Molekyylipainettujen polymeerien (MIP) ultraäänisynteesi

Molekyylipainetut polymeerit (MIP) ovat keinotekoisesti suunniteltuja reseptoreita, joiden selektiivisyys ja spesifisyys tiettyä biologista tai kemiallista molekyylirakennetta kohtaan on ennalta määritetty. Ultraäänikäsittely voi parantaa molekyylipainettujen polymeerien erilaisia synteesireittejä ja tehdä polymeroinnista tehokkaampaa ja luotettavampaa.

Mitä molekyylipainetut polymeerit ovat?

Molekyylipainettu polymeeri (MIP) on molekyylipainatustekniikalla valmistettu polymeerimateriaali, jolla on vasta-aineiden kaltaisia tunnistusominaisuuksia. Molekyylipainatustekniikalla valmistetaan tietylle kohdemolekyylille molekyylipainettu polymeeri. Molekyylipainetun polymeerin polymeerimatriisissa on onteloita, joilla on affiniteetti tiettyä ”mallimolekyyliä” kohtaan. Prosessissa monomeerien polymerointi käynnistetään yleensä mallimolekyylin läsnä ollessa. Mallimolekyyli poistetaan myöhemmin uuttamalla, jolloin jäljelle jäävät sitä täydentävät ontelot. Näillä polymeereillä on affiniteetti alkuperäistä molekyyliä kohtaan, ja niitä on käytetty esimerkiksi kemiallisissa erotuksissa, katalyysissä ja molekyyliantureissa. Molekyylipainettuja molekyylejä voidaan verrata molekyylilukkoon, johon molekyyliavain eli niin sanottu mallimolekyyli sopii. Molekyylipainetuille polymeereille (MIP) ovat ominaisia erityisesti räätälöidyt sitoutumiskohdat, jotka vastaavat mallimolekyylejä muodoltaan, kooltaan ja funktionaalisilta ryhmiltään. ”Lukko–avain”-ominaisuus mahdollistaa molekyylipainettujen polymeerien käytön erilaisissa sovelluksissa, joissa tietyn tyyppinen molekyyli tunnistetaan ja kiinnitetään molekyylilukkoon eli molekyylipainettuun polymeeriin.

Kaaviokuva esittää syklodekstriinien molekyylipainatusreitin räätälöityjen reseptorien valmistamiseksi.
Tutkimus ja kuva: Hishiya et al. 2003

Molekyylipainetuilla polymeereillä (MIP) on laaja sovelluskenttä, ja niitä käytetään tiettyjen biologisten tai kemiallisten molekyylien erottamiseen ja puhdistamiseen. Näihin kuuluvat aminohapot ja proteiinit, nukleotidijohdannaiset, epäpuhtaudet sekä lääkkeet ja elintarvikkeet. Sovellusalueet ulottuvat erottamisesta ja puhdistamisesta kemiallisiin antureihin, katalyyttisiin reaktioihin, lääkkeiden kuljetukseen sekä biologisiin vasta-aine- ja reseptorijärjestelmiin. (vrt. Vasapollo et al. 2011)
Esimerkiksi MIP-teknologiaa käytetään kiinteän faasin mikrouuttotekniikkana kannabisperäisten molekyylien, kuten CBD:n tai THC:n, käsittelyyn ja puhdistamiseen täyden spektrin uutteesta kannabinoidi-isolaattien ja -tisleiden saamiseksi.

Molekyylipainettujen molekyylien ultraäänisynteesi

Kohteen eli mallimolekyylin tyypistä ja MIP:n lopullisesta käyttötarkoituksesta riippuen MIP-polymeerejä voidaan syntetisoida eri muodoissa, kuten nano- ja mikrometrikokoisina pallomaisina hiukkasina, nanolankoina, nanosauvoina, nanosäikeinä tai ohuina kalvoina. Tietyn MIP-muodon tuottamiseen voidaan käyttää erilaisia polymerointitekniikoita, kuten massapainatusta, saostusta, emulsiopolymerointia, suspensiota, dispersiota, geeliytymistä ja monivaiheista turvotuspolymerointia.
Matalataajuisen, voimakkaan ultraäänen käyttö tarjoaa erittäin tehokkaan, monipuolisen ja yksinkertaisen tekniikan polymeeristen nanorakenteiden syntetisointiin.
Ultraäänikäsittely tuo MIP-synteesiin useita etuja perinteisiin polymerointiprosesseihin verrattuna, sillä se edistää suurempia reaktionopeuksia, tasaisempaa polymeeriketjujen kasvua, suurempia saantoja ja miedompia olosuhteita, kuten matalaa reaktiolämpötilaa. Lisäksi se voi muuttaa sitoutumiskohtien populaatiojakaumaa ja siten lopullisen polymeerin morfologiaa. (Svenson 2011)
Sonokemiallisen energian käyttö MIP-polymeerien polymeroinnissa käynnistää polymerointireaktioita ja vaikuttaa niihin myönteisesti. Samalla ultraäänikäsittely edistää tehokasta kaasunpoistoa polymeeriseoksesta heikentämättä sitomiskykyä tai jäykkyyttä.
Ultraäänihomogenointi, -dispergointi ja -emulgointi tarjoavat erinomaisen sekoituksen ja liikkeen homogeenisten suspensioiden muodostamiseksi ja polymerointiprosessien käynnistysenergian tuottamiseksi. Viveiros et al. (2019) tutkivat ultraäänellä toteutettavan MIP-synteesin mahdollisuuksia ja toteavat, että ”ultraäänellä valmistettujen MIP-polymeerien sitoutumisominaisuudet olivat samankaltaisia tai parempia kuin perinteisillä menetelmillä valmistettujen”.
Nanokokoiset MIP-polymeerit avaavat lupaavia mahdollisuuksia sitoutumiskohtien homogeenisuuden parantamiseen. Ultraäänikäsittely tunnetaan poikkeuksellisista tuloksistaan nanodispersioiden ja nanoemulsioiden valmistuksessa.

Nanoemulsiopolymerointi ultraäänellä

MIP-polymeerejä voidaan syntetisoida emulsiopolymeroinnilla. Emulsiopolymerointi toteutetaan tavallisesti muodostamalla öljy-vedessä-emulsio lisäämällä pinta-aktiivista ainetta. Stabiilin, nanokokoisen emulsion muodostamiseen tarvitaan tehokas emulgointitekniikka. Ultraääniemulgointi on vakiintunut tekniikka nano- ja miniemulsioiden valmistamiseen.
Lue lisää ultraäänellä toteutettavasta nanoemulgoinnista!

Ultraääni voi parantaa seuraavia nanoMIP-polymeerien tuotannossa käytettäviä synteesireittejä: saostuspolymerointi, emulsiopolymerointi ja ydin–kuori-polymerointi.
Tutkimus ja kuva: Refaat et al. 2019

Mallimolekyylin uuttaminen ultraäänellä

Molekyylipainettujen polymeerien synteesin jälkeen mallimolekyyli on poistettava sitoutumiskohdasta aktiivisen molekyylipainetun polymeerin saamiseksi. Ultraäänikäsittelyn voimakkaat sekoitusvoimat edistävät liuotin- ja mallimolekyylien liukoisuutta, diffuusiota, tunkeutumista ja kulkeutumista. Näin mallimolekyylit poistuvat nopeasti sitoutumiskohdista.
Ultraääniuutto voidaan myös yhdistää Soxhlet-uuttoon mallimolekyylin poistamiseksi painetusta polymeeristä.

Tapaustutkimuksia: molekyylipainettujen polymeerien ultraäänisovellukset

Molekyylipainettujen polymeerien ultraäänisynteesi

Magneettisten nanohiukkasten kapselointi 17β-estradiolilla painetuilla polymeereillä ultraäänisynteesireittiä käyttäen mahdollistaa 17β-estradiolin nopean poistamisen vesiympäristöistä. NanoMIP-polymeerien ultraäänisynteesissä monomeerina käytettiin metakryylihappoa (MAA), silloitusaineena etyleeniglykolidimetyyliakrylaattia (EGDMA) ja initiaattorina atsobisisobutyronitriiliä (AIBN). Ultraäänisynteesin kesto oli 2h ja lämpötila 65ºC. Magneettisten NIP- ja MIP-polymeerien keskimääräiset hiukkashalkaisijat olivat vastaavasti 200 ja 300 nm. Ultraäänen käyttö paransi polymerointinopeutta ja nanohiukkasten morfologiaa sekä lisäsi vapaiden radikaalien määrää ja edisti siten MIP-polymeerien kasvua magneettisten nanohiukkasten ympärille. Adsorptiokapasiteetti 17β-estradiolia kohtaan oli verrattavissa perinteisiin menetelmiin. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultraääni molekyylipainettujen anturien valmistuksessa

Yu et al. suunnittelivat fenobarbitaalin määritykseen molekyylipainetun sähkökemiallisen anturin, joka perustui nikkelinanohiukkasilla muokattuihin elektrodeihin. Kuvattu sähkökemiallinen anturi kehitettiin lämpöpolymeroinnilla käyttäen metakryylihappoa (MAA) funktionaalisena monomeerina, 2,2-atsobisisobutyronitriiliä (AIBN) ja etyleeniglykolimaleaattirosinaatin (EGMRA) akrylaattia silloitusaineena, fenobarbitaaleja (PBs) mallimolekyylinä ja dimetyylisulfoksidia (DMSO) orgaanisena liuottimena. Anturin valmistusprosessissa 0,0464 g PB:tä ja 0,0688 g MAA:ta sekoitettiin 3 mL:aan DMSO:ta ja käsiteltiin ultraäänellä 10 min. Kun 5 h oli kulunut, seokseen lisättiin 1,0244 g EGMRA:ta ja 0,0074 g AIBN:ää, ja seosta käsiteltiin ultraäänellä 30 min PB-painettujen polymeeriliuosten saamiseksi. Tämän jälkeen GCE-pinnalle tiputettiin 10 μL Ni-nanohiukkasliuosta, jonka pitoisuus oli 2,0 mg mL^-1, ja anturi kuivattiin huoneenlämmössä. Noin 5 μL valmistettua PB-painettua polymeeriliuosta levitettiin sitten Ni-nanohiukkasilla muokatulle GCE:lle ja kuivattiin tyhjiössä 75◦C:ssa 6 h:n ajan. Lämpöpolymeroinnin jälkeen painettua anturia pestiin (etikkahappo) HAc/metanoliseoksella (tilavuussuhde 3:7) 7 min mallimolekyylien poistamiseksi. (vrt. Uygun et al. 2015)

Ultraäänimikrouutto MIP-polymeerien avulla

Analysoitavan nikotiiniamidin talteenottoon näytteistä käytetään ultraääniavusteista dispersiivistä kiinteän faasin mikrouuttoa, jota seuraa mittaus UV-vis-spektrofotometrillä (UA-DSPME-UV-vis). Nikotiiniamidin (B3-vitamiinin) uuttamiseen ja esikonsentrointiin on käytetty HKUST-1-metalliorgaaniseen runkorakenteeseen (MOF) perustuvia molekyylipainettuja polymeerejä. (Asfaram et al. 2017)

Tehokkaat ultraäänilaitteet polymeerisovelluksiin

Laboratoriosta tuotantoon lineaarisesti skaalautuen: Erityisesti suunnitellut molekyylipainetut polymeerit kehitetään ja testataan ensin pienessä laboratorio- ja pöytämittakaavassa polymeerisynteesin toteutettavuuden selvittämiseksi. Kun MIP-polymeerien toteutettavuus on varmistettu ja optimointi tehty, MIP-tuotanto skaalataan suurempiin tilavuuksiin. Kaikki ultraäänisynteesireitit voidaan skaalata lineaarisesti pöytämittakaavasta täysin kaupalliseen tuotantoon. Hielscher Ultrasonics tarjoaa polymeerisynteesiin sonokemiallisia laitteita pienistä laboratorio- ja pöytämittakaavan kokoonpanoista aina täysin teollisiin linjaan asennettaviin ultraäänijärjestelmiin, jotka mahdollistavat 24/7-tuotannon täydellä kuormalla. Ultraääni voidaan skaalata lineaarisesti koeputkikoosta suuriin tuotantokapasiteetteihin, joissa käsitellään kuorma-autolasteja tunnissa. Hielscher Ultrasonics -yrityksen laaja tuotevalikoima laboratoriojärjestelmistä teollisiin sonokemiallisiin järjestelmiin sisältää suunnitellulle prosessikapasiteetillesi parhaiten soveltuvan ultraäänilaitteen. Pitkään alalla toiminut henkilöstömme auttaa sinua toteutettavuuskokeista ja prosessin optimoinnista aina ultraäänijärjestelmäsi asentamiseen lopullisessa tuotantomittakaavassa.

Hielscher Ultrasonics – kehittyneet sonokemialliset laitteet

Hielscher Ultrasonics -yrityksen tuotevalikoima kattaa kaikki tehokkaat ultraääniuuttolaitteet pienestä suureen mittakaavaan. Lisävarusteet mahdollistavat prosessiisi parhaiten soveltuvan ultraäänilaitekokoonpanon helpon kokoamisen. Optimaalinen ultraäänikokoonpano riippuu suunnitellusta kapasiteetista, tilavuudesta, materiaalista, erä- tai linjaprosessista ja aikataulusta. Hielscher auttaa sinua rakentamaan ihanteellisen sonokemiallisen prosessin.

Erä- ja linjakäsittely

Hielscher-ultraäänilaitteita voidaan käyttää eräkäsittelyyn ja jatkuvaan läpivirtauskäsittelyyn. Pieniä ja keskisuuria tilavuuksia voidaan käsitellä kätevästi ultraäänellä eräprosessissa esimerkiksi näytepulloissa, koeputkissa, dekantterilaseissa, säiliöissä tai tynnyreissä. Suurten tilavuuksien käsittelyssä linjassa tehtävä ultraäänikäsittely saattaa olla tehokkaampaa. Eräkäsittely vaatii enemmän aikaa ja työtä, kun taas jatkuva linjasekoitusprosessi on tehokkaampi ja nopeampi ja vaatii huomattavasti vähemmän työtä. Hielscher Ultrasonics tarjoaa polymerointireaktioosi ja prosessitilavuuteesi parhaiten soveltuvan uuttokokoonpanon.

Ultraäänianturit jokaiseen tuotantokapasiteettiin

Hielscher Ultrasonics -yrityksen tuotevalikoima kattaa kaikki ultraääniprosessorit kompakteista laboratorion ultraäänilaitteista pöytä- ja pilottijärjestelmiin sekä täysin teollisiin ultraääniprosessoreihin, joiden kapasiteetti riittää kuorma-autolastien käsittelyyn tunnissa. Kattavan tuotevalikoiman ansiosta voimme tarjota polymeereillesi, prosessikapasiteetillesi ja tuotantotavoitteillesi parhaiten soveltuvan ultraäänilaitteiston.
Pöytämittakaavan ultraäänijärjestelmät ovat ihanteellisia toteutettavuuskokeisiin ja prosessin optimointiin. Vakiintuneisiin prosessiparametreihin perustuva lineaarinen skaalaus tekee käsittelykapasiteetin kasvattamisesta pienemmistä eristä täysin kaupalliseen tuotantoon erittäin helppoa. Mittakaavaa voidaan kasvattaa joko asentamalla tehokkaampi ultraääniuuttolaite tai kytkemällä useita ultraäänilaitteita rinnakkain. UIP16000 on Hielscherin tarjoama maailman tehokkain ultraääniyksikkö.

Tarkasti säädettävät amplitudit optimaalisiin tuloksiin

Kaikki Hielscher-ultraäänilaitteet ovat tarkasti säädettävissä ja siten luotettavia työjuhtia tuotannossa. Amplitudi on yksi ratkaisevista prosessiparametreista, jotka vaikuttavat sonokemiallisten reaktioiden, kuten polymerointireaktioiden ja synteesireittien, tehokkuuteen ja vaikuttavuuteen.
Kaikissa Hielscher Ultrasonics -yrityksen prosessoreissa amplitudi voidaan asettaa tarkasti. Sonotrodit ja amplitudinvahvistimet ovat lisävarusteita, joiden avulla amplitudia voidaan muuttaa vielä laajemmalla alueella. Hielscherin teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja ja vaativiin sovelluksiin tarvittavan ultraääni-intensiteetin. Jopa 200µm:n amplitudeja voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7-toiminnassa.
Tarkat amplitudiasetukset ja ultraääniprosessin parametrien jatkuva seuranta älykkään ohjelmiston avulla mahdollistavat molekyylipainettujen polymeerien syntetisoinnin tehokkaimmissa ultraääniolosuhteissa. Optimaalinen ultraäänikäsittely parhaisiin polymerointituloksiin!
Hielscherin ultraäänilaitteiden vankka rakenne mahdollistaa 24/7-toiminnan raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä. Tämä tekee Hielscherin ultraäänilaitteistosta luotettavan työvälineen, joka täyttää sonokemiallisen prosessisi vaatimukset.

Helppo, riskitön testaus

Ultraääniprosessit voidaan skaalata täysin lineaarisesti. Tämä tarkoittaa, että jokainen laboratorio- tai pöytämittakaavan ultraäänilaitteella saavutettu tulos voidaan skaalata täsmälleen samaan tuotokseen käyttäen täsmälleen samoja prosessiparametreja. Siksi ultraäänikäsittely soveltuu ihanteellisesti riskittömään toteutettavuuden testaukseen, prosessin optimointiin ja myöhempään käyttöönottoon kaupallisessa valmistuksessa. Ota yhteyttä ja selvitä, miten ultraäänikäsittely voi parantaa MIP-saantoasi ja -laatuasi.

Korkein laatu – suunniteltu ja valmistettu Saksassa

Perheen omistamana ja johtamana yrityksenä Hielscher pitää ultraääniprosessoriensa korkeimpia laatustandardeja ensisijaisina. Kaikki ultraäänilaitteet suunnitellaan, valmistetaan ja testataan perusteellisesti pääkonttorissamme Teltowissa lähellä Berliiniä Saksassa. Hielscherin ultraäänilaitteiden vankka rakenne ja luotettavuus tekevät niistä tuotantosi työjuhtia. 24/7-toiminta täydellä kuormalla ja vaativissa ympäristöissä on Hielscherin tehokkaiden sekoittimien luontainen ominaisuus.

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Voit ostaa Hielscher ultraääniprosessorin missä tahansa koossa ja täsmälleen prosessisi vaatimusten mukaan määritettynä. Hielscher Ultrasonics tarjoaa sinulle sopivan ultraäänilaitteen reaktanttien käsittelystä pienessä laboratorion koeputkessa aina polymeerilietteiden jatkuvaan läpivirtaussekoitukseen teollisessa mittakaavassa! Ota yhteyttä – suosittelemme mielellämme sinulle ihanteellista ultraäänikokoonpanoa!