Síntesis ultrasónica de polímeros de impresión molecular (MIPs)

Los polímeros de impresión molecular (MIPs) son receptores diseñados artificialmente con una selectividad y especificidad predeterminadas para una estructura molecular biológica o química determinada. La ultrasonicación puede mejorar diversas vías de síntesis de polímeros de impresión molecular, haciendo que la polimerización sea más eficiente y fiable.

¿Qué son los polímeros de impresión molecular?

Un polímero de impresión molecular (MIP) es un material polimérico con características de reconocimiento similares a las de los anticuerpos, producido mediante la técnica de impresión molecular. Esta técnica produce un polímero de impresión molecular para una molécula diana específica. El polímero de impresión molecular presenta cavidades en su matriz polimérica con afinidad por la molécula «plantilla» específica. El proceso suele consistir en iniciar la polimerización de monómeros en presencia de una molécula plantilla que posteriormente se extrae, dejando cavidades complementarias. Estos polímeros tienen afinidad por la molécula original y se han utilizado en aplicaciones como separaciones químicas, catálisis o sensores moleculares. Las moléculas de impresión molecular pueden compararse con una cerradura molecular que encaja con una llave molecular (la denominada molécula plantilla). Los polímeros de impresión molecular (MIPs) se caracterizan por sitios de unión diseñados específicamente para coincidir con las moléculas plantilla en forma, tamaño y grupos funcionales. Esta característica de «cerradura–llave» permite utilizar polímeros de impresión molecular en diversas aplicaciones en las que se reconoce un tipo específico de molécula y se une a la cerradura molecular, es decir, al polímero de impresión molecular.

La ilustración esquemática muestra la vía de impresión molecular de las ciclodextrinas para preparar receptores a medida.
Estudio e imagen: Hishiya et al. 2003

Los polímeros de impresión molecular (MIPs) tienen un amplio campo de aplicación y se utilizan para separar y purificar moléculas biológicas o químicas específicas, incluidos aminoácidos y proteínas, derivados de nucleótidos, contaminantes, así como fármacos y alimentos. Sus aplicaciones abarcan desde la separación y la purificación hasta los sensores químicos, las reacciones catalíticas, la administración de fármacos y los sistemas de anticuerpos y receptores biológicos. (cf. Vasapollo et al. 2011)
Por ejemplo, la tecnología MIP se utiliza como técnica de microextracción en fase sólida para procesar y purificar moléculas derivadas del cannabis, como CBD o THC, a partir del extracto de espectro completo, con el fin de obtener aislados y destilados de cannabinoides.

Síntesis ultrasónica de moléculas de impresión molecular

Según el tipo de molécula diana (plantilla) y la aplicación final del MIP, los MIPs pueden sintetizarse en diferentes formatos, como partículas esféricas de tamaño nanométrico y micrométrico, nanohilos, nanobarras, nanofilamentos o películas delgadas. Para producir una forma específica de MIP, pueden aplicarse diferentes técnicas de polimerización, como la impresión en masa, la precipitación, la polimerización en emulsión, en suspensión y en dispersión, la gelificación y la polimerización por hinchamiento en múltiples etapas.
La aplicación de ultrasonidos de baja frecuencia y alta intensidad ofrece una técnica muy eficiente, versátil y sencilla para sintetizar nanoestructuras poliméricas.
La sonicación aporta varias ventajas a la síntesis de MIPs frente a los procesos de polimerización tradicionales, ya que favorece mayores velocidades de reacción, un crecimiento más homogéneo de las cadenas poliméricas, mayores rendimientos y condiciones más suaves (por ejemplo, una baja temperatura de reacción). Además, puede modificar la distribución de la población de sitios de unión y, por tanto, la morfología del polímero final. (Svenson 2011)
La aplicación de energía sonoquímica a la polimerización de MIPs inicia las reacciones de polimerización y las favorece. Al mismo tiempo, la sonicación promueve una desgasificación eficaz de la mezcla polimérica sin comprometer la capacidad de unión ni la rigidez.
La homogeneización, la dispersión y la emulsificación ultrasónicas proporcionan una mezcla y una agitación superiores para formar suspensiones homogéneas y aportar la energía de iniciación de los procesos de polimerización. Viveiros et al. (2019) investigaron el potencial de la síntesis ultrasónica de MIPs y afirman que «los MIPs preparados mediante ultrasonidos presentaron propiedades de unión similares o superiores a las obtenidas con los métodos convencionales».
Los MIPs en formato nanométrico abren posibilidades prometedoras para mejorar la homogeneidad de los sitios de unión. La ultrasonicación es bien conocida por sus resultados excepcionales en la preparación de nanodispersiones y nanoemulsiones.

Polimerización en nanoemulsión mediante ultrasonidos

Los MIPs pueden sintetizarse mediante polimerización en emulsión. Esta suele realizarse formando una emulsión de aceite en agua con la adición de un tensioactivo. Para formar una emulsión estable de tamaño nanométrico, se requiere una técnica de emulsificación de alto rendimiento. La emulsificación ultrasónica es una técnica consolidada para preparar nanoemulsiones y miniemulsiones.
¡Más información sobre la nanoemulsificación ultrasónica!

Los ultrasonidos pueden mejorar las siguientes vías de síntesis para la producción de nanoMIP: polimerización por precipitación, polimerización en emulsión y polimerización de núcleo–capa.
Estudio e imagen de: Refaat et al. 2019

Extracción ultrasónica de la plantilla

Tras la síntesis de los polímeros de impresión molecular, la plantilla debe retirarse del sitio de unión para obtener un polímero de impresión molecular activo. Las intensas fuerzas de mezcla de la sonicación favorecen la solubilidad, la difusividad, la penetración y el transporte de las moléculas de disolvente y de plantilla. De este modo, las plantillas se eliminan rápidamente de los sitios de unión.
La extracción ultrasónica también puede combinarse con la extracción Soxhlet para retirar la plantilla del polímero impreso.

Casos de estudio: aplicaciones ultrasónicas para polímeros de impresión molecular

Síntesis ultrasónica de polímeros de impresión molecular

La encapsulación de nanopartículas magnéticas con polímeros impresos con 17β-estradiol mediante una vía de síntesis ultrasónica permite eliminar rápidamente el 17β-estradiol de medios acuosos. Para la síntesis ultrasónica de los nanoMIPs, se utilizó ácido metacrílico (MAA) como monómero, dimethylacrylate de etilenglicol (EGDMA) como agente reticulante y azobisisobutironitrilo (AIBN) como iniciador. El procedimiento de síntesis ultrasónica se llevó a cabo durante 2h a 65ºC. Los diámetros medios de las partículas de NIPs magnéticos y MIPs magnéticos fueron de 200 y 300 nm, respectivamente. El uso de ultrasonidos no solo mejoró la velocidad de polimerización y la morfología de las nanopartículas, sino que también aumentó el número de radicales libres y, por tanto, facilitó el crecimiento de los MIPs alrededor de las nanopartículas magnéticas. La capacidad de adsorción de 17β-estradiol fue comparable a la de los métodos tradicionales. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultrasonidos para sensores de impresión molecular

