačke u kojima temperature mogu nakratko premašiti 5000 kelvina. Ti uvjeti izazivaju homolitičko cijepanje molekula otapala, pri čemu nastaje nagli val reaktivnih radikala. Za razliku od konvencionalne polimerizacije, koja ovisi o vanjskim inicijatorima ili toplini, ultrazvuk isporučuje i energiju i radikale potrebne za pokretanje polimerizacije – bez prekoračenja fiziološki relevantnih temperatura u masi.

Kootapalo: Odabir glicerola kao kootapala nije bio slučajan. Osim što povećava viskoznost otopine – ključni faktor za pojačanje intenziteta kavitacije – sam glicerol djeluje kao ko-donor radikala. Poznato je da njegove hidroksilne skupine stvaraju relativno stabilne sekundarne radikale, čime produžuju vijek trajanja radikala i potiču rast lanca. Osim toga, viskozno okruženje bogato glicerolom pomaže zarobiti polimerne lance u nastanku, smanjujući njihovu topljivost i štiteći ih od ultrazvučne razgradnje, koja se može javiti u razrijeđenijim vodenim sistemima.

Ultrazvučna polimerizacija: Kako bi okarakterizirali napredovanje polimerizacije, istraživači su koristili infracrvenu spektroskopiju, prateći smanjenje vinilnih skupina na Dex-MA tokom vremena. Karakteristična apsorpcija na 1635 cm⁻¹ – pokazatelj dvostrukih veza C=C – brzo se smanjivala tokom ultrazvučne obrade, dok je istezanje esterske karbonilne skupine na 1730 cm⁻¹ ostalo konstantno i služilo kao unutrašnja referenca. Ovi podaci potvrdili su ne samo brzu konverziju vinilnih skupina nego i visok stepen umreženosti, o čemu svjedoče niski omjeri bubrenja i robusne strukture gela.

Analiza: Skenirajuća elektronska mikroskopija dodatno je otkrila razvoj mikrostrukture gela. U ranim fazama mreža je imala velike, otvorene pore, ali su se uz nastavak ultrazvučne obrade one ispunile gušćom sekundarnom strukturom. Nakon 15 minuta hidrogel je pokazivao homogeno umreženu morfologiju s čvrsto međusobno povezanim porama – obilježje dobro oblikovanih biomedicinskih gelova.

Rezultat: U poređenju s hidrogelovima proizvedenim pomoću toplinskih slobodnoradikalskih inicijatora, razlike su bile upadljive. Iako su se slične konverzije mogle postići toplinski, nastale mreže bile su poroznije, manje uniformne i pokazivale su veće omjere bubrenja – znakove rahlije arhitekture umrežavanja. Štaviše, toplinski proces zahtijevao je propuhivanje dušikom, hemijske aditive i više temperature, dok je ultrazvučni pristup funkcionirao na temperaturi okoline od svega 37°C.

Možda najzanimljiviji aspekt ovog rada jeste zapažanje da se polimerizacija može nastaviti čak i nakon prestanka djelovanja ultrazvuka. Gel je nastavio otvrdnjavati i jačati tokom 30 minuta nakon prestanka ultrazvučne obrade. To upućuje na to da postojane radikalske vrste ili intermedijarne strukture nastale tokom ultrazvučne obrade mogu nastaviti rast polimernih lanaca i bez daljnjeg unosa energije – ponašanje s potencijalno korisnim implikacijama za primjene in vivo.

Saznajte više o prednostima ultrazvučne proizvodnje hidrogelova!

Protokol: ultrazvučna sinteza hidrogela dekstran-metakrilata (Dex-MA) pomoću sonikatora

Za sintezu kovalentno umreženog Dex-MA hidrogela, ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije unosi se u otopinu glicerola i vode. Temperatura i gustoća ultrazvučne energije precizno se kontroliraju.
U nastavku dajemo upute za ultrazvučnu sintezu hidrogelova u laboratorijskom mjerilu, koja se može linearno povećati na velike količine.

Oprema i materijali

Oprema

• Hielscher ultrazvučni procesor UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• Sonotroda S26d2 (promjer vrha: 2 mm; preporučuje se za male volumene)
• Reakcijska posuda s plaštom (50 mL), kompatibilna s magnetnom miješalicom
• Cirkulacijska vodena kupelj (termostatski regulirana na 37°C)
• Temperaturna sonda PT100 (uključena u obim isporuke uređaja UP200Ht)
• Magnetna miješalica
• Analitička vaga (±0,1 mg)
• Vakuumska peć ili liofilizator

Hemikalije

• Dekstran-metakrilat (Dex-MA), ~20% metakrilacije
• Glicerol, ≥99,5% (bezvodni)
• Deionizirana voda

Svi reagensi trebaju biti analitičke čistoće. Izbjegavajte okruženja bogata kisikom; po mogućnosti uklonite plinove iz otapala.

Postupak korak po korak: ultrazvučna polimerizacija hidrogela

1. Priprema polimerizacijske smjese
   • Izvažite 0,75 g Dex-MA u reakcijsku posudu s plaštom od 50 mL.
   • Dodajte 10,5 g glicerola i 3,75 g deionizirane vode.
   • Smjesu miješajte magnetno na sobnoj temperaturi (~22 °C) 5–10 minuta kako biste potpuno otopili Dex-MA. Rezultat bi trebala biti blago viskozna, homogena otopina.
   • Prethodno zagrijte vodenu kupelj na 37 °C i povežite je s posudom s plaštom radi održavanja konstantne temperature.
2. Postavljanje sonikatora
   • Montirajte sonotrodu S26d2 na UP200Ht i osigurajte čvrst spoj.
   • Uronite vrh sonotrode u reakcijsku smjesu. Izbjegavajte dodir sa zidovima ili dnom posude.
   • Postavite temperaturnu sondu u otopinu blizu sonotrode, ali bez izravnog kontakta. Tako možete koristiti integriranu kontrolu temperature sonikatora.
   • Podesite amplitudu na 100%.
3. Ultrazvučna polimerizacija
   • Počnite miješati brzinom od 100–200 o/min kako biste održali blagu homogenizaciju.
   • Započnite ultrazvučnu obradu uz odgovarajuću postavku amplitude kako biste isporučili ~56 W/cm² tokom 6,5 minuta.
   • Održavajte temperaturu otopine na 37°C tokom cijelog postupka. Ako se smjesa počne zagrijavati, povećajte protok rashladnog sredstva ili dodajte led u vodenu kupelj.
   • Geliranje obično počinje u roku od 5–6 minuta. Viskoznost će naglo porasti.
   • Ako do geliranja dođe prije 6,5 min, zaustavite ultrazvučnu obradu kako biste izbjegli prekomjerno umrežavanje ili razgradnju.
4. Naknadna obrada i pročišćavanje
   • Odmah prenesite gel u 200 mL deionizirane vode uz snažno miješanje kako biste isprali nereagirali monomer i glicerol.
   • Miješajte 30 minuta, zatim dekantirajte supernatant ili filtrirajte.
   • Ponovite ispiranje još 3 puta toplom vodom (~60 °C) radi bolje difuzije.
   • Osušite gel pod vakuumom na 60°C tokom 8 sati ili ga liofilizirajte radi dobijanja poroznih struktura.

 
Rezultat: biokompatibilni hidrogel
Trebali biste dobiti prozirni, robusni hidrogel s visokom konverzijom (~70–75%), odličnim umrežavanjem i minimalnim zaostalim monomerom. Hidrogel će se opirati otapanju u vodi i pokazivati uniformnu strukturu nakon sušenja.

Napomene za optimalnu kontrolu procesa

Povećanje razmjera: linearno i jednostavno uz ultrazvučnu obradu

U oblasti koja sve više zahtijeva preciznost, čistoću i skalabilnost, ova ultrazvučna metoda nudi uvjerljivu alternativu. Prostorno je kontrolirana, podesiva u stvarnom vremenu i kompatibilna s kontinuiranom obradom pomoću modernih ultrazvučnih inline sistema.
Sonikatori kompanije Hielscher Ultrasonics isporučuju tačne amplitude i linearno se skaliraju od laboratorijskog do proizvodnog mjerila – zbog čega su idealni za prenošenje takvih hidrogelnih sistema u stvarne terapijske i dijagnostičke primjene.

Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvalitet proizveden u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišem kvalitetu i standardima dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućavaju neometanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana kompanija i posebnu pažnju posvećuje visokoučinkovitim ultrazvučnim uređajima s najsavremenijom tehnologijom i jednostavnošću korištenja. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji su usklađeni s CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Tabela u nastavku daje orijentacijski prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: