Synthèse par ultrasons de polymères à empreinte moléculaire (MIP)

Les polymères à empreinte moléculaire (MIP) sont des récepteurs conçus artificiellement, dotés d’une sélectivité et d’une spécificité prédéterminées pour une structure moléculaire biologique ou chimique donnée. L’ultrasonication peut améliorer diverses voies de synthèse des polymères à empreinte moléculaire et rendre ainsi la polymérisation plus efficace et plus fiable.

Que sont les polymères à empreinte moléculaire ?

Un polymère à empreinte moléculaire (MIP) est un matériau polymère doté de caractéristiques de reconnaissance analogues à celles des anticorps, produit au moyen de la technique d’empreinte moléculaire. La technique d’empreinte moléculaire produit un polymère à empreinte moléculaire en fonction d’une molécule cible spécifique. Le polymère à empreinte moléculaire présente dans sa matrice polymère des cavités ayant une affinité pour la molécule « gabarit » spécifique. Le procédé consiste généralement à amorcer la polymérisation de monomères en présence d’une molécule gabarit, qui est ensuite extraite et laisse 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 gabarit). Les polymères à empreinte moléculaire (MIP) se caractérisent par des sites de liaison spécifiquement adaptés, qui correspondent aux molécules gabarits par leur forme, leur taille et leurs groupes fonctionnels. La caractéristique « serrure – clé » permet d’utiliser les polymères à empreinte moléculaire pour diverses applications dans lesquelles un type spécifique de molécule est reconnu et fixé à la serrure moléculaire, c’est-à-dire au polymère à empreinte moléculaire.

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

Les polymères à empreinte moléculaire (MIP) ont un vaste champ d’applications et sont utilisés pour séparer et purifier des molécules biologiques ou chimiques déterminées, notamment des acides aminés et des protéines, des dérivés nucléotidiques, 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 de récepteurs. (cf. Vasapollo et al. 2011)
Par exemple, la technologie MIP est utilisée comme technique de micro-extraction en phase solide pour traiter 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 à empreinte moléculaire

Selon le type de cible (gabarit) et l’application finale du MIP, les MIP peuvent être synthétisés sous différents formats, tels que des particules sphériques de taille nanométrique et micrométrique, des nanofils, des nanobâtonnets, des nanofilaments ou des couches minces. Afin de produire une forme spécifique de MIP, différentes techniques de polymérisation peuvent être appliquées, telles que l’empreinte en masse, la précipitation, la polymérisation en émulsion, la suspension, la dispersion, la gélification et la polymérisation par gonflement en plusieurs étapes.
L’application d’ultrasons basse fréquence de haute intensité offre une technique très efficace, polyvalente et simple pour synthétiser des nanostructures polymères.
La sonication apporte plusieurs avantages à la synthèse des MIP par rapport aux procédés de polymérisation traditionnels, car elle favorise des vitesses de réaction plus élevées, une croissance plus homogène des chaînes polymères, des rendements plus élevés et des conditions plus douces (p. ex. une basse température de réaction). 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 de l’énergie sonochimique à la polymérisation des MIP, on amorce les réactions de polymérisation et on les influence positivement. Simultanément, la sonication favorise un dégazage efficace du mélange polymère sans sacrifier la capacité de liaison ni 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 l’énergie d’amorçage des procédés 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 présentaient des propriétés de liaison similaires ou supérieures à celles des méthodes conventionnelles ».
Les MIP au format nanométrique ouvrent des perspectives prometteuses pour améliorer l’homogénéité des sites de liaison. L’ultrasonication est réputée pour ses résultats exceptionnels dans la préparation de nanodispersions et de nanoémulsions.

Polymérisation en nanoémulsion par ultrasons

Les MIP peuvent être synthétisés par polymérisation en émulsion. La polymérisation en émulsion est généralement réalisée en formant une émulsion huile-dans-eau avec ajout d’un 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.
Pour en savoir plus sur la nano-émulsification par ultrasons !

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

Extraction du gabarit par ultrasons

Après la synthèse des polymères à empreinte moléculaire, le gabarit doit être retiré du site de liaison afin d’obtenir un polymère à empreinte moléculaire actif. Les intenses forces de mélange de la sonication favorisent la solubilité, la diffusivité, la pénétration et le transport du solvant et des molécules gabarits. Les gabarits sont ainsi rapidement retirés des sites de liaison.
L’extraction par ultrasons peut également être combinée à l’extraction Soxhlet pour retirer le gabarit du polymère à empreinte.

Études de cas : applications des ultrasons aux polymères à empreinte moléculaire

Synthèse par ultrasons de polymères à empreinte moléculaire

L’encapsulation de nanoparticules magnétiques par des polymères à empreinte de 17β-estradiol, au moyen d’une voie de synthèse par ultrasons, permet une élimination rapide du 17β-estradiol des milieux aqueux. Pour la synthèse par ultrasons des nanoMIP, l’acide méthacrylique (MAA) a été utilisé comme monomère, le diméthylacrylate d’éthylène glycol (EGDMA) comme agent de réticulation et l’azobisisobutyronitrile (AIBN) comme amorceur. 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 la vitesse de polymérisation et la morphologie des nanoparticules, mais a également entraîné une augmentation du nombre de radicaux libres et, ainsi, facilité la croissance des MIP autour des nanoparticules magnétiques. La capacité d’adsorption vis-à-vis du 17β-estradiol était comparable à celle des approches traditionnelles. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Les 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 le dosage du phénobarbital. Le capteur électrochimique décrit a été développé par polymérisation thermique en utilisant l’acide méthacrylique (MAA) comme monomère fonctionnel, le 2,2-azobisisobutyronitrile (AIBN) et l’acrylate de rosinate maléique d’éthylène glycol (EGMRA) comme agent de réticulation, les phénobarbitals (PB) comme molécule gabarit et le diméthylsulfoxyde (DMSO) comme solvant organique. Lors de la fabrication du capteur, 0,0464g de PB et 0,0688g de MAA ont été mélangés dans 3 mL de DMSO et soumis à la sonication pendant 10 min. Après 5 h, 1,0244g d’EGMRA et 0,0074g d’AIBN ont été ajoutés au mélange et soumis à la sonication pendant 30 min pour obtenir des solutions de polymère à empreinte de PB. Ensuite, 10 μL d’une solution à 2,0 mg mL^-1 de nanoparticules de Ni ont été déposés sur la surface de la GCE, puis le capteur a été séché à température ambiante. Environ 5 μL de la solution de polymère à empreinte de PB préparée ont ensuite été appliqués en revêtement sur la GCE modifiée 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 volumique, 3:7) pendant 7 min pour éliminer les molécules gabarits. (cf. Uygun et al. 2015)

Micro-extraction par ultrasons à l’aide de MIP

Afin de récupérer les analytes de nicotinamide à partir d’échantillons, on applique une microextraction dispersive en phase solide assistée par ultrasons, suivie d’une mesure au spectrophotomètre UV-vis (UA-DSPME-UV-vis). Pour l’extraction et la préconcentration du nicotinamide (vitamine B3), des polymères à empreinte moléculaire à base de réseau métallo-organique (MOF) HKUST-1 ont été utilisés. (Asfaram et al. 2017)

Ultrasonicateurs haute performance pour les applications polymères

Du laboratoire à la production avec une évolutivité linéaire : Les polymères à empreinte moléculaire spécifiquement conçus sont d’abord développés et testés à petite échelle, en laboratoire et sur paillasse, afin d’étudier la faisabilité de la synthèse du polymère. Une fois la faisabilité et l’optimisation des MIP établies, la production de MIP est transposée à des volumes plus importants. Les voies de synthèse par ultrasons peuvent toutes être transposées linéairement de l’échelle de la paillasse à la production entièrement commerciale. Hielscher Ultrasonics propose des équipements sonochimiques pour la synthèse de polymères, des petites installations de laboratoire et de paillasse jusqu’aux systèmes à ultrasons en ligne entièrement industriels pour la production 24/7 à pleine charge. Les ultrasons peuvent être transposés linéairement de la taille d’un tube à essai à de grandes capacités de production de plusieurs chargements de camion par heure. Le vaste portefeuille de produits de Hielscher Ultrasonics, des systèmes sonochimiques de laboratoire aux systèmes industriels, comprend l’ultrasonicateur le plus adapté à la capacité de procédé que vous envisagez. Notre personnel fort d’une longue expérience vous accompagnera, des essais de faisabilité et de l’optimisation du procédé jusqu’à l’installation de votre système à ultrasons au niveau de la production finale.

Hielscher Ultrasonics – des équipements sonochimiques sophistiqués

Le portefeuille de produits de Hielscher Ultrasonics couvre toute la gamme des extracteurs à ultrasons haute performance, de la petite à la grande échelle. Des accessoires supplémentaires permettent d’assembler facilement la configuration d’appareil à ultrasons la plus adaptée à votre procédé. La configuration à ultrasons optimale dépend de la capacité envisagée, du volume, du matériau, du procédé en batch ou en ligne et du calendrier. Hielscher vous aide à mettre en place le procédé sonochimique idéal.

En batch et en ligne

Les ultrasonicateurs Hielscher peuvent être utilisés pour le traitement en batch et en flux continu. Les petits et moyens volumes peuvent être commodément traités par sonication dans un procédé en batch (p. ex. flacons, tubes à essai, béchers, cuves ou fûts). Pour le traitement de grands volumes, la sonication en ligne peut être plus efficace. Alors que le traitement en batch exige davantage de temps et de main-d’œuvre, un procédé de mélange en ligne continu est plus efficace, plus rapide et nécessite beaucoup moins de main-d’œuvre. Hielscher Ultrasonics dispose de la configuration d’extraction la plus adaptée à votre réaction de polymérisation et à votre volume de procédé.

Sondes à ultrasons pour toutes les capacités de production

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

Amplitudes contrôlables avec précision pour des résultats optimaux

Tous les ultrasonicateurs Hielscher sont contrôlables avec précision et constituent ainsi des bêtes de somme fiables en production. L’amplitude est l’un des paramètres de procédé déterminants qui influencent l’efficience et l’efficacité des réactions sonochimiques, y compris les réactions de polymérisation et les voies de synthèse.
Tous les processeurs de Hielscher Ultrasonics permettent un réglage précis de l’amplitude. Les sonotrodes et les boosters sont des accessoires qui permettent de modifier l’amplitude dans une plage encore plus large. Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher peuvent fournir des amplitudes très élevées ainsi que l’intensité ultrasonore requise pour les applications exigeantes. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7.
Le réglage précis de l’amplitude et la surveillance permanente des paramètres du procédé ultrasonore au moyen d’un logiciel intelligent vous permettent de synthétiser vos polymères à empreinte moléculaire dans les conditions ultrasonores les plus efficaces. Une sonication optimale pour les meilleurs résultats de polymérisation !
La robustesse des équipements à ultrasons de Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants. Les équipements à ultrasons de Hielscher constituent ainsi un outil de travail fiable qui répond aux exigences de votre procédé sonochimique.

Essais simples et sans risque

Les procédés à ultrasons peuvent être transposés à l’échelle de manière entièrement linéaire. Cela signifie que chaque résultat obtenu avec un ultrasonicateur de laboratoire ou de paillasse peut être transposé pour obtenir exactement le même rendement de sortie en utilisant exactement les mêmes paramètres de procédé. L’ultrasonication est ainsi idéