Ultrazvučna polimerizacija hidrogelova: protokol i povećanje

Polimerizacija izazvana ultrazvukom nudi pristup bez radikala, bez inicijatora za sintezu hidrogelova iz vodotopivih vinil monomera i makromonomera. Ova metodologija iskorištava sonohemijsko stvaranje radikala putem kavitacije i idealno je prikladna za biomedicinske primjene gdje se moraju izbjegavati ostaci inicijatora.

Hidrogelovi su trodimenzionalne, hidrofilne polimerne mreže sposobne da zadrže značajne količine vode uz održavanje strukturnog integriteta – atribut koji proizlazi iz umreženih polimernih lanaca. Njihove fizikalno-hemijske osobine - ponašanje oticanja, mehanička čvrstoća i biokompatibilnost - čine ih vrlo atraktivnim za biomedicinske primjene, uključujući isporuku lijekova, tkivni inženjering i zacjeljivanje rana.

Prednost ultrazvučne hidrogel polimerizacije

Tradicionalno, sinteza hidrogela se oslanja na termičko, fotohemijsko ili hemijsko umrežavanje; međutim, ultrazvučna sinteza hidrogela dobija značajnu snagu jer metoda sonikacije nudi jednostavan, podesiv i ekološki pristup bez reagensa. Ultrazvučna sinteza hidrogela koristi akustičnu kavitaciju za promicanje polimerizacije i fizičkog ili kemijskog umrežavanja bez potrebe za vanjskim inicijatorima. Posebno, ultrazvučna obrada također može olakšati in situ disperziju nanočestica ili pokrenuti radikalne reakcije u vodenom mediju, što ga čini raznovrsnim alatom za izradu multifunkcionalnih ili nanokompozitnih hidrogelova u blagim uvjetima.

Gornji video klip pokazuje ultrazvučnu sintezu hidrogela koristeći sonikator UP50H i gelator niske molekularne težine. Rezultat je samozacjeljujući supramolekularni hidrogel. (Studija i film: Rutgeerts et al., 2019.)
 

Biokompatibilni hidrogelovi sa sonikacijom

U potrazi za biokompatibilnim hidrogelovima koji se mogu formirati čisto, sigurno i na zahtjev, tradicionalne strategije polimerizacije često ne uspijevaju. Rad Cassa i kolega predstavlja efikasno rješenje za ovaj problem: čistu metodu bez inicijatora za sintezu hidrogela korištenjem ultrazvuka niske frekvencije.

Njihova studija istražuje sonohemijsku polimerizaciju različitih vodotopivih monomera, ali jedna formulacija se istaknula kao posebno efikasna i robusna: 5% rastvor dekstran metakrilata (Dex-MA) u 70% glicerol-vodi, polimeriziran ultrazvukom pri umjerenom intenzitetu od 56 W/cm². Zanimljivo je da je ovaj sistem dao potpuno formirani hidrogel za samo 6,5 minuta, postižući konverziju monomera u polimer od 72% – najvišu među svim testiranim formulacijama.

akustična kavitacija: Princip rada ove metode je zasnovan na fenomenu koji je moćan koliko i prolazan: akustična kavitacija. Kada su podvrgnuti ultrazvuku, mikroskopski mjehurići se formiraju i nasilno kolabiraju u tečnom mediju, stvarajući lokalizirane žarišta gdje temperature mogu nakratko premašiti 5000 Kelvina. Ovi uvjeti induciraju homolitičko cijepanje molekula rastvarača, proizvodeći eksploziju reaktivnih radikala. Za razliku od konvencionalne polimerizacije, koja ovisi o vanjskim inicijatorima ili toploti, ultrazvuk isporučuje i energiju i radikale potrebne za pokretanje polimerizacije – bez prekoračenja fiziološki relevantnih temperatura.

Ko-rastvarač: Izbor glicerola kao ko-rastvarača nije bio slučajan. Osim povećanja viskoznosti rastvora – kritičnog faktora za povećanje intenziteta kavitacije – sam glicerol djeluje kao radikalni ko-donor. Poznato je da njegove hidroksilne grupe proizvode relativno stabilne sekundarne radikale, čime se povećava životni vijek radikala i promovira lančano širenje. Osim toga, viskozno okruženje bogato glicerolom pomaže u hvatanju polimernih lanaca u nastajanju, smanjujući njihovu rastvorljivost i štiteći ih od ultrazvučne degradacije, koja se može javiti u razrijeđenijim vodenim sistemima.

Ultrazvučna polimerizacija: Da bi karakterizirali progresiju polimerizacije, istraživači su koristili infracrvenu spektroskopiju, prateći iscrpljivanje vinilnih grupa na Dex-MA tokom vremena. Karakteristična apsorpcija na 1635 cm⁻¹ – što ukazuje na C=C dvostruke veze – brzo se smanjila tokom sonikacije, dok je estersko karbonilno rastezanje na 1730 cm⁻¹ ostalo konstantno, služeći kao unutrašnja referenca. Ovi podaci su potvrdili ne samo brzu konverziju vinila, već i visok stepen umrežavanja, što dokazuje niski omjer bubrenja i robusne strukture gela.

analiza: Skenirajuća elektronska mikroskopija dalje je otkrila evoluciju mikrostrukture gela. U ranim fazama, mreža je imala velike, otvorene pore, ali sa kontinuiranom sonikacijom, one su se ispunile gušćom sekundarnom strukturom. Do 15 minuta, hidrogel je pokazao homogeno umreženu morfologiju sa čvrsto međusobno povezanim porama - obilježje dobro formiranih biomedicinskih gelova.

rezultat: U poređenju sa hidrogelovima proizvedenim sa termalnim inicijatorima slobodnih radikala, razlike su bile upečatljive. Iako su se slične konverzije mogle postići termički, rezultirajuće mreže su bile poroznije, manje ujednačene i pokazivale su veće omjere bubrenja - znakove labavije arhitekture umrežavanja. Štaviše, termalni proces zahtijevao je pročišćavanje dušikom, hemijske aditive i više temperature, dok je ultrazvučni pristup funkcionirao na temperaturi okoline od samo 37 °C.

Možda najintrigantniji aspekt ovog rada je zapažanje da se polimerizacija može nastaviti čak i nakon što je ultrazvuk zaustavljen. Gel je nastavio slječiti i povećavati snagu u periodu od 30 minuta nakon prestanka ultrazvuka. To sugerira da perzistentne radikalne vrste ili intermedijarne strukture formirane tokom ultrazvuka mogu nastaviti da šire polimerne lance u odsustvu daljnjeg unosa energije – ponašanje sa potencijalno korisnim implikacijama za in vivo aplikacije.

Saznajte više o prednostima proizvodnje ultrazvučnog hidrogela!

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

Za sintezu kovalentno umreženog Dex-MA hidrogela, visokointenzivni, niskofrekventni ultrazvuk se spaja u otopinu glicerola/vode. Temperatura i gustoća ultrazvučne energije su precizno kontrolirani.
U nastavku vam dajemo upute za ultrazvučnu sintezu hidrogela u laboratorijskoj skali, koja se može linearno povećati na velike količine.

Oprema i materijali

Oprema

• Hielscher UP200Ht ultrazvučni procesor (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (promjer vrha: 2 mm; preporučuje se za male količine)
• Reakciona posuda sa omotačem (50 mL), kompatibilna sa magnetnom mešalicom
• Cirkulirajuća vodena kupelj (termostatski kontrolirana na 37°C)
• Temperaturna sonda PT100 (uključena u obim isporuke UP200Ht)
• Magnetna mješalica
• Analitička vaga (±0,1 mg)
• Vakumska pećnica ili liofilizator

hemikalije

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

Svi reagensi trebaju biti analitičke čistoće. Izbjegavajte okruženja bogata kisikom; degas rastvarača ako je moguće.

