Hüdrogeelide ultraheli polümerisatsioon: protokoll ja mastaabi suurendamine

Ultraheli esilekutsutud polümerisatsioon pakub radikaalivaba ja initsiaatorivaba lähenemisviisi hüdrogeelide sünteesiks vees lahustuvatest vinüülmonomeeridest ja makromonomeeridest. See meetod kasutab ära radikaalide sonokeemilist teket kavitatsiooni kaudu ning sobib ideaalselt biomeditsiinilisteks rakendusteks, kus tuleb vältida initsiaatorijääke.

Hüdrogeelid on kolmemõõtmelised hüdrofiilsed polümeervõrgustikud, mis suudavad siduda märkimisväärseid koguseid vett, säilitades samal ajal struktuurse terviklikkuse – omadus, mis tuleneb ristseotud polümeeriahelatest. Nende füüsikalis-keemilised omadused – paisumiskäitumine, mehaaniline tugevus ja biosobivus – teevad need väga atraktiivseks biomeditsiinilisteks rakendusteks, sealhulgas ravimite manustamiseks, kudede inseneeriaks ja haavade paranemiseks.

Hüdrogeelide ultraheli polümerisatsiooni eelis

Traditsiooniliselt põhineb hüdrogeelide süntees termilisel, fotokeemilisel või keemilisel ristsidumisel; ultraheli hüdrogeelisüntees on aga kogumas märkimisväärset populaarsust, sest ultraheli töötlus (sonikeerimine) pakub lihtsat, reagentidevaba, häälestatavat ja keskkonnasõbralikumat lähenemisviisi. Ultraheli hüdrogeelisüntees kasutab akustilist kavitatsiooni polümerisatsiooni ning füüsikalise või keemilise ristsidumise soodustamiseks ilma väliste initsiaatoriteta. Eriti väärib märkimist, et ultraheli töötlus võib hõlbustada ka nanoosakeste in situ dispergeerimist või käivitada radikaalreaktsioone vesikeskkonnas, muutes selle mitmekülgseks vahendiks multifunktsionaalsete või nanokomposiit-hüdrogeelide valmistamiseks õrnades tingimustes.

Ülaltoodud videolõik demonstreerib hüdrogeeli ultraheli sünteesi sonikaatoriga UP50H ja väikese molekulmassiga geelistaja abil. Tulemuseks on isetaastuv supramolekulaarne hüdrogeel. (Uuring ja film: Rutgeerts et al., 2019)
 

Biosobivad hüdrogeelid ultraheli töötlusega

Biosobivate hüdrogeelide otsingul, mida saab moodustada puhtalt, ohutult ja vajaduse korral, jäävad traditsioonilised polümerisatsioonistrateegiad sageli puudulikuks. Cassi ja kolleegide töö pakub sellele probleemile tõhusa lahenduse: puhta, initsiaatorivaba meetodi hüdrogeelide sünteesiks madalsageduslikku ultraheli kasutades.

Nende uuringus käsitletakse mitmesuguste vees lahustuvate monomeeride sonokeemilist polümerisatsiooni, kuid üks koostis paistis silma eriti tõhusa ja töökindlana: 5% dekstraanmetakrülaadi (Dex-MA) lahus 70% glütserool-vees, polümeriseeritud ultraheliga mõõdukal intensiivsusel 56 W/cm². Tähelepanuväärselt andis see süsteem täielikult moodustunud hüdrogeeli vaid 6,5 minutiga, saavutades monomeeri-polümeeri konversiooni 72% – kõrgeim kõigi testitud koostiste seas.

Akustiline kavitatsioon: Selle meetodi tööpõhimõte rajaneb nähtusel, mis on sama võimas kui ka mööduv: akustilisel kavitatsioonil. Võimsa ultraheli mõjul tekivad vedelas keskkonnas mikroskoopilised mullid, mis varisevad vägivaldselt kokku, tekitades lokaalseid kuumpunkte, kus temperatuur võib ajutiselt ületada 5000 kelvinit. Need tingimused kutsuvad esile lahusti molekulide homolüütilise lõhustumise, mille tulemusena tekib reaktiivsete radikaalide hulk. Erinevalt tavapärasest polümerisatsioonist, mis sõltub välistest initsiaatoritest või kuumusest, annab ultraheli nii energia kui ka radikaalid, mida on vaja polümerisatsiooni käivitamiseks – ületamata füsioloogiliselt olulisi lahuse üldtemperatuure.

Kaaslahusti: Glütserooli valik kaaslahustiks ei olnud juhuslik. Lisaks lahuse viskoossuse suurendamisele – see on kavitatsiooni intensiivsuse tõstmisel kriitiline tegur – toimib glütserool ise radikaalide kaasdoonorina. Selle hüdroksüülrühmadest on teada, et need tekitavad suhteliselt stabiilseid sekundaarseid radikaale, pikendades seeläbi radikaalide eluiga ja soodustades ahela kasvu. Lisaks aitab viskoosne glütserooliderikas keskkond kinni püüda tekkivaid polümeeriahelaid, vähendades nende lahustuvust ja kaitstes neid ultrahelilise lagunemise eest, mis võib toimuda lahjemates vesisüsteemides.

Ultraheli polümerisatsioon: Polümerisatsiooni kulgemise iseloomustamiseks kasutasid teadlased infrapunaspektroskoopiat, jälgides Dex-MA vinüülrühmade kahanemist aja jooksul. Iseloomulik neeldumine lainearvul 1635 cm⁻¹ – mis viitab C=C kaksiksidemetele – vähenes ultraheli töötluse (sonikeerimise) ajal kiiresti, samas kui estri karbonüülrühma venitusvõnkumine lainearvul 1730 cm⁻¹ püsis konstantsena, olles sisereferentsiks. Need andmed kinnitasid mitte ainult vinüülrühmade kiiret konversiooni, vaid ka kõrget ristsidumise astet, millele viitavad madalad paisumissuhted ja tugevad geelistruktuurid.

Analüüs: Skaneeriv elektronmikroskoopia näitas lisaks geeli mikrostruktuuri arengut. Algstaadiumis iseloomustasid võrgustikku suured avatud poorid, kuid ultraheli töötluse (sonikeerimise) jätkudes täitusid need tihedama sekundaarse struktuuriga. 15 minutiks oli hüdrogeelil homogeenselt ristseotud morfoloogia tihedalt omavahel ühendatud pooridega – hästi moodustunud biomeditsiiniliste geelide tunnusjoon.

Tulemus: Võrdlemisel termiliste vabaradikaalsete initsiaatoritega toodetud hüdrogeelidega olid erinevused silmatorkavad. Kuigi sarnaseid konversioone oli võimalik saavutada ka termiliselt, olid saadud võrgustikud poorsemad, vähem ühtlased ja nende paisumissuhted olid kõrgemad – need on märgid lõdvemast ristsidumise arhitektuurist. Lisaks nõudis termiline protsess lämmastikuga läbipuhumist, keemilisi lisandeid ja kõrgemaid temperatuure, samas kui ultraheli meetod toimis ümbritseva temperatuuri juures, mis oli vaid 37°C.

Ehk kõige huvitavam aspekt selles töös on tähelepanek, et polümerisatsioon võib jätkuda ka pärast ultraheli peatamist. Geel jätkas kõvenemist ja tugevnemist 30-minutilise perioodi jooksul pärast ultraheli töötluse (sonikeerimise) lõpetamist. See viitab sellele, et ultraheli töötluse käigus tekkinud püsivad radikaalsed liigid või vaheastmete struktuurid võivad jätkata polümeeriahelate kasvatamist ka täiendava energiasisendi puudumisel – käitumine, millel on potentsiaalselt kasulikud tähendused in vivo rakenduste jaoks.

Lisateave ultraheli hüdrogeeli tootmise eeliste kohta!

Protokoll: dekstraanmetakrülaat (Dex-MA) hüdrogeeli ultraheli süntees sonikaatori abil

Kovalentselt ristseotud Dex-MA hüdrogeeli sünteesimiseks juhitakse kõrge intensiivsusega madalsageduslik ultraheli glütserooli/vee lahusesse. Temperatuuri ja ultraheli energiatihedust kontrollitakse täpselt.
Allpool anname juhised ultraheli hüdrogeeli sünteesiks laboriskaalas, mida saab lineaarselt skaleerida suurtele kogustele.

Seadmed ja materjalid

Seadmed

• Hielscher UP200Ht ultraheliprotsessor (200 W, 26 kHz)
• Sonotrood S26d2 (otsa läbimõõt: 2 mm; soovitatav väikeste mahtude jaoks)
• Mantliga reaktsiooninõu (50 mL), ühilduv magnetsegistiga
• Tsirkuleeriv veevann (termostaatiliselt reguleeritud temperatuurile 37°C)
• Temperatuurisond PT100 (kuulub UP200Ht tarnekomplekti)
• Magnetsegisti
• Analüütilised kaalud (±0,1 mg)
• Vaakumahi või lüofilisaator

Kemikaalid

• Dekstraanmetakrülaat (Dex-MA), ~20% metakrüülimisaste
• Glütserool, ≥99,5% (veevaba)
• Deioniseeritud vesi

Kõik reagendid peaksid olema analüütilise puhtusastmega. Vältige hapnikurikkaid keskkondi; gaasitustage lahustid võimaluse korral.

Samm-sammuline protseduur: hüdrogeeli ultraheli polümerisatsioon

1. Polümerisatsioonisegu ettevalmistamine
   • Kaaluge 0,75 g Dex-MA 50 mL mantliga reaktsiooninõusse.
   • Lisage 10,5 g glütserooli ja 3,75 g deioniseeritud vett.
   • Segage segu magnetsegajaga toatemperatuuril (~22 °C) 5–10 minutit, et Dex-MA täielikult lahustada. Tulemuseks peaks olema kergelt viskoosne homogeenne lahus.
   • Soojendage veevann eelnevalt 37 °C-ni ja ühendage see mantliga reaktsiooninõuga, et hoida temperatuur konstantsena.
2. Sonikaatori ettevalmistus
   • Kinnitage sonotrood S26d2 seadmele UP200Ht ja veenduge tihedas ühenduses.
   • Sukeldage sonotroodi ots reaktsioonisegusse. Vältige nõu seinte või põhja puudutamist.
   • Asetage temperatuuriandur lahusesse sonotroodi lähedale, kuid mitte otsekontakti. See võimaldab kasutada sonikaatori integreeritud temperatuuri reguleerimist.
   • Seadke amplituud 100%-le.
3. Ultraheli polümerisatsioon
   • Alustage segamist kiirusel 100–200 p/min, et säilitada õrn homogeniseerimine.
   • Alustage ultraheli töötlust (sonikeerimist) sobiva amplituudiseadega, et anda ~56 W/cm² 6,5 minuti jooksul.
   • Hoidke lahuse temperatuuri kogu aeg 37°C juures. Kui segu hakkab soojenema, suurendage jahutusvedeliku voolu või lisage veevannile jääd.
   • Geeliks muutumine algab tavaliselt 5–6 minuti jooksul. Viskoossus suureneb järsult.
   • Kui geeliks muutumine toimub enne 6,5 min, lõpetage ultraheli töötlus, et vältida liigset ristsidumist või lagunemist.
4. Järeltöötlus ja puhastamine
   • Viige geel kohe üle 200 mL deioniseeritud vette intensiivse segamise all, et välja leostuda reageerimata monomeer ja glütserool.
   • Segage 30 minutit, seejärel dekanteerige supernatant või filtreerige.
   • Korrake pesemist veel 3 korda sooja veega (~60 °C), et parandada difusiooni.
   • Kuivatage geeli vaakumis 60°C juures 8 tundi või lüofiliseerige poorsete struktuuride saamiseks.

 
Tulemus: biosobiv hüdrogeel
Peaksite saama läbipaistva ja tugeva hüdrogeeli, millel on kõrge konversioon (~70–75%), suurepärane ristsidumine ja minimaalne jääkmonomeer. Hüdrogeel ei lahustu vees ja omab kuivatamisel ühtlast struktuuri.

Märkused protsessi optimaalseks juhtimiseks

Skaleerimine: lineaarne ja lihtne sonikeerimisega

Valdkonnas, mis nõuab üha enam täpsust, puhtust ja skaleeritavust, pakub see ultrahelimeetod veenvat alternatiivi. See on ruumiliselt kontrollitav, reaalajas häälestatav ja ühilduv pideva töötlusega, kasutades kaasaegseid ultraheli in-line süsteeme.
Hielscher Ultrasonicsi sonikaatorid annavad täpsed amplituudid ja skaleeruvad lineaarselt laboriskaalast tootmismastaapi – seetõttu sobivad need ideaalselt selliste hüdrogeelisüsteemide viimiseks reaalse maailma terapeutilistesse ja diagnostilistesse rakendustesse.

Disain, tootmine ja konsulteerimine – kvaliteet, mis on valmistatud Saksamaal

Hielscheri ultrahelitöötlusseadmed on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Töökindlus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultrahelitöötlusseadmeid sujuvalt integreerida tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrahelitöötlusseadmed saavad hõlpsasti hakkama rasketes tingimustes ja nõudlikes keskkondades.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ning pöörab erilist tähelepanu suure jõudlusega ultrahelitöötlusseadmetele, mis ühendavad tipptehnoloogia ja kasutajasõbralikkuse. Loomulikult vastavad Hielscheri ultrahelitöötlusseadmed CE nõuetele ning UL-i, CSA ja RoHs-i nõuetele.

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultrahelitöötlusseadmete ligikaudsest töötlemisvõimsusest: