Ultraschallsynthese molekular geprägter Polymere (MIPs)

Molekular geprägte Polymere (MIPs) sind künstlich entwickelte Rezeptoren mit einer vorgegebenen Selektivität und Spezifität für eine bestimmte biologische oder chemische Molekülstruktur. Die Ultraschallbehandlung kann verschiedene Synthesewege molekular geprägter Polymere verbessern und die Polymerisation effizienter und zuverlässiger machen.

Was sind molekular geprägte Polymere?

Ein molekular geprägtes Polymer (MIP) ist ein polymerer Werkstoff mit antikörperähnlichen Erkennungseigenschaften, der durch molekulare Prägung hergestellt wurde. Bei der molekularen Prägung wird ein molekular geprägtes Polymer für ein bestimmtes Zielmolekül erzeugt. Das molekular geprägte Polymer weist in seiner Polymermatrix Hohlräume mit einer Affinität für das spezifische „Templatmolekül“ auf. Das Verfahren umfasst üblicherweise die Initiierung der Polymerisation von Monomeren in Gegenwart eines Templatmoleküls, das anschließend extrahiert wird und komplementäre Hohlräume hinterlässt. Diese Polymere besitzen eine Affinität zum ursprünglichen Molekül und werden beispielsweise für chemische Trennungen, die Katalyse oder molekulare Sensoren eingesetzt. Molekular geprägte Moleküle lassen sich mit einem molekularen Schloss vergleichen, zu dem ein molekularer Schlüssel passt – das sogenannte Templatmolekül. Molekular geprägte Polymere (MIPs) zeichnen sich durch gezielt angepasste Bindungsstellen aus, die in Form, Größe und funktionellen Gruppen zu den Templatmolekülen passen. Das Schlüssel-Schloss-Prinzip ermöglicht den Einsatz molekular geprägter Polymere in verschiedenen Anwendungen, bei denen ein bestimmter Molekültyp erkannt und an das molekulare Schloss, also das molekular geprägte Polymer, gebunden wird.

Die schematische Darstellung zeigt den Weg der molekularen Prägung von Cyclodextrinen zur Herstellung maßgeschneiderter Rezeptoren.
Studie und Abbildung: Hishiya et al. 2003

Molekular geprägte Polymere (MIPs) haben ein breites Anwendungsspektrum und werden zur Trennung und Reinigung bestimmter biologischer oder chemischer Moleküle eingesetzt, darunter Aminosäuren und Proteine, Nukleotidderivate, Schadstoffe sowie Arzneimittel und Lebensmittel. Die Anwendungsgebiete reichen von der Trennung und Reinigung über chemische Sensoren, katalytische Reaktionen und die Wirkstoffabgabe bis hin zu biologischen Antikörpern und Rezeptorsystemen. (vgl. Vasapollo et al. 2011)
Beispielsweise wird die MIP-Technologie als Verfahren zur Festphasenmikroextraktion eingesetzt, um aus Cannabis gewonnene Moleküle wie CBD oder THC aus dem Vollspektrumextrakt aufzubereiten und zu reinigen und so Cannabinoid-Isolate und -Destillate zu erhalten.

Ultraschallsynthese molekular geprägter Moleküle

Je nach Art des Zielmoleküls (Templats) und der endgültigen Anwendung des MIP lassen sich MIPs in unterschiedlichen Formen synthetisieren, etwa als kugelförmige Partikel im Nano- und Mikrometerbereich, Nanodrähte, Nanostäbchen, Nanofilamente oder dünne Filme. Zur Herstellung einer bestimmten MIP-Form können verschiedene Polymerisationsverfahren eingesetzt werden, darunter Masseprägung, Fällung, Emulsionspolymerisation, Suspension, Dispersion, Gelierung und mehrstufige Quellpolymerisation.
Der Einsatz niederfrequenten Ultraschalls hoher Intensität bietet ein hocheffizientes, vielseitiges und einfaches Verfahren zur Synthese polymerer Nanostrukturen.
Die Beschallung bietet bei der MIP-Synthese gegenüber herkömmlichen Polymerisationsverfahren mehrere Vorteile, da sie höhere Reaktionsgeschwindigkeiten, ein gleichmäßigeres Wachstum der Polymerketten, höhere Ausbeuten und mildere Bedingungen (z. B. niedrige Reaktionstemperaturen) begünstigt. Darüber hinaus kann sie die Verteilung der Bindungsstellenpopulationen und damit die Morphologie des fertigen Polymers verändern. (Svenson 2011)
Durch den Einsatz sonochemischer Energie bei der Polymerisation von MIPs werden Polymerisationsreaktionen initiiert und positiv beeinflusst. Gleichzeitig fördert die Beschallung eine wirksame Entgasung des Polymergemischs, ohne die Bindungskapazität oder Steifigkeit zu beeinträchtigen.
Das Homogenisieren, Dispergieren und Emulgieren mit Ultraschall ermöglicht eine besonders intensive Durchmischung und Bewegung, um homogene Suspensionen zu bilden und die Initiierungsenergie für Polymerisationsprozesse bereitzustellen. Viveiros et al. (2019) untersuchten das Potenzial der MIP-Synthese mit Ultraschall und stellten fest, dass „mit Ultraschall hergestellte MIPs ähnliche oder bessere Bindungseigenschaften aufwiesen als mit herkömmlichen Methoden hergestellte MIPs“.
MIPs im Nanoformat eröffnen vielversprechende Möglichkeiten, die Homogenität der Bindungsstellen zu verbessern. Die Ultraschallbehandlung ist für ihre außergewöhnlichen Ergebnisse bei der Herstellung von Nanodispersionen und Nanoemulsionen bekannt.

Nanoemulsionspolymerisation mit Ultraschall

MIPs können durch Emulsionspolymerisation synthetisiert werden. Die Emulsionspolymerisation erfolgt üblicherweise durch Bildung einer Öl-in-Wasser-Emulsion unter Zugabe eines Tensids. Zur Bildung einer stabilen Emulsion im Nanometerbereich ist ein leistungsfähiges Emulgierverfahren erforderlich. Das Emulgieren mit Ultraschall ist ein bewährtes Verfahren zur Herstellung von Nano- und Miniemulsionen.
Erfahren Sie mehr über die Nanoemulgierung mit Ultraschall!

Ultraschall kann die folgenden Synthesewege zur Herstellung von Nano-MIPs verbessern: Fällungspolymerisation, Emulsionspolymerisation und Kern-Schale-Polymerisation.
Studie und Abbildung von: Refaat et al. 2019

Ultraschallextraktion des Templats

Nach der Synthese molekular geprägter Polymere muss das Templat aus der Bindungsstelle entfernt werden, um ein aktives molekular geprägtes Polymer zu erhalten. Die intensiven Mischkräfte der Beschallung fördern Löslichkeit, Diffusionsvermögen, Eindringen und Transport von Lösungsmittel- und Templatmolekülen. Dadurch werden die Template rasch aus den Bindungsstellen entfernt.
Die Ultraschallextraktion kann auch mit der Soxhlet-Extraktion kombiniert werden, um das Templat aus dem geprägten Polymer zu entfernen.

Fallstudien: Ultraschallanwendungen für molekular geprägte Polymere

Ultraschallsynthese molekular geprägter Polymere

Die Verkapselung magnetischer Nanopartikel mit 17β-Estradiol-geprägten Polymeren über einen ultraschallgestützten Syntheseweg ermöglicht eine schnelle Entfernung von 17β-Estradiol aus wässrigen Umgebungen. Für die Ultraschallsynthese der Nano-MIPs wurden Methacrylsäure (MAA) als Monomer, Ethylenglykoldimethacrylat (EGDMA) als Vernetzer und Azobisisobutyronitril (AIBN) als Initiator verwendet. Die Ultraschallsynthese wurde für 2 h bei 65 ºC durchgeführt. Die mittleren Partikeldurchmesser der magnetischen NIPs und der magnetischen MIPs betrugen 200 bzw. 300 nm. Der Einsatz von Ultraschall verbesserte nicht nur die Polymerisationsgeschwindigkeit und die Morphologie der Nanopartikel, sondern führte auch zu einer Zunahme der Anzahl freier Radikale und erleichterte dadurch das Wachstum der MIPs um die magnetischen Nanopartikel. Die Adsorptionskapazität für 17β-Estradiol war mit der herkömmlicher Ansätze vergleichbar. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultraschall für molekular geprägte Sensoren

Yu et al. entwickelten einen molekular geprägten elektrochemischen Sensor auf Basis von Elektroden, die mit Nickelnanopartikeln modifiziert waren, zur Bestimmung von Phenobarbital. Der beschriebene elektrochemische Sensor wurde durch thermische Polymerisation unter Verwendung von Methacrylsäure (MAA) als funktionellem Monomer, 2,2-Azobisisobutyronitril (AIBN) und Ethylenglykolmaleinrosinat (EGMRA)-Acrylat als Vernetzern, Phenobarbitalen (PBs) als Templatmolekül und Dimethylsulfoxid (DMSO) als organischem Lösungsmittel hergestellt. Bei der Sensorherstellung wurden 0,0464 g PB und 0,0688 g MAA in 3 mL DMSO gemischt und für 10 min beschallt. Nach 5 h wurden 1,0244 g EGMRA und 0,0074 g AIBN zum Gemisch gegeben und für 30 min beschallt, um PB-geprägte Polymerlösungen zu erhalten. Anschließend wurden 10 μL einer Ni-Nanopartikellösung mit einer Konzentration von 2,0 mg mL^-1 auf die GCE-Oberfläche getropft und der Sensor bei Raumtemperatur getrocknet. Danach wurden etwa 5 μL der hergestellten PB-geprägten Polymerlösung auf die mit Ni-Nanopartikeln modifizierte GCE aufgetragen und für 6 h bei 75 ◦C im Vakuum getrocknet. Nach der thermischen Polymerisation wurde der geprägte Sensor für 7 min mit HAc (Essigsäure)/Methanol (Volumenverhältnis 3:7) gewaschen, um die Templatmoleküle zu entfernen. (vgl. Uygun et al. 2015)

Ultraschallmikroextraktion mit MIPs

Zur Gewinnung des Analyten Nicotinamid aus Proben wird eine ultraschallunterstützte dispersive Festphasenmikroextraktion mit anschließender Messung mittels UV-Vis-Spektrophotometer (UA-DSPME-UV-vis) eingesetzt. Für die Extraktion und Voranreicherung von Nicotinamid (Vitamin B3) wurden molekular geprägte Polymere auf Basis des metallorganischen Gerüsts (MOF) HKUST-1 verwendet. (Asfaram et al. 2017)

Hochleistungsultraschallgeräte für Polymeranwendungen

Vom Labor zur Produktion mit linearer Skalierbarkeit: Gezielt entwickelte molekular geprägte Polymere werden zunächst im kleinen Labor- und Technikumsmaßstab entwickelt und getestet, um die Machbarkeit der Polymersynthese zu untersuchen. Sobald die Machbarkeit nachgewiesen und die Optimierung der MIPs abgeschlossen ist, wird die MIP-Produktion auf größere Volumina skaliert. Alle ultraschallgestützten Synthesewege lassen sich vom Technikumsmaßstab bis zur kommerziellen Produktion linear skalieren. Hielscher Ultrasonics bietet sonochemische Geräte für die Polymersynthese im kleinen Labor- und Technikumsmaßstab bis hin zu vollständig industriellen Inline-Ultraschallsystemen für die 24/7-Produktion unter Volllast. Ultraschallverfahren lassen sich vom Reagenzglasvolumen bis zu großen Produktionskapazitäten von Lkw-Ladungen pro Stunde linear skalieren. Das umfangreiche Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics, von Laborgeräten bis zu industriellen sonochemischen Systemen, bietet das passende Ultraschallgerät für Ihre angestrebte Prozesskapazität. Unser langjährig erfahrenes Team unterstützt Sie von Machbarkeitstests und der Prozessoptimierung bis zur Installation Ihres Ultraschallsystems im endgültigen Produktionsmaßstab.

Hielscher Ultrasonics – Ausgereifte sonochemische Geräte

Das Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics umfasst das gesamte Spektrum leistungsstarker Ultraschallextraktoren vom kleinen bis zum großen Maßstab. Zusätzliches Zubehör ermöglicht die einfache Zusammenstellung der für Ihren Prozess am besten geeigneten Ultraschallgerätekonfiguration. Die optimale Ultraschallkonfiguration hängt von der angestrebten Kapazität, dem Volumen, dem Material, dem Chargen- oder Inline-Verfahren und dem Zeitplan ab. Hielscher unterstützt Sie bei der Einrichtung des idealen sonochemischen Prozesses.

Chargen- und Inline-Verarbeitung

Ultraschallgeräte von Hielscher können zur Chargenverarbeitung und zur kontinuierlichen Durchflussverarbeitung eingesetzt werden. Kleine und mittlere Volumina lassen sich bequem im Chargenverfahren beschallen (z. B. in Probenfläschchen, Reagenzgläsern, Bechergläsern, Tanks oder Fässern). Für die Verarbeitung großer Volumina kann die Inline-Beschallung effektiver sein. Während die Chargenverarbeitung zeit- und arbeitsintensiver ist, ist ein kontinuierlicher Inline-Mischprozess effizienter, schneller und erfordert deutlich weniger Arbeitsaufwand. Hielscher Ultrasonics bietet die passende Extraktionskonfiguration für Ihre Polymerisationsreaktion und Ihr Prozessvolumen.

Sonotroden für jede Produktionskapazität

Das Produktsortiment von Hielscher Ultrasonics umfasst das gesamte Spektrum an Ultraschallprozessoren, von kompakten Laborultraschallgeräten über Technikums- und Pilotanlagen bis hin zu vollständig industriellen Ultraschallprozessoren, die Lkw-Ladungen pro Stunde verarbeiten können. Dieses umfassende Sortiment ermöglicht es uns, Ihnen die passende Ultraschallausrüstung für Ihre Polymere, Ihre Prozesskapazität und Ihre Produktionsziele anzubieten.
Ultraschallsysteme im Technikumsmaßstab eignen sich ideal für Machbarkeitstests und die Prozessoptimierung. Die lineare Maßstabsvergrößerung auf Basis etablierter Prozessparameter erleichtert die Steigerung der Verarbeitungskapazitäten von kleineren Chargen bis zur kommerziellen Produktion erheblich. Die Maßstabsvergrößerung kann entweder durch die Installation einer leistungsstärkeren Ultraschallextraktionseinheit oder durch die Parallelschaltung mehrerer Ultraschallgeräte erfolgen. Mit dem UIP16000 bietet Hielscher das weltweit leistungsstärkste Ultraschallgerät.

Präzise regelbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Ultraschallgeräte von Hielscher lassen sich präzise regeln und sind damit zuverlässige Arbeitspferde in der Produktion. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, die die Effizienz und Wirksamkeit sonochemischer Reaktionen einschließlich der Polymerisationsreaktionen und Synthesewege beeinflussen.
Alle Prozessoren von Hielscher Ultrasonics ermöglichen eine präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Booster sind Zubehörteile, mit denen sich die Amplitude in einem noch größeren Bereich verändern lässt. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und die für anspruchsvolle Anwendungen erforderliche Ultraschallintensität bereitstellen. Amplituden von bis zu 200 µm lassen sich problemlos im kontinuierlichen 24/7-Betrieb einsetzen.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die permanente Überwachung der Ultraschallprozessparameter mittels intelligenter Software ermöglichen es Ihnen, Ihre molekular geprägten Polymere unter den wirksamsten Ultraschallbedingungen zu synthetisieren. Optimale Beschallung für beste Polymerisationsergebnisse!
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen. Damit sind die Ultraschallgeräte von Hielscher zuverlässige Arbeitsmittel, die Ihre sonochemischen Prozessanforderungen erfüllen.

Einfache, risikofreie Tests

Ultraschallprozesse lassen sich vollständig linear skalieren. Das bedeutet, dass jedes mit einem Labor- oder Technikumsultraschallgerät erzielte Ergebnis bei exakt gleichen Prozessparametern auf einen größeren Maßstab mit genau gleichem Ergebnis übertragen werden kann. Damit eignet sich die Ultraschallbehandlung ideal für risikofreie Machbarkeitstests, die Prozessoptimierung und die anschließende Umsetzung in der kommerziellen Fertigung. Kontaktieren Sie uns, um zu erfahren, wie die Beschallung Ihre MIP-Ausbeute und -Qualität steigern kann.

Höchste Qualität – Entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als familiengeführtes Unternehmen in Familienbesitz legt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren größten Wert auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden an unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin, Deutschland, entwickelt, gefertigt und gründlich geprüft. Die Robustheit und Zuverlässigkeit der Ultraschallgeräte von Hielscher machen sie zu Arbeitspferden in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist eine selbstverständliche Eigenschaft der Hochleistungsmischer von Hielscher.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Sie können Ultraschallprozessoren von Hielscher in verschiedenen Größen und exakt auf Ihre Prozessanforderungen abgestimmt erwerben. Von der Behandlung von Reaktanten in einem kleinen Laborröhrchen bis zum kontinuierlichen Mischen von Polymersuspensionen im Durchfluss auf industrieller Ebene bietet Hielscher Ultrasonics das passende Ultraschallgerät für Sie! Kontaktieren Sie uns – wir empfehlen Ihnen gerne die ideale Ultraschallkonfiguration!