Procedura korak po korak: Ultrazvučna hidrogel polimerizacija

1. Priprema smjese za polimerizaciju
   • Odvažite 0,75 g Dex-MA u reakcijsku posudu od 50 mL s omotačem.
   • Dodati 10,5 g glicerola i 3,75 g dejonizovane vode.
   • Mešajte mešavinu magnetno na sobnoj temperaturi (~22 °C) 5-10 minuta da bi se Dex-MA potpuno rastvorio. Trebalo bi nastati blago viskozna, homogena otopina.
   • Zagrijte vodeno kupatilo na 37 °C i povežite ga sa posudom sa omotačem kako biste održali konstantnu temperaturu.
2. Podešavanje Sonicator-a
   • Montirajte S26d2 sonotrodu na UP200Ht i osigurajte čvrsto spajanje.
   • Uronite vrh sonotrode u reakcijsku smjesu. Izbjegavajte dodirivanje zidova ili dna posude.
   • Postavite temperaturnu sondu u rastvor blizu sonotrode, ali ne u direktnom kontaktu. Ovo vam omogućava da koristite integrisanu kontrolu temperature sonikatora.
   • Postavite amplitudu na 100%.
3. Ultrazvučna polimerizacija
   • Počnite miješati na 100-200 o/min kako biste održali nježnu homogenizaciju.
   • Započnite sonikaciju s odgovarajućom postavkom amplitude kako biste isporučili ~56 W/cm² u trajanju od 6,5 minuta.
   • Održavajte temperaturu rastvora na 37°C sve vreme. Ako se smjesa počne zagrijavati, povećajte protok rashladne tekućine ili dodajte led u vodeno kupatilo.
   • Geliranje obično počinje u roku od 5-6 minuta. Viskoznost će se naglo povećati.
   • Ako se geliranje dogodi prije 6,5 minuta, zaustavite ultrazvučnu obradu kako biste izbjegli prekomjerno umrežavanje ili degradaciju.
4. Naknadna obrada i prečišćavanje
   • Gel odmah prenesite u 200 mL dejonizirane vode uz snažno miješanje da se izluže neizreagirani monomer i glicerol.
   • Mešajte 30 minuta, a zatim dekantirajte supernatant ili filtrirajte.
   • Ponovite pranje još 3 puta toplom vodom (~60 °C) za bolju difuziju.
   • Gel sušite u vakuumu na 60°C 8 sati ili liofilizirajte za porozne strukture.

 
Rezultat: Biokompatibilni hidrogel
Trebali biste dobiti prozirni, robusni hidrogel sa visokom konverzijom (~70-75%), odličnim umrežavanjem i minimalnim rezidualnim monomerom. Hidrogel će izdržati otapanje u vodi i pokazati ujednačenu strukturu nakon sušenja.

 
Napomene za optimalnu kontrolu procesa

Povećanje: linearno i jednostavno sa sonikacijom

U polju koje sve više zahtijeva preciznost, čistoću i skalabilnost, ova ultrazvučna metoda nudi uvjerljivu alternativu. Prostorno je kontrolisan, podesiv u realnom vremenu i kompatibilan sa kontinuiranom obradom koristeći moderne ultrazvučne inline sisteme.
Sonicators by Hielscher Ultrasonics isporučuju tačne amplitude i skaliraju linearno od laboratorijske do proizvodne skale - što ih čini idealnim za prevođenje takvih hidrogelnih sistema u stvarne terapeutske i dijagnostičke aplikacije.

Dizajn, proizvodnja i konsalting – Kvaliteta Made in Germany

Hielscher ultrasonicatori su poznati po najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih aparata u industrijske objekte. Hielscher ultrasonikatori lako se nose sa teškim uslovima i zahtevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics je ISO sertifikovana kompanija i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne aparate visokih performansi koji se odlikuju najsavremenijom tehnologijom i lakoćom korišćenja. Naravno, Hielscher ultrasonikatori su usklađeni sa CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoH.

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata: