Hüdrogeelide ultraheli polümerisatsioon: protokoll ja suurendamine

Ultraheli poolt indutseeritud polümerisatsioon pakub radikaalivaba ja initsiaatorivaba lähenemist hüdrogeelide sünteesimiseks vees lahustuvatest vinüülmonomeeridest ja makromonomeeridest. See metoodika kasutab radikaalide sonokeemilist teket kavitatsiooni teel ja sobib ideaalselt biomeditsiinilisteks rakendusteks, kus tuleb vältida initsiaatorijääke.

Hüdrogeelid on kolmemõõtmelised, hüdrofiilsed polümeervõrgustikud, mis suudavad säilitada märkimisväärse hulga vett, säilitades samal ajal struktuurilise terviklikkuse - see omadus tuleneb ristseotud polümeeriahelatest. Nende füüsikalis-keemilised omadused - paisumiskäitumine, mehaaniline tugevus ja bioloogiline sobivus - muudavad need väga atraktiivseks biomeditsiinilistes rakendustes, sealhulgas ravimite manustamisel, koetehnoloogias ja haavade paranemisel.

Ultraheli hüdrogeeli polümerisatsiooni eelis

Traditsiooniliselt tugineb hüdrogeeli süntees termilisele, fotokeemilisele või keemilisele ristsidumisele; Ultraheli hüdrogeeli süntees on aga saavutamas märkimisväärset tõmmet, kuna ultrahelitöötlusmeetod pakub lihtsat reaktiivivaba, häälestatavat ja rohelisemat lähenemist. Ultraheli hüdrogeeli süntees kasutab akustilist kavitatsiooni, et soodustada polümerisatsiooni ja füüsikalist või keemilist ristsidumist, ilma et oleks vaja väliseid initsiaatoreid. Eelkõige võib ultraheli hõlbustada ka nanoosakeste in situ dispersiooni või käivitada radikaalseid reaktsioone vesikeskkonnas, muutes selle mitmekülgseks vahendiks multifunktsionaalsete või nanokomposiithüdrogeelide valmistamiseks kergetes tingimustes.

Ülaltoodud videoklipp demonstreerib hüdrogeeli ultraheli sünteesi ultraheliseadme UP50H kasutamine ja madala molekulmassiga želaator. Tulemuseks on iseparanev supramolekulaarne hüdrogeel. (Uuring ja film: Rutgeerts et al., 2019)
 

Bioühilduvad hüdrogeelid ultrahelitöötlusega

Bioühilduvate hüdrogeelide otsimisel, mida saab puhtalt, ohutult ja nõudmisel vormida, jäävad traditsioonilised polümerisatsioonistrateegiad sageli alla. Cassi ja tema kolleegide töö pakub sellele probleemile tõhusat lahendust: puhas, initsiaatorivaba meetod hüdrogeeli sünteesiks madala sagedusega ultraheli abil.

Nende uuringus uuriti erinevate vees lahustuvate monomeeride sonokeemilist polümerisatsiooni, kuid üks preparaat paistis silma kui eriti tõhus ja vastupidav: 5% dekstraanmetakrülaadi (Dex-MA) lahus 70% glütserooli-vees, mis polümeriseeriti ultraheli all mõõduka intensiivsusega 56 W/cm². Tähelepanuväärselt andis see süsteem täielikult moodustatud hüdrogeeli vaid 6,5 minutiga, saavutades monomeeri-polümeeri muundumise 72% - see oli kõrgeim kõigi testitud preparaatide seas.

Akustiline kavitatsioon: Selle meetodi tööpõhimõte põhineb nii võimsal kui ka mööduval nähtusel: akustilisel kavitatsioonil. Võimsa ultraheli mõjul tekivad mikroskoopilised mullid ja varisevad vedelas keskkonnas vägivaldselt kokku, tekitades lokaalseid kuumasid kohti, kus temperatuur võib lühiajaliselt ületada 5000 kelvini. Need tingimused kutsuvad esile lahustimolekulide homolüütilise lõhustumise, tekitades reaktiivsete radikaalide plahvatuse. Erinevalt tavapärasest polümerisatsioonist, mis sõltub välistest initsiaatoritest või soojusest, annab ultraheli nii energiat kui ka radikaale, mis on vajalikud polümerisatsiooni algatamiseks - ületamata füsioloogiliselt asjakohaseid lahtiseid temperatuure.

Kaaslahusti: Glütserooli valik kaaslahustina ei olnud juhuslik. Lisaks lahuse viskoossuse suurendamisele - mis on oluline tegur kavitatsiooni intensiivsuse suurendamiseks - toimib glütserool ise radikaalsete kaasdoonoritena. Selle hüdroksüülrühmad toodavad teatavasti suhteliselt stabiilseid sekundaarradikaale, suurendades seeläbi radikaalide eluiga ja soodustades ahelate levikut. Lisaks sellele aitab viskoosne glütseroolirikas keskkond kinni hoida tekkivaid polümeerkette, vähendades nende lahustuvust ja kaitstes neid ultraheli lagunemise eest, mis võib toimuda lahjemates vesisüsteemides.

Ultraheli polümerisatsioon: Polümerisatsiooni edenemise iseloomustamiseks kasutasid teadlased infrapunaspektroskoopiat, jälgides vinüülrühmade ammendumist Dex-MA-l aja jooksul. Iseloomulik neeldumine 1635 cm-¹ juures - mis näitab C=C kaksiksidemeid - vähenes kiiresti sonikatsiooni ajal, samas kui esteri karbonüülvenitus 1730 cm-¹ juures jäi püsima, mis oli sisemise võrdlusalusena. Need andmed kinnitasid mitte ainult kiiret vinüüli muundumist, vaid ka kõrget ristsidumise astet, mida tõendavad madalad paisumissuhted ja tugev geelstruktuur.

Analüüs: Skaneeriva elektronmikroskoopia näitas ka geeli mikrostruktuuri arengut. Varases staadiumis olid võrgustikus suured avatud poorid, kuid jätkuval sonikatsioonil täitusid need tihedama sekundaarse struktuuriga. 15 minutiks oli hüdrogeelil homogeenselt ristseotud morfoloogia ja tihedalt seotud poorid - see on hästi moodustunud biomeditsiiniliste geelide tunnusjoon.

Tulemus: Võrreldes termiliste vabaradikaalsete initsiaatoritega toodetud hüdrogeelidega olid erinevused silmatorkavad. Kuigi termiliselt saavutati sarnane muundumine, olid saadud võrgustikud poorsemad, vähem ühtlased ja suuremad paisumissuhted, mis viitab lõdvemale ristumisarhitektuurile. Lisaks sellele nõudis termiline protsess lämmastiku puhastamist, keemilisi lisandeid ja kõrgemat temperatuuri, samas kui ultraheli meetod toimis vaid 37 °C ümbritseval temperatuuril.

Võib-olla on selle töö kõige intrigeerivam aspekt tähelepanek, et polümerisatsioon võib jätkuda ka pärast ultraheli peatamist. Geeli kõvastumine ja tugevuse suurenemine jätkus 30 minuti jooksul pärast sonikatsiooni lõpetamist. See viitab sellele, et püsivad radikaalsed liigid või vahestruktuurid, mis moodustuvad sonikatsiooni ajal, võivad jätkata polümeeri ahelate paljundamist edasise energia sisseviimise puudumisel - käitumine, millel on potentsiaalselt kasulikud tagajärjed in vivo rakenduste jaoks.

Lisateave ultraheli hüdrogeeli tootmise eeliste kohta!

Protokoll: dekstraanmetakrülaadi (Dex-MA) hüdrogeeli ultraheli süntees ultraheli abil ultraheliseadme abil

Kovalentselt ristseotud Dex-MA hüdrogeeli sünteesimiseks ühendatakse kõrge intensiivsusega madala sagedusega ultraheli glütserooli/vee lahusega. Temperatuuri ja ultraheli energiatihedust kontrollitakse täpselt.
Allpool anname teile juhised ultraheli hüdrogeeli sünteesiks laboritasandil, mida saab lineaarselt suurendada suurtes kogustes.

Seadmed ja materjalid

Varustus

• Hielscher UP200Ht ultraheli protsessor (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (otsa läbimõõt: 2 mm; soovitatav väikesemahuliste mahtude jaoks)
• Mantliga reaktsioonianum (50 ml), ühildub magnetsegajaga
• Tsirkuleeriv veevann (termostaadiga reguleeritav 37 °C)
• Temperatuuriandur PT100 (sisaldub UP200Ht tarnekomplektis)
• Magnetsegaja
• Analüütilised kaalud (±0,1 mg)
• Vaakumahi või lüofilisaator

Kemikaalide

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

Kõik reaktiivid peavad olema analüütiliselt puhtad. Vältige hapnikurikast keskkonda; võimaluse korral degaseerib lahusteid.

Samm-sammuline protseduur: ultraheli hüdrogeeli polümerisatsioon

1. Polümerisatsioonisegu valmistamine
   • Kaaluge 0,75 g Dex-MA-d 50 ml mantliga reaktsioonianumasse.
   • Lisage 10,5 g glütserooli ja 3,75 g deioniseeritud vett.
   • Segage segu magnetiliselt toatemperatuuril (~22 °C) 5–10 minutit, et Dex-MA täielikult lahustuks. Tulemuseks peaks olema kergelt viskoosne, homogeenne lahus.
   • Kuumuta veevann temperatuurini 37 °C ja ühenda see mantliga kaetud anumaga, et hoida püsivat temperatuuri.
2. Sonicatori seadistamine
   • Paigaldage S26d2 sonotrode UP200Ht külge ja tagage tihe ühendus.
   • Kastke sonotrode ots reaktsioonisegusse. Vältige anuma seinte või põhja puudutamist.
   • Asetage temperatuuriandur lahusesse sonotrodi lähedale, kuid mitte otsesesse kontakti. See võimaldab teil kasutada sonikaatori integreeritud temperatuuri reguleerimist.
   • Määrake amplituud 100%-le.
3. ultraheli polümerisatsioon
   • Alustage segamist kiirusel 100–200 pööret minutis, et säilitada õrn homogeniseerimine.
   • Alustage ultrahelitöötlust sobiva amplituudi seadistusega, et anda ~56 W / cm² 6,5 minuti jooksul.
   • Lahuse temperatuur hoitakse kogu aeg 37 °C juures. Kui segu hakkab kuumenema, suurendage jahutusvedeliku voolu või lisage veevanni jääd.
   • Geelistumine algab tavaliselt 5–6 minuti jooksul. Viskoossus suureneb järsult.
   • Kui geelistumine toimub enne 6,5 minutit, lõpetage ultrahelitöötlus, et vältida liigset ristsidumist või lagunemist.
4. Järeltöötlus ja puhastamine
   • Viige geel viivitamatult tugeva segamise all 200 ml deioniseeritud vette, et leostuda reageerimata monomeer ja glütserool.
   • Segatakse 30 minutit, seejärel dekanteeritakse supernatant või filtreeritakse.
   • Parema hajutuse tagamiseks korrake pesemist veel 3 korda sooja veega (~60 °C).
   • Kuivatage geeli vaakumis 60 °C juures 8 tundi või lüofiliseerige poorsete struktuuride jaoks.

 
Tulemus: bioühilduv hüdrogeel
Peaksite saama läbipaistva ja vastupidava hüdrogeeli, millel on kõrge konversioon (~70–75%), suurepärane ristsidumine ja minimaalne monomeeri jääk. Hüdrogeel ei lahustu vees ja sellel on kuivamisel ühtlane struktuur.

 
Märkused optimaalse protsessi juhtimise kohta

Suurendamine: lineaarne ja lihtne ultrahelitöötlusega

Valdkonnas, mis nõuab üha enam täpsust, puhtust ja mastaapsust, pakub see ultrahelimeetod veenvat alternatiivi. See on ruumiliselt juhitav, reaalajas häälestatav ja ühildub pideva töötlemisega, kasutades kaasaegseid ultraheli sisemisi süsteeme.
Hielscher Ultrasonics'i sonikaatorid tagavad täpse amplituudi ja skaaluvad lineaarselt laborist tootmismõõduni, mis muudab need ideaalseks selliste hüdrogeelsüsteemide üleviimiseks reaalsetesse terapeutilistesse ja diagnostilistesse rakendustesse.

Disain, tootmine ja nõustamine – Kvaliteet Valmistatud Saksamaal

Hielscheri ultrasonikaatorid on tuntud oma kõrgeimate kvaliteedi- ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultrasonikaatorite sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrasonikaatorid saavad kergesti käsitseda karmid tingimused ja nõudlikud keskkonnad.

Hielscher Ultrasonics on ISO sertifitseeritud ettevõte ja paneb erilist rõhku suure jõudlusega ultrasonikaatoritele, millel on tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkus. Loomulikult on Hielscheri ultrasonikaatorid CE-nõuetele vastavad ja vastavad UL, CSA ja RoHs nõuetele.

Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest: