پلیمریزاسیون فراصوتی هیدروژل‌ها: پروتکل و افزایش مقیاس

پلیمریزاسیون القاشده با فراصوت، رویکردی بدون رادیکال و بدون آغازگر برای سنتز هیدروژل‌ها از مونومرهای وینیلی و ماکرومونومرهای محلول در آب ارائه می‌دهد. این روش از تولید سونوشیمیایی رادیکال‌ها از طریق کاویتاسیون بهره می‌گیرد و برای کاربردهای زیست‌پزشکی که در آن‌ها باید از باقی‌ماندن آغازگر جلوگیری شود، بسیار مناسب است.

هیدروژل‌ها شبکه‌های پلیمری سه‌بعدی و آب‌دوستی هستند که می‌توانند ضمن حفظ یکپارچگی ساختاری، مقادیر قابل‌توجهی آب را در خود نگه دارند – ویژگی‌ای که از زنجیره‌های پلیمری دارای اتصالات عرضی ناشی می‌شود. خواص فیزیکوشیمیایی آن‌ها – رفتار تورمی، استحکام مکانیکی و زیست‌سازگاری – آن‌ها را برای کاربردهای زیست‌پزشکی، از جمله دارورسانی، مهندسی بافت و ترمیم زخم، بسیار جذاب می‌کند.

مزیت پلیمریزاسیون فراصوتی هیدروژل

به‌طور سنتی، سنتز هیدروژل بر ایجاد اتصالات عرضی حرارتی، فتوشیمیایی یا شیمیایی متکی است؛ بااین‌حال، سنتز فراصوتی هیدروژل به‌طور چشمگیری مورد توجه قرار گرفته است، زیرا روش فراصوت‌دهی رویکردی ساده، بدون واکنشگر، قابل‌تنظیم و سازگارتر با محیط‌زیست ارائه می‌دهد. سنتز فراصوتی هیدروژل از کاویتاسیون آکوستیکی برای پیشبرد پلیمریزاسیون و ایجاد اتصالات عرضی فیزیکی یا شیمیایی، بدون نیاز به آغازگرهای خارجی، استفاده می‌کند. شایان توجه است که فراصوت‌دهی همچنین می‌تواند پراکنده‌سازی درجا‌ی نانوذرات را تسهیل کند یا واکنش‌های رادیکالی را در محیط‌های آبی آغاز کند؛ ازاین‌رو، ابزاری چندمنظوره برای ساخت هیدروژل‌های چندعملکردی یا نانوکامپوزیتی در شرایط ملایم است.

ویدئوی بالا سنتز فراصوتی یک هیدروژل را با استفاده از سونیکاتور UP50H و یک عامل ژل‌ساز با وزن مولکولی پایین نشان می‌دهد. حاصل، یک هیدروژل ابرمولکولی خودترمیم‌شونده است. (پژوهش و فیلم: Rutgeerts et al., 2019)
 

هیدروژل‌های زیست‌سازگار با فراصوت‌دهی

در تلاش برای دستیابی به هیدروژل‌های زیست‌سازگاری که بتوان آن‌ها را به‌صورت پاک، ایمن و در زمان نیاز تشکیل داد، راهبردهای سنتی پلیمریزاسیون اغلب پاسخ‌گو نیستند. کار Cass و همکاران راه‌حلی مؤثر برای این مسئله ارائه می‌دهد: روشی پاک و بدون آغازگر برای سنتز هیدروژل با استفاده از فراصوت کم‌فرکانس.

پژوهش آن‌ها پلیمریزاسیون سونوشیمیایی مونومرهای مختلف محلول در آب را بررسی می‌کند، اما یک فرمولاسیون به‌دلیل کارایی و قابلیت اتکای ویژه‌اش متمایز بود: محلول 5% دکستران متاکریلات (Dex-MA) در مخلوط گلیسرول–آب با 70% گلیسرول که تحت فراصوت با شدت متوسط 56 W/cm² پلیمریزه شد. به‌طرز چشمگیری، این سامانه تنها در 6٫5 دقیقه هیدروژلی کاملاً تشکیل‌شده ایجاد کرد و به تبدیل مونومر به پلیمر برابر با 72% دست یافت – بالاترین مقدار در میان تمام فرمولاسیون‌های آزمایش‌شده.

