Hydrogeelien ultraäänipolymerointi: menetelmäohje ja mittakaavan suurentaminen

Ultraäänen indusoima polymerointi tarjoaa radikaalittoman, initiaattorittoman menetelmän hydrogeelien syntetisointiin vesiliukoisista vinyylimonomeereistä ja makromonomeereistä. Menetelmä hyödyntää radikaalien sonokemiallista muodostumista kavitaation avulla ja soveltuu ihanteellisesti biolääketieteellisiin sovelluksiin, joissa initiaattorijäämiä on vältettävä.

Hydrogeelit ovat kolmiulotteisia, hydrofiilisiä polymeeriverkostoja, jotka pystyvät pidättämään huomattavia määriä vettä säilyttäen samalla rakenteellisen eheytensä – tämä ominaisuus perustuu ristisilloitettuihin polymeeriketjuihin. Niiden fysikaalis-kemialliset ominaisuudet – turpoamiskäyttäytyminen, mekaaninen lujuus ja bioyhteensopivuus – tekevät niistä erittäin kiinnostavia biolääketieteellisiin sovelluksiin, kuten lääkeaineiden annosteluun, kudosteknologiaan ja haavojen paranemiseen.

Hydrogeelien ultraäänipolymeroinnin etu

Perinteisesti hydrogeelien synteesi perustuu termiseen, fotokemialliseen tai kemialliseen ristisilloitukseen. Hydrogeelien ultraäänisynteesi on kuitenkin saamassa huomattavasti jalansijaa, sillä ultraäänikäsittely tarjoaa yksinkertaisen, reagenssittoman, säädettävän ja ympäristöystävällisemmän menetelmän. Hydrogeelien ultraäänisynteesissä käytetään akustista kavitaatiota polymeroinnin ja fysikaalisen tai kemiallisen ristisilloituksen edistämiseen ilman ulkoisia initiaattoreita. Ultraäänikäsittely voi myös helpottaa nanohiukkasten dispergointia in situ tai käynnistää radikaalireaktioita vesipohjaisissa väliaineissa, mikä tekee siitä monipuolisen työkalun monitoiminnallisten hydrogeelien tai nanokomposiittihydrogeelien valmistamiseen miedoissa olosuhteissa.

Yllä oleva video havainnollistaa hydrogeelin ultraäänisynteesiä ultraäänilaitteella UP50H ja pienimolekyylisellä geeliytysaineella. Tuloksena on itsestään korjautuva supramolekulaarinen hydrogeeli. (Tutkimus ja video: Rutgeerts et al., 2019)
 

Bioyhteensopivia hydrogeelejä ultraäänikäsittelyllä

Kun tavoitteena ovat bioyhteensopivat hydrogeelit, joita voidaan muodostaa puhtaasti, turvallisesti ja tarpeen mukaan, perinteiset polymerointistrategiat jäävät usein riittämättömiksi. Cassin ja hänen kollegoidensa työ tarjoaa tähän ongelmaan tehokkaan ratkaisun: puhtaan, initiaattorittoman menetelmän hydrogeelien synteesiin matalataajuisella ultraäänellä.

Heidän tutkimuksessaan tarkastellaan erilaisten vesiliukoisten monomeerien sonokemiallista polymerointia, mutta yksi koostumus erottui erityisen tehokkaana ja toimintavarmana: 5 %:n dekstraanimetakrylaattiliuos (Dex-MA) glyseroli-vesiseoksessa, jonka glyserolipitoisuus on 70 %, polymeroituna ultraäänellä kohtalaisella intensiteetillä 56 W/cm². Huomionarvoista on, että tämä järjestelmä tuotti täysin muodostuneen hydrogeelin vain 6,5 minuutissa ja saavutti 72 %:n monomeerin konversion polymeeriksi – korkeimman kaikista testatuista koostumuksista.

Akustinen kavitaatio: Menetelmän toimintaperiaate perustuu ilmiöön, joka on yhtä voimakas kuin lyhytkestoinen: akustiseen kavitaatioon. Tehoultraäänen vaikutuksesta nestemäiseen väliaineeseen muodostuu mikroskooppisia kuplia, jotka luhistuvat rajusti ja synnyttävät paikallisia kuumia pisteitä, joissa lämpötila voi hetkellisesti ylittää 5 000 kelviniä. Nämä olosuhteet aiheuttavat liuotinmolekyylien homolyyttistä pilkkoutumista, jolloin syntyy äkillisesti suuri määrä reaktiivisia radikaaleja. Toisin kuin tavanomaisessa polymeroinnissa, joka on riippuvainen ulkoisista initiaattoreista tai lämmöstä, ultraääni tuottaa sekä polymeroinnin käynnistämiseen tarvittavan energian että radikaalit – ilman että koko väliaineen lämpötila ylittää fysiologisesti merkitykselliset lämpötilat.

Apuliuotin: Glyserolin valinta apuliuottimeksi ei ollut sattumaa. Sen lisäksi, että glyseroli lisää liuoksen viskositeettia – mikä on kriittinen tekijä kavitaation intensiteetin tehostamisessa –, se toimii itse myös radikaalien rinnakkaisluovuttajana. Sen hydroksyyliryhmien tiedetään tuottavan suhteellisen stabiileja sekundaarisia radikaaleja, mikä pidentää radikaalien elinikää ja edistää ketjujen kasvua. Lisäksi viskoosi, runsaasti glyserolia sisältävä ympäristö auttaa vangitsemaan muodostuvia polymeeriketjuja, vähentää niiden liukoisuutta ja suojaa niitä ultraäänen aiheuttamalta hajoamiselta, jota voi esiintyä laimeammissa vesipohjaisissa järjestelmissä.

Ultraäänipolymerointi: Polymeroinnin etenemisen karakterisoimiseksi tutkijat käyttivät infrapunaspektroskopiaa ja seurasivat Dex-MA:n vinyyliryhmien vähenemistä ajan kuluessa. C=C-kaksoissidoksia osoittava ominainen absorptio aaltoluvulla 1 635 cm⁻¹ väheni nopeasti ultraäänikäsittelyn aikana, kun taas esterin karbonyyliryhmän venytysvärähtely aaltoluvulla 1 730 cm⁻¹ pysyi vakiona ja toimi sisäisenä vertailuna. Nämä tiedot vahvistivat sekä vinyyliryhmien nopean konversion että korkean ristisilloitusasteen, josta osoituksena olivat pienet turpoamissuhteet ja lujat geelirakenteet.

Analyysi: Pyyhkäisyelektronimikroskopia paljasti lisäksi geelin mikrorakenteen kehityksen. Alkuvaiheissa verkostossa oli suuria, avoimia huokosia, mutta ultraäänikäsittelyn jatkuessa ne täyttyivät tiheämmällä sekundaarirakenteella. 15 minuutin kohdalla hydrogeelin morfologia oli tasaisesti ristisilloittunut, ja huokoset olivat tiiviisti yhteydessä toisiinsa – hyvin muodostuneille biolääketieteellisille geeleille ominainen piirre.

Tulos: Erot olivat huomattavia verrattaessa termisillä vapaaradikaali-initiaattoreilla tuotettuihin hydrogeeleihin. Vaikka vastaavia konversioita voitiin saavuttaa termisesti, tuloksena syntyneet verkostot olivat huokoisempia ja vähemmän tasalaatuisia, ja niiden turpoamissuhteet olivat suurempia – merkkejä väljemmästä ristisilloitusrakenteesta. Lisäksi terminen prosessi edellytti typpihuuhtelua, kemiallisia lisäaineita ja korkeampia lämpötiloja, kun taas ultraäänimenetelmä toimi vain 37 °C:n ympäristön lämpötilassa.

Kenties tämän työn kiehtovin havainto on, että polymerointi voi jatkua myös ultraäänen lopettamisen jälkeen. Geeli jatkoi kovettumista ja lujittumista 30 minuutin ajan ultraäänikäsittelyn päättymisen jälkeen. Tämä viittaa siihen, että ultraäänikäsittelyn aikana muodostuneet pitkäikäiset radikaalilajit tai välirakenteet voivat jatkaa polymeeriketjujen kasvattamista ilman uutta energiansyöttöä – ilmiöön, jolla voi olla hyödyllisiä vaikutuksia in vivo -sovelluksissa.

Lue lisää hydrogeelien ultraäänituotannon eduista!

Menetelmäohje: dekstraanimetakrylaattihydrogeelin (Dex-MA) ultraäänisynteesi ultraäänilaitteella

Kovalenttisesti ristisilloitetun Dex-MA-hydrogeelin syntetisoimiseksi glyseroli-vesiliuokseen kytketään suuritehoista, matalataajuista ultraääntä. Lämpötilaa ja ultraäänen energiatiheyttä säädetään tarkasti.
Alla annamme ohjeet hydrogeelin ultraäänisynteesiin laboratoriomittakaavassa. Menetelmän mittakaavaa voidaan suurentaa lineaarisesti suurille määrille.

Laitteet ja materiaalit

Laitteet

• Hielscher UP200Ht -ultraääniprosessori (200 W, 26 kHz)
• Sonotrodi S26d2 (kärjen halkaisija: 2 mm; suositellaan pienille tilavuuksille)
• Vaipallinen reaktioastia (50 mL), joka soveltuu käytettäväksi magneettisekoittimen kanssa
• Kiertovesihaude (termostaattiohjattu 37 °C:n lämpötilaan)
• Lämpötila-anturi PT100 (sisältyy UP200Ht:n toimitukseen)
• Magneettisekoitin
• Analyysivaaka (±0,1 mg)
• Tyhjiöuuni tai kylmäkuivain

Kemikaalit

• Dekstraanimetakrylaatti (Dex-MA), metakrylointiaste ~20 %
• Glyseroli, ≥99,5 % (vedetön)
• Deionisoitu vesi

Kaikkien reagenssien tulee olla analyysilaatuisia. Vältä happirikkaita ympäristöjä; poista liuottimista kaasut, jos mahdollista.

Vaiheittainen menetelmäohje: hydrogeelin ultraäänipolymerointi

1. Polymerointiseoksen valmistelu
   • Punnitse 0,75 g Dex-MA:ta 50 mL:n vaipalliseen reaktioastiaan.
   • Lisää 10,5 g glyserolia ja 3,75 g deionisoitua vettä.
   • Sekoita seosta magneettisekoittimella huoneenlämmössä (~22 °C) 5–10 minuutin ajan, jotta Dex-MA liukenee kokonaan. Tuloksena pitäisi olla hieman viskoosi, homogeeninen liuos.
   • Esilämmitä vesihaude 37 °C:seen ja liitä se vaipalliseen astiaan tasaisen lämpötilan ylläpitämiseksi.
2. Ultraäänilaitteen valmistelu
   • Kiinnitä S26d2-sonotrodi UP200Ht:hen ja varmista liitoksen tiukkuus.
   • Upota sonotrodin kärki reaktioseokseen. Vältä koskettamasta astian seiniä tai pohjaa.
   • Aseta lämpötila-anturi liuokseen lähelle sonotrodia, mutta älä suoraan kosketukseen sen kanssa. Näin voit käyttää ultraäänilaitteen integroitua lämpötilansäätöä.
   • Aseta amplitudiksi 100 %.
3. Ultraäänipolymerointi
   • Aloita sekoitus nopeudella 100–200 rpm hellävaraisen homogenoinnin ylläpitämiseksi.
   • Aloita ultraäänikäsittely sopivalla amplitudiasetuksella siten, että intensiteetti on ~56 W/cm² 6,5 minuutin ajan.
   • Pidä liuoksen lämpötila koko ajan 37 °C:ssa. Jos seos alkaa lämmetä, lisää jäähdytysnesteen virtausta tai lisää jäätä vesihauteeseen.
   • Geeliytyminen alkaa tavallisesti 5–6 minuutin kuluessa. Viskositeetti kasvaa voimakkaasti.
   • Jos geeliytyminen tapahtuu ennen 6,5 min:n täyttymistä, lopeta ultraäänikäsittely liiallisen ristisilloituksen tai hajoamisen välttämiseksi.
4. Jälkikäsittely ja puhdistus
   • Siirrä geeli välittömästi 200 mL:aan deionisoitua vettä voimakkaasti sekoittaen, jotta reagoimaton monomeeri ja glyseroli liukenevat siitä pois.
   • Sekoita 30 minuutin ajan ja dekantoi sitten supernatantti tai suodata.
   • Toista pesu vielä 3 kertaa lämpimällä vedellä (~60 °C) diffuusion tehostamiseksi.
   • Kuivaa geeli tyhjiössä 60 °C:ssa 8 tunnin ajan tai kylmäkuivaa se huokoisten rakenteiden aikaansaamiseksi.

 
Tulos: bioyhteensopiva hydrogeeli
Tuloksena pitäisi olla läpinäkyvä, luja hydrogeeli, jonka konversio on korkea (~70–75 %), ristisilloitus erinomainen ja jäännösmonomeerin määrä vähäinen. Hydrogeeli vastustaa veteen liukenemista ja sen rakenne on kuivaamisen jälkeen tasainen.

 
Huomioita optimaaliseen prosessinohjaukseen

Mittakaavan suurentaminen: lineaarisesti ja yksinkertaisesti ultraäänikäsittelyllä

Alalla, jolla tarkkuuden, puhtauden ja skaalautuvuuden vaatimukset kasvavat jatkuvasti, tämä ultraäänimenetelmä tarjoaa houkuttelevan vaihtoehdon. Sitä voidaan ohjata paikallisesti ja säätää reaaliajassa, ja se soveltuu jatkuvaan prosessointiin nykyaikaisilla ultraääni-inline-järjestelmillä.
Hielscher Ultrasonicsin ultraäänilaitteet tuottavat tarkat amplitudit ja skaalautuvat lineaarisesti laboratoriomittakaavasta tuotantomittakaavaan – siksi ne soveltuvat ihanteellisesti tällaisten hydrogeelijärjestelmien siirtämiseen käytännön terapeuttisiin ja diagnostisiin sovelluksiin.

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua

Hielscherin ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmasta laadustaan ja korkeimmista suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscherin ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka panostaa erityisesti suuritehoisiin ultraäänilaitteisiin, joissa yhdistyvät uusin teknologia ja käyttäjäystävällisyys. Hielscherin ultraäänilaitteet ovat tietenkin CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: