پلیمریزاسیون التراسونیک هیدروژل ها: پروتکل و مقیاس بالا
پلیمریزاسیون ناشی از سونوگرافی یک رویکرد بدون رادیکال و بدون آغازگر برای سنتز هیدروژل ها از مونومرهای وینیل محلول در آب و ماکرومونومرها ارائه می دهد. این روش از تولید سونوشیمیایی رادیکال ها از طریق کاویتاسیون بهره برداری می کند و برای کاربردهای زیست پزشکی که در آن باید از بقایای آغازگر اجتناب شود، ایده آل است.
هیدروژل ها شبکه های پلیمری سه بعدی و آب دوست هستند که می توانند مقادیر قابل توجهی آب را حفظ کنند و در عین حال یکپارچگی ساختاری را حفظ کنند - ویژگی ناشی از زنجیره های پلیمری متقاطع. خواص فیزیکوشیمیایی آنها - رفتار تورم، استحکام مکانیکی و زیست سازگاری - آنها را برای کاربردهای زیست پزشکی از جمله دارورسانی، مهندسی بافت و بهبود زخم بسیار جذاب می کند.
مزیت پلیمریزاسیون هیدروژل التراسونیک
به طور سنتی، سنتز هیدروژل به اتصال عرضی حرارتی، فتوشیمیایی یا شیمیایی متکی است. با این حال، سنتز هیدروژل اولتراسونیک در حال به دست آوردن کشش قابل توجهی به عنوان روش فراصوت ارائه می دهد ساده معرف رایگان، قابل تنظیم، و رویکرد سبزتر. سنتز هیدروژل التراسونیک با استفاده از حفره صوتی برای ترویج پلیمریزاسیون و اتصال عرضی فیزیکی یا شیمیایی بدون نیاز به آغازگر خارجی. قابل ذکر است که امواج فراصوت همچنین می تواند پراکندگی نانوذرات درجا را تسهیل کند یا واکنش های رادیکال را در محیط های آبی آغاز کند و آن را به ابزاری همه کاره برای ساخت هیدروژل های چند منظوره یا نانوکامپوزیت در شرایط معتدل تبدیل کند.
Sonicator UIP1000hdT با راکتور شیشه ای برای سنتز هیدروژل
کلیپ ویدیویی بالا سنتز اولتراسونیک هیدروژل را نشان می دهد
با استفاده از سونیکاتور UP50H
و یک ژلاتور با وزن مولکولی کم. نتیجه یک هیدروژل فوق مولکولی خود ترمیم شونده است.
(مطالعه و فیلم: Rutgeerts و همکاران، 2019)
کلیپ ویدیویی بالا سنتز اولتراسونیک هیدروژل را نشان می دهد با استفاده از سونیکاتور UP50H و یک ژلاتور با وزن مولکولی کم. نتیجه یک هیدروژل فوق مولکولی خود ترمیم شونده است. (مطالعه و فیلم: Rutgeerts و همکاران، 2019)
هیدروژل های زیست سازگار با فراصوت
در تلاش برای هیدروژل های زیست سازگار که می توانند به طور تمیز، ایمن و بر اساس تقاضا تشکیل شوند، استراتژی های پلیمریزاسیون سنتی اغلب کوتاه می آیند. کار کاس و همکارانش یک راه حل موثر برای این مشکل ارائه می دهد: یک روش تمیز و بدون آغازگر برای سنتز هیدروژل با استفاده از سونوگرافی با فرکانس پایین.
مطالعه آنها پلیمریزاسیون سونوشیمیایی مونومرهای مختلف محلول در آب را بررسی می کند، اما یک فرمولاسیون به عنوان بسیار کارآمد و قوی برجسته بود: محلول 5٪ دکستران متاکریلات (Dex-MA) در 70٪ گلیسرول آب، پلیمریزه تحت سونوگرافی با شدت متوسط 56 W/cm². قابل توجه است که این سیستم یک هیدروژل کاملا شکل گرفته را تنها در 6.5 دقیقه به دست آورد و به تبدیل مونومر به پلیمر 72 درصد دست یافت - بالاترین میزان در بین تمام فرمولاسیون های آزمایش شده.
کاویتاسیون آکوستیک: اصل کار این روش بر اساس پدیده ای به همان اندازه قدرتمند و گذرا است: حفره صوتی. هنگامی که تحت سونوگرافی قدرت قرار می گیرند، حباب های میکروسکوپی تشکیل می شوند و به شدت در محیط مایع فرو می ریزند و نقاط داغ موضعی ایجاد می کنند که دما ممکن است برای مدت کوتاهی از 5000 کلوین فراتر رود. این شرایط باعث ایجاد شکاف همولیتیک مولکول های حلال می شود و انفجاری از رادیکال های واکنشی ایجاد می کند. بر خلاف پلیمریزاسیون معمولی, که در آغازگر خارجی و یا گرما بستگی دارد, سونوگرافی ارائه هر دو انرژی و رادیکال های مورد نیاز برای شروع پلیمریزاسیون - بدون بیش از درجه حرارت فله فیزیولوژیکی مربوط.
شرکت حلال: انتخاب گلیسرول به عنوان یک حلال مشترک تصادفی نبود. فراتر از افزایش ویسکوزیته محلول - یک عامل حیاتی برای افزایش شدت کاویتاسیون - گلیسرول خود را به عنوان یک اهدا کننده رادیکال عمل می کند. گروه های هیدروکسیل آن شناخته شده اند که رادیکال های ثانویه نسبتا پایدار تولید می کنند و در نتیجه طول عمر رادیکال را افزایش می دهند و باعث انتشار زنجیره ای می شوند. علاوه بر این، محیط چسبناک غنی از گلیسرول به به دام انداختن زنجیره های پلیمری نوپا، کاهش حلالیت آنها و محافظت از آنها در برابر تخریب اولتراسونیک کمک می کند، که می تواند در سیستم های آبی رقیق تر رخ دهد.
پلیمریزاسیون اولتراسونیک: برای توصیف پیشرفت پلیمریزاسیون, محققان با استفاده از طیف سنجی مادون قرمز, ردیابی تخلیه گروه های وینیل در Dex-MA در طول زمان. جذب مشخصه در 1635 cm⁻¹ - نشان دهنده اوراق قرضه C = C دو - به سرعت در طول فراصوت کاهش می یابد ، در حالی که کشش کربونیل استر در 1730 cm⁻¹ ثابت باقی می ماند و به عنوان یک مرجع داخلی عمل می کند. این داده ها نه تنها تبدیل سریع وینیل بلکه درجه بالایی از اتصال عرضی را نیز تأیید می کند، همانطور که با نسبت تورم کم و ساختارهای ژل قوی مشهود است.
تحلیل: میکروسکوپ الکترونی روبشی بیشتر تکامل ریزساختار ژل را نشان داد. در مراحل اولیه، شبکه دارای منافذ بزرگ و باز بود، اما با فراصوت مداوم، اینها با یک ساختار ثانویه متراکم تر پر شدند. در 15 دقیقه، هیدروژل یک مورفولوژی همگن با منافذ کاملا به هم پیوسته را نشان داد - مشخصه ژل های زیست پزشکی به خوبی شکل گرفته است.
نتیجه: در مقایسه با هیدروژل های تولید شده با آغازگرهای رادیکال آزاد حرارتی، تفاوت ها قابل توجه بود. اگرچه تبدیل های مشابهی را می توان از نظر حرارتی به دست آورد، اما شبکه های حاصل متخلخل تر، یکنواخت تر و نسبت تورم بالاتری را نشان دادند - نشانه هایی از معماری اتصال عرضی شل تر. علاوه بر این، فرآیند حرارتی نیاز به پاکسازی نیتروژن، مواد افزودنی شیمیایی و دماهای بالاتر داشت، در حالی که رویکرد اولتراسونیک در دمای محیط فقط 37 درجه سانتیگراد عمل می کرد.
شاید جذاب ترین جنبه این کار مشاهده این باشد که پلیمریزاسیون می تواند حتی پس از توقف سونوگرافی ادامه یابد. ژل ادامه به درمان و افزایش قدرت بیش از یک دوره 30 دقیقه پس از قطع فراصوت. این نشان می دهد که گونه های رادیکال پایدار و یا ساختارهای میانی تشکیل شده در طول فراصوت ممکن است ادامه به انتشار زنجیره های پلیمری در غیاب ورودی انرژی بیشتر – یک رفتار با پیامدهای بالقوه مفید برای برنامه های کاربردی در داخل بدن.
سونیکاتور UP200Ht برای پلیمریزاسیون هیدروژل اولتراسونیک
پروتکل: سنتز التراسونیک دکستران متاکریلات (Dex-MA) هیدروژل با استفاده از یک سونیکاتور
برای سنتز هیدروژل Dex-MA متقاطع کووالانسی، سونوگرافی با شدت بالا و فرکانس پایین به محلول گلیسرول / آب متصل می شود. دما و چگالی انرژی اولتراسوند دقیقا کنترل می شوند.
در زیر ، ما دستورالعمل های سنتز هیدروژل اولتراسونیک را در مقیاس آزمایشگاهی به شما می دهیم ، که می تواند به صورت خطی به مقادیر زیادی افزایش یابد.
تجهیزات و مواد
تجهیزات
- پردازنده اولتراسونیک Hielscher UP200Ht (200 وات، 26 کیلوهرتز)
- Sonotrode S26d2 (قطر نوک: 2 میلی متر؛ برای حجم های کوچک توصیه می شود)
- مخزن واکنش ژاکت دار (50 میلی لیتر)، سازگار با همزن مغناطیسی
- حمام آب در گردش (ترموستاتیک در دمای 37 درجه سانتیگراد کنترل می شود)
- پروب دما PT100 (در محدوده تحویل UP200Ht گنجانده شده است)
- همزن مغناطیسی
- تعادل تحلیلی (±0.1 میلی گرم)
- اجاق خلاء یا لیوفیلایزر
مواد شیمیایی
- دکستران متاکریلات (Dex-MA) ، ~ 20٪ متاکریلاسیون
- گلیسرول، ≥99.5٪ (بی آب)
- آب دیونیزه
همه معرف ها باید از درجه تحلیلی برخوردار باشند. از محیط های غنی از اکسیژن خودداری کنید. در صورت امکان حلال های گاز زدایی.
| جزء | مقدار (گرم) | وزن٪ |
|---|---|---|
| دکستران متاکریلات | 0.75 گرم | 5% |
| گلیسرول | 10.5 گرم | 70% |
| آب دیونیزه | 3.75 گرم | 25% |
| مجموع | 15.0 گرم | 100% |
روش گام به گام: پلیمریزاسیون هیدروژل اولتراسونیک
- تهیه مخلوط پلیمریزاسیون
- وزن 0.75 گرم Dex-MA را در یک ظرف واکنش ژاکت دار 50 میلی لیتر.
- 10.5 گرم گلیسرول و 3.75 گرم آب دیونیزه اضافه کنید.
- هم بزنید مخلوط مغناطیسی در دمای اتاق (~ 22 °C) به مدت 5-10 دقیقه به Dex-MA به طور کامل حل شود. یک محلول کمی چسبناک و همگن باید حاصل شود.
- حمام آب را با دمای 37 درجه سانتیگراد گرم کنید و آن را به ظرف ژاکت دار وصل کنید تا دمای ثابت حفظ شود.
- راه اندازی Sonicator
- سونوترود S26d2 را به UP200Ht سوار کنید و از اتصال محکم اطمینان حاصل کنید.
- نوک sonotrode را به مخلوط واکنش غوطه ور کنید. از دست زدن به دیواره یا کف رگ خودداری کنید.
- محل پروب دما در محلول نزدیک به سونوترود اما نه در تماس مستقیم. این اجازه می دهد تا شما را به استفاده از کنترل دما یکپارچه از فراصوت استفاده کنید.
- دامنه را روی 100٪ تنظیم کنید.
- پلیمریزاسیون التراسونیک
- برای حفظ همگن سازی ملایم، هم زدن را در 100-200 دور در دقیقه شروع کنید.
- شروع فراصوت در تنظیم دامنه مناسب برای ارائه ~ 56 W / cm² به مدت 6.5 دقیقه.
- دمای محلول را در 37 درجه سانتیگراد در سراسر حفظ کنید. اگر مخلوط شروع به گرم شدن کرد، جریان مایع خنک کننده را افزایش دهید یا یخ را به حمام آب اضافه کنید.
- ژل شدن معمولا در عرض 5 تا 6 دقیقه شروع می شود. ویسکوزیته به شدت افزایش می یابد.
- اگر ژل شدن قبل از 6.5 دقیقه رخ می دهد، فراصوت را متوقف کنید تا از اتصال بیش از حد یا تخریب جلوگیری شود.
- پس از پردازش و تصفیه
- بلافاصله ژل را به 200 میلی لیتر آب دیونیزه شده تحت هم زدن شدید منتقل کنید تا مونومر و گلیسرول واکنش نیافته را از بین ببرید.
- به مدت 30 دقیقه هم بزنید ، سپس مایع رویی یا فیلتر را تخلیه کنید.
- شستشو را 3 بار دیگر با استفاده از آب گرم (~60 درجه سانتیگراد) تکرار کنید تا انتشار بهتر شود.
- ژل را در خلاء در دمای 60 درجه سانتیگراد به مدت 8 ساعت خشک کنید یا برای ساختارهای متخلخل لیوفیلیزه کنید.
نتیجه: یک هیدروژل زیست سازگار
شما باید یک هیدروژل شفاف و قوی با تبدیل بالا (~70-75٪)، اتصال عرضی عالی و حداقل مونومر باقیمانده به دست آورید. هیدروژل در برابر انحلال در آب مقاومت می کند و پس از خشک شدن ساختار یکنواختی از خود نشان می دهد.
نکاتی برای کنترل بهینه فرآیند
اولتراسونیک صنعتی UIP16000hdT با قدرت 16000 وات برای تولید درون خطی هیدروژل با توان بالا.
مقیاس بالا: خطی و ساده با فراصوت
در زمینه ای که به طور فزاینده ای نیاز به دقت، خلوص و مقیاس پذیری دارد، این روش اولتراسونیک یک جایگزین قانع کننده ارائه می دهد. از نظر فضایی قابل کنترل است، در زمان واقعی قابل تنظیم است و با پردازش مداوم با استفاده از سیستم های درون خطی اولتراسونیک مدرن سازگار است.
Sonicators توسط Hielscher Ultrasonics ارائه دامنه دقیق و مقیاس خطی از آزمایشگاه به مقیاس تولید - و آنها را ایده آل برای ترجمه چنین سیستم های هیدروژل به برنامه های کاربردی درمانی و تشخیصی در دنیای واقعی.
- راندمان بالا
- تکنولوژی روز
- قابلیت اطمینان & نیرومندی
- کنترل فرآیند قابل تنظیم و دقیق
- دسته & درون خطی
- برای هر حجمی
- نرم افزار هوشمند
- ویژگی های هوشمند (به عنوان مثال، قابل برنامه ریزی، پروتکل داده ها، کنترل از راه دور)
- آسان و ایمن برای کار
- تعمیر و نگهداری کم
- CIP (تمیز کردن در محل)
طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان
مافوق صوت Hielscher به خوبی برای بالاترین کیفیت و استانداردهای طراحی خود را شناخته شده. استحکام و بهره برداری آسان اجازه می دهد تا ادغام صاف از ultrasonicators ما به امکانات صنعتی. شرایط خشن و محیط های خواستار به راحتی توسط مافوق صوت Hielscher رسیده.
Hielscher اولتراسونیک یک شرکت دارای گواهینامه ISO است و تاکید ویژه ای بر مافوق صوت با کارایی بالا با ویژگی های دولت از هنر فن آوری و کاربر پسند قرار داده است. البته، مافوق صوت Hielscher مطابق با CE و دیدار با الزامات UL، CSA و RoHs.
جدول زیر به شما نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی مافوق صوت ما می دهد:
| حجم دسته ای | نرخ جریان | دستگاه های توصیه شده |
|---|---|---|
| 0.5 تا 1.5 میلی لیتر | ن.ا. | VialTweeter(ویال گروهی) |
| 1 تا 500 میلی لیتر | 10 تا 200 میلی لیتر در دقیقه | UP100H |
| 10 تا 2000 میلی لیتر | 20 تا 400 میلی لیتر در دقیقه | تا 200 هرتز، UP400St |
| 0.1 تا 20 لیتر | 0.2 تا 4 لیتر در دقیقه | UIP2000hdT |
| 10 تا 100 لیتر | 2 تا 10 لیتر در دقیقه | UIP4000hdT |
| 15 تا 150 لیتر | 3 تا 15 لیتر در دقیقه | UIP6000hdT |
| ن.ا. | 10 تا 100 لیتر در دقیقه | UIP16000hdT |
| ن.ا. | بزرگتر | خوشه ای از UIP16000hdT |
سونیکاتور درون خطی UIP2000hdT برای تولید هیدروژل صنعتی در جریان مداوم
ادبیات / منابع
- Rutgeerts, Laurens A. J.; Soultan, Al Halifa; Subramani, Ramesh; Toprakhisar, Burak; Ramon, Herman; Paderes, Monissa C.; De Borggraeve, Wim M.; Patterson, Jennifer (2019): Robust scalable synthesis of a bis-urea derivative forming thixotropic and cytocompatible supramolecular hydrogels. Chemical Communications Issue 51, 2019.
- Cass, P., Knower, W., Pereeia, E., Holmes, N.P., Hughes, T. (2010): Preparation of hydrogels via ultrasonic polymerization. Ultrasonics Sonochemistry, 17(2), 2010. 326–332.
- Kocen, Rok; Gasik, Michael; Gantar, Ana; Novak, Sasa (2017): Viscoelastic behaviour of hydrogel-based composites for tissue engineering under mechanical load. Biomedical materials (Bristol, England), 2017.
- Willfahrt, A., Steiner, E., Hoetzel, J., Crispin, X. (2019): Printable acid-modified corn starch as non-toxic, disposable hydrogel-polymer electrolyte in supercapacitors. Applied Physics A, 125(7), 474.
پرسش و پاسخهای متداول
هیدروژل چیست؟
هیدروژل یک شبکه پلیمری سه بعدی و آب دوست است که قادر به جذب و حفظ مقادیر زیادی آب با حفظ یکپارچگی ساختاری است. این ماده از طریق اتصال عرضی فیزیکی یا شیمیایی زنجیره های پلیمری تشکیل می شود که اغلب محتوای آب و خاصیت ارتجاعی بافت های بیولوژیکی را تقلید می کند.
هیدروژل برای چه مواردی استفاده می شود؟
هیدروژل ها در طیف گسترده ای از کاربردها از جمله دارورسانی، پانسمان زخم، داربست های مهندسی بافت، لنزهای تماسی نرم، حسگرهای زیستی و اخیرا در رباتیک نرم و الکترونیک پوشیدنی استفاده می شوند. زیست سازگاری، خواص مکانیکی قابل تنظیم و پاسخگویی به محرک ها، آنها را در محیط های پزشکی و صنعتی بسیار متنوع می کند.
آیا هیدروژل برای پوست مفید است؟
بله، هیدروژل به طور کلی برای پوست مفید است. این یک محیط مرطوب را حفظ می کند که باعث بهبود زخم می شود، جای زخم را کاهش می دهد و از تکثیر سلول ها پشتیبانی می کند. پانسمان های زخم مبتنی بر هیدروژل همچنین می توانند خنک کننده، تسکین درد و تحویل کنترل شده عوامل درمانی را فراهم کنند و آنها را برای سوختگی، زخم و مراقبت های پس از جراحی موثر می کند.
اطلاعات بیشتر در مورد التراسونیک آماده آلوئه ورا زخم پانسمان!
چرا هیدروژل خود ترمیم می شود؟
هیدروژل ها به دلیل فعل و انفعالات برگشت پذیر در شبکه پلیمری خود، رفتار خود ترمیمی از خود نشان می دهند. اینها ممکن است شامل پیوند هیدروژنی ، فعل و انفعالات یونی ، نیروهای آبگریز یا پیوندهای کووالانسی دینامیکی باشد. هنگامی که شبکه مختل می شود، این فعل و انفعالات به ماده اجازه می دهد تا ساختار خود را دوباره شکل دهد و هیدروژل را قادر می سازد تا خواص مکانیکی و عملکردی خود را پس از آسیب بازیابی کند.
Hielscher مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا از ازمایشگاه ها تا اندازه صنعتی.