Ultrazvuková syntéza molekulárně imprintovaných polymerů (MIP)

Molekulárně imprintované polymery (MIP) jsou uměle navržené receptory s předem stanovenou selektivitou a specificitou pro danou strukturu biologické nebo chemické molekuly. Sonikace může zlepšit různé cesty syntézy molekulárně imprintovaných polymerů, a tím učinit polymeraci účinnější a spolehlivější.

Co jsou molekulárně imprintované polymery?

Molekulárně imprintovaný polymer (MIP) je polymerní materiál s rozpoznávacími vlastnostmi podobnými protilátkám, který byl připraven technikou molekulárního imprintingu. Technika molekulárního imprintingu vytváří molekulárně imprintovaný polymer s ohledem na konkrétní cílovou molekulu. Molekulárně imprintovaný polymer má ve své polymerní matrici dutiny s afinitou ke konkrétní molekule „templátu“. Proces obvykle zahrnuje iniciaci polymerace monomerů v přítomnosti templátové molekuly, která je následně extrahována, přičemž po ní zůstanou komplementární dutiny. Tyto polymery mají afinitu k původní molekule a byly použity v aplikacích, jako jsou chemické separace, katalýza nebo molekulární senzory. Molekulárně imprintované molekuly lze přirovnat k molekulárnímu zámku, který odpovídá molekulárnímu klíči (tzv. templátové molekule). Molekulárně imprintované polymery (MIP) se vyznačují specificky přizpůsobenými vazebnými místy, která odpovídají templátovým molekulám tvarem, velikostí a funkčními skupinami. Vlastnost „zámek – klíč“ umožňuje využívat molekulárně imprintované polymery pro různé aplikace, kde je specifický typ molekuly rozpoznán a navázán na molekulární zámek, tj. molekulárně imprintovaný polymer.

Schematické znázornění ukazuje cestu molekulárního imprintingu cyklodextrinů pro přípravu receptorů na míru.
Studie a obrázek: Hishiya et al. 2003

Molekulárně imprintované polymery (MIP) mají široké pole použití a používají se k separaci a purifikaci specifikovaných biologických nebo chemických molekul včetně aminokyselin a proteinů, derivátů nukleotidů, polutantů, jakož i léčiv a potravin. Oblasti použití sahají od separace a purifikace po chemické senzory, katalytické reakce, cílenou dopravu léčiv, biologické protilátky a receptorové systémy. (srov. Vasapollo et al. 2011)
Například technologie MIP se používá jako technika mikroextrakce na pevné fázi ke zpracování a purifikaci molekul pocházejících z konopí, jako je CBD nebo THC, z extraktu s plným spektrem za účelem získání kanabinoidních izolátů a destilátů.

Ultrazvuková syntéza molekulárně imprintovaných molekul

V závislosti na typu cíle (templátu) a konečném použití MIP lze MIP syntetizovat v různých formátech, jako jsou sférické částice nanometrových a mikrometrových rozměrů, nanodrátky, nanotyčinky, nanovlákna nebo tenké filmy. K výrobě konkrétní formy MIP lze použít různé polymerační techniky, jako je imprinting v bloku, srážení, emulzní polymerace, suspenze, disperze, gelace a vícestupňová botnací polymerace.
Použití nízkofrekvenčního ultrazvuku o vysoké intenzitě nabízí vysoce účinnou, univerzální a jednoduchou techniku syntézy polymerních nanostruktur.
Sonikace přináší při syntéze MIP oproti tradičním polymeračním procesům několik výhod, protože podporuje vyšší reakční rychlosti, homogennější růst polymerních řetězců, vyšší výtěžky a mírnější podmínky (např. nízkou reakční teplotu). Kromě toho může měnit distribuci populace vazebných míst, a tím i morfologii výsledného polymeru. (Svenson 2011)
Působením sonochemické energie na polymeraci MIP jsou polymerační reakce iniciovány a pozitivně ovlivňovány. Současně sonikace podporuje účinné odplynění polymerní směsi, aniž by došlo ke snížení vazebné kapacity nebo tuhosti.
Ultrazvuková homogenizace, dispergace a emulgace nabízí vynikající míchání a agitaci pro vytvoření homogenních suspenzí a poskytuje iniciační energii pro polymerační procesy. Viveiros et al. (2019) zkoumali potenciál ultrazvukové syntézy MIP a uvádějí, že „MIP připravené ultrazvukem vykazovaly vazebné vlastnosti podobné nebo lepší než u konvenčních metod“.
MIP v nanoformátu otevírají slibné možnosti pro zlepšení homogenity vazebných míst. Sonikace je dobře známá svými výjimečnými výsledky při přípravě nanodisperzí a nanoemulzí.

Ultrazvuková nanoemulzní polymerace

MIP lze syntetizovat emulzní polymerací. Emulzní polymerace se běžně provádí vytvořením emulze typu olej ve vodě za přídavku povrchově aktivní látky. K vytvoření stabilní emulze nanometrových rozměrů je zapotřebí vysoce výkonná emulgační technika. Ultrazvuková emulgace je zavedená technika přípravy nanoemulzí a miniemulzí.
Přečtěte si více o ultrazvukové nanoemulgaci!

Ultrazvuk může zlepšit následující syntetické cesty pro výrobu nanoMIP: srážecí polymeraci, emulzní polymeraci a polymeraci typu jádro-obal.
Studie a obrázek: Refaat et al. 2019

Ultrazvuková extrakce templátu

Po syntéze molekulárně imprintovaných polymerů musí být templát odstraněn z vazebného místa, aby se získal aktivní molekulárně imprintovaný polymer. Intenzivní míchací síly sonikace podporují rozpustnost, difuzivitu, penetraci a transport rozpouštědla a templátových molekul. Templáty jsou tak rychle odstraněny z vazebných míst.
Ultrazvukovou extrakci lze také kombinovat se Soxhletovou extrakcí k odstranění templátu z imprintovaného polymeru.

Případové studie: ultrazvukové aplikace pro molekulárně imprintované polymery

Ultrazvuková syntéza molekulárně imprintovaných polymerů

Enkapsulace magnetických nanočástic polymery imprintovanými 17β-estradiolem pomocí ultrazvukové syntetické cesty umožňuje rychlé odstranění 17β-estradiolu z vodného prostředí. Pro ultrazvukovou syntézu nanoMIP byla jako monomer použita kyselina methakrylová (MAA), jako síťovadlo ethylenglykoldimethylakrylát (EGDMA) a jako iniciátor azobisisobutyronitril (AIBN). Postup ultrazvukové syntézy probíhal 2h při 65ºC. Průměrné průměry velikosti částic magnetických NIP a magnetických MIP byly 200 a 300 nm (v uvedeném pořadí). Použití ultrazvuku nejen zlepšilo rychlost polymerace a morfologii nanočástic, ale také vedlo ke zvýšení počtu volných radikálů, a tím usnadnilo růst MIP kolem magnetických nanočástic. Adsorpční kapacita vůči 17β-estradiolu byla srovnatelná s tradičními přístupy. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultrazvuk pro molekulárně imprintované senzory

Yu et al. navrhli molekulárně imprintovaný elektrochemický senzor založený na elektrodách modifikovaných nanočásticemi niklu pro stanovení fenobarbitalu. Uvedený elektrochemický senzor byl vyvinut tepelnou polymerací s použitím kyseliny methakrylové (MAA) jako funkčního monomeru, sloučeniny 2,2-azobisisobutyronitrile (AIBN) a ethylenglykol-maleinrosinát (EGMRA) akrylátu jako síťovacího činidla, fenobarbitalů (PB) jako templátové molekuly a dimethylsulfoxidu (DMSO) jako organického rozpouštědla. Při výrobě senzoru bylo 0,0464g PB a 0,0688g MAA smícháno ve 3 mL DMSO a sonikováno po dobu 10 min. Po 5 h bylo do směsi přidáno 1,0244g EGMRA a 0,0074g AIBN a směs byla sonikována po dobu 30 min, čímž byly získány roztoky polymeru imprintovaného PB. Poté bylo 10 μL roztoku nanočástic Ni o koncentraci 2,0 mg mL^-1 naneseno na povrch GCE a poté byl senzor vysušen při pokojové teplotě. Přibližně 5 μL připraveného roztoku polymeru imprintovaného PB bylo následně naneseno na GCE modifikovanou nanočásticemi Ni a vakuově sušeno při 75◦C po dobu 6 h. Po tepelné polymeraci byl imprintovaný senzor promýván směsí (kyselina octová) HAc/methanol (objemový poměr 3:7) po dobu 7 min, aby se odstranily templátové molekuly. (srov. Uygun et al. 2015)

Ultrazvuková mikroextrakce s využitím MIP

Za účelem získání analytů nikotinamidu ze vzorků se používá ultrazvukem asistovaná disperzní mikroextrakce na pevné fázi s následným měřením UV-vis spektrofotometrem (UA-DSPME-UV-vis). Pro extrakci a prekoncentraci nikotinamidu (vitaminu B3) byly použity molekulárně imprintované polymery na bázi kovově-organického skeletu (MOF) HKUST-1. (Asfaram et al. 2017)

Vysoce výkonné sonikátory pro aplikace polymerů

Z laboratoře do výroby s lineární škálovatelností: Specificky navržené molekulárně imprintované polymery jsou nejprve vyvíjeny a testovány v malém laboratorním a stolním měřítku, aby se ověřila proveditelnost syntézy polymeru. Jakmile je dosaženo proveditelnosti a optimalizace MIP, výroba MIP se převádí na větší objemy. Všechny ultrazvukové syntetické cesty lze lineárně škálovat od stolního měřítka až po plně komerční výrobu. Hielscher Ultrasonics nabízí sonochemická zařízení pro syntézu polymerů od malého laboratorního a stolního měřítka až po plně průmyslové inline ultrazvukové systémy pro výrobu v režimu 24/7 při plném zatížení. Ultrazvuk lze lineárně škálovat od velikosti zkumavky až po velké výrobní kapacity v řádu kamionů za hodinu. Rozsáhlé produktové portfolio Hielscher Ultrasonics od laboratorních po průmyslové sonochemické systémy obsahuje nejvhodnější sonikátor pro vámi zamýšlenou procesní kapacitu. Naši dlouholetí zkušení pracovníci vám pomohou od testů proveditelnosti a optimalizace procesu až po instalaci vašeho ultrazvukového systému na úrovni finální výroby.

Hielscher Ultrasonics – sofistikovaná sonochemická zařízení

Produktové portfolio Hielscher Ultrasonics pokrývá celou škálu vysoce výkonných ultrazvukových extraktorů od malého po velké měřítko. Doplňkové příslušenství umožňuje snadné sestavení nejvhodnější konfigurace ultrazvukového zařízení pro váš proces. Optimální ultrazvuková sestava závisí na zamýšlené kapacitě, objemu, materiálu, vsádkovém nebo inline procesu a časovém harmonogramu. Hielscher vám pomůže nastavit ideální sonochemický proces.

Vsádkově a inline

Sonikátory Hielscher lze použít pro vsádkové i kontinuální průtokové zpracování. Malé a středně velké objemy lze pohodlně sonikovat ve vsádkovém procesu (např. lahvičky, zkumavky, kádinky, nádrže nebo sudy). Pro zpracování velkých objemů může být účinnější inline sonikace. Zatímco vsádkové zpracování je časově a pracovně náročnější, kontinuální inline proces míchání je efektivnější, rychlejší a vyžaduje výrazně méně práce. Hielscher Ultrasonics má nejvhodnější extrakční sestavu pro vaši polymerační reakci a objem procesu.

Ultrazvukové sondy pro každou výrobní kapacitu

Produktová řada Hielscher Ultrasonics pokrývá celé spektrum ultrazvukových procesorů od kompaktních laboratorních sonikátorů přes stolní a pilotní systémy až po plně průmyslové ultrazvukové procesory s kapacitou zpracovat kamiony za hodinu. Kompletní produktová řada nám umožňuje nabídnout vám nejvhodnější ultrazvukové zařízení pro vaše polymery, procesní kapacitu a výrobní cíle.
Ultrazvukové stolní systémy jsou ideální pro testy proveditelnosti a optimalizaci procesu. Lineární zvětšení měřítka na základě stanovených procesních parametrů velmi usnadňuje zvýšení zpracovatelských kapacit z menších šarží na plně komerční výrobu. Zvětšení měřítka lze provést buď instalací výkonnější ultrazvukové extrakční jednotky, nebo paralelním seskupením několika sonikátorů. S UIP16000 nabízí Hielscher nejvýkonnější ultrazvukovou jednotku na světě.

Přesně nastavitelné amplitudy pro optimální výsledky

Všechny sonikátory Hielscher jsou přesně ovladatelné, a proto jsou spolehlivými tahouny ve výrobě. Amplituda je jedním z klíčových procesních parametrů, které ovlivňují účinnost a efektivitu sonochemických reakcí včetně polymeračních reakcí a syntetických cest.
Všechny procesory Hielscher Ultrasonics umožňují přesné nastavení amplitudy. Sonotrody a boostery jsou příslušenství, které umožňuje měnit amplitudu v ještě širším rozsahu. Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher dokážou dodávat velmi vysoké amplitudy a poskytovat požadovanou ultrazvukovou intenzitu pro náročné aplikace. Amplitudy až 200µm lze snadno provozovat nepřetržitě v režimu 24/7.
Přesné nastavení amplitudy a trvalé monitorování ultrazvukových procesních parametrů pomocí chytrého softwaru vám umožňují syntetizovat vaše molekulárně imprintované polymery za nejúčinnějších ultrazvukových podmínek. Optimální sonikace pro nejlepší výsledky polymerace!
Robustnost ultrazvukových zařízení Hielscher umožňuje provoz 24/7 při vysokém zatížení a v náročných prostředích. Díky tomu jsou ultrazvuková zařízení Hielscher spolehlivým pracovním nástrojem, který splňuje požadavky vašeho sonochemického procesu.

Snadné testování bez rizika

Ultrazvukové procesy lze zcela lineárně škálovat. To znamená, že každý výsledek, kterého jste dosáhli pomocí laboratorního nebo stolního sonikátoru, lze škálovat na přesně stejný výstup při použití přesně stejných procesních parametrů. Díky tomu je sonikace ideální pro testování proveditelnosti bez rizika, optimalizaci procesu a následnou implementaci do komerční výroby. Kontaktujte nás a zjistěte, jak může sonikace zvýšit výtěžek a kvalitu vašich MIP.

Nejvyšší kvalita – navrženo a vyrobeno v Německu

Jako rodinná firma vlastněná i řízená rodinou klade Hielscher u svých ultrazvukových procesorů prioritu na nejvyšší standardy kvality. Všechny sonikátory jsou navrhovány, vyráběny a důkladně testovány v našem sídle v Teltow nedaleko Berlína v Německu. Robustnost a spolehlivost ultrazvukových zařízení Hielscher z nich činí tahouna vaší výroby. Provoz 24/7 při plném zatížení a v náročných prostředích je přirozenou vlastností vysoce výkonných mixérů Hielscher.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů:

Ultrazvukový procesor Hielscher si můžete zakoupit v jakékoli velikosti a přesně nakonfigurovaný podle požadavků vašeho procesu. Od zpracování reaktantů v malé laboratorní zkumavce až po kontinuální průtokové míchání polymerních suspenzí v průmyslovém měřítku – Hielscher Ultrasonics pro vás nabízí vhodný sonikátor! Kontaktujte nás – rádi vám doporučíme ideální ultrazvukovou sestavu!