Ultrazvuková polymerace hydrogelů: protokol a škálování

Ultrazvukem indukovaná polymerace nabízí přístup bez radikálů a iniciátorů k syntéze hydrogelů z ve vodě rozpustných vinylových monomerů a makromonomerů. Tato metodika využívá sonochemické generování radikálů prostřednictvím kavitace a je ideální pro biomedicínské aplikace, kde je třeba se vyhnout reziduím iniciátoru.

Hydrogely jsou trojrozměrné hydrofilní polymerní sítě, které jsou schopny zadržet značné množství vody a zároveň zachovat strukturální integritu - tato vlastnost je důsledkem zesíťovaných polymerních řetězců. Jejich fyzikálně-chemické vlastnosti - bobtnání, mechanická pevnost a biokompatibilita - je činí velmi atraktivními pro biomedicínské aplikace, včetně podávání léčiv, tkáňového inženýrství a hojení ran.

Výhoda ultrazvukové hydrogelové polymerace

Syntéza hydrogelů se tradičně opírá o tepelné, fotochemické nebo chemické zesíťování; Ultrazvuková syntéza hydrogelů však získává významnou trakci, protože metoda sonikace nabízí jednoduchý laditelný a ekologičtější přístup bez činidel. Ultrazvuková syntéza hydrogelu využívá akustickou kavitaci k podpoře polymerace a fyzikálního nebo chemického zesíťování bez potřeby externích iniciátorů. Je pozoruhodné, že ultrazvuku může také usnadnit disperzi nanočástic in situ nebo iniciovat radikálové reakce ve vodných médiích, což z něj činí všestranný nástroj pro vytváření multifunkčních nebo nanokompozitních hydrogelů za mírných podmínek.

Výše uvedený videoklip ukazuje ultrazvukovou syntézu hydrogelu pomocí sonikátoru UP50H a gelátor s nízkou molekulovou hmotností. Výsledkem je samoopravný supramolekulární hydrogel. (Studie a film: Rutgeerts et al., 2019)
 

Biokompatibilní hydrogely s ultrazvukem

Při hledání biokompatibilních hydrogelů, které lze vytvářet čistě, bezpečně a na vyžádání, tradiční polymerizační strategie často selhávají. Práce Casse a jeho kolegů představuje efektivní řešení tohoto problému: čistou, beziniciátorovou metodu syntézy hydrogelů pomocí nízkofrekvenčního ultrazvuku.

Jejich studie zkoumala sonochemickou polymeraci různých ve vodě rozpustných monomerů, ale jeden přípravek vynikal jako obzvláště účinný a robustní: 5% roztok dextranmetakrylátu (Dex-MA) v 70% glycerolu a vodě, polymerovaný pod ultrazvukem o střední intenzitě 56 W/cm². Pozoruhodné je, že tento systém poskytl plně vytvořený hydrogel za pouhých 6,5 minuty a dosáhl 72% konverze monomeru na polymer - nejvyšší ze všech testovaných formulací.

Akustická kavitace: Princip fungování této metody je založen na jevu, který je stejně silný jako přechodný: akustické kavitaci. Při působení silného ultrazvuku se v kapalném prostředí vytvářejí a prudce hroutí mikroskopické bubliny, které vytvářejí lokalizovaná horká místa, kde teplota může krátkodobě překročit 5 000 Kelvinů. Tyto podmínky vyvolávají homolytické štěpení molekul rozpouštědla, čímž vzniká výbuch reaktivních radikálů. Na rozdíl od konvenční polymerace, která je závislá na vnějších iniciátorech nebo teple, ultrazvuk dodává energii i radikály potřebné k zahájení polymerace - aniž by došlo k překročení fyziologicky relevantních teplot.

Rozpouštědlo: Volba glycerolu jako ko-rozpouštědla nebyla náhodná. Kromě toho, že glycerol zvyšuje viskozitu roztoku, což je rozhodující faktor pro zvýšení intenzity kavitace, působí sám o sobě jako radikálový ko-donor. Je známo, že jeho hydroxylové skupiny vytvářejí relativně stabilní sekundární radikály, čímž zvyšují dobu života radikálů a podporují šíření řetězců. Kromě toho viskózní prostředí bohaté na glycerol pomáhá zachytit vznikající polymerní řetězce, snižuje jejich rozpustnost a chrání je před ultrazvukovou degradací, ke které může dojít ve více zředěných vodných systémech.

Ultrazvuková polymerace: K charakterizaci průběhu polymerace použili výzkumníci infračervenou spektroskopii, při níž sledovali úbytek vinylových skupin na Dex-MA v průběhu času. Charakteristická absorpce při 1635 cm-¹ - indikující dvojnou vazbu C=C - se během sonikace rychle snižovala, zatímco esterový karbonylový úsek při 1730 cm-¹ zůstával konstantní a sloužil jako vnitřní reference. Tyto údaje potvrdily nejen rychlou konverzi vinylů, ale také vysoký stupeň zesíťování, což dokládají nízké poměry bobtnání a robustní gelové struktury.

Analýza: Skenovací elektronová mikroskopie dále odhalila vývoj mikrostruktury gelu. V počátečních fázích se síť vyznačovala velkými otevřenými póry, které se však při pokračující sonikaci vyplnily hustší sekundární strukturou. Do 15 minut hydrogel vykazoval homogenně zesíťovanou morfologii s pevně propojenými póry - charakteristickým znakem dobře vytvořených biomedicínských gelů.

Výsledek: Při porovnání s hydrogely vyrobenými pomocí tepelných volných radikálových iniciátorů byly rozdíly nápadné. Ačkoli bylo možné termicky dosáhnout podobných konverzí, výsledné sítě byly poréznější, méně homogenní a vykazovaly vyšší poměry bobtnání - známky volnější architektury síťování. Navíc tepelný proces vyžadoval proplachování dusíkem, chemické přísady a vyšší teploty, zatímco ultrazvukový přístup fungoval při teplotě okolí pouhých 37 °C.

Snad nejzajímavějším aspektem této práce je zjištění, že polymerace může pokračovat i po zastavení ultrazvuku. Gel pokračoval ve vytvrzování a zvyšování pevnosti po dobu 30 minut po ukončení sonikace. To naznačuje, že přetrvávající radikálové druhy nebo mezistruktury vytvořené během sonikace mohou pokračovat v šíření polymerních řetězců bez dalšího přívodu energie - chování s potenciálně užitečnými důsledky pro aplikace in vivo.

Zjistěte více o výhodách výroby ultrazvukového hydrogelu!

Protokol: Ultrazvuková syntéza hydrogelu Dextran methakrylát (Dex-MA) pomocí sonikátoru

K syntéze kovalentně zesítěného hydrogelu Dex-MA se vysokointenzivní nízkofrekvenční ultrazvuk spojí do roztoku glycerolu a vody. Teplota a hustota ultrazvukové energie jsou přesně řízeny.
Níže uvádíme pokyny pro ultrazvukovou syntézu hydrogelů v laboratorním měřítku, kterou lze lineárně škálovat na velké množství.

Vybavení a materiály

Vybavení

• Hielscher UP200Ht ultrazvukový procesor (200 W, 26 kHz)
• Sonotroda S26d2 (průměr hrotu: 2 mm; doporučeno pro malé objemy)
• Opláštěná reakční nádoba (50 ml), kompatibilní s magnetickým míchadlem
• Cirkulační vodní lázeň (termostaticky řízená na 37°C)
• Teplotní sonda PT100 (je součástí dodávky UP200Ht)
• Magnetické míchadlo
• Analytické váhy (±0,1 mg)
• Vakuová sušárna nebo lyofilizátor

chemikálie

• Dextran methakrylát (Dex-MA), ~20 % methakrylátu
• Glycerol, ≥99,5 % (bezvodý)
• Deionizovaná voda

Všechna činidla by měla být analytické čistoty. Vyhněte se prostředí bohatému na kyslík; pokud možno odplyňovat rozpouštědla.

Postup krok za krokem: Ultrazvuková hydrogelová polymerace

1. Příprava polymerační směsi
   • Naváží se 0,75 g Dex-MA do 50 ml plášťové reakční nádobky.
   • Přidejte 10,5 g glycerolu a 3,75 g deionizované vody.
   • Směs se magneticky míchá při pokojové teplotě (~22 °C) po dobu 5–10 minut, aby se Dex-MA úplně rozpustil. Výsledkem by měl být mírně viskózní, homogenní roztok.
   • Vodní lázeň předehřejeme na 37 °C a připojíme k opláštěné nádobě, aby byla udržována konstantní teplota.
2. Nastavení Sonicatoru
   • Namontujte sonotrodu S26d2 na UP200Ht a zajistěte pevné spojení.
   • Ponořte špičku sonotrody do reakční směsi. Nedotýkejte se stěn nebo dna nádoby.
   • Umístěte teplotní sondu do roztoku v blízkosti sonotrody, ale ne v přímém kontaktu. To vám umožní použít integrovanou regulaci teploty sonikátoru.
   • Nastavte amplitudu na 100 %.
3. Ultrazvuková polymerace
   • Začněte míchat při 100–200 otáčkách za minutu, abyste udrželi jemnou homogenizaci.
   • Spusťte sonikaci při vhodném nastavení amplitudy, abyste dodali ~56 W/cm² po dobu 6,5 minuty.
   • Po celou dobu udržujte teplotu roztoku na 37 °C. Pokud se směs začne zahřívat, zvyšte průtok chladicí kapaliny nebo do vodní lázně přidejte led.
   • Gelovatění obvykle začíná během 5–6 minut. Viskozita se prudce zvýší.
   • Pokud dojde ke gelovatění před 6,5 minutou, zastavte sonikaci, aby nedošlo k nadměrnému zesíťování nebo degradaci.
4. Následné zpracování a čištění
   • Gel se okamžitě převede do 200 ml deionizované vody za intenzivního míchání, aby se vyluhoval nezreagovaný monomer a glycerol.
   • Míchejte 30 minut, poté dekantujte supernatant nebo filtrujte.
   • Opakujte praní ještě 3x s použitím teplé vody (~60 °C) pro lepší difúzi.
   • Gel sušte ve vakuu při 60 °C po dobu 8 hodin, nebo lyofilizujte pro porézní struktury.

 
Výsledek: biokompatibilní hydrogel
Měli byste získat transparentní, robustní hydrogel s vysokou konverzí (~70–75 %), vynikajícím síťováním a minimálním zbytkovým monomerem. Hydrogel odolá rozpouštění ve vodě a po vysušení bude vykazovat jednotnou strukturu.

 
Pokyny pro optimální řízení procesu

Scale-Up: Lineární a jednoduché se sonikací

V oblasti, která stále více vyžaduje přesnost, čistotu a škálovatelnost, nabízí tato ultrazvuková metoda přesvědčivou alternativu. Je prostorově ovladatelný, laditelný v reálném čase a kompatibilní s kontinuálním zpracováním pomocí moderních ultrazvukových inline systémů.
Sonikátory od společnosti Hielscher Ultrasonics poskytují přesné amplitudy a lineárně se škálují od laboratorního až po výrobní měřítko, což je ideální pro převedení takových hydrogelových systémů do reálných terapeutických a diagnostických aplikací.

Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany

Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.

Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: