Hydrogeelien ultraäänipolymerointi: protokolla ja skaalaus

Ultraäänen indusoima polymerointi tarjoaa radikaalittoman, initiaattorittoman lähestymistavan hydrogeelien syntetisoimiseen vesiliukoisista vinyylimonomeereistä ja makromonomeereistä. Tämä menetelmä hyödyntää radikaalien sonokemiallista muodostumista kavitaatiolla ja sopii erinomaisesti biolääketieteellisiin sovelluksiin, joissa on vältettävä initiaattorijäämiä.

Hydrogeelit ovat kolmiulotteisia, hydrofiilisiä polymeeriverkostoja, jotka pystyvät pidättämään huomattavia määriä vettä säilyttäen samalla rakenteellisen eheyden – ominaisuus, joka johtuu silloitettuista polymeeriketjuista. Niiden fysikaalis-kemialliset ominaisuudet – turvotuskäyttäytyminen, mekaaninen lujuus ja biologinen yhteensopivuus – tekevät niistä erittäin houkuttelevia biolääketieteellisissä sovelluksissa, mukaan lukien lääkkeiden annostelu, kudostekniikka ja haavan paraneminen.

Ultraäänihydrogeelipolymeroinnin etu

Perinteisesti hydrogeelisynteesi perustuu termiseen, fotokemialliseen tai kemialliseen silloitukseen; Ultraäänihydrogeelisynteesi on kuitenkin saamassa merkittävää vetovoimaa, koska sonikaatiomenetelmä tarjoaa yksinkertaisen reagenssivapaan, säädettävän ja vihreämmän lähestymistavan. Ultraäänihydrogeelisynteesissä käytetään akustista kavitaatiota polymeroinnin ja fysikaalisen tai kemiallisen silloituksen edistämiseksi ilman ulkoisia initiaattoreita. Erityisesti ultraääni voi myös helpottaa nanohiukkasten in situ -dispersiota tai käynnistää radikaaleja reaktioita vesipitoisissa väliaineissa, mikä tekee siitä monipuolisen työkalun monitoimisten tai nanokomposiittihydrogeelien valmistukseen lievissä olosuhteissa.

Yllä oleva videoleike osoittaa hydrogeelin ultraäänisynteesin käyttämällä sonikaattoria UP50H ja pienimolekyylipainoinen gelaattori. Tuloksena on itsestään paraneva supramolekyylihydrogeeli. (Tutkimus ja elokuva: Rutgeerts et al., 2019)
 

Bioyhteensopivat hydrogeelit sonikaatiolla

Perinteiset polymerointistrategiat jäävät usein vajaaksi etsittäessä bioyhteensopivia hydrogeelejä, jotka voidaan muodostaa puhtaasti, turvallisesti ja tarvittaessa. Cassin ja kollegoiden työ esittelee tehokkaan ratkaisun tähän ongelmaan: puhtaan, initiaattorittoman menetelmän hydrogeelisynteesiin matalataajuisella ultraäänellä.

Heidän tutkimuksessaan tutkitaan erilaisten vesiliukoisten monomeerien sonokemiallista polymerointia, mutta yksi formulaatio erottui erityisen tehokkaana ja kestävänä: 5-prosenttinen dekstraanimetakrylaattiliuos (Dex-MA) 70-prosenttisessa glyseroli-vedessä, polymeroitu ultraäänellä kohtalaisella intensiteetillä 56 W/cm². Huomionarvoista on, että tämä järjestelmä tuotti täysin muodostuneen hydrogeelin vain 6,5 minuutissa ja saavutti 72 %:n monomeerin polymeerimuunnoksen, mikä on korkein kaikista testatuista formulaatioista.

Akustinen kavitaatio: Tämän menetelmän toimintaperiaate perustuu ilmiöön, joka on yhtä voimakas kuin ohimenevääkin: akustiseen kavitaatioon. Kun se altistetaan tehoultraäänelle, muodostuu mikroskooppisia kuplia, jotka romahtavat rajusti nestemäisessä väliaineessa muodostaen paikallisia hotspotteja, joissa lämpötila voi hetkellisesti ylittää 5000 kelviniä. Nämä olosuhteet aiheuttavat liuotinmolekyylien homolyyttistä pilkkoutumista, mikä tuottaa reaktiivisten radikaalien purkauksen. Toisin kuin perinteinen polymerointi, joka riippuu ulkoisista initiaattoreista tai lämmöstä, ultraääni tuottaa sekä energian että radikaalit, joita tarvitaan polymeroinnin aloittamiseen – ylittämättä fysiologisesti merkityksellisiä bulkkilämpötiloja.

Apuliuotin: Glyserolin valinta apuliuottimeksi ei ollut sattumaa. Sen lisäksi, että glyseroli lisää liuoksen viskositeettia – kriittinen tekijä kavitaation voimakkuuden lisäämisessä – se toimii itse radikaalina apuluovuttajana. Sen hydroksyyliryhmien tiedetään tuottavan suhteellisen stabiileja sekundaarisia radikaaleja, mikä pidentää radikaalien käyttöikää ja edistää ketjun etenemistä. Lisäksi viskoosi glyserolirikas ympäristö auttaa vangitsemaan syntymässä olevia polymeeriketjuja, mikä vähentää niiden liukoisuutta ja suojaa niitä ultraäänihajoamiselta, jota voi tapahtua laimeammissa vesijärjestelmissä.

Ultraäänipolymerointi: Polymerisaation etenemisen karakterisoimiseksi tutkijat käyttivät infrapunaspektroskopiaa ja seurasivat Dex-MA:n vinyyliryhmien ehtymistä ajan myötä. Tyypillinen absorptio 1635 cm⁻¹ - joka viittaa C=C-kaksoissidoksiin - pieneni nopeasti sonikoinnin aikana, kun taas esterikalupyykkivenytys 1730 cm⁻¹ pysyi vakiona ja toimi sisäisenä referenssinä. Nämä tiedot vahvistivat nopean vinyylimuunnoksen lisäksi myös korkean silloitusasteen, mistä ovat osoituksena alhaiset turpoamissuhteet ja kestävät geelirakenteet.

Analyysi: Pyyhkäisyelektronimikroskopia paljasti edelleen geelin mikrorakenteen kehityksen. Alkuvaiheessa verkostossa oli suuria, avoimia huokosia, mutta jatkuvalla sonikaatiolla ne täyttyivät tiheämmällä sekundäärirakenteella. 15 minuutin kuluttua hydrogeeli osoitti homogeenisesti silloitettua morfologiaa, jossa oli tiiviisti toisiinsa kytkeytyneet huokoset – hyvin muodostuneiden biolääketieteellisten geelien tunnusmerkki.

Tulos: Verrattuna hydrogeeleihin, jotka on valmistettu vapaiden radikaalien lämpöinitiaattoreilla, erot olivat silmiinpistäviä. Vaikka samanlaisia muunnoksia voitiin saavuttaa termisesti, tuloksena olevat verkot olivat huokoisempia, vähemmän tasaisia ja niillä oli korkeammat turpoamissuhteet – merkkejä löysemmästä silloitusarkkitehtuurista. Lisäksi lämpöprosessi vaati typen puhdistusta, kemiallisia lisäaineita ja korkeampia lämpötiloja, kun taas ultraäänimenetelmä toimi vain 37 °C:n ympäristön lämpötilassa.

Ehkä kiehtovin puoli tässä työssä on havainto, että polymerointi voi jatkua myös ultraäänen lopettamisen jälkeen. Geeli jatkoi kovettumista ja vahvuuden lisääntymistä 30 minuutin ajan sonikoinnin lopettamisen jälkeen. Tämä viittaa siihen, että sonikoinnin aikana muodostuneet pysyvät radikaalilajit tai välirakenteet voivat jatkaa polymeeriketjujen levittämistä ilman lisäenergiansyöttöä – käyttäytymisellä, jolla voi olla hyödyllisiä vaikutuksia in vivo -sovelluksiin.

Lue lisää ultraäänihydrogeelin tuotannon eduista!

Protokolla: Dekstraanimetakrylaatti (Dex-MA) -hydrogeelin ultraäänisynteesi sonikaattorilla

Kovalenttisesti silloitetun Dex-MA-hydrogeelin syntetisoimiseksi korkean intensiteetin, matalataajuinen ultraääni kytketään glyseroli/vesiliuokseen. Lämpötilaa ja ultraäänen energiatiheyttä säädetään tarkasti.
Alla annamme sinulle ohjeet ultraäänihydrogeelisynteesiin laboratoriomittakaavassa, joka voidaan skaalata lineaarisesti suuriin määriin.

Laitteet ja materiaalit

Varusteet

• Hielscher UP200Ht ultraääniprosessori (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (kärjen halkaisija: 2 mm; suositellaan pienikokoisille volyymeille)
• Vaippainen reaktioastia (50 ml), yhteensopiva magneettisekoittimen kanssa
• Kiertovesihaude (termostaatilla säädetty 37 °C:ssa)
• Lämpötila-anturi PT100 (sisältyy UP200Ht:n toimitukseen)
• Magneettinen sekoitin
• Analyyttinen vaaka (±0,1 mg)
• Tyhjiöuuni tai kylmäkuivain

Kemikaaleja

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

Kaikkien reagenssien on oltava analyyttistä laatua. Vältä happipitoisia ympäristöjä; kaasunpoistoliuottimet, jos mahdollista.

Vaiheittainen menettely: Ultraäänihydrogeelipolymerointi

1. Polymerointiseoksen valmistus
   • Punnitse 0,75 g Dex-MA:ta 50 ml:n vaippaiseen reaktioastiaan.
   • Lisää 10,5 g glyserolia ja 3,75 g deionisoitua vettä.
   • Sekoita seosta magneettisesti huoneenlämmössä (~22 °C) 5–10 minuuttia, jotta Dex-MA liukenee kokonaan. Tuloksena pitäisi olla hieman viskoosi, homogeeninen liuos.
   • Kuumenna vesihaude 37 °C:seen ja liitä se vaippa-astiaan tasaisen lämpötilan ylläpitämiseksi.
2. Sonicatorin asennus
   • Asenna S26d2 sonotrode UP200Ht:hen ja varmista tiukka liitin.
   • Upota sonotrodin kärki reaktioseokseen. Vältä koskettamasta astian seinämiä tai pohjaa.
   • Aseta lämpötila-anturi liuokseen lähelle sonotrodia, mutta älä suorassa kosketuksessa. Tämän avulla voit käyttää sonikaattorin integroitua lämpötilansäätöä.
   • Aseta amplitudi 100 %:iin.
3. Ultraäänipolymerointi
   • Aloita sekoittaminen nopeudella 100–200 rpm hellävaraisen homogenoinnin ylläpitämiseksi.
   • Aloita sonikaatio sopivalla amplitudiasetus tuottaaksesi ~56 W/cm² 6.5 minuutin ajan.
   • Pidä liuoksen lämpötila 37 °C:ssa koko ajan. Jos seos alkaa lämmetä, lisää jäähdytysnesteen virtausta tai lisää jäätä vesihauteeseen.
   • Geeliytyminen alkaa tyypillisesti 5–6 minuutissa. Viskositeetti kasvaa voimakkaasti.
   • Jos geeliytyminen tapahtuu ennen 6,5 minuuttia, lopeta sonikaatio liiallisen silloituksen tai hajoamisen välttämiseksi.
4. Jälkikäsittely ja puhdistus
   • Siirrä geeli välittömästi 200 ml:aan deionisoituun veteen voimakkaassa sekoittamisessa, jotta reagoimaton monomeeri ja glyseroli huuhtoutuvat pois.
   • Sekoitetaan 30 minuuttia, dekantoidaan sitten supernatantti tai suodatetaan.
   • Toista pesu vielä 3 kertaa lämpimällä vedellä (~60 °C) diffuusion parantamiseksi.
   • Kuivaa geeliä tyhjiössä 60 °C:ssa 8 tuntia tai kylmäkuivaa huokoisille rakenteille.

 
Tulos: Bioyhteensopiva hydrogeeli
Sinun pitäisi saada läpinäkyvä, kestävä hydrogeeli, jolla on korkea konversio (~70–75%), erinomainen silloitus ja minimaalinen jäännösmonomeeri. Hydrogeeli kestää liukenemista veteen ja sen rakenne on tasainen kuivuessaan.

 
Huomautuksia optimaalisesta prosessinohjauksesta

Skaalaus: Lineaarinen ja yksinkertainen sonikaatiolla

Alalla, joka vaatii yhä enemmän tarkkuutta, puhtautta ja skaalautuvuutta, tämä ultraäänimenetelmä tarjoaa houkuttelevan vaihtoehdon. Se on avaruudellisesti hallittavissa, säädettävissä reaaliajassa ja yhteensopiva jatkuvan käsittelyn kanssa nykyaikaisilla ultraääni-inline-järjestelmillä.
Hielscher Ultrasonicsin sonikaattorit tuottavat tarkat amplitudit ja skaalautuvat lineaarisesti laboratoriosta tuotantomittakaavaan, mikä tekee niistä ihanteellisia tällaisten hydrogeelijärjestelmien kääntämiseen todellisiin terapeuttisiin ja diagnostisiin sovelluksiin.

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Laatu valmistettu Saksassa

Hielscher-ultraääniastiat ovat tunnettuja korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet käsittelevät helposti karkeita olosuhteita ja vaativia ympäristöjä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys ja painottaa erityisesti korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita, joissa on huipputeknologia ja käyttäjäystävällisyys. Tietenkin, Hielscher-ultraäänilaitteet ovat CE-yhteensopivia ja täyttävät UL: n, CSA: n ja RoHs: n vaatimukset.

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: