Síntesis ultrasónica de polímeros de impresión molecular (MIP)

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

¿Qué son los polímeros de impresión molecular?

Un polímero molecularmente impreso (MIP) es un material polimérico con características de reconocimiento similares a las de un anticuerpo que se ha producido mediante la técnica de impresión molecular. La técnica de impresión molecular produce polímeros molecularmente impresos en relación con una molécula diana específica. El polímero de impresión molecular tiene cavidades en su matriz polimérica con afinidad por la molécula diana específica. “plantilla” molécula. El proceso suele consistir en iniciar la polimerización de monómeros en presencia de una molécula plantilla que se extrae después, 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 impresas molecularmente pueden compararse con una cerradura molecular que encaja con una llave molecular (la llamada molécula plantilla). Los polímeros molecularmente impresos (MIP) se caracterizan por tener sitios de unión específicamente adaptados que coinciden con las moléculas plantilla en forma, tamaño y grupos funcionales. La "cerradura – key" permite utilizar polímeros de impresión molecular para 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 la preparación de receptores a medida.
Estudio e imagen: Hishiya et al. 2003

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

Síntesis ultrasónica de moléculas impresas molecularmente

Dependiendo del tipo de objetivo (plantilla) y de la aplicación final del PIM, los PIM pueden sintetizarse en diferentes formatos, como partículas esféricas de tamaño nanométrico y micrométrico, nanocables, nanorodillos, nanofilamentos o películas finas. Para producir una forma específica de MIP, se pueden aplicar diferentes técnicas de polimerización, como la impresión a granel, la precipitación, la polimerización en emulsión, la suspensión, la dispersión, la gelificación y la polimerización por hinchamiento en varios pasos.
La aplicación de ultrasonidos de baja frecuencia y alta intensidad ofrece una técnica muy eficaz, versátil y sencilla para sintetizar nanoestructuras poliméricas.
La sonicación aporta varias ventajas en la síntesis de PIM en comparación con los procesos de polimerización tradicionales, ya que favorece una mayor velocidad de reacción, un crecimiento más homogéneo de la cadena polimérica, mayores rendimientos y condiciones más suaves (por ejemplo, baja temperatura de reacción). Además, puede alterar la distribución de la población de sitios de unión y, por tanto, la morfología del polímero final. (Svenson 2011)
Al aplicar energía sonoquímica a la polimerización de los MIP, las reacciones de polimerización se inician y tienen un impacto positivo. Simultáneamente, la sonicación favorece la desgasificación efectiva de la mezcla polimérica sin sacrificar la capacidad de unión ni la rigidez.
La homogeneización, dispersión y emulsificación ultrasónicas ofrecen una mezcla y agitación superiores para formar suspensiones homogéneas y proporcionar energía de iniciación para los procesos de polimerización. Viveiros et al. (2019) investigaron el potencial de la síntesis ultrasónica de MIP y afirman que "los MIP preparados ultrasónicamente presentaron propiedades de unión similares o superiores a los métodos convencionales".
Los PIM en formato nanométrico abren posibilidades prometedoras para mejorar la homogeneidad de los sitios de unión. La ultrasonicación es bien conocida por sus excepcionales resultados en la preparación de nanodispersiones y nanoemulsiones.

Polimerización ultrasónica por nanoemulsión

Los MIP pueden sintetizarse mediante polimerización en emulsión. La polimerización en emulsión se consigue normalmente formando una emulsión de aceite en agua con la adición de un tensioactivo. Para formar una emulsión estable y de tamaño nanométrico se requiere una técnica de emulsificación de alto rendimiento. La emulsificación ultrasónica es una técnica bien establecida para preparar nano- y mini-emulsiones.
Más información sobre la nanoemulsificación ultrasónica

Los ultrasonidos pueden mejorar las siguientes rutas de síntesis para la producción de nanoMIP: polimerización por precipitación, polimerización por emulsión y polimerización core-shell.
Estudio y fotografía de: Refaat et al. 2019

Extracción ultrasónica de la plantilla

Tras la síntesis de polímeros molecularmente impresos, la plantilla debe retirarse del sitio de unión para obtener un polímero molecularmente impreso 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 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 eliminar la plantilla del polímero impreso.

Casos prácticos: Aplicaciones ultrasónicas para polímeros de impresión molecular

Síntesis ultrasónica de polímeros impresos molecularmente

La encapsulación de nanopartículas magnéticas mediante polímeros impresos con 17β-estradiol utilizando una ruta de síntesis ultrasónica consigue una rápida eliminación del 17β-estradiol de los medios acuosos. Para la síntesis ultrasónica de los nanoMIPs se utilizó ácido metacrílico (MAA) como monómero, dimetilacrilato de etilenglicol (EGDMA) como reticulante y azobisisobutironitrilo (AIBN) como iniciador. El procedimiento de síntesis por ultrasonidos se llevó a cabo durante 2h a 65ºC. Los diámetros medios de las partículas de los NIPs magnéticos y los MIPs magnéticos fueron de 200 y 300 nm, respectivamente. El uso de ultrasonidos no sólo mejoró la velocidad de polimerización y la morfología de las nanopartículas, sino que también provocó un aumento del número de radicales libres y, por tanto, facilitó el crecimiento de los MIP alrededor de las nanopartículas magnéticas. La capacidad de adsorción hacia el 17β-estradiol fue comparable a los enfoques 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 la determinación del fenobarbital. El sensor electroquímico descrito se desarrolló mediante polimerización térmica con el uso de ácido metacrílico (MAA) como monómero funcional, acrilato de 2,2-azobisobutironitrilo (AIBN) y etilenglicol rosinato maleico (EGMRA) como agente reticulante, fenobarbital (PB) como molécula molde y dimetilsulfóxido (DMSO) como disolvente orgánico. En el proceso de fabricación del sensor, se mezclaron 0,0464g de PB y 0,0688g de MAA en 3 mL de DMSO y se sonicaron durante 10 min. Después de 5 horas, se añadieron 1,0244 g de EGMRA y 0,0074 g de AIBN a la mezcla y se sometieron a sonicación durante 30 minutos para obtener soluciones de polímero impresas con PB. A continuación, se añadieron 10 μL de 2,0 mg mL^-1La solución de nanopartículas de Ni se dejó caer sobre la superficie del GCE y, a continuación, el sensor se secó a temperatura ambiente. A continuación, se recubrieron aproximadamente 5 μL de la solución de polímero PB-impreso preparada sobre el GCE modificado con nanopartículas de Ni y se secó al vacío a 75◦C durante 6 h. Tras la polimerización térmica, el sensor impreso se lavó con (ácido acético) HAc/metanol (relación de volumen, 3:7) durante 7 min para eliminar las moléculas de plantilla. (cf. Uygun et al. 2015)

Microextracción ultrasónica mediante PIM

Para recuperar los análisis de nicotinamida a partir de muestras, se aplica una microextracción en fase sólida dispersiva asistida por ultrasonidos seguida de espectrofotómetro UV-vis (UA-DSPME-UV-vis). Para la extracción y preconcentración de nicotinamida (vitamina B3) se han utilizado polímeros molecularmente impresos basados en el marco orgánico metálico (MOF) HKUST-1. (Asfaram et al. 2017)

Ultrasonidos de alto rendimiento para aplicaciones con polímeros

Del laboratorio a la producción con escalabilidad lineal: En primer lugar, se desarrollan y prueban polímeros de impresión molecular específicamente diseñados a pequeña escala en laboratorio y sobremesa, para investigar la viabilidad de la síntesis de polímeros. Si se ha logrado la viabilidad y optimización de los MIP, la producción de MIP se amplía a volúmenes mayores. Todas las rutas de síntesis por ultrasonidos pueden escalarse linealmente desde la producción en laboratorio hasta la producción totalmente comercial. Hielscher Ultrasonics ofrece equipos sonoquímicos para la síntesis de polímeros en pequeños laboratorios y sobremesas hasta sistemas de ultrasonidos en línea totalmente industriales para la producción 24/7 a plena carga. Los ultrasonidos pueden escalarse linealmente desde el tamaño de un tubo de ensayo hasta grandes capacidades de producción de camiones cargados por hora. La amplia gama de productos de Hielscher Ultrasonics, desde sistemas de laboratorio hasta sistemas industriales de sonoquímica, ofrece el ultrasonicador más adecuado para la capacidad de proceso prevista. Nuestro experimentado personal le ayudará desde las pruebas de viabilidad y la optimización del proceso hasta la instalación de su sistema de ultrasonidos en el nivel de producción final.

Hielscher Ultrasonics – Sofisticados equipos de sonoquímica

La cartera de productos de Hielscher Ultrasonics cubre toda la gama de extractores por ultrasonidos de alto rendimiento, desde pequeña a gran escala. Los accesorios adicionales permiten montar fácilmente la configuración de dispositivo ultrasónico más adecuada para su proceso. La configuración óptima de los ultrasonidos depende de la capacidad, el volumen, el material, el lote o el proceso en línea y los plazos previstos. Hielscher le ayuda a configurar el proceso sonoquímico ideal.

por lotes y en línea

Los ultrasonicadores de Hielscher pueden utilizarse para el procesamiento por lotes y en flujo continuo. Los volúmenes pequeños y medianos pueden sonicarse cómodamente en un proceso por lotes (por ejemplo, viales, tubos de ensayo, vasos de precipitados, tanques o barriles). Para procesar grandes volúmenes, la sonicación en línea puede ser más eficaz. Mientras que el proceso por lotes requiere más tiempo y mano de obra, un proceso de mezclado continuo en línea es más eficaz, más rápido y requiere mucha menos mano de obra. Hielscher Ultrasonics tiene la configuración de extracción más adecuada para su reacción de polimerización y volumen de proceso.

Sondas ultrasónicas para cualquier capacidad de producto

La gama de productos de Hielscher Ultrasonics cubre todo el espectro de procesadores por ultrasonidos, desde los compactos ultrasonicadores de laboratorio, pasando por los sistemas de sobremesa y piloto, hasta los procesadores por ultrasonidos totalmente industriales con capacidad para procesar camiones cargados por hora. La gama completa de productos nos permite ofrecerle el equipo de ultrasonidos más adecuado para sus polímeros, capacidad de proceso y objetivos de producción.
Los sistemas ultrasónicos de sobremesa son ideales para pruebas de viabilidad y optimización de procesos. El escalado lineal basado en parámetros de proceso establecidos facilita enormemente el aumento de las capacidades de procesamiento desde lotes más pequeños hasta la producción totalmente comercial. La ampliación puede realizarse instalando una unidad de extracción por ultrasonidos más potente o agrupando varios ultrasonidos en paralelo. Con el UIP16000, Hielscher ofrece la unidad de ultrasonidos más potente del mundo.

Amplitudes controlables con precisión para resultados óptimos

Todos los ultrasonidos de Hielscher se pueden controlar con precisión y, por tanto, son caballos de batalla fiables en la producción. La amplitud es uno de los parámetros de proceso cruciales que influyen en la eficiencia y eficacia de las reacciones sonoquímicas, incluidas las reacciones de polimerización y las rutas de síntesis.
Todos los Ultrasonidos Hielscher’ permiten ajustar con precisión la amplitud. Los sonotrodos y las bocinas de refuerzo son accesorios que permiten modificar la amplitud en un rango aún más amplio. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy elevadas y ofrecer la intensidad ultrasónica necesaria para aplicaciones exigentes. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7.
Los ajustes precisos de la amplitud y la supervisión permanente de los parámetros del proceso ultrasónico mediante un software inteligente le ofrecen la posibilidad de sintetizar sus polímeros de impresión molecular con las condiciones ultrasónicas más eficaces. Sonicación óptima para obtener los mejores resultados de polimerización.
La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos exigentes. Esto convierte a los equipos de ultrasonidos de Hielscher en una herramienta de trabajo fiable que satisface los requisitos de sus procesos sonoquímicos.

Pruebas fáciles y sin riesgos

Los procesos ultrasónicos pueden escalarse de forma completamente lineal. Esto significa que todos los resultados obtenidos con un ultrasonido de laboratorio o de sobremesa pueden escalarse hasta obtener exactamente el mismo resultado con los mismos parámetros de proceso. Esto hace que la ultrasonicación sea ideal para pruebas de viabilidad sin riesgos, optimización de procesos y posterior implementación en la fabricación comercial. Póngase en contacto con nosotros para saber cómo la sonicación puede aumentar el rendimiento y la calidad de su PIM.

Máxima calidad – Diseñado y fabricado en Alemania

Como empresa de propiedad y gestión familiar, Hielscher prioriza los más altos estándares de calidad para sus procesadores por ultrasonidos. Todos los equipos de ultrasonidos se diseñan, fabrican y prueban exhaustivamente en nuestra sede central de Teltow, cerca de Berlín (Alemania). La robustez y fiabilidad de los equipos de ultrasonidos de Hielscher los convierten en un caballo de batalla en su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica natural de los mezcladores de alto rendimiento de Hielscher.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Puede adquirir el procesador de ultrasonidos de Hielscher en cualquier tamaño y configurado exactamente según los requisitos de su proceso. Desde el tratamiento de reactivos en un pequeño tubo de laboratorio hasta la mezcla continua de lodos poliméricos a nivel industrial, Hielscher Ultrasonics le ofrece el ultrasonido adecuado. Póngase en contacto con nosotros – estaremos encantados de recomendarle la configuración ultrasónica ideal.