Yu et al. diseñaron un sensor electroquímico de impresión molecular basado en electrodos modificados con nanopartículas de níquel para determinar fenobarbital. El sensor electroquímico descrito se desarrolló mediante polimerización térmica utilizando ácido metacrílico (MAA) como monómero funcional, 2,2-azobisisobutironitrilo (AIBN) y acrilato de rosinato maleico de etilenglicol (EGMRA) como agente reticulante, fenobarbitales (PBs) como molécula plantilla y dimetilsulfóxido (DMSO) como disolvente orgánico. En el proceso de fabricación del sensor, se mezclaron 0,0464 g de PB y 0,0688 g de MAA en 3 mL de DMSO y se sometieron a sonicación durante 10 min. Después de 5 h, se añadieron 1,0244 g de EGMRA y 0,0074 g de AIBN a la mezcla y se sometieron a sonicación durante 30 min para obtener soluciones de polímeros impresos con PB. A continuación, se depositaron 10 μL de una solución de 2,0 mg mL^-1 de nanopartículas de Ni sobre la superficie del GCE y después se secó el sensor a temperatura ambiente. A continuación, se recubrió el GCE modificado con nanopartículas de Ni con aproximadamente 5 μL de la solución preparada de polímero impreso con PB y se secó al vacío a 75◦C durante 6 h. Tras la polimerización térmica, el sensor impreso se lavó con HAc (ácido acético)/metanol (relación volumétrica, 3:7) durante 7 min para eliminar las moléculas plantilla. (cf. Uygun et al. 2015)

Microextracción ultrasónica con MIPs

Para recuperar analitos de nicotinamida de las muestras, se aplica una microextracción dispersiva en fase sólida asistida por ultrasonidos seguida de espectrofotometría UV-vis (UA-DSPME-UV-vis). Para la extracción y preconcentración de nicotinamida (vitamina B3), se han utilizado polímeros de impresión molecular basados en la estructura metalorgánica (MOF) HKUST-1. (Asfaram et al. 2017)

Sonicadores de alto rendimiento para aplicaciones con polímeros

Del laboratorio a la producción con escalabilidad lineal: Los polímeros de impresión molecular diseñados específicamente se desarrollan y ensayan primero a pequeña escala de laboratorio y de sobremesa para investigar la viabilidad de la síntesis del polímero. Una vez demostrada la viabilidad y completada la optimización de los MIPs, su producción se escala a volúmenes mayores. Todas las vías de síntesis ultrasónica pueden escalarse linealmente desde la escala de sobremesa hasta la producción plenamente comercial. Hielscher Ultrasonics ofrece equipos sonoquímicos para la síntesis de polímeros, desde pequeñas instalaciones de laboratorio y de sobremesa hasta sistemas ultrasónicos en línea completamente industriales para la producción 24/7 a plena carga. El procesamiento ultrasónico puede escalarse linealmente desde el tamaño de un tubo de ensayo hasta grandes capacidades de producción equivalentes a cargas de camión por hora. La amplia gama de productos de Hielscher Ultrasonics, que abarca desde equipos de laboratorio hasta sistemas sonoquímicos industriales, incluye el sonicador más adecuado para la capacidad de procesamiento prevista. Nuestro personal con muchos años de experiencia le ayudará desde las pruebas de viabilidad y la optimización del proceso hasta la instalación de su sistema ultrasónico a la escala de producción definitiva.

Hielscher Ultrasonics – equipos sonoquímicos avanzados

La gama de productos de Hielscher Ultrasonics abarca toda la variedad de extractores ultrasónicos de alto rendimiento, desde pequeña hasta gran escala. Los accesorios adicionales permiten montar fácilmente la configuración del equipo ultrasónico más adecuada para su proceso. La configuración ultrasónica óptima depende de la capacidad prevista, el volumen, el material, el procesamiento por lotes o en línea y los plazos. Hielscher le ayuda a configurar el proceso sonoquímico ideal.

Por lotes y en línea

Los sonicadores Hielscher pueden utilizarse para el procesamiento por lotes y en flujo continuo. Los volúmenes pequeños y medianos pueden someterse cómodamente a sonicación en un proceso por lotes (por ejemplo, en viales, tubos de ensayo, vasos de precipitados, tanques o bidones). Para procesar grandes volúmenes, la sonicación en línea puede ser más eficaz. Mientras que el procesamiento por lotes exige más tiempo y mano de obra, un proceso de mezcla continua en línea es más eficiente, más rápido y requiere considerablemente menos mano de obra. Hielscher Ultrasonics dispone de la configuración de extracción más adecuada para su reacción de polimerización y el volumen de su proceso.

Sondas ultrasónicas para cualquier capacidad de producción

La gama de productos de Hielscher Ultrasonics abarca todo el espectro de procesadores ultrasónicos, desde sonicadores compactos de laboratorio y sistemas de sobremesa y piloto hasta procesadores ultrasónicos completamente industriales con capacidad para procesar cargas de camión por hora. Esta gama completa nos permite ofrecerle el equipo ultrasónico más adecuado para sus polímeros, su capacidad de procesamiento y sus objetivos de producción.
Los sistemas ultrasónicos de sobremesa son ideales para las pruebas de viabilidad y la optimización de procesos. El escalado lineal basado en parámetros de proceso establecidos facilita enormemente el aumento de la capacidad de procesamiento, desde lotes pequeños hasta la producción plenamente comercial. El aumento de escala puede realizarse instalando una unidad de extracción ultrasónica más potente o agrupando varios sonicadores en paralelo. Con el UIP16000, Hielscher ofrece la unidad ultrasónica más potente del mundo.

Amplitudes controlables con precisión para obtener resultados óptimos

Todos los sonicadores Hielscher pueden controlarse con precisión, lo que los convierte en equipos de trabajo fiables en la producción. La amplitud es uno de los parámetros de proceso cruciales que influyen en la eficiencia y la eficacia de las reacciones sonoquímicas, incluidas las reacciones de polimerización y las vías de síntesis.
Todos los procesadores de Hielscher Ultrasonics permiten ajustar la amplitud con precisión. Los sonotrodos y los amplificadores mecánicos de amplitud son accesorios que permiten modificar la amplitud en un intervalo aún más amplio. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy elevadas y la intensidad ultrasónica necesaria para aplicaciones exigentes. Pueden funcionar fácilmente de forma continua con amplitudes de hasta 200 µm en operación 24/7.
Los ajustes precisos de amplitud y la supervisión permanente de los parámetros del proceso ultrasónico mediante software inteligente le permiten sintetizar sus polímeros de impresión molecular en las condiciones ultrasónicas más eficaces. ¡Sonicación óptima para obtener los mejores resultados de polimerización!
La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite su funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes. Esto convierte a los equipos ultrasónicos de Hielscher en herramientas de trabajo fiables que satisfacen los requisitos de su proceso sonoquímico.

Pruebas sencillas y sin riesgos

Los procesos ultrasónicos pueden escalarse de forma completamente lineal. Esto significa que cualquier resultado obtenido con un sonicador de laboratorio o de sobremesa puede escalarse para obtener exactamente el mismo resultado utilizando exactamente los mismos parámetros de proceso. Por ello, la ultrasonicación es ideal para las pruebas de viabilidad sin riesgos, la optimización de procesos y su posterior implantación en la fabricación comercial. Póngase en contacto con nosotros para conocer cómo la sonicación puede aumentar el rendimiento y la calidad de sus MIPs.

Máxima calidad – diseñados y fabricados en Alemania

Como empresa de propiedad y gestión familiar, Hielscher da prioridad a los más altos estándares de calidad para sus procesadores ultrasónicos. Todos los sonicadores se diseñan, fabrican y someten a pruebas exhaustivas en nuestra sede de Teltow, cerca de Berlín, Alemania. La robustez y la fiabilidad de los equipos ultrasónicos de Hielscher los convierten en herramientas de trabajo incansables en su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica inherente a los mezcladores de alto rendimiento de Hielscher.

La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Puede adquirir un procesador ultrasónico Hielscher en distintos tamaños y configurado exactamente según los requisitos de su proceso. Desde el tratamiento de reactivos en un pequeño tubo de laboratorio hasta la mezcla en flujo continuo de suspensiones de polímeros a escala industrial, ¡Hielscher Ultrasonics le ofrece un sonicador adecuado para usted! Póngase en contacto con nosotros – estaremos encantados de recomendarle la configuración ultrasónica ideal.