Molecular Imprinted Polymers (MIPs) sind künstlich erstellte Rezeptoren mit einer vorgegebenen Selektivität und Spezifität für eine gegebene biologische oder chemische Molekülstruktur. Mittels Ultraschall können verschiedene Synthesewege zur Herstellung von Molecular Imprinted Polymers verbessert werden, wodurch die Polymerisation effizienter und zuverlässiger wird.

Was sind Molecular Imprinted Polymers?

Ein Molecular Imprinted Polymer (MIP) ist ein Polymermaterial mit antikörper-ähnlichen Erkennungsmerkmalen, welche mittels Molecular Imprinting (molekulares Prägen) hergestellt werden. Die molekulare Prägetechnik erzeugt ein molekular geprägtes Polymer, das auf ein spezifisches Zielmolekül zugeschnitten ist. Das Molecular Imprinted Polymer hat Hohlräume in seiner Polymermatrix, die eine Affinität für das spezifische Zielmolekül aufweisen. „Vorlage“ Molekül. Der Prozess beinhaltet normalerweise die Initiierung der Polymerisation von Monomeren in Gegenwart eines Template-Moleküls, das anschließend extrahiert wird, wobei komplementäre Hohlräume zurückbleiben. Diese Polymere haben eine Affinität zum ursprünglichen Molekül und wurden in Anwendungen wie chemischen Trennungen, Katalyse oder molekularen Sensoren verwendet. Molekular geprägte Moleküle kann man mit einem molekularen Schloss vergleichen, das zu einem molekularen Schlüssel passt (das so genannte Template-Molekül). Molekular geprägte Polymere (MIPs) zeichnen sich durch spezifisch zugeschnittene Bindungsstellen aus, die in Form, Größe und funktionellen Gruppen zu den Template-Molekülen passen. Das "Schloss – Schlüssel"-Merkmal ermöglicht die Verwendung von molekular geprägten Polymeren für verschiedene Anwendungen, bei denen ein bestimmter Molekültyp erkannt und an das molekulare Schloss, d.h. das molekular geprägte Polymer, gebunden wird.

Die schematische Darstellung zeigt den molekularen Prägepfad von Cyclodextrinen für die Herstellung maßgeschneiderter Rezeptoren.
Studie und Bild: Hishiya et al. 2003

Molekular geprägte Polymere (MIPs) haben ein breites Anwendungsfeld und werden zur Trennung und Reinigung bestimmter biologischer oder chemischer Moleküle einschließlich Aminosäuren und Proteinen, Nukleotidderivaten, Schadstoffen sowie Medikamenten und Lebensmitteln verwendet. Die Anwendungsbereiche reichen von der Trennung und Reinigung bis hin zu chemischen Sensoren, katalytischen Reaktionen, Medikamentenabgabe, biologischen Antikörpern und Rezeptorsystemen. (vgl. Vasapollo et al. 2011)
Beispielsweise wird die MIP-Technologie als Festphasen-Mikroextraktionstechnik eingesetzt, um von Cannabis abgeleitete Moleküle wie CBD oder THC aus dem Vollspektrum-Extrakt zu bearbeiten und zu reinigen, um Cannabinoid-Isolate und -Destillate zu erhalten.

Ultraschall-Synthese von molekular gedruckten Molekülen

Je nach Art des Ziels (Template) und der endgültigen Anwendung des MIP können MIPs in verschiedenen Formaten synthetisiert werden, wie z.B. nano- und mikrometergroße sphärische Partikel, Nanodrähte, Nanostäbe, Nanofilamente oder dünne Filme. Um eine spezifische MIP-Form herzustellen, können verschiedene Polymerisationstechniken wie Bulk-Imprinting, Fällung, Emulsionspolymerisation, Suspension, Dispersion, Gelierung und mehrstufige Quellpolymerisation angewendet werden.
Die Anwendung von niederfrequentem, hochintensivem Ultraschall bietet eine hocheffiziente, vielseitige und einfache Technik zur Synthese von polymeren Nanostrukturen.
Die Sonikation bringt bei der MIP-Synthese im Vergleich zu traditionellen Polymerisationsverfahren mehrere Vorteile, da sie höhere Reaktionsgeschwindigkeiten, ein homogeneres Wachstum der Polymerkette, höhere Ausbeuten und mildere Bedingungen (z.B. niedrige Reaktionstemperatur) fördert. Darüber hinaus kann sie die Verteilung der Bindungsstellenpopulation und damit die Morphologie des Endpolymers verändern. (Svenson 2011)
Durch die Anwendung sonochemischer Energie bei der Polymerisation von MIPs werden Polymerisationsreaktionen initiiert und positiv beeinflusst. Gleichzeitig fördert die Beschallung eine effektive Entgasung der Polymermischung, ohne die Bindungskapazität oder Steifigkeit zu beeinträchtigen.
Ultraschall-Homogenisieren, -Dispergieren und -Emulgieren bietet überlegenes Mischen und Rühren zur Bildung homogener Suspensionen und zur Bereitstellung von Initiierungsenergie für Polymerisationsprozesse. Viveiros et al. (2019) untersuchten das Potenzial der Ultraschall-MIP-Synthese und stellen fest, dass "MIPs, die mit Ultraschall hergestellt wurden, Bindungseigenschaften aufweisen, die den herkömmlichen Methoden ähnlich oder überlegen sind".
MIPs im Nanoformat eröffnen vielversprechende Möglichkeiten zur Verbesserung der Homogenität der Bindungsstellen. Der Ultraschall ist bekannt für seine aussergewöhnlichen Ergebnisse bei der Herstellung von Nanodispersionen und Nanoemulsionen.

Ultraschall-Nano-Emulsionspolymerisation

MIPs können durch Emulsionspolymerisation synthetisiert werden. Die Emulsionspolymerisation wird üblicherweise durch die Bildung einer Öl-in-Wasser-Emulsion unter Zugabe eines Tensids erreicht. Um eine stabile Emulsion in Nanogröße zu bilden, ist eine leistungsstarke Emulgiertechnik erforderlich. Die Ultraschall-Emulgierung ist eine gut etablierte Technik zur Herstellung von Nano- und Mini-Emulsionen.
Lesen Sie mehr über die ultraschall-gestützte Nano-Emulgierung!

Ultraschall kann die folgenden Synthesewege für die Herstellung von nanoMIP verbessern: Fällungspolymerisation, Emulsionspolymerisation und Kern-Schale-Polymerisation.
Studie und Bild von: Refaat et al. 2019

Ultraschall-Extraktion der Schablone

Nach der Synthese von molekular geprägten Polymeren muss die Schablone von der Bindungsstelle entfernt werden, um ein aktives molekular geprägtes Polymer zu erhalten. Die intensiven Mischkräfte der Beschallung fördern Löslichkeit, Diffusionsvermögen, Penetration und Transport von Lösungsmittel- und Templatmolekülen. Dadurch werden die Templates schnell von den Bindungsstellen entfernt.
Die Ultraschallextraktion kann auch mit der Soxhlet-Extraktion kombiniert werden, um die Schablone aus dem aufgedruckten Polymer zu entfernen.

Fallstudien: Ultraschallanwendungen für molekular bedruckte Polymere

Ultraschall-Synthese von molekular bedruckten Polymeren

Die Einkapselung von magnetischen Nanopartikeln durch mit 17β-Östradiol bedruckte Polymere unter Verwendung einer Ultraschall-Syntheseroute erreicht eine schnelle Entfernung von 17β-Östradiol aus wässrigen Umgebungen. Für die Ultraschallsynthese der nanoMIPs wurde Methacrylsäure (MAA) als Monomer, Ethylenglykoldimethylacrylat (EGDMA) als Vernetzer und Azobisisobutyronitril (AIBN) als Initiator verwendet. Das Ultraschall-Syntheseverfahren wurde 2 Stunden lang bei 65ºC durchgeführt. Die durchschnittlichen Teilchengrößendurchmesser von magnetischen NIPs und magnetischen MIPs betrugen 200 bzw. 300 nm. Der Einsatz von Ultraschall verbesserte nicht nur die Polymerisationsgeschwindigkeit und Morphologie der Nanopartikel, sondern führte auch zu einer Erhöhung der Anzahl freier Radikale und erleichterte so das Wachstum der MIPs um die magnetischen Nanopartikel herum. Die Adsorptionskapazität gegenüber 17β-Östradiol war vergleichbar mit traditionellen Ansätzen. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultraschall für molekular-gedruckte Sensoren

Yu et al. entwarfen einen molekular geprägten elektrochemischen Sensor auf der Basis von mit Nickel-Nanopartikeln modifizierten Elektroden für die Phenobarbitalbestimmung. Der berichtete elektrochemische Sensor wurde durch thermische Polymerisation unter Verwendung von Methacrylsäure (MAA) als funktionelles Monomer, 2,2-Azobisisobutyronitril (AIBN) und Ethylenglykolmaleinrosinat (EGMRA) Acrylat als Vernetzungsmittel, Phenobarbital (PBs) als Template-Molekül und Dimethylsulfoxid (DMSO) als organisches Lösungsmittel entwickelt. Im Sensorherstellungsprozess wurden 0,0464 g PB und 0,0688 g MAA in 3 mL DMSO gemischt und 10 Minuten lang beschallt. Nach 5 h wurden 1,0244 g EGMRA und 0,0074 g AIBN in die Mischung gegeben und 30 min beschallt, um PB-bedruckte Polymerlösungen zu erhalten. Danach wurden 10 μL von 2,0 mg mL^-1Ni-Nanopartikellösung fiel auf die GCE-Oberfläche und dann wurde der Sensor bei Raumtemperatur getrocknet. Ungefähr 5 μL der vorbereiteten PB-gedruckten Polymerlösung wurden dann auf die mit Ni-Nanopartikeln modifizierte GCE-Oberfläche aufgetragen und bei 75◦C für 6 h vakuumgetrocknet. Nach der thermischen Polymerisation wurde der gedruckte Sensor mit (Essigsäure) HAc/Methanol (Volumenverhältnis 3:7) für 7 min gewaschen, um die Template-Moleküle zu entfernen. (vgl. Uygun et al. 2015)

Ultraschall-Mikro-Extraktion mit MIPs

Zur Wiedergewinnung von Nicotinamid-Analysen aus Proben wird eine ultraschallunterstützte dispersive Festphasenmikroextraktion mit anschließender UV-vis-Spektrophotometer (UA-DSPME-UV-vis) angewandt. Für die Extraktion und Anreicherung von Nicotinamid (Vitamin B3) wurden HKUST-1 metallorganische Gerüststoffe (MOF) auf der Basis molekular geprägter Polymere verwendet. (Asfaram et al. 2017)

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für Polymeranwendungen

Vom Labor zur Produktion mit linearer Skalierbarkeit: Spezifisch entwickelte molekular geprägte Polymere werden zunächst im kleinen Labor- und Tischmaßstab entwickelt und getestet, um die Durchführbarkeit der Polymersynthese zu untersuchen. Wenn die Durchführbarkeit und die Optimierung der MIPs erreicht sind, wird die MIP-Produktion auf größere Mengen skaliert. Die Ultraschall-Syntheserouten können alle linear vom Labormaßstab bis zur vollständig kommerziellen Produktion skaliert werden. Hielscher Ultrasonics bietet sonochemische Geräte für die Polymersynthese in kleinen Labor- und Tischanlagen bis hin zu vollindustriellen Inline-Ultraschallsystemen für die 24/7-Produktion unter Volllast. Ultraschall kann linear skaliert werden von der Reagenzglasgröße bis zu großen Produktionskapazitäten von LKW-Ladungen pro Stunde. Das umfangreiche Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics vom Labor bis hin zu industriellen sonochemischen Systemen bietet Ihnen den am besten geeigneten Ultraschall-Indikator für Ihre geplante Prozesskapazität. Unsere langjährig erfahrenen Mitarbeiter begleiten Sie von der Machbarkeitsprüfung und Prozessoptimierung bis hin zur Installation Ihrer Ultraschallanlage in der Endfertigung.

Hielscher Ultrasonics – Hochentwickelte sonochemische Ausrüstung

Das Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics umfasst die gesamte Palette von Hochleistungs-Ultraschall-Absaugern von klein bis groß. Zusätzliches Zubehör ermöglicht die einfache Montage der für Ihren Prozess am besten geeigneten Ultraschallgerätekonfiguration. Die optimale Ultraschallkonfiguration hängt von der geplanten Kapazität, dem Volumen, dem Material, der Charge oder dem Inline-Prozess und der Zeitachse ab. Hielscher hilft Ihnen bei der Einrichtung des idealen sonochemischen Prozesses.

Batch und Inline

Hielscher-Ultraschallgeräte können für Batch- und kontinuierliche Durchflussverarbeitung eingesetzt werden. Kleine und mittlere Volumina können bequem in einem Batch-Prozess beschallt werden (z.B. Fläschchen, Test, Röhrchen, Bechergläser, Tanks oder Fässer). Bei der Verarbeitung großer Volumina kann die Inline-Schallbeschallung effektiver sein. Während das Chargenverfahren zeit- und arbeitsintensiver ist, ist ein kontinuierliches Inline-Mischverfahren effizienter, schneller und erfordert deutlich weniger Arbeitsaufwand. Hielscher Ultrasonics hat die am besten geeignete Extraktionsanordnung für Ihre Polymerisationsreaktion und Ihr Prozessvolumen.

Ultraschallsonden für jede Produktkapazität

Die Produktpalette von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum der Ultraschallprozessoren ab, von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Tisch- und Pilotsysteme bis hin zu vollindustriellen Ultraschallprozessoren mit der Kapazität zur Bearbeitung von LKW-Ladungen pro Stunde. Die vollständige Produktpalette ermöglicht es uns, Ihnen die für Ihre Polymere, Ihre Prozesskapazität und Ihre Produktionsziele am besten geeigneten Ultraschallgeräte anzubieten.
Ultraschall-Tischsysteme sind ideal für Machbarkeitstests und Prozessoptimierung. Das lineare Scale-up auf der Grundlage etablierter Prozessparameter macht es sehr einfach, die Verarbeitungskapazitäten von kleineren Losen bis hin zur vollständig kommerziellen Produktion zu erhöhen. Das Up-Scaling kann entweder durch die Installation einer leistungsfähigeren Ultraschall-Absaugeinheit oder durch die Bündelung mehrerer Ultraschallgeräte parallel erfolgen. Mit dem UIP16000 bietet Hielscher das weltweit leistungsstärkste Ultraschallgerät an.

Präzise kontrollierbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Hielscher-Ultraschallgeräte sind präzise steuerbar und damit zuverlässige Arbeitspferde in der Produktion. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, die die Effizienz und Effektivität von sonochemischen Reaktionen einschließlich Polymerisationsreaktionen und Syntheserouten beeinflussen.
Alle Hielscher Ultrasonics‘ Prozessoren ermöglichen die präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Booster-Hörner sind Zubehörteile, welche es erlauben, die Amplitude in einem noch größeren Spektrum zu verändern. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und liefern die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle Anwendungen. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich betrieben werden.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die permanente Überwachung der Ultraschallprozessparameter durch eine intelligente Software geben Ihnen die Möglichkeit, Ihre molekular geprägten Polymere unter den effektivsten Ultraschallbedingungen zu synthetisieren. Optimale Beschallung für beste Polymerisationsergebnisse!
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen. Dies macht die Ultraschallgeräte von Hielscher zu einem zuverlässigen Arbeitsgerät, das Ihre sonochemischen Prozessanforderungen erfüllt.

Einfache, risikofreie Erprobung

Ultraschallprozesse können vollständig linear skaliert werden. Das bedeutet, dass jedes Ergebnis, das Sie mit einem Labor- oder Tisch-Ultraschallgerät erzielt haben, auf exakt die gleiche Leistung mit den exakt gleichen Prozessparametern skaliert werden kann. Dies macht Ultraschall ideal für risikofreie Machbarkeitsprüfungen, Prozessoptimierung und die anschließende Implementierung in die kommerzielle 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 setzt Hielscher auf höchste Qualitätsstandards für seine Ultraschallprozessoren. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin entwickelt, hergestellt und gründlich getestet. Robustheit und Zuverlässigkeit machen Hielscher Ultraschallgeräte zu einer zuverlässigen Technologie in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist ein selbstverständliches Merkmal der Hielscher Hochleistungsmischer.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Sie können den Hielscher Ultraschallprozessor in jeder beliebigen anderen Größe und exakt auf Ihre Prozessanforderungen konfiguriert kaufen. Von der Behandlung von Reaktanten in einem kleinen Laborröhrchen bis hin zum kontinuierlichen Durchflussmischen von Polymer-Slurries auf industrieller Ebene bietet Hielscher Ultrasonics den passenden Ultraschallprozessor für Sie! Bitte kontaktieren Sie uns – wir empfehlen Ihnen gerne den idealen Ultraschallaufbau!