کاویتاسیون آکوستیکی: اصل عملکرد این روش بر پدیده‌ای استوار است که به همان اندازه که قدرتمند است، گذرا نیز هست: کاویتاسیون آکوستیکی. در معرض فراصوت پرتوان، حباب‌های میکروسکوپی در محیط مایع تشکیل می‌شوند و به‌شدت فرو می‌پاشند و نقاط داغ موضعی ایجاد می‌کنند که دمای آن‌ها ممکن است برای مدت کوتاهی از 5000 Kelvin فراتر رود. این شرایط موجب شکافت همولیتیک مولکول‌های حلال می‌شود و انبوهی از رادیکال‌های واکنش‌پذیر را به‌طور ناگهانی تولید می‌کند. برخلاف پلیمریزاسیون متعارف که به آغازگرهای خارجی یا گرما وابسته است، فراصوت هم انرژی و هم رادیکال‌های لازم برای آغاز پلیمریزاسیون را فراهم می‌کند – بدون آنکه دمای تودهٔ محیط از محدودهٔ دمایی مرتبط با شرایط فیزیولوژیک فراتر رود.

هم‌حلال: انتخاب گلیسرول به‌عنوان هم‌حلال تصادفی نبود. گلیسرول علاوه بر افزایش گرانروی محلول – عاملی حیاتی برای افزایش شدت کاویتاسیون – خود نیز به‌عنوان منبع کمکی تأمین رادیکال عمل می‌کند. گروه‌های هیدروکسیل آن به تولید رادیکال‌های ثانویهٔ نسبتاً پایدار شناخته می‌شوند و از این طریق، طول عمر رادیکال‌ها را افزایش می‌دهند و رشد زنجیره را تقویت می‌کنند. افزون بر این، محیط گرانرو و غنی از گلیسرول به به‌دام‌افتادن زنجیره‌های پلیمری نوپا کمک می‌کند، حلالیت آن‌ها را کاهش می‌دهد و آن‌ها را از تخریب فراصوتی، که ممکن است در سامانه‌های آبی رقیق‌تر رخ دهد، محافظت می‌کند.

پلیمریزاسیون فراصوتی: پژوهشگران برای مشخصه‌یابی پیشرفت پلیمریزاسیون از طیف‌سنجی فروسرخ استفاده کردند و کاهش گروه‌های وینیلی روی Dex-MA را در طول زمان پایش کردند. جذب مشخصه در 1635 cm⁻¹ – نشان‌دهندهٔ پیوندهای دوگانهٔ C=C – در طول فراصوت‌دهی به‌سرعت کاهش یافت، درحالی‌که ارتعاش کششی کربونیل استری در 1730 cm⁻¹ ثابت ماند و به‌عنوان مرجع داخلی به کار رفت. این داده‌ها نه‌تنها تبدیل سریع گروه‌های وینیلی، بلکه درجهٔ بالای اتصال عرضی را نیز تأیید کردند؛ نسبت‌های تورم پایین و ساختارهای مستحکم ژل نیز مؤید این موضوع بودند.

تحلیل: میکروسکوپی الکترونی روبشی همچنین تحول ریزساختار ژل را آشکار کرد. در مراحل اولیه، شبکه دارای منافذ بزرگ و باز بود، اما با ادامهٔ فراصوت‌دهی، این منافذ با یک ساختار ثانویهٔ متراکم‌تر پر شدند. تا دقیقهٔ 15، هیدروژل ریخت‌شناسی‌ای با اتصالات عرضی همگن و منافذی کاملاً به‌هم‌پیوسته نشان داد – ویژگی شاخص ژل‌های زیست‌پزشکی که به‌خوبی تشکیل شده‌اند.

نتیجه: در مقایسه با هیدروژل‌های تولیدشده با آغازگرهای حرارتی رادیکال آزاد، تفاوت‌ها چشمگیر بود. اگرچه با روش حرارتی نیز می‌شد به میزان تبدیل مشابهی دست یافت، شبکه‌های حاصل متخلخل‌تر و کمتر یکنواخت بودند و نسبت‌های تورم بالاتری نشان می‌دادند – نشانه‌هایی از معماری سست‌تر اتصالات عرضی. افزون بر این، فرایند حرارتی به پاک‌سازی با جریان نیتروژن، افزودنی‌های شیمیایی و دماهای بالاتر نیاز داشت، درحالی‌که رویکرد فراصوتی در دمای محیطِ تنها 37°C عمل می‌کرد.

شاید جالب‌ترین جنبهٔ این کار، مشاهدهٔ ادامه‌یافتن پلیمریزاسیون حتی پس از توقف فراصوت باشد. ژل طی یک دورهٔ 30 دقیقه‌ای پس از قطع فراصوت‌دهی، به پخت و افزایش استحکام ادامه داد. این موضوع نشان می‌دهد که گونه‌های رادیکالی پایدار یا ساختارهای واسطه‌ای تشکیل‌شده در طول فراصوت‌دهی ممکن است بدون دریافت انرژی بیشتر، همچنان رشد زنجیره‌های پلیمری را ادامه دهند – رفتاری با پیامدهای بالقوه سودمند برای کاربردهای درون‌تنی.

دربارهٔ مزایای تولید فراصوتی هیدروژل بیشتر بدانید!

پروتکل: سنتز فراصوتی هیدروژل دکستران متاکریلات (Dex-MA) با استفاده از سونیکاتور

برای سنتز هیدروژل Dex-MA با اتصالات عرضی کووالانسی، فراصوت با شدت بالا و فرکانس پایین به محلول گلیسرول/آب منتقل می‌شود. دما و چگالی انرژی فراصوت به‌دقت کنترل می‌شوند.
در ادامه، دستورالعمل سنتز فراصوتی هیدروژل در مقیاس آزمایشگاهی را ارائه می‌کنیم که می‌توان مقیاس آن را به‌صورت خطی برای مقادیر زیاد افزایش داد.

تجهیزات و مواد

تجهیزات

• پردازشگر فراصوتی Hielscher UP200Ht ‏(200 W, 26 kHz)
• سونوتْرود S26d2 (قطر نوک: 2 mm؛ توصیه‌شده برای حجم‌های کوچک)
• ظرف واکنش دوجداره (50 mL)، سازگار با همزن مغناطیسی
• حمام آب گردشی (با کنترل ترموستاتی در 37°C)
• پروب دمای PT100 (همراه با UP200Ht تحویل داده می‌شود)
• همزن مغناطیسی
• ترازوی تحلیلی (±0٫1 mg)
• آون خلأ یا خشک‌کن انجمادی

مواد شیمیایی

• دکستران متاکریلات (Dex-MA)، با متاکریلاسیون ~20%
• گلیسرول، ≥99٫5% (بی‌آب)
• آب دیونیزه

تمام واکنشگرها باید از گرید تحلیلی باشند. از محیط‌های غنی از اکسیژن پرهیز کنید؛ در صورت امکان، حلال‌ها را گاززدایی کنید.

روش گام‌به‌گام: پلیمریزاسیون فراصوتی هیدروژل

1. آماده‌سازی مخلوط پلیمریزاسیون
   • مقدار 0٫75 g از Dex-MA را در یک ظرف واکنش دوجدارهٔ 50 mL توزین کنید.
   • مقدار 10٫5 g گلیسرول و 3٫75 g آب دیونیزه اضافه کنید.
   • مخلوط را با همزن مغناطیسی در دمای اتاق (~22 °C) به‌مدت 5–10 دقیقه هم بزنید تا Dex-MA کاملاً حل شود. باید محلولی همگن و اندکی گرانرو حاصل شود.
   • حمام آب را از پیش تا 37 °C گرم کنید و آن را به ظرف دوجداره متصل کنید تا دما ثابت بماند.
2. راه‌اندازی سونیکاتور
   • سونوتْرود S26d2 را روی UP200Ht نصب کنید و از محکم‌بودن اتصال اطمینان حاصل کنید.
   • نوک سونوتْرود را در مخلوط واکنش فرو ببرید. از تماس آن با دیواره‌ها یا کف ظرف جلوگیری کنید.
   • پروب دما را در محلول، نزدیک سونوتْرود اما بدون تماس مستقیم با آن قرار دهید. این کار امکان استفاده از کنترل دمای یکپارچهٔ سونیکاتور را فراهم می‌کند.
   • دامنه را روی 100% تنظیم کنید.
3. پلیمریزاسیون فراصوتی
   • هم‌زدن را با سرعت 100–200 rpm آغاز کنید تا همگن‌سازی ملایم حفظ شود.
   • فراصوت‌دهی را با تنظیم مناسب دامنه آغاز کنید تا شدت ~56 W/cm² به‌مدت 6٫5 دقیقه اعمال شود.
   • دمای محلول را در تمام مدت روی 37°C نگه دارید. اگر مخلوط شروع به گرم‌شدن کرد، جریان سیال خنک‌کننده را افزایش دهید یا به حمام آب یخ اضافه کنید.
   • ژل‌شدن معمولاً طی 5–6 دقیقه آغاز می‌شود. گرانروی به‌شدت افزایش خواهد یافت.
   • اگر ژل‌شدن پیش از 6٫5 min رخ داد، فراصوت‌دهی را متوقف کنید تا از ایجاد بیش‌ازحد اتصالات عرضی یا تخریب جلوگیری شود.
4. پس‌پردازش و خالص‌سازی
   • ژل را بلافاصله به 200 mL آب دیونیزه تحت هم‌زدن شدید منتقل کنید تا مونومر واکنش‌نداده و گلیسرول از آن خارج شوند.
   • به‌مدت 30 دقیقه هم بزنید، سپس مایع رویی را سرریز کنید یا صاف‌سازی انجام دهید.
   • شست‌وشو را 3 بار دیگر با آب گرم (~60 °C) تکرار کنید تا نفوذ بهبود یابد.
   • ژل را تحت خلأ در 60°C به‌مدت 8 ساعت خشک کنید، یا برای دستیابی به ساختارهای متخلخل، خشک‌کردن انجمادی انجام دهید.

 
نتیجه: یک هیدروژل زیست‌سازگار
باید هیدروژلی شفاف و مستحکم با میزان تبدیل بالا (~70–75%)، اتصالات عرضی عالی و کمترین میزان مونومر باقی‌مانده به دست آورید. هیدروژل در برابر حل‌شدن در آب مقاومت خواهد کرد و پس از خشک‌شدن ساختاری یکنواخت خواهد داشت.

 
نکاتی برای کنترل بهینهٔ فرایند

افزایش مقیاس: خطی و ساده با فراصوت‌دهی

در حوزه‌ای که نیاز آن به دقت، خلوص و مقیاس‌پذیری پیوسته افزایش می‌یابد، این روش فراصوتی جایگزینی جذاب ارائه می‌دهد. این روش از نظر مکانی قابل‌کنترل است، قابلیت تنظیم در لحظه دارد و با پردازش پیوسته به‌وسیلهٔ سامانه‌های مدرن فراصوتی درون‌خطی سازگار است.
سونیکاتورهای Hielscher Ultrasonics دامنه‌های دقیق ارائه می‌دهند و مقیاس آن‌ها از آزمایشگاه تا تولید به‌صورت خطی افزایش می‌یابد – ویژگی‌ای که آن‌ها را برای انتقال چنین سامانه‌های هیدروژلی به کاربردهای عملی درمانی و تشخیصی ایدئال می‌کند.

طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان

دستگاه‌های فراصوت Hielscher به بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شهرت دارند. استحکام و کاربری آسان، ادغام بی‌دردسر دستگاه‌های فراصوت ما را در تأسیسات صنعتی امکان‌پذیر می‌کند. دستگاه‌های فراصوت Hielscher به‌آسانی از عهدهٔ شرایط سخت و محیط‌های پرفشار برمی‌آیند.

Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهی ISO است و بر دستگاه‌های فراصوت با عملکرد بالا، مجهز به فناوری روز و دارای کاربری آسان تأکید ویژه‌ای دارد. البته دستگاه‌های فراصوت Hielscher با الزامات CE مطابقت دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده می‌کنند.

جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوت ما ارائه می‌دهد: