Polymérisation ultrasonique des hydrogels : Protocole et mise à l'échelle

La polymérisation induite par ultrasons offre une approche sans radicaux et sans initiateurs pour synthétiser des hydrogels à partir de monomères et de macromonomères vinyliques solubles dans l'eau. Cette méthodologie exploite la génération sonochimique de radicaux par cavitation et convient parfaitement aux applications biomédicales où les résidus d'initiateurs doivent être évités.

Les hydrogels sont des réseaux tridimensionnels de polymères hydrophiles capables de retenir de grandes quantités d'eau tout en conservant leur intégrité structurelle - un attribut qui découle de la réticulation des chaînes de polymères. Leurs propriétés physicochimiques - comportement de gonflement, résistance mécanique et biocompatibilité - les rendent très intéressants pour les applications biomédicales, notamment l'administration de médicaments, l'ingénierie tissulaire et la cicatrisation des plaies.

L'avantage de la polymérisation d'hydrogel par ultrasons

Traditionnellement, la synthèse d'hydrogel repose sur la réticulation thermique, photochimique ou chimique ; cependant, la synthèse d'hydrogel par ultrasons gagne beaucoup de terrain, car la méthode de sonication offre une approche simple, sans réactif, accordable et plus écologique. La synthèse d'hydrogel par ultrasons utilise la cavitation acoustique pour promouvoir la polymérisation et la réticulation physique ou chimique sans nécessiter d'initiateurs externes. Notamment, l'ultrasonication peut également faciliter la dispersion in situ de nanoparticules ou initier des réactions radicalaires dans des milieux aqueux, ce qui en fait un outil polyvalent pour créer des hydrogels multifonctionnels ou nanocomposites dans des conditions douces.

Le clip vidéo ci-dessus montre la synthèse par ultrasons d'un hydrogel. utilisation du sonicateur UP50H et un gélifiant de faible poids moléculaire. Il en résulte un hydrogel supramoléculaire autocicatrisant. (Étude et film : Rutgeerts et al., 2019)
 

Hydrogels biocompatibles par sonication

Dans la quête d'hydrogels biocompatibles pouvant être formés proprement, en toute sécurité et à la demande, les stratégies de polymérisation traditionnelles sont souvent insuffisantes. Les travaux de Cass et de ses collègues présentent une solution efficace à ce problème : une méthode propre et sans initiateur pour la synthèse d'hydrogels à l'aide d'ultrasons à basse fréquence.

Leur étude explore la polymérisation sonochimique de divers monomères hydrosolubles, mais une formulation s'est révélée particulièrement efficace et robuste : une solution de méthacrylate de dextran (Dex-MA) à 5 % dans une eau glycérinée à 70 %, polymérisée sous ultrasons à une intensité modérée de 56 W/cm². Remarquablement, ce système a produit un hydrogel entièrement formé en seulement 6,5 minutes, atteignant une conversion monomère-polymère de 72 % - la plus élevée parmi toutes les formulations testées.

Cavitation acoustique : Le principe de fonctionnement de cette méthode repose sur un phénomène aussi puissant que transitoire : la cavitation acoustique. Soumises à des ultrasons de puissance, des bulles microscopiques se forment et s'effondrent violemment dans le milieu liquide, générant des points chauds localisés où les températures peuvent brièvement dépasser 5000 kelvins. Ces conditions induisent un clivage homolytique des molécules de solvant, produisant une explosion de radicaux réactifs. Contrairement à la polymérisation conventionnelle, qui dépend d'initiateurs externes ou de la chaleur, les ultrasons fournissent à la fois l'énergie et les radicaux nécessaires pour initier la polymérisation - sans dépasser les températures de masse physiologiquement pertinentes.

Co-solvants : Le choix du glycérol comme co-solvant n'est pas fortuit. Outre l'augmentation de la viscosité de la solution - un facteur critique pour accroître l'intensité de la cavitation - le glycérol lui-même agit comme un co-donneur de radicaux. Ses groupes hydroxyles sont connus pour produire des radicaux secondaires relativement stables, augmentant ainsi la durée de vie des radicaux et favorisant la propagation de la chaîne. En outre, l'environnement visqueux riche en glycérol aide à piéger les chaînes polymères naissantes, réduisant leur solubilité et les protégeant de la dégradation ultrasonique, qui peut se produire dans des systèmes aqueux plus dilués.

Polymérisation par ultrasons : Pour caractériser la progression de la polymérisation, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie infrarouge, en suivant l'appauvrissement des groupes vinyles sur le Dex-MA au fil du temps. L'absorption caractéristique à 1635 cm-¹ - indiquant les doubles liaisons C=C - a diminué rapidement pendant la sonication, tandis que l'étirement du carbonyle de l'ester à 1730 cm-¹ est resté constant, servant de référence interne. Ces données confirment non seulement une conversion rapide du vinyle, mais aussi un degré élevé de réticulation, comme en témoignent les faibles taux de gonflement et les structures de gel robustes.

Analyse : La microscopie électronique à balayage a révélé l'évolution de la microstructure du gel. Au début, le réseau présentait de grands pores ouverts, mais avec la poursuite de la sonication, ceux-ci se sont remplis d'une structure secondaire plus dense. Au bout de 15 minutes, l'hydrogel présentait une morphologie réticulée homogène avec des pores étroitement interconnectés, ce qui est la marque des gels biomédicaux bien formés.

Résultat : Lorsque l'on compare les hydrogels produits avec des initiateurs radicalaires thermiques, les différences sont frappantes. Bien que des conversions similaires aient pu être obtenues par voie thermique, les réseaux résultants étaient plus poreux, moins uniformes et présentaient des taux de gonflement plus élevés, signes d'une architecture de réticulation plus lâche. En outre, le processus thermique nécessitait une purge d'azote, des additifs chimiques et des températures plus élevées, alors que l'approche ultrasonique fonctionnait à une température ambiante de seulement 37°C.

L'aspect le plus intriguant de ce travail est peut-être l'observation que la polymérisation peut se poursuivre même après l'arrêt des ultrasons. Le gel a continué à durcir et à augmenter sa résistance pendant une période de 30 minutes après l'arrêt de la sonication. Cela suggère que les espèces radicalaires persistantes ou les structures intermédiaires formées pendant la sonication peuvent continuer à propager les chaînes de polymères en l'absence d'apport d'énergie supplémentaire - un comportement qui pourrait avoir des implications utiles pour les applications in vivo.

Découvrez les avantages de la production d'hydrogel par ultrasons !

Protocole : Synthèse ultrasonique de l'hydrogel de méthacrylate de dextran (Dex-MA) à l'aide d'un sonicateur

Pour synthétiser un hydrogel de Dex-MA réticulé de manière covalente, des ultrasons de haute intensité et de basse fréquence sont couplés à une solution glycérol/eau. La température et la densité d'énergie des ultrasons sont contrôlées avec précision.
Nous vous donnons ci-dessous les instructions pour la synthèse d'hydrogel par ultrasons à l'échelle du laboratoire, qui peut être augmentée de façon linéaire jusqu'à de grandes quantités.

Équipements et matériels

Equipement

• Hielscher UP200Ht Processeur à ultrasons (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (diamètre de l'extrémité : 2 mm ; recommandée pour les petits volumes)
• Récipient de réaction à double enveloppe (50 ml), compatible avec un agitateur magnétique
• Bain d'eau à circulation (thermostaté à 37°C)
• Sonde de température PT100 (incluse dans la livraison de l'UP200Ht)
• Agitateur magnétique
• Balance analytique (±0,1 mg)
• Étuve à vide ou lyophilisateur

produits chimiques

• Méthacrylate de Dextran (Dex-MA), ~20% de méthacrylation
• Glycérol, ≥99,5% (anhydre)
• Eau déionisée

Tous les réactifs doivent être de qualité analytique. Éviter les environnements riches en oxygène ; dégazer les solvants si possible.

Procédure étape par étape : Polymérisation d'hydrogel par ultrasons

1. Préparation du mélange de polymérisation
   • Peser 0,75 g de Dex-MA dans une cuve de réaction à double enveloppe de 50 ml.
   • Ajouter 10,5 g de glycérol et 3,75 g d'eau désionisée.
   • Agiter magnétiquement le mélange à température ambiante (~22 °C) pendant 5-10 minutes pour dissoudre complètement le Dex-MA. Une solution homogène et légèrement visqueuse devrait en résulter.
   • Préchauffer le bain-marie à 37 °C et le connecter à la cuve à double enveloppe pour maintenir une température constante.
2. Installation du Sonicator
   • Montez la sonotrode S26d2 sur l'UP200Ht et veillez à ce qu'elle soit bien fixée.
   • Immerger la pointe de la sonotrode dans le mélange réactionnel. Éviter de toucher les parois ou le fond de la cuve.
   • Placez la sonde de température dans la solution à proximité de la sonotrode, mais sans contact direct. Cela vous permet d'utiliser le contrôle intégré de la température du sonicateur.
   • Régler l'amplitude à 100 %.
3. polymérisation par ultrasons
   • Commencer à agiter à 100-200 tours/minute pour maintenir une homogénéisation douce.
   • Commencer la sonication à l'amplitude appropriée pour délivrer ~56 W/cm² pendant 6,5 minutes.
   • Maintenir la température de la solution à 37°C pendant toute la durée de l'opération. Si le mélange commence à chauffer, augmenter le débit du liquide de refroidissement ou ajouter de la glace au bain-marie.
   • La gélification commence généralement au bout de 5 à 6 minutes. La viscosité augmente fortement.
   • Si la gélification se produit avant 6,5 min, arrêter la sonication pour éviter une réticulation ou une dégradation excessive.
4. Post-traitement et purification
   • Transférer immédiatement le gel dans 200 ml d'eau désionisée sous agitation vigoureuse pour éliminer le monomère et le glycérol qui n'ont pas réagi.
   • Agiter pendant 30 minutes, puis décanter le surnageant ou filtrer.
   • Répéter le lavage 3 fois supplémentaires avec de l'eau chaude (~60 °C) pour améliorer la diffusion.
   • Sécher le gel sous vide à 60°C pendant 8 heures, ou lyophiliser pour les structures poreuses.

 
Le résultat : Un hydrogel biocompatible
Vous devriez obtenir un hydrogel transparent et robuste avec une conversion élevée (~70-75%), une excellente réticulation et un minimum de monomère résiduel. L'hydrogel résistera à la dissolution dans l'eau et présentera une structure uniforme au séchage.

 
Notes pour un contrôle optimal des processus

La mise à l'échelle : Linéaire et simple avec la sonication

Dans un domaine qui exige de plus en plus de précision, de pureté et d'évolutivité, cette méthode ultrasonique offre une alternative convaincante. Elle est contrôlable dans l'espace, accordable en temps réel et compatible avec le traitement en continu à l'aide de systèmes ultrasoniques modernes en ligne.
Les sonicateurs de Hielscher Ultrasonics délivrent des amplitudes exactes et s'adaptent linéairement de l'échelle du laboratoire à l'échelle de production, ce qui les rend idéaux pour traduire ces systèmes d'hydrogel en applications thérapeutiques et diagnostiques dans le monde réel.

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :