Ultralydspolymerisering af hydrogeler: Protokol og opskalering

Ultralydsinduceret polymerisering tilbyder en radikalfri, initiatorfri tilgang til syntese af hydrogeler ud fra vandopløselige vinylmonomerer og makromonomerer. Denne metode udnytter den sonokemiske dannelse af radikaler via kavitation og er ideelt egnet til biomedicinske anvendelser, hvor rester af initiatorer skal undgås.

Hydrogeler er tredimensionelle, hydrofile polymernetværk, der kan tilbageholde betydelige mængder vand og samtidig bevare deres strukturelle integritet – en egenskab, der skyldes tværbundne polymerkæder. Deres fysisk-kemiske egenskaber – kvældningsadfærd, mekanisk styrke og biokompatibilitet – gør dem særdeles attraktive til biomedicinske anvendelser, herunder lægemiddellevering, vævsteknologi og sårheling.

Fordelen ved ultralydspolymerisering af hydrogeler

Traditionelt er syntese af hydrogeler baseret på termisk, fotokemisk eller kemisk tværbinding; ultralydsbaseret syntese af hydrogeler vinder dog betydeligt frem, da sonikering tilbyder en enkel, reagensfri, justerbar og mere miljøvenlig tilgang. Ultralydsbaseret syntese af hydrogeler anvender akustisk kavitation til at fremme polymerisering og fysisk eller kemisk tværbinding uden behov for eksterne initiatorer. Ultralydsbehandling kan desuden fremme dispergering af nanopartikler in situ eller initiere radikalreaktioner i vandige medier, hvilket gør den til et alsidigt værktøj til fremstilling af multifunktionelle hydrogeler eller nanokomposithydrogeler under milde betingelser.

Videoklippet ovenfor demonstrerer den ultralydsbaserede syntese af en hydrogel med sonikatoren UP50H og en geldanner med lav molekylvægt. Resultatet er en selvhelende supramolekylær hydrogel. (Undersøgelse og film: Rutgeerts et al., 2019)
 

Biokompatible hydrogeler med sonikering

I bestræbelserne på at udvikle biokompatible hydrogeler, der kan dannes rent, sikkert og efter behov, kommer traditionelle polymeriseringsstrategier ofte til kort. Arbejdet udført af Cass og kolleger præsenterer en effektiv løsning på dette problem: en ren, initiatorfri metode til syntese af hydrogeler med lavfrekvent ultralyd.

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

Akustisk kavitation: Denne metodes funktionsprincip er baseret på et fænomen, der er lige så kraftfuldt, som det er kortvarigt: akustisk kavitation. Ved påvirkning med effektultralyd dannes mikroskopiske bobler, som kollapser voldsomt i væskemediet og skaber lokale varmezoner, hvor temperaturen kortvarigt kan overstige 5000 kelvin. Disse betingelser fremkalder homolytisk spaltning af opløsningsmiddelmolekyler og danner pludseligt en stor mængde reaktive radikaler. I modsætning til konventionel polymerisering, der afhænger af eksterne initiatorer eller varme, leverer ultralyd både den energi og de radikaler, der er nødvendige for at initiere polymerisering – uden at overskride fysiologisk relevante temperaturer i væsken som helhed.

Coopløsningsmiddel: Valget af glycerol som coopløsningsmiddel var ikke tilfældigt. Ud over at øge opløsningens viskositet – en afgørende faktor for at øge kavitationsintensiteten – fungerer glycerol selv som meddonor af radikaler. Dets hydroxylgrupper er kendt for at danne relativt stabile sekundære radikaler og øger dermed radikalernes levetid og fremmer kædevæksten. Desuden hjælper det viskøse, glycerolrige miljø med at indfange nydannede polymerkæder, hvilket reducerer deres opløselighed og beskytter dem mod ultralydsinduceret nedbrydning, som kan forekomme i mere fortyndede vandige systemer.

Ultralydspolymerisering: For at karakterisere polymeriseringens forløb anvendte forskerne infrarød spektroskopi og fulgte reduktionen af vinylgrupper på Dex-MA over tid. Den karakteristiske absorption ved 1635 cm⁻¹ – som angiver C=C-dobbeltbindinger – aftog hurtigt under sonikering, mens estercarbonylgruppens strækningsbånd ved 1730 cm⁻¹ forblev konstant og fungerede som intern reference. Disse data bekræftede ikke blot hurtig omdannelse af vinylgrupperne, men også en høj grad af tværbinding, som dokumenteret ved lave kvældningsforhold og robuste gelstrukturer.

Analyse: Scanningelektronmikroskopi afdækkede desuden udviklingen af gelens mikrostruktur. I de tidlige stadier havde netværket store, åbne porer, men ved fortsat sonikering blev disse udfyldt med en tættere sekundær struktur. Efter 15 minutter udviste hydrogelen en homogent tværbundet morfologi med tæt forbundne porer – et kendetegn ved veldannede biomedicinske geler.

Resultat: Ved sammenligning med hydrogeler fremstillet med termiske frie radikalinitiatorer var forskellene slående. Selv om tilsvarende omdannelsesgrader kunne opnås termisk, var de resulterende netværk mere porøse, mindre ensartede og havde højere kvældningsforhold – tegn på en løsere tværbindingsstruktur. Desuden krævede den termiske proces gennemskylning med nitrogen, kemiske tilsætningsstoffer og højere temperaturer, mens ultralydsmetoden fungerede ved en omgivelsestemperatur på blot 37°C.

Måske er det mest interessante aspekt ved dette arbejde observationen af, at polymeriseringen kan fortsætte, selv efter at ultralyden er stoppet. Gelen fortsatte med at hærde og øge sin styrke i en periode på 30 minutter efter sonikeringens ophør. Dette tyder på, at vedvarende radikaltyper eller mellemstrukturer dannet under sonikeringen kan fortsætte polymerkædernes vækst uden yderligere energitilførsel – en adfærd med potentielt nyttige konsekvenser for in vivo-anvendelser.

Læs mere om fordelene ved ultralydsbaseret produktion af hydrogeler!

Protokol: Ultralydsbaseret syntese af dextranmethacrylat-hydrogel (Dex-MA) med en sonikator

For at syntetisere en kovalent tværbundet Dex-MA-hydrogel kobles højintensiv, lavfrekvent ultralyd ind i en glycerol/vand-opløsning. Temperaturen og ultralydens energitæthed styres præcist.
Nedenfor giver vi vejledningen til ultralydsbaseret syntese af hydrogeler i laboratorieskala, som kan opskaleres lineært til store mængder.

Udstyr og materialer

Udstyr

• Hielscher UP200Ht ultralydsprocessor (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (spidsdiameter: 2 mm; anbefales til små volumener)
• Reaktionsbeholder med kappe (50 mL), kompatibel med magnetomrører
• Cirkulerende vandbad (termostatstyret ved 37°C)
• Temperaturføler PT100 (medfølger ved levering af UP200Ht)
• Magnetomrører
• Analysevægt (±0,1 mg)
• Vakuumovn eller frysetørrer

Kemikalier

• Dextranmethacrylat (Dex-MA), ~20% methacrylering
• Glycerol, ≥99,5% (vandfri)
• Deioniseret vand

Alle reagenser bør være af analysekvalitet. Undgå iltrige miljøer; afgas om muligt opløsningsmidlerne.

Trinvis fremgangsmåde: Ultralydspolymerisering af hydrogeler

1. Klargøring af polymeriseringsblandingen
   • Afvej 0,75 g Dex-MA i en reaktionsbeholder med kappe på 50 mL.
   • Tilsæt 10,5 g glycerol og 3,75 g deioniseret vand.
   • Omrør blandingen med en magnetomrører ved stuetemperatur (~22 °C) i 5–10 minutter for at opløse Dex-MA fuldstændigt. Resultatet bør være en let viskøs, homogen opløsning.
   • Forvarm vandbadet til 37 °C, og tilslut det til beholderens kappe for at opretholde en konstant temperatur.
2. Opsætning af sonikatoren
   • Monter S26d2-sonotroden på UP200Ht, og sørg for en fast kobling.
   • Nedsænk sonotrodens spids i reaktionsblandingen. Undgå kontakt med beholderens vægge eller bund.
   • Placer temperaturføleren i opløsningen tæt på sonotroden, men uden direkte kontakt. Dette gør det muligt at bruge sonikatorens integrerede temperaturstyring.
   • Indstil amplituden til 100%.
3. Ultralydspolymerisering
   • Start omrøring ved 100–200 rpm for at opretholde skånsom homogenisering.
   • Begynd sonikering ved den passende amplitudeindstilling for at levere ~56 W/cm² i 6,5 minutter.
   • Hold opløsningens temperatur på 37°C under hele processen. Hvis blandingen begynder at blive varmere, øges kølevæskens strømningshastighed, eller der tilsættes is til vandbadet.
   • Geldannelsen begynder typisk inden for 5–6 minutter. Viskositeten vil stige kraftigt.
   • Hvis geldannelsen sker før 6,5 min, skal sonikeringen stoppes for at undgå for kraftig 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.
   • Omrør i 30 minutter, og dekanter derefter supernatanten, eller filtrer.
   • Gentag vasken yderligere 3 gange med varmt vand (~60 °C) for at forbedre diffusionen.
   • Tør gelen under vakuum ved 60°C i 8 timer, eller frysetør den for at opnå porøse strukturer.

 
Resultatet: En biokompatibel hydrogel
Du bør opnå en transparent, robust hydrogel med høj omdannelsesgrad (~70–75%), fremragende tværbinding og minimale rester af monomer. Hydrogelen vil modstå opløsning i vand og udvise en ensartet struktur efter tørring.

 
Bemærkninger om optimal processtyring

Opskaleringen: Lineær og enkel med sonikering

Inden for et område, der i stigende grad kræver præcision, renhed og skalerbarhed, tilbyder denne ultralydsmetode et overbevisende alternativ. Den kan styres rumligt, justeres i realtid og anvendes til kontinuerlig behandling med moderne inline-ultralydssystemer.
Sonikatorer fra Hielscher Ultrasonics leverer præcise amplituder og kan skaleres lineært fra laboratorieskala til produktionsskala – hvilket gør dem ideelle til at omsætte sådanne hydrogelsystemer til praktiske terapeutiske og diagnostiske anvendelser.

Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielschers ultralydsenheder er kendt for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør problemfri integration af vores ultralydsenheder i industrianlæg. Hielschers ultralydsenheder håndterer uden problemer barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsenheder med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Hielschers ultralydsenheder er naturligvis CE-kompatible og opfylder kravene fra UL, CSA og RoHs.

Tabellen nedenfor giver en indikation af vores ultralydsenheders omtrentlige behandlingskapacitet: