Ultralydspolymerisation af hydrogeler: protokol og opskalering

Ultralydsinduceret polymerisation tilbyder en radikalfri, initiatorfri tilgang til syntetisering af hydrogeler fra vandopløselige vinylmonomerer og makromonomerer. Denne metode udnytter den sonokemiske generering af radikaler via kavitation og er ideel til biomedicinske applikationer, hvor initiatorrester skal undgås.

Hydrogeler er tredimensionelle, hydrofile polymernetværk, der er i stand til at holde på store mængder vand, samtidig med at de bevarer deres strukturelle integritet - en egenskab, der skyldes tværbundne polymerkæder. Deres fysisk-kemiske egenskaber - svulmende adfærd, mekanisk styrke og biokompatibilitet - gør dem meget attraktive til biomedicinske anvendelser, herunder levering af lægemidler, vævsteknik og sårheling.

Fordelen ved ultralydshydrogelpolymerisation

Traditionelt er hydrogelsyntese afhængig af termisk, fotokemisk eller kemisk tværbinding; Imidlertid vinder ultralydshydrogelsyntese betydelig trækkraft, da sonikeringsmetoden tilbyder en simpel reagensfri, justerbar og grønnere tilgang. Ultralydshydrogelsyntese bruger akustisk kavitation til at fremme polymerisation og fysisk eller kemisk tværbinding uden behov for eksterne initiatorer. Især kan ultralydbehandling også lette in situ nanopartikelspredning eller initiere radikale reaktioner i vandige medier, hvilket gør det til et alsidigt værktøj til fremstilling af multifunktionelle eller nanokomposithydrogeler under milde forhold.

Videoklippet ovenfor demonstrerer ultralydssyntesen af en hydrogel ved hjælp af sonikeren UP50H og en gelator med lav molekylvægt. Resultatet er en selvhelbredende supramolekylær hydrogel. (Studie og film: Rutgeerts et al., 2019)
 

Biokompatible hydrogeler med sonikering

I jagten på biokompatible hydrogeler, der kan dannes rent, sikkert og efter behov, kommer traditionelle polymerisationsstrategier ofte til kort. Cass og kollegers arbejde præsenterer en effektiv løsning på dette problem: en ren, initiatorfri metode til hydrogelsyntese ved hjælp af lavfrekvent ultralyd.

Deres undersøgelse udforsker den sonokemiske polymerisering af forskellige vandopløselige monomerer, men en formulering skilte sig ud som særlig effektiv og robust: en 5% dextranmethacrylat (Dex-MA) opløsning i 70% glycerol-vand, polymeriseret under ultralyd ved en moderat intensitet på 56 W / cm². Bemærkelsesværdigt nok gav dette system en fuldt dannet hydrogel på bare 6,5 minutter og opnåede en monomer-til-polymer-konvertering på 72% - den højeste blandt alle testede formuleringer.

Akustisk kavitation: Arbejdsprincippet i denne metode er baseret på et fænomen, der er lige så kraftfuldt, som det er flygtigt: akustisk kavitation. Når de udsættes for kraftig ultralyd, dannes og kollapser mikroskopiske bobler voldsomt i det flydende medium, hvilket skaber lokale hotspots, hvor temperaturen kortvarigt kan overstige 5000 Kelvin. Disse forhold fremkalder homolytisk spaltning af opløsningsmiddelmolekyler og producerer en eksplosion af reaktive radikaler. I modsætning til konventionel polymerisering, som afhænger af eksterne initiatorer eller varme, leverer ultralyd både den energi og de radikaler, der er nødvendige for at starte polymerisering - uden at overskride fysiologisk relevante bulktemperaturer.

Co-opløsningsmiddel: Valget af glycerol som co-opløsningsmiddel var ikke tilfældigt. Ud over at øge opløsningens viskositet - en kritisk faktor for at øge kavitationsintensiteten - fungerer glycerol i sig selv som en radikal co-donor. Dets hydroxylgrupper er kendt for at producere relativt stabile sekundære radikaler, hvilket øger radikalernes levetid og fremmer kædeudbredelsen. Derudover hjælper det tyktflydende glycerolrige miljø med at fange begyndende polymerkæder, hvilket reducerer deres opløselighed og beskytter dem mod ultralydsnedbrydning, som kan forekomme i mere fortyndede vandige systemer.

Ultralyd polymerisation: For at karakterisere polymerisationens forløb brugte forskerne infrarød spektroskopi til at spore nedbrydningen af vinylgrupper på Dex-MA over tid. Den karakteristiske absorption ved 1635 cm-¹ - der indikerer C=C-dobbeltbindinger - faldt hurtigt under sonikering, mens estercarbonylstrækningen ved 1730 cm-¹ forblev konstant og fungerede som en intern reference. Disse data bekræftede ikke kun hurtig vinylkonvertering, men også en høj grad af tværbinding, som det fremgår af lave hævelsesforhold og robuste gelstrukturer.

Analyse: Scanningselektronmikroskopi afslørede yderligere udviklingen af gelens mikrostruktur. I de tidlige stadier havde netværket store, åbne porer, men med fortsat sonikering blev disse fyldt ud med en tættere sekundær struktur. Efter 15 minutter havde hydrogelen en homogent tværbundet morfologi med tæt forbundne porer - et kendetegn for velformede biomedicinske geler.

Resultat: Sammenlignet med hydrogeler fremstillet med termiske fri-radikal-initiatorer var forskellene slående. Selvom lignende konverteringer kunne opnås termisk, var de resulterende netværk mere porøse, mindre ensartede og udviste højere hævelsesforhold - tegn på en løsere tværbindingsarkitektur. Desuden krævede den termiske proces kvælstofudrensning, kemiske tilsætningsstoffer og højere temperaturer, mens ultralydsmetoden fungerede ved en omgivelsestemperatur på kun 37 °C.

Det mest spændende aspekt af dette arbejde er måske observationen af, at polymeriseringen kan fortsætte, selv efter at ultralyden er stoppet. Gelen fortsatte med at hærde og stige i styrke i løbet af en 30-minutters periode efter ophør af sonikering. Dette tyder på, at vedvarende radikale arter eller mellemliggende strukturer dannet under sonikering kan fortsætte med at udbrede polymerkæder i fravær af yderligere energiinput - en adfærd med potentielt nyttige konsekvenser for in vivo-applikationer.

Lær mere om fordelene ved ultralydshydrogelproduktion!

Protokol: Ultralydsyntese af Dextran Methacrylate (Dex-MA) hydrogel ved hjælp af en Sonicator

For at syntetisere en kovalent tværbundet Dex-MA-hydrogel kobles højintensiv, lavfrekvent ultralyd til en glycerol/vandopløsning. Temperatur og ultralydsenergitæthed styres præcist.
Nedenfor giver vi dig instruktionerne til ultralydshydrogelsyntese i laboratorieskala, som kan skaleres lineært op til store mængder.

Udstyr og materialer

Udstyr

• Hielscher UP200Ht ultralydsprocessor (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (spidsdiameter: 2 mm; anbefales til små volumener)
• Kappet reaktionsbeholder (50 ml), kompatibel med magnetomrører
• Cirkulerende vandbad (termostatstyret ved 37°C)
• Temperatursonde PT100 (inkluderet i leveringsomfanget af UP200Ht)
• Magnetisk omrører
• Analysevægt (±0,1 mg)
• Vakuumovn eller frysetørre

Kemikalier

• Dextran Methacrylat (Dex-MA), ~20% methacrylation
• Glycerol, ≥99,5 % (vandfri)
• Deioniseret vand

Alle reagenser skal være af analytisk kvalitet. Undgå iltrige miljøer; afgasser opløsningsmidler, hvis det er muligt.

Trin-for-trin procedure: Ultralydshydrogelpolymerisation

1. Fremstilling af polymerisationsblanding
   • Afvej 0,75 g Dex-MA i en 50 ml kappet reaktionsbeholder.
   • Tilsæt 10,5 g glycerol og 3,75 g deioniseret vand.
   • Rør blandingen magnetisk ved stuetemperatur (~22 °C) i 5-10 minutter for at opløse Dex-MA fuldstændigt. En let tyktflydende, homogen opløsning skal resultere.
   • Forvarm vandbadet til 37 °C, og tilslut det til den kappede beholder for at opretholde konstant temperatur.
2. Opsætning af Sonicator
   • Monter S26d2 sonotroden på UP200Ht og sørg for en tæt kobling.
   • Nedsænk spidsen af sonotroden i reaktionsblandingen. Undgå at røre ved karvæggene eller bunden.
   • Placer temperatursonden i opløsningen tæt på sonotroden, men ikke i direkte kontakt. Dette giver dig mulighed for at bruge den integrerede temperaturkontrol af sonikeren.
   • Indstil amplitude til 100 %.
3. ultralyd polymerisation
   • Begynd at omrøre ved 100-200 omdr./min. for at opretholde en skånsom homogenisering.
   • Begynd sonikering ved den passende amplitudeindstilling for at levere ~ 56 W / cm² i 6,5 minutter.
   • Hold opløsningstemperaturen på 37 °C hele vejen igennem. Hvis blandingen begynder at blive varm, skal du øge kølevæskestrømmen eller tilføje is til vandbadet.
   • Gelering begynder typisk inden for 5-6 minutter. Viskositeten vil stige kraftigt.
   • Hvis gelering forekommer før 6,5 min, skal du stoppe sonikering for at undgå overdreven tværbinding eller nedbrydning.
4. Efterbehandling og oprensning
   • Overfør straks gelen til 200 ml deioniseret vand under kraftig omrøring for at udvaske ureageret monomer og glycerol.
   • Rør i 30 minutter, dekanter derefter supernatanten eller filteret.
   • Gentag vask yderligere 3 gange med varmt vand (~60 °C) for forbedret diffusion.
   • Tør gelen under vakuum ved 60 °C i 8 timer, eller lyofiliser for porøse strukturer.

 
Resultatet: En biokompatibel hydrogel
Du bør opnå en gennemsigtig, robust hydrogel med høj konvertering (~70-75%), fremragende tværbinding og minimal resterende monomer. Hydrogelen vil modstå opløsning i vand og udvise en ensartet struktur ved tørring.

 
Bemærkninger til optimal processtyring

Opskaleringen: lineær og enkel med sonikering

På et område, der i stigende grad kræver præcision, renhed og skalerbarhed, tilbyder denne ultralydsmetode et overbevisende alternativ. Det er rumligt kontrollerbart, justerbart i realtid og kompatibelt med kontinuerlig behandling ved hjælp af moderne ultralyd inline-systemer.
Sonikatorer fra Hielscher Ultrasonics leverer nøjagtige amplituder og skalerer lineært fra laboratorie- til produktionsskala, hvilket gør dem ideelle til at omsætte sådanne hydrogel-systemer til terapeutiske og diagnostiske anvendelser i den virkelige verden.

Design, produktion og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydsapparater.

Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: