Υπερήχων πολυμερισμός των υδροπηκτωμάτων: πρωτόκολλο και κλιμάκωση-up

Ο πολυμερισμός που προκαλείται από υπερήχους προσφέρει μια προσέγγιση χωρίς ρίζες, χωρίς εκκινητή για τη σύνθεση υδροπηκτωμάτων από υδατοδιαλυτά μονομερή βινυλίου και μακρομονομερή. Αυτή η μεθοδολογία εκμεταλλεύεται τη sonochemical παραγωγή ριζών μέσω σπηλαίωσης και είναι ιδανική για βιοϊατρικές εφαρμογές όπου πρέπει να αποφεύγονται τα υπολείμματα εκκινητή.

Οι υδρογέλες είναι τρισδιάστατα, υδρόφιλα πολυμερικά δίκτυα ικανά να συγκρατούν σημαντικές ποσότητες νερού διατηρώντας παράλληλα τη δομική τους ακεραιότητα - μια ιδιότητα που προκύπτει από τις διασυνδεδεμένες πολυμερικές αλυσίδες. Οι φυσικοχημικές ιδιότητές τους - συμπεριφορά διόγκωσης, μηχανική αντοχή και βιοσυμβατότητα - τις καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστικές για βιοϊατρικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της χορήγησης φαρμάκων, της μηχανικής ιστών και της επούλωσης πληγών.

Το πλεονέκτημα του υπερηχητικού πολυμερισμού υδρογέλης

Παραδοσιακά, η σύνθεση υδρογέλης βασίζεται σε θερμική, φωτοχημική ή χημική διασύνδεση. Ωστόσο, υπερήχων υδρογέλη σύνθεση κερδίζει σημαντική έλξη ως η μέθοδος υπερήχων προσφέρει ένα απλό αντιδραστήριο-δωρεάν, tunable, και πιο πράσινη προσέγγιση. Υπερήχων υδρογέλη σύνθεση χρησιμοποιεί ακουστική σπηλαίωση για την προώθηση του πολυμερισμού και φυσική ή χημική crosslinking χωρίς την ανάγκη για εξωτερικούς εκκινητές. Συγκεκριμένα, υπερήχους μπορεί επίσης να διευκολύνει in situ διασπορά νανοσωματιδίων ή να ξεκινήσει ριζικές αντιδράσεις σε υδατικά μέσα, καθιστώντας το ένα ευέλικτο εργαλείο για τη δημιουργία πολυλειτουργικών ή νανοσύνθετων υδροπηκτωμάτων υπό ήπιες συνθήκες.

Το παραπάνω βίντεο κλιπ δείχνει την υπερηχητική σύνθεση μιας υδρογέλης χρησιμοποιώντας τον υπερήχων UP50H και έναν πηκτωτή χαμηλού μοριακού βάρους. Το αποτέλεσμα είναι μια αυτοθεραπευόμενη υπερμοριακή υδρογέλη. (Μελέτη και ταινία: Rutgeerts et al., 2019)
 

Βιοσυμβατές υδρογέλες με υπερήχους

Στην αναζήτηση βιοσυμβατών υδροπηκτωμάτων που μπορούν να σχηματιστούν καθαρά, με ασφάλεια και κατ 'απαίτηση, οι παραδοσιακές στρατηγικές πολυμερισμού συχνά υπολείπονται. Το έργο του Cass και των συναδέλφων του παρουσιάζει μια αποτελεσματική λύση σε αυτό το πρόβλημα: μια καθαρή, χωρίς εκκινητή μέθοδο σύνθεσης υδρογέλης χρησιμοποιώντας υπερήχους χαμηλής συχνότητας.

Η μελέτη τους διερευνά τον ηχοχημικό πολυμερισμό διαφόρων υδατοδιαλυτών μονομερών, αλλά ένα σκεύασμα ξεχώρισε ως ιδιαίτερα αποτελεσματικό και ανθεκτικό: ένα διάλυμα 5% μεθακρυλικής δεξτράνης (Dex-MA) σε 70% γλυκερίνη-νερό, που πολυμερίστηκε με υπερήχους σε μέτρια ένταση 56 W/cm². Είναι αξιοσημείωτο ότι αυτό το σύστημα παρήγαγε μια πλήρως σχηματισμένη υδρογέλη σε μόλις 6,5 λεπτά, επιτυγχάνοντας μετατροπή μονομερούς σε πολυμερές 72% - την υψηλότερη μεταξύ όλων των σκευασμάτων που δοκιμάστηκαν.

Ακουστική Σπηλαίωση: Η αρχή λειτουργίας αυτής της μεθόδου βασίζεται σε ένα φαινόμενο τόσο ισχυρό όσο και παροδικό: την ακουστική σπηλαίωση. Όταν υποβάλλονται σε υπερήχους ισχύος, μικροσκοπικές φυσαλίδες σχηματίζονται και καταρρέουν βίαια στο υγρό μέσο, δημιουργώντας τοπικά θερμά σημεία όπου οι θερμοκρασίες μπορεί να υπερβούν για λίγο τα 5000 Kelvin. Οι συνθήκες αυτές προκαλούν ομολυτική διάσπαση των μορίων του διαλύτη, παράγοντας μια έκρηξη αντιδραστικών ριζών. Σε αντίθεση με τον συμβατικό πολυμερισμό, ο οποίος εξαρτάται από εξωτερικούς εκκινητές ή θερμότητα, οι υπέρηχοι παρέχουν τόσο την ενέργεια όσο και τις ρίζες που απαιτούνται για την έναρξη του πολυμερισμού - χωρίς να υπερβαίνουν τις φυσιολογικά σχετικές θερμοκρασίες όγκου.

Συνδιαλύτης: Η επιλογή της γλυκερίνης ως συνδιαλύτη δεν ήταν τυχαία. Πέρα από την αύξηση του ιξώδους του διαλύματος - κρίσιμος παράγοντας για την ενίσχυση της έντασης της σπηλαίωσης - η ίδια η γλυκερίνη δρα ως συν-δότης ριζών. Οι υδροξυλομάδες της είναι γνωστό ότι παράγουν σχετικά σταθερές δευτερογενείς ρίζες, αυξάνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής των ριζών και προωθώντας τη διάδοση της αλυσίδας. Επιπλέον, το ιξώδες περιβάλλον πλούσιο σε γλυκερόλη βοηθά στην παγίδευση των εκκολαπτόμενων πολυμερικών αλυσίδων, μειώνοντας τη διαλυτότητά τους και προστατεύοντάς τες από την αποικοδόμηση με υπερήχους, η οποία μπορεί να συμβεί σε πιο αραιά υδατικά συστήματα.

Υπερήχων πολυμερισμός: Για να χαρακτηρίσουν την εξέλιξη του πολυμερισμού, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν φασματοσκοπία υπερύθρου, παρακολουθώντας την εξάντληση των βινυλικών ομάδων στο Dex-MA με την πάροδο του χρόνου. Η χαρακτηριστική απορρόφηση στα 1635 cm-¹ - ενδεικτική των διπλών δεσμών C=C - μειώθηκε ραγδαία κατά τη διάρκεια του ηχητικού καθαρισμού, ενώ η έκταση του καρβονυλίου του εστέρα στα 1730 cm-¹ παρέμεινε σταθερή, χρησιμεύοντας ως εσωτερική αναφορά. Τα δεδομένα αυτά επιβεβαίωσαν όχι μόνο την ταχεία μετατροπή του βινυλίου αλλά και τον υψηλό βαθμό διασύνδεσης, όπως αποδεικνύεται από τους χαμηλούς λόγους διόγκωσης και τις ισχυρές δομές πηκτής.

Ανάλυση: Η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης αποκάλυψε περαιτέρω την εξέλιξη της μικροδομής της γέλης. Στα αρχικά στάδια, το δίκτυο διέθετε μεγάλους, ανοιχτούς πόρους, αλλά με τη συνέχιση του ηχοβολισμού, αυτοί γέμισαν με μια πυκνότερη δευτερογενή δομή. Μέχρι τα 15 λεπτά, η υδρογέλη εμφάνιζε μια ομοιογενώς διασυνδεδεμένη μορφολογία με στενά συνδεδεμένους πόρους - χαρακτηριστικό γνώρισμα των καλά σχηματισμένων βιοϊατρικών πηκτωμάτων.

Αποτέλεσμα: Όταν συγκρίθηκαν με υδρογέλες που παράγονται με θερμικούς εκκινητές ελεύθερων ριζών, οι διαφορές ήταν εντυπωσιακές. Παρόλο που μπορούσαν να επιτευχθούν παρόμοιες μετατροπές με θερμικό τρόπο, τα δίκτυα που προέκυψαν ήταν πιο πορώδη, λιγότερο ομοιόμορφα και παρουσίαζαν υψηλότερα ποσοστά διόγκωσης - σημάδια μιας πιο χαλαρής αρχιτεκτονικής διασύνδεσης. Επιπλέον, η θερμική διαδικασία απαιτούσε καθαρισμό με άζωτο, χημικά πρόσθετα και υψηλότερες θερμοκρασίες, ενώ η προσέγγιση με υπερήχους λειτουργούσε σε θερμοκρασία περιβάλλοντος μόλις 37°C.

Ίσως η πιο ενδιαφέρουσα πτυχή αυτής της εργασίας είναι η παρατήρηση ότι ο πολυμερισμός μπορεί να συνεχιστεί ακόμη και μετά τη διακοπή των υπερήχων. Το πήκτωμα συνέχισε να σκληραίνει και να αυξάνει την αντοχή του σε διάστημα 30 λεπτών μετά τη διακοπή του ηχοβολισμού. Αυτό υποδηλώνει ότι τα επίμονα ριζικά είδη ή οι ενδιάμεσες δομές που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια του ηχοβολισμού μπορούν να συνεχίσουν να διαδίδουν τις πολυμερικές αλυσίδες απουσία περαιτέρω εισροής ενέργειας - μια συμπεριφορά με δυνητικά χρήσιμες συνέπειες για in vivo εφαρμογές.

Μάθετε περισσότερα σχετικά με τα πλεονεκτήματα της παραγωγής υδρογέλης υπερήχων!

Πρωτόκολλο: Υπερήχων σύνθεση της μεθακρυλικής δεξτράνης (Dex-MA) υδρογέλη χρησιμοποιώντας ένα Sonicator

Για να συντεθεί μια ομοιοπολικά διασυνδεδεμένη υδρογέλη Dex-MA, υπερηχογράφημα υψηλής έντασης, χαμηλής συχνότητας συνδυάζεται σε διάλυμα γλυκερίνης / νερού. Η θερμοκρασία και η ενεργειακή πυκνότητα υπερήχων ελέγχονται με ακρίβεια.
Παρακάτω, σας δίνουμε τις οδηγίες για τη σύνθεση υδρογέλης υπερήχων σε εργαστηριακή κλίμακα, η οποία μπορεί να κλιμακωθεί γραμμικά σε μεγάλες ποσότητες.

Εξοπλισμός και υλικά

Εξοπλισμός

• Hielscher UP200Ht υπερήχων επεξεργαστή (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (διάμετρος άκρου: 2 mm, συνιστάται για όγκους μικρής κλίμακας)
• Δοχείο αντίδρασης με επένδυση (50 ml), συμβατό με μαγνητικό αναδευτήρα
• Υδατόλουτρο κυκλοφορίας (θερμοστατικά ελεγχόμενο στους 37°C)
• Αισθητήρας θερμοκρασίας PT100 (περιλαμβάνεται στο πεδίο παράδοσης του UP200Ht)
• Μαγνητικός αναδευτήρας
• Αναλυτικός ζυγός (±0,1 mg)
• Φούρνος κενού ή λυοφιλοποιητής

Χημικές ουσίες

• Μεθακρυλική δεξτράνη (Dex-MA), ~20% μεθακρυλίωση
• Γλυκερόλη, ≥99,5% (άνυδρη)
• Απιονισμένο νερό

Όλα τα αντιδραστήρια πρέπει να είναι αναλυτικής καθαρότητας. Αποφύγετε περιβάλλοντα πλούσια σε οξυγόνο; διαλύτες απαέρωσης, εάν είναι δυνατόν.

Βήμα-βήμα διαδικασία: Υπερήχων πολυμερισμός υδρογέλης

1. Παρασκευή μείγματος πολυμερισμού
   • Ζυγίζονται 0,75 g Dex-MA σε δοχείο αντίδρασης των 50 ml.
   • Προστίθενται 10,5 g γλυκερίνης και 3,75 g απιονισμένου νερού.
   • Ανακατέψτε το μείγμα μαγνητικά σε θερμοκρασία δωματίου (~22 °C) για 5-10 λεπτά για να διαλυθεί πλήρως το Dex-MA. Θα πρέπει να προκύψει ένα ελαφρώς ιξώδες, ομοιογενές διάλυμα.
   • Προθερμάνετε το υδατόλουτρο στους 37 °C και συνδέστε το με το επενδυμένο δοχείο για να διατηρηθεί σταθερή η θερμοκρασία.
2. Ρύθμιση του Sonicator
   • Τοποθετήστε το S26d2 sonotrode στο UP200Ht και εξασφαλίστε μια σφιχτή σύζευξη.
   • Βυθίστε την άκρη του sonotrode στο μείγμα αντίδρασης. Αποφύγετε να αγγίζετε τα τοιχώματα ή τον πυθμένα του σκάφους.
   • Τοποθετήστε τον αισθητήρα θερμοκρασίας στο διάλυμα κοντά στο sonotrode αλλά όχι σε άμεση επαφή. Αυτό σας επιτρέπει να χρησιμοποιήσετε τον ενσωματωμένο έλεγχο θερμοκρασίας του υπερήχων.
   • Ρυθμίστε το πλάτος στο 100%.
3. υπερήχων πολυμερισμός
   • Ξεκινήστε την ανάδευση στις 100-200 σ.α.λ. για να διατηρήσετε απαλή ομογενοποίηση.
   • Ξεκινήστε την υπερήχηση στην κατάλληλη ρύθμιση πλάτους για να παραδώσετε ~ 56 W / cm² για 6.5 λεπτά.
   • Διατηρήστε τη θερμοκρασία του διαλύματος στους 37°C καθ' όλη τη διάρκεια. Εάν το μείγμα αρχίσει να θερμαίνεται, αυξήστε τη ροή ψυκτικού ή προσθέστε πάγο στο λουτρό νερού.
   • Η ζελατινοποίηση αρχίζει συνήθως μέσα σε 5-6 λεπτά. Το ιξώδες θα αυξηθεί απότομα.
   • Εάν η ζελατινοποίηση εμφανιστεί πριν από 6.5 min, σταματήστε την υπερήχηση για να αποφύγετε την υπερβολική διασύνδεση ή υποβάθμιση.
4. Μετεπεξεργασία και καθαρισμός
   • Η γέλη μεταφέρεται αμέσως σε 200 mL απιονισμένου νερού υπό έντονη ανάδευση για να εκπλυθεί μονομερές και γλυκερόλη που δεν έχει αντιδράσει.
   • Ανακατέψτε για 30 λεπτά και, στη συνέχεια, μεταγγίστε το υπερκείμενο υγρό ή το φίλτρο.
   • Επαναλάβετε το πλύσιμο 3 επιπλέον φορές χρησιμοποιώντας ζεστό νερό (~60 °C) για βελτιωμένη διάχυση.
   • Στεγνώστε τη γέλη υπό κενό στους 60°C για 8 ώρες ή λυοφιλοποιήστε για πορώδεις δομές.

 
Το αποτέλεσμα: Μια βιοσυμβατή υδρογέλη
Θα πρέπει να αποκτήσετε μια διαφανή, στιβαρή υδρογέλη με υψηλή μετατροπή (~ 70-75%), εξαιρετική διασύνδεση και ελάχιστο υπολειμματικό μονομερές. Η υδρογέλη θα αντισταθεί στη διάλυση στο νερό και θα παρουσιάσει ομοιόμορφη δομή κατά την ξήρανση.

 
Σημειώσεις για τον βέλτιστο έλεγχο της διαδικασίας

Η κλιμάκωση: Γραμμική και απλή με υπερήχους

Σε ένα πεδίο που απαιτεί όλο και περισσότερο ακρίβεια, καθαρότητα και επεκτασιμότητα, αυτή η μέθοδος υπερήχων προσφέρει μια συναρπαστική εναλλακτική λύση. Είναι χωρικά ελεγχόμενο, ρυθμιζόμενο σε πραγματικό χρόνο και συμβατό με συνεχή επεξεργασία χρησιμοποιώντας σύγχρονα ενσωματωμένα συστήματα υπερήχων.
Οι ηχοβολείς της Hielscher Ultrasonics παρέχουν ακριβή πλάτη και κλιμακώνονται γραμμικά από την εργαστηριακή στην παραγωγική κλίμακα, καθιστώντας τους ιδανικούς για τη μεταφορά τέτοιων συστημάτων υδρογέλης σε πραγματικές θεραπευτικές και διαγνωστικές εφαρμογές.

Σχεδιασμός, Κατασκευή και Συμβουλευτική – Ποιότητα Made in Germany

Hielscher υπερήχων είναι γνωστή για την υψηλότερη ποιότητα και τα πρότυπα σχεδιασμού τους. Η ευρωστία και η εύκολη λειτουργία επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι σκληρές συνθήκες και τα απαιτητικά περιβάλλοντα αντιμετωπίζονται εύκολα από τους υπερήχους Hielscher.

Hielscher Υπέρηχοι είναι μια πιστοποιημένη εταιρεία ISO και δίνουν ιδιαίτερη έμφαση σε υψηλής απόδοσης υπερήχων που διαθέτουν state-of-the-art τεχνολογία και φιλικότητα προς το χρήστη. Φυσικά, Hielscher υπερήχων είναι CE συμβατό και πληρούν τις απαιτήσεις των UL, CSA και RoHs.

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας: