Ultraschall-Synthese von Molecular Imprinted Polymers (MIPs)

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 in der Regel die Initiierung der Polymerisation von Monomeren in Gegenwart eines Matrizenmoleküls, das anschließend extrahiert wird, wobei komplementäre Kavitäten zurückbleiben. Diese Polymere haben eine Affinität zum ursprünglichen Molekül und wurden in Anwendungen wie chemischen Trennungen, Katalyse oder molekularen Sensoren eingesetzt. Molekular geprägte Moleküle können mit einer molekularen Sperre verglichen werden, die mit einem molekularen Schlüssel (dem sogenannten Template-Molekül) übereinstimmt. Molekular geprägte Polymere (MIPs) zeichnen sich durch spezifisch zugeschnittene Bindungsstellen aus, die in Form, Größe und funktionellen Gruppen zu den Matrizenmolekülen passen. Das „Schleuse – Schlüssel“ Die Funktion ermöglicht die Verwendung von molekular geprägten Polymeren für verschiedene Anwendungen, bei denen eine bestimmte Art von Molekül erkannt und an die molekulare Sperre, d.h. das molekular geprägte Polymer, gebunden wird.

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

Molekular geprägte Polymere (MIP) haben ein breites Anwendungsfeld und werden zur Trennung und Reinigung bestimmter biologischer oder chemischer Moleküle wie Aminosäuren und Proteine, Nukleotidderivate, Schadstoffe sowie Arzneimittel und Lebensmittel eingesetzt. Die Anwendungsbereiche reichen von der Trennung und Reinigung bis hin zu chemischen Sensoren, katalytischen Reaktionen, der Verabreichung von Medikamenten, biologischen Antikörpern und Rezeptorsystemen. (vgl. Vasapollo et al. 2011)
So wird beispielsweise die MIP-Technologie als Festphasen-Mikroextraktionstechnik eingesetzt, um aus Cannabis gewonnene Moleküle wie CBD oder THC aus dem Vollspektrum-Extrakt zu gewinnen und zu reinigen, um Cannabinoid-Isolate und -Destillate zu erhalten.

Ultraschallsynthese von molekular geprägten Molekülen

Je nach Art des Ziels (Vorlage) und der Endanwendung des MIP können MIP in verschiedenen Formaten synthetisiert werden, z. B. als kugelförmige Partikel in Nano- und Mikrongröße, Nanodrähte, Nanostäbe, Nanofäden oder dünne Filme. Zur Herstellung einer bestimmten MIP-Form können verschiedene Polymerisationstechniken wie Massenprägung, Ausfällung, Emulsionspolymerisation, Suspension, Dispersion, Gelierung und mehrstufige Quellungspolymerisation angewendet werden.
Die Anwendung von Niederfrequenz-Ultraschall mit hoher Intensität bietet eine hocheffiziente, vielseitige und einfache Technik zur Synthese von polymeren Nanostrukturen.
Die Beschallung bringt bei der MIP-Synthese im Vergleich zu herkömmlichen Polymerisationsverfahren mehrere Vorteile mit sich, da sie höhere Reaktionsgeschwindigkeiten, ein homogeneres Wachstum der Polymerketten, eine höhere Ausbeute und mildere Bedingungen (z. B. eine niedrige Reaktionstemperatur) fördert. Darüber hinaus kann sie die Verteilung der Bindungsstellenpopulation und damit die Morphologie des fertigen Polymers verändern. (Svenson 2011)
Durch den Einsatz von sonochemischer Energie bei der Polymerisation von MIPs werden Polymerisationsreaktionen eingeleitet und positiv beeinflusst. Gleichzeitig fördert die Beschallung eine wirksame Entgasung des Polymergemischs, ohne die Bindungskapazität oder Steifigkeit zu beeinträchtigen.
Die Ultraschall-Homogenisierung, -Dispergierung und -Emulgierung bietet eine hervorragende Mischung und Rührung, um homogene Suspensionen zu bilden und Initiierungsenergie für Polymerisationsprozesse bereitzustellen. Viveiros et al. (2019) untersuchten das Potenzial der Ultraschall-MIP-Synthese und stellen fest, dass „MIPs, die mit Ultraschall präpariert wurden, wiesen Bindungseigenschaften auf, die den herkömmlichen Methoden ähnlich oder überlegen waren“.
MIPs im Nanoformat eröffnen vielversprechende Möglichkeiten zur Verbesserung der Homogenität der Bindungsstellen. Die Ultraschallbehandlung ist für ihre hervorragenden Ergebnisse bei der Herstellung von Nanodispersionen und Nanoemulsionen bekannt.

Nano-Emulsionspolymerisation mit Ultraschall

MIPs können durch Emulsionspolymerisation synthetisiert werden. Die Emulsionspolymerisation wird in der Regel durch die Bildung einer Öl-in-Wasser-Emulsion unter Zugabe eines Tensids erreicht. Um eine stabile Emulsion in Nanogröße zu bilden, ist eine leistungsstarke Emulgierungstechnik erforderlich. Die Ultraschallemulgierung ist eine bewährte 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

Extraktion der Schablone mit Ultraschall

Nach der Synthese molekular geprägter Polymere muss das Templat von der Bindungsstelle entfernt werden, um ein aktives molekular geprägtes Polymer zu erhalten. Die intensiven Mischkräfte der Beschallung fördern die Löslichkeit, Diffusionsfähigkeit, Penetration und den Transport von Lösungsmittel- und Templatmolekülen. Auf diese Weise werden die Templates schnell von den Bindungsstellen entfernt.
Die Ultraschallextraktion kann auch mit der Soxhlet-Extraktion kombiniert werden, um die Schablone aus dem geprägten Polymer zu entfernen.

Fallstudien: Ultraschallanwendungen für molekular geprägte Polymere

Ultraschallsynthese von molekular geprägten Polymeren

Die Verkapselung von magnetischen Nanopartikeln durch 17β-Estradiol-imprägnierte Polymere mit Hilfe einer Ultraschallsyntheseroute erreicht eine schnelle Entfernung von 17β-Estradiol 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 65 ºC durchgeführt. Die durchschnittlichen Partikeldurchmesser der magnetischen NIPs und der magnetischen MIPs betrugen 200 bzw. 300 nm. Die Verwendung von Ultraschall verbesserte nicht nur die Polymerisationsrate und die Morphologie der Nanopartikel, sondern führte auch zu einer Erhöhung der Anzahl der freien Radikale und erleichterte somit das MIP-Wachstum um die magnetischen Nanopartikel. Die Adsorptionskapazität gegenüber 17β-Östradiol war vergleichbar mit traditionellen Ansätzen. [Xia et al. 2012? Viveiro et al. 2019]

Ultraschall für molekular geprägte Sensoren

Yu et al. entwarfen einen molekular geprägten elektrochemischen Sensor auf der Grundlage von mit Nickel-Nanopartikeln modifizierten Elektroden 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 Ethylenglykol-Maleinsäure-Rosinat (EGMRA)-Acrylat als Vernetzungsmittel, Phenobarbital (PB) als Templatmolekül und Dimethylsulfoxid (DMSO) als organischem Lösungsmittel entwickelt. Bei der Herstellung des Sensors wurden 0,0464 g PB und 0,0688 g MAA in 3 ml DMSO gemischt und 10 Minuten lang beschallt. Nach 5 Stunden wurden 1,0244 g EGMRA und 0,0074 g AIBN in die Mischung gegeben und 30 Minuten lang beschallt, um PB-imprägnierte Polymerlösungen zu erhalten. Danach wurden 10 μl von 2,0 mg mL^-1Die Ni-Nanopartikellösung wurde auf die GCE-Oberfläche getropft und der Sensor anschließend bei Raumtemperatur getrocknet. Etwa 5 μl der vorbereiteten PB-geprägten Polymerlösung wurden dann auf das mit Ni-Nanopartikeln modifizierte GCE aufgetragen und 6 h lang bei 75 °C im Vakuum getrocknet. Nach der thermischen Polymerisation wurde der geprägte Sensor 7 min lang mit (Essigsäure) HAc/Methanol (Volumenverhältnis 3:7) gewaschen, um die Templatmoleküle zu entfernen. (vgl. Uygun et al. 2015)

Ultraschall-Mikroextraktion mit MIPs

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

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für Polymeranwendungen

Vom Labor zur Produktion mit linearer Skalierbarkeit: Speziell entwickelte molekular geprägte Polymere werden zunächst entwickelt und im kleinen Maßstab im Labor und auf dem Prüfstand getestet, um die Machbarkeit der Polymersynthese zu untersuchen. Wenn die Machbarkeit und die Optimierung der MIPs erreicht sind, wird die MIP-Produktion auf größere Mengen skaliert. Die Ultraschall-Syntheserouten können alle linear skaliert werden, vom Labormaßstab bis hin zur voll kommerziellen Produktion. Hielscher Ultrasonics bietet sonochemische Anlagen für die Polymersynthese in kleinen Labor- und Bench-Top-Einstellungen bis hin zu voll industriellen Inline-Ultraschallsystemen für die 24/7-Produktion unter Volllast. Ultraschall kann linear skaliert werden, von Reagenzglasgröße bis zu großen Produktionskapazitäten von LKW-Ladungen pro Stunde. Das umfangreiche Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics reicht von Labor- bis hin zu industriellen sonochemischen Systemen und bietet den passenden Ultraschallgenerator für die von Ihnen angestrebte Prozesskapazität. Unsere langjährig erfahrenen Mitarbeiter unterstützen Sie von der Machbarkeitsprüfung über die Prozessoptimierung bis hin zur Installation Ihres Ultraschallsystems in der Endproduktion.

Hielscher Ultrasonics – Hochentwickelte sonochemische Ausrüstung

Das Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum an Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren ab, von kleinen bis zu großen Anlagen. Zusätzliches Zubehör ermöglicht die einfache Zusammenstellung der für Ihren Prozess am besten geeigneten Ultraschallgerätekonfiguration. Das optimale Ultraschall-Setup hängt von der geplanten Kapazität, dem Volumen, dem Material, dem Batch- oder Inline-Prozess und dem Zeitplan ab. Hielscher hilft Ihnen bei der Einrichtung des idealen sonochemischen Prozesses.

Batch und Inline

Hielscher-Ultraschallgeräte können für Batch- und kontinuierliche Durchflussverfahren eingesetzt werden. Kleine und mittelgroße Volumina können bequem im Batch-Verfahren beschallt werden (z. B. Fläschchen, Reagenzgläser, Becher, Tanks oder Fässer). Für die Verarbeitung großer Mengen kann eine Inline-Beschallung effektiver sein. Während die Chargenbeschallung zeit- und arbeitsintensiver ist, ist ein kontinuierlicher Inline-Mischprozess effizienter, schneller und erfordert deutlich weniger Arbeitsaufwand. Hielscher Ultrasonics hat die am besten geeignete Extraktionsanlage für Ihre Polymerisationsreaktion und Ihr Prozessvolumen.

Ultraschallprüfköpfe für jede Produktkapazität

Die Produktpalette von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum an Ultraschallprozessoren ab, von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Tisch- und Pilotanlagen bis hin zu vollindustriellen Ultraschallprozessoren mit einer Kapazität von LKW-Ladungen pro Stunde. Die gesamte Produktpalette ermöglicht es uns, Ihnen die für Ihre Polymere, Prozesskapazität und Produktionsziele am besten geeignete Ultraschallanlage anzubieten.
Ultraschall-Tischsysteme sind ideal für Machbarkeitstests und Prozessoptimierung. Durch lineares Scale-up auf der Grundlage etablierter Prozessparameter lassen sich die Verarbeitungskapazitäten von kleineren Chargen bis hin zur kommerziellen Produktion sehr einfach erhöhen. Das Up-Scaling kann entweder durch den Einbau einer leistungsstärkeren Ultraschallextraktionseinheit oder durch die parallele Anordnung mehrerer Ultraschallgeräte erfolgen. Mit dem UIP16000 bietet Hielscher die weltweit leistungsstärkste Ultraschalleinheit an.

Präzise kontrollierbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Hielscher-Ultraschallgeräte sind präzise steuerbare und damit zuverlässige Arbeitspferde in der Produktion. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, der die Effizienz und Effektivität von sonochemischen Reaktionen einschließlich Polymerisationsreaktionen und Synthesewegen beeinflusst.
Alle Hielscher Ultrasonics‘ Prozessoren ermöglichen die präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Booster-Hörner sind Zubehörteile, die es ermöglichen, die Amplitude in einem noch größeren Bereich zu modifizieren. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden liefern und die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle Anwendungen liefern. Amplituden von bis zu 200μm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich gefahren werden.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die permanente Überwachung der Ultraschallprozessparameter über eine intelligente Software geben Ihnen die Möglichkeit, Ihre molekular geprägten Polymere mit 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. Das macht die Ultraschallgeräte von Hielscher zu einem zuverlässigen Arbeitsgerät, das Ihre Anforderungen an den sonochemischen Prozess erfüllt.

Einfache, risikofreie Erprobung

Ultraschallverfahren können vollständig linear skaliert werden. Das bedeutet, dass jedes Ergebnis, das Sie mit einem Labor- oder Tisch-Ultraschallgerät erzielt haben, mit denselben Prozessparametern auf genau dieselbe Leistung skaliert werden kann. Damit eignet sich die Beschallung ideal für risikofreie Machbarkeitstests, Prozessoptimierung und die anschließende Einführung in die kommerzielle Fertigung. Setzen Sie sich mit uns in Verbindung, um zu erfahren, wie die Beschallung Ihre MIP-Ausbeute und -Qualität steigern kann.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als familiengeführtes Familienunternehmen legt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren großen Wert auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin entwickelt, hergestellt und gründlich getestet. Die Robustheit und Zuverlässigkeit der Ultraschallgeräte von Hielscher machen sie zu einem Arbeitstier in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist ein selbstverständliches Merkmal der Hochleistungsmischer von Hielscher.

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

Hielscher-Ultraschallprozessoren können Sie in verschiedenen Größen und exakt auf Ihre Prozessanforderungen abgestimmt kaufen. Von der Behandlung von Reagenzien in einem kleinen Laborröhrchen bis hin zum kontinuierlichen Durchflussmischen von Polymer-Slurries auf industrieller Ebene bietet Hielscher Ultrasonics einen passenden Ultraschallprozessor für Sie! Bitte kontaktieren Sie uns – wir empfehlen Ihnen gerne den idealen Ultraschallaufbau!