Les polymères à empreintes moléculaires (MIP) sont des récepteurs conçus artificiellement avec une sélectivité et une spécificité prédéterminées pour une structure moléculaire biologique ou chimique donnée. Les ultrasons peuvent améliorer diverses voies de synthèse des polymères à empreinte moléculaire, rendant la polymérisation plus efficace et plus fiable.

Que sont les polymères à empreinte moléculaire ?

Un polymère à empreinte moléculaire (PIM) est un matériau polymère ayant des caractéristiques de reconnaissance de type anticorps qui a été produit à l'aide de la technique d'empreinte moléculaire. La technique d'impression moléculaire produit un polymère à empreinte moléculaire par rapport à une molécule cible spécifique. Le polymère imprimé moléculairement a des cavités dans sa matrice polymère avec une affinité pour la molécule cible spécifique. “modèle” molécule. Le processus consiste généralement à initier la polymérisation des monomères en présence d'une molécule modèle qui est ensuite extraite, laissant derrière elle des cavités complémentaires. Ces polymères ont une affinité pour la molécule d'origine et ont été utilisés dans des applications telles que les séparations chimiques, la catalyse ou les capteurs moléculaires. Les molécules à empreinte moléculaire peuvent être comparées à une serrure moléculaire, qui correspond à une clé moléculaire (la molécule dite "matrice"). Les polymères à empreintes moléculaires (PIM) sont caractérisés par des sites de liaison spécifiquement adaptés qui correspondent aux molécules modèles en termes de forme, de taille et de groupes fonctionnels. La "serrure – La fonction "clé" permet d'utiliser des polymères à empreinte moléculaire pour diverses applications, où un type spécifique de molécule est reconnu et fixé à la serrure moléculaire, c'est-à-dire le polymère à empreinte moléculaire.

L'illustration schématique montre la voie d'impression moléculaire des cyclodextrines pour la préparation de récepteurs adaptés.
Étudier et photographier : Hishiya et al. 2003

Les polymères à empreintes moléculaires (PIM) ont un large champ d'applications et sont utilisés pour séparer et purifier des molécules biologiques ou chimiques spécifiques, notamment des acides aminés et des protéines, des dérivés de nucléotides, des polluants, ainsi que des médicaments et des aliments. Les domaines d'application vont de la séparation et de la purification aux capteurs chimiques, aux réactions catalytiques, à l'administration de médicaments, aux anticorps biologiques et aux systèmes récepteurs. (cf. Vasapollo et al. 2011)
Par exemple, la technologie MIP est utilisée comme technique de micro-extraction en phase solide pour faire fonctionner et purifier des molécules dérivées du cannabis telles que le CBD ou le THC à partir de l'extrait à spectre complet afin d'obtenir des isolats et des distillats de cannabinoïdes.

Synthèse par ultrasons de molécules imprimées

Selon le type de cible (modèle) et l'application finale du MIP, les MIP peuvent être synthétisés sous différents formats tels que des particules sphériques de taille nanométrique et micronique, des nanofils, des nanorobes, des nanofilaments ou des films minces. Afin de produire une forme spécifique de PIM, différentes techniques de polymérisation telles que l'impression en masse, la précipitation, la polymérisation en émulsion, la suspension, la dispersion, la gélification et la polymérisation par gonflement en plusieurs étapes peuvent être appliquées.
L'application d'ultrasons à basse fréquence et haute intensité offre une technique très efficace, polyvalente et simple pour synthétiser des nanostructures polymères.
La sonication apporte plusieurs avantages à la synthèse MIP par rapport aux procédés de polymérisation traditionnels, car elle favorise des taux de réaction plus élevés, une croissance plus homogène de la chaîne polymère, des rendements plus élevés et des conditions plus douces (par exemple, une température de réaction plus basse). En outre, elle peut modifier la distribution de la population des sites de liaison et, par conséquent, la morphologie du polymère final. (Svenson 2011)
En appliquant l'énergie sonochimique à la polymérisation des MIP, les réactions de polymérisation sont initiées et ont un impact positif. Simultanément, la sonication favorise un dégazage efficace du mélange de polymères sans sacrifier la capacité de liaison ou la rigidité.
L'homogénéisation, la dispersion et l'émulsification par ultrasons offrent un mélange et une agitation supérieurs pour former des suspensions homogènes et fournir une énergie d'amorçage pour les processus de polymérisation. Viveiros et al. (2019) ont étudié le potentiel de la synthèse des MIP par ultrasons et déclarent que "les MIP préparés par ultrasons présentent des propriétés de liaison similaires ou supérieures aux méthodes conventionnelles".
Les PIM en nano-format ouvrent des possibilités prometteuses pour améliorer l'homogénéité des sites de liaison. Les ultrasons sont connus pour leurs résultats exceptionnels dans la préparation des nanodispersions et des nanoémulsions.

Polymérisation par nano-émulsion ultrasonique

Les MIP peuvent être synthétisés par polymérisation en émulsion. La polymérisation en émulsion est généralement réalisée en formant une émulsion huile-dans-eau sous l'addition d'un agent tensioactif. Pour former une émulsion stable, de taille nanométrique, une technique d'émulsification haute performance est nécessaire. L'émulsification par ultrasons est une technique bien établie pour préparer des nano- et mini-émulsions.
En savoir plus sur la nano-émulsification ultrasonique !

Les ultrasons peuvent améliorer les voies de synthèse suivantes pour la production de nanoMIP : la polymérisation par précipitation, la polymérisation en émulsion et la polymérisation cœur-enveloppe.
Étudier et photographier par : Refaat et al. 2019

Extraction du modèle par ultrasons

Après la synthèse des polymères à empreinte moléculaire, le modèle doit être retiré du site de liaison afin d'obtenir un polymère actif à empreinte moléculaire. Les forces de mélange intenses de la sonication favorisent la solubilité, la diffusivité, la pénétration et le transport des molécules de solvant et de matrice. Ainsi, les matrices sont rapidement retirées des sites de liaison.
L'extraction par ultrasons peut également être combinée avec l'extraction soxhlet pour retirer le modèle du polymère imprimé.

Études de cas : Applications des ultrasons pour les polymères à empreintes moléculaires

Synthèse par ultrasons de polymères à empreintes moléculaires

L'encapsulation de nanoparticules magnétiques par des polymères imprimés à l'œstradiol 17β en utilisant une voie de synthèse ultrasonique permet d'éliminer rapidement l'œstradiol 17β des environnements aqueux. Pour la synthèse ultrasonique des nanoMIP, l'acide méthacrylique (MAA) a été utilisé comme monomère, l'éthylène glycol diméthylacrylate (EGDMA) comme réticulant, et l'azobisisobutyronitrile (AIBN) comme initiateur. La procédure de synthèse par ultrasons a été réalisée pendant 2h à 65ºC. Les diamètres moyens des particules des NIP magnétiques et des MIP magnétiques étaient respectivement de 200 et 300 nm. L'utilisation des ultrasons a non seulement amélioré le taux de polymérisation et la morphologie des nanoparticules, mais a également conduit à une augmentation du nombre de radicaux libres, et a donc facilité la croissance des PIM autour des nanoparticules magnétiques. La capacité d'adsorption vers l'œstradiol 17β était comparable aux approches traditionnelles. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultrasons pour les capteurs à empreinte moléculaire

Yu et al. ont conçu un capteur électrochimique à empreinte moléculaire basé sur des électrodes modifiées par des nanoparticules de nickel pour la détermination du phénobarbital. Le capteur électrochimique rapporté a été développé par polymérisation thermique avec l'utilisation d'acide méthacrylique (MAA) comme monomère fonctionnel, de 2,2-azobisisobutyronitrile (AIBN) et d'acrylate d'éthylène glycol colophane maléique (EGMRA) comme agent de réticulation, de phénobarbitals (PB) comme molécule modèle et de diméthyl sulfoxyde (DMSO) comme solvant organique. Dans le processus de fabrication du capteur, 0,0464 g de PB et 0,0688 g de MAA ont été mélangés dans 3 ml de DMSO et soniqués pendant 10 minutes. Après 5 heures, 1,0244 g d'EGMRA et 0,0074 g d'AIBN ont été ajoutés au mélange et soniqués pendant 30 minutes pour obtenir des solutions de polymères imprimés au PB. Ensuite, 10 μL de 2,0 mg mL^-1Une solution de nanoparticules de Ni est tombée sur la surface de la GCE, puis le capteur a été séché à température ambiante. Environ 5 μL de la solution de polymère imprimé PB préparée ont ensuite été enduits sur la GCE modifiée par des nanoparticules de Ni et séchés sous vide sur 75◦C pendant 6 h. Après la polymérisation thermique, le capteur imprimé a été lavé avec de l'acide acétique HAc/méthanol (rapport de volume, 3:7) pendant 7 min pour éliminer les molécules du modèle. (cf. Uygun et al. 2015)

Micro-extraction par ultrasons à l'aide de MIP

Afin de récupérer les analyses de nicotinamide des échantillons, une microextraction en phase solide dispersive assistée par ultrasons suivie d'un spectrophotomètre UV-vis (UA-DSPME-UV-vis) est appliquée. Pour l'extraction et la préconcentration de la nicotinamide (vitamine B3), on utilise des polymères à empreinte moléculaire à base de cadre organométallique (MOF) HKUST-1. (Asfaram et al. 2017)

Ultrasons haute performance pour les applications polymères

Du laboratoire à la production avec une évolutivité linéaire : Des polymères à empreinte moléculaire spécialement conçus sont d'abord développés et testés en laboratoire et sur banc d'essai, afin d'étudier la faisabilité de la synthèse des polymères. Si la faisabilité et l'optimisation des MIP ont été réalisées, la production de MIP est mise à l'échelle pour des volumes plus importants. Les voies de synthèse par ultrasons peuvent toutes être mises à l'échelle linéaire, de la production de laboratoire à la production commerciale complète. Hielscher Ultrasonics propose des équipements sonochimiques pour la synthèse de polymères dans de petits laboratoires et sur banc, ainsi que des systèmes ultrasoniques en ligne entièrement industriels pour une production à pleine charge 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. Les ultrasons peuvent être mis à l'échelle de façon linéaire, de la taille d'un tube à essai à de grandes capacités de production de chargements de camion par heure. Hielscher Ultrasonics propose une large gamme de produits allant des systèmes de laboratoire aux systèmes industriels de sonochimie, avec l'ultrasonateur le mieux adapté à la capacité du processus envisagé. Notre personnel expérimenté de longue date vous assistera depuis les tests de faisabilité et l'optimisation du processus jusqu'à l'installation de votre système ultrasonore au niveau de la production finale.

Hielscher Ultrasonics – Équipement sonochimique sophistiqué

Le portefeuille de produits de Hielscher Ultrasons couvre la gamme complète des extracteurs à ultrasons à haute performance, de la petite à la grande échelle. Des accessoires supplémentaires permettent d'assembler facilement la configuration de dispositif à ultrasons la plus adaptée à votre processus. La configuration optimale des ultrasons dépend de la capacité, du volume, du matériau, du lot ou du processus en ligne et du calendrier envisagés. Hielscher vous aide à mettre en place le processus sonochimique idéal.

Par lots et en ligne

Les ultrasonateurs Hielscher peuvent être utilisés pour le traitement par lots et en continu. Les petits et moyens volumes peuvent être soniqués de manière pratique dans un processus discontinu (par exemple, flacons, tests, tubes, béchers, cuves ou barils). Pour le traitement de grands volumes, la sonication en ligne peut être plus efficace. Alors que le traitement par lots demande plus de temps et de main-d'œuvre, un processus de mélange en ligne continu est plus efficace, plus rapide et nécessite beaucoup moins de main-d'œuvre. Hielscher Ultrasons dispose de l'installation d'extraction la mieux adaptée à votre réaction de polymérisation et au volume du processus.

Des sondes ultrasoniques pour chaque capacité de produit

La gamme de produits Hielscher Ultrasons couvre tout l'éventail des processeurs ultrasoniques, depuis les ultrasonores compacts de laboratoire jusqu'aux processeurs ultrasoniques industriels capables de traiter des charges de camion à l'heure, en passant par les systèmes de table et les systèmes pilotes. La gamme complète de produits nous permet de vous proposer l'équipement ultrasonore le mieux adapté à vos polymères, à votre capacité de traitement et à vos objectifs de production.
Les systèmes ultrasoniques de table sont idéaux pour les tests de faisabilité et l'optimisation des processus. La mise à l'échelle linéaire basée sur des paramètres de processus établis permet d'augmenter très facilement les capacités de traitement, depuis les petits lots jusqu'à la production entièrement commerciale. La mise à l'échelle peut se faire soit en installant une unité d'extraction ultrasonore plus puissante, soit en regroupant plusieurs ultrasonores en parallèle. Avec l'UIP16000, Hielscher propose l'unité à ultrasons la plus puissante au monde.

Des amplitudes précisément contrôlables pour des résultats optimaux

Tous les ultrasonateurs Hielscher sont contrôlables avec précision et donc des chevaux de travail fiables en production. L'amplitude est l'un des paramètres de processus cruciaux qui influencent l'efficacité et l'efficience des réactions sonochimiques, y compris les réactions de polymérisation et les voies de synthèse.
Tous les ultrasons Hielscher’ Les processeurs permettent de régler précisément l'amplitude. Les sonotrodes et les cornes d'amplification sont des accessoires qui permettent de modifier l'amplitude dans une plage encore plus large. Les processeurs ultrasoniques industriels de Hielscher peuvent fournir des amplitudes très élevées et délivrer l'intensité ultrasonore requise pour des applications exigeantes. Des amplitudes allant jusqu'à 200 µm peuvent facilement être utilisées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.
Des réglages d'amplitude précis et le contrôle permanent des paramètres du processus ultrasonore grâce à un logiciel intelligent vous permettent de synthétiser vos polymères à empreinte moléculaire dans les conditions ultrasonores les plus efficaces. Une sonication optimale pour de meilleurs résultats de polymérisation !
La robustesse des équipements à ultrasons de Hielscher permet un fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des environnements difficiles. Cela fait de l'équipement à ultrasons de Hielscher un outil de travail fiable qui répond à vos exigences en matière de procédés sonochimiques.

Des tests faciles et sans risque

Les processus ultrasonores peuvent être mis à l'échelle de manière totalement linéaire. Cela signifie que chaque résultat obtenu avec un ultrasonateur de laboratoire ou de table peut être mis à l'échelle pour obtenir exactement le même résultat en utilisant exactement les mêmes paramètres de processus. Cela rend l'ultrasonographie idéale pour les tests de faisabilité sans risque, l'optimisation des processus et leur mise en œuvre ultérieure dans la fabrication commerciale. Contactez-nous pour savoir comment la sonication peut augmenter votre rendement et votre qualité MIP.

La plus haute qualité – Conçu et fabriqué en Allemagne

En tant qu’entreprise familiale et familiale, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les ultrasons sont conçus, fabriqués et testés à fond dans notre siège social à Teltow près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité de l’équipement ultrasonique de Hielscher en font un cheval de travail dans votre production. Le fonctionnement 24h/24 et 7j/7 sous pleine charge et dans des environnements exigeants est une caractéristique naturelle des mélangeurs haute performance de Hielscher.

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

Vous pouvez acheter le processeur à ultrasons Hielscher dans n'importe quelle taille et configuré exactement selon vos besoins. Du traitement des réactifs dans un petit tube de laboratoire au mélange en continu de boues de polymères au niveau industriel, Hielscher Ultrasons vous propose un ultrasonateur adapté ! Veuillez nous contacter – nous sommes heureux de vous recommander l'installation ultrasonique idéale !