Synthèse ultrasonique de polymères à empreintes moléculaires (MIP)

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

Que sont les polymères à empreintes moléculaires ?

Un polymère à empreintes moléculaires (MIP) est un matériau polymère doté de caractéristiques de reconnaissance semblables à celles d'un anticorps, qui a été produit à l'aide de la technique de l'empreinte moléculaire. La technique de l'empreinte moléculaire produit un polymère à empreinte moléculaire par rapport à une molécule cible spécifique. Le polymère à empreinte moléculaire présente des cavités dans sa matrice polymère avec une affinité pour la molécule cible spécifique. “modèle” molécule. Le processus consiste généralement à initier la polymérisation de 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 empreintes moléculaires peuvent être comparées à une serrure moléculaire qui correspond à une clé moléculaire (la molécule dite modèle). Les polymères à empreintes moléculaires (MIP) se caractérisent 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 caractéristique "clé" permet d'utiliser des polymères à empreintes moléculaires pour diverses applications, où un type spécifique de molécule est reconnu et attaché au verrou moléculaire, c'est-à-dire au polymère à empreintes moléculaires.

L'illustration schématique montre la voie de l'empreinte moléculaire des cyclodextrines pour la préparation de récepteurs sur mesure.
Étude et image : Hishiya et al. 2003

Les polymères à empreintes moléculaires (PIM) ont un vaste 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 exploiter et purifier les 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 ultrasonique de molécules à empreintes moléculaires

En fonction du type de cible (modèle) et de l'application finale du MIP, les MIP peuvent être synthétisés sous différentes formes, telles que des particules sphériques de taille nanométrique ou micronique, des nanofils, des nanobâtonnets, des nanofilaments ou des films minces. Afin de produire une forme spécifique de MIP, 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 à haute intensité offre une technique très efficace, polyvalente et simple pour synthétiser des nanostructures polymères.
La sonication présente plusieurs avantages dans la synthèse des MIP par rapport aux procédés de polymérisation traditionnels, car elle favorise des taux de réaction plus élevés, une croissance plus homogène des chaînes de polymères, des rendements plus élevés et des conditions plus douces (par exemple, une température de réaction 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 influencées positivement. 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 ultrasoniques offrent un mélange et une agitation supérieurs pour former des suspensions homogènes et fournir une énergie d'initiation pour les processus de polymérisation. Viveiros et al. (2019) ont étudié le potentiel de la synthèse de MIP par ultrasons et affirment que "les MIP préparés par ultrasons présentent des propriétés de liaison similaires ou supérieures aux méthodes conventionnelles".
Les MIP sous forme nanométrique offrent des possibilités prometteuses pour améliorer l'homogénéité des sites de liaison. L'ultrasonication est bien connue pour ses résultats exceptionnels dans la préparation de nanodispersions et de nanoémulsions.

Polymérisation en nano-émulsion par ultrasons

Les MIP peuvent être synthétisés par polymérisation en émulsion. La polymérisation en émulsion est généralement réalisée en formant une émulsion huile dans l'eau sous l'effet d'un tensioactif. Pour former un produit stable et de taille nanométrique, une technique d'émulsification performante 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 : polymérisation par précipitation, polymérisation en émulsion et polymérisation en coquille.
Étude et image par : Refaat et al. 2019

Extraction du gabarit par ultrasons

Après la synthèse des polymères à empreintes moléculaires, le modèle doit être retiré du site de liaison afin d'obtenir un polymère à empreintes moléculaires actif. 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 modèles sont rapidement retirés des sites de liaison.
L'extraction par ultrasons peut également être combinée à l'extraction Soxhlet pour retirer le gabarit du polymère imprimé.

Études de cas : Applications ultrasoniques pour les polymères à empreintes moléculaires

Synthèse ultrasonique de polymères à empreintes moléculaires

L'encapsulation de nanoparticules magnétiques par des polymères imprégnés de 17β-estradiol à l'aide d'une voie de synthèse ultrasonique permet d'éliminer rapidement le 17β-estradiol 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 2 heures à 65ºC. Les diamètres moyens des particules des NIP magnétiques et des MIP magnétiques étaient respectivement de 200 et 300 nm. L'utilisation d'ultrasons a non seulement amélioré la vitesse de polymérisation et la morphologie des nanoparticules, mais a également conduit à une augmentation du nombre de radicaux libres, facilitant ainsi la croissance des MIP autour des nanoparticules magnétiques. La capacité d'adsorption du 17β-estradiol était comparable aux approches traditionnelles. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultrasons pour les capteurs à empreintes moléculaires

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 en utilisant l'acide méthacrylique (MAA) comme monomère fonctionnel, le 2,2-azobisisobutyronitrile (AIBN) et l'éthylène glycol rosinate maléique (EGMRA) acrylate comme agent de réticulation, les phénobarbitals (PB) comme molécule modèle et le sulfoxyde de diméthyle (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 h, 1,0244 g d'EGMRA et 0,0074 g d'AIBN ont été ajoutés au mélange et soniqués pendant 30 min pour obtenir des solutions de polymères imprimés sur le PB. Ensuite, 10 μL de 2,0 mg mL^-1La solution de nanoparticules de Ni a chuté sur la surface du GCE, puis le capteur a été séché à température ambiante. Environ 5 μL de la solution de polymère à empreinte PB préparée ont ensuite été enduits sur le GCE modifié par des nanoparticules de Ni et séchés sous vide à 75◦C pendant 6 h. Après la polymérisation thermique, le capteur à empreinte a été lavé avec (acide acétique) HAc/méthanol (rapport de volume, 3:7) pendant 7 min afin d'éliminer les molécules de gabarit. (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 et suivie d'un spectrophotomètre UV-vis (UA-DSPME-UV-vis) est appliquée. Pour l'extraction et la préconcentration de la nicotinamide (vitamine B3), des polymères à empreintes moléculaires à base de cadre organique métallique (MOF) HKUST-1 ont été utilisés. (Asfaram et al. 2017)

Ultrasons haute performance pour les applications dans le domaine des polymères

Du laboratoire à la production avec une évolutivité linéaire : Des polymères à empreintes moléculaires spécifiquement conçus sont tout d'abord développés et testés à l'échelle du petit laboratoire et de la paillasse, afin d'étudier la faisabilité de la synthèse du polymère. Si la faisabilité et l'optimisation des MIP ont été réalisées, la production de MIP est portée à des volumes plus importants. Les voies de synthèse par ultrasons peuvent toutes être mises à l'échelle de façon linéaire, du laboratoire à la production commerciale. Hielscher Ultrasonics propose des équipements sonochimiques pour la synthèse des polymères dans de petits laboratoires et sur des paillasses, ainsi que des systèmes ultrasoniques industriels en ligne pour une production 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 à pleine charge. Les ultrasons peuvent être mis à l'échelle de façon linéaire, de la taille d'une éprouvette à de grandes capacités de production de chargements de camions par heure. La vaste gamme de produits de Hielscher Ultrasonics, des systèmes sonochimiques de laboratoire aux systèmes sonochimiques industriels, comprend l'ultrasoniseur le mieux adapté à la capacité de traitement que vous envisagez. Notre personnel expérimenté vous assistera depuis les tests de faisabilité et l'optimisation du processus jusqu'à l'installation de votre système à ultrasons au niveau de la production finale.

Hielscher Ultrasonics – Équipement sonochimique sophistiqué

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

par lots et en ligne

Les ultrasons Hielscher peuvent être utilisés pour le traitement par lots et en continu. Les petits et moyens volumes peuvent être sonifiés de manière pratique dans le cadre d'un processus par lots (par exemple, flacons, tubes à essai, béchers, réservoirs ou barils). Pour le traitement de gros volumes, la sonication en ligne peut s'avérer plus efficace. Alors que le traitement par lots demande plus de temps et de main-d'œuvre, un processus de mélange continu en ligne est plus efficace, plus rapide et nécessite beaucoup moins de main-d'œuvre. Hielscher Ultrasonics dispose de l'installation d'extraction la mieux adaptée à votre réaction de polymérisation et à votre volume de traitement.

Sondes à ultrasons pour chaque capacité de produit

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

Amplitudes contrôlables avec précision pour des résultats optimaux

Tous les appareils à ultrasons Hielscher sont contrôlables avec précision et constituent donc des outils de travail fiables pour la production. L'amplitude est l'un des paramètres cruciaux du processus qui influence l'efficacité des réactions sonochimiques, y compris les réactions de polymérisation et les voies de synthèse.
Tous les produits Hielscher Ultrasonics’ permettent un réglage précis de 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 délivrer des amplitudes très élevées et fournir l'intensité ultrasonique requise pour des applications exigeantes. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.
Des réglages précis de l'amplitude et le contrôle permanent des paramètres du processus ultrasonique via un logiciel intelligent vous permettent de synthétiser vos polymères à empreinte moléculaire dans les conditions ultrasoniques les plus efficaces. Une sonication optimale pour de meilleurs résultats de polymérisation !
La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher lui permet de fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des conditions difficiles et dans des environnements exigeants. Cela fait de l'équipement ultrasonique de Hielscher un outil de travail fiable qui répond aux exigences de votre processus sonochimique.

Des tests faciles et sans risque

Les procédés ultrasoniques peuvent être mis à l'échelle de manière totalement linéaire. Cela signifie que chaque résultat obtenu à l'aide d'un appareil à ultrasons de laboratoire ou de paillasse peut être mis à l'échelle pour obtenir exactement le même résultat en utilisant exactement les mêmes paramètres de processus. L'ultrasonication est donc idéale pour les essais de faisabilité sans risque, l'optimisation des processus et la mise en œuvre ultérieure dans la fabrication commerciale. Contactez-nous pour savoir comment la sonication peut augmenter le rendement et la qualité de vos MIP.

La plus haute qualité – Conçu et fabriqué en Allemagne

En tant qu'entreprise familiale, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les appareils à ultrasons sont conçus, fabriqués et testés minutieusement dans notre siège social de Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité des équipements à ultrasons de Hielscher en font des outils de travail pour votre production. Le fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, à 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 ultrasons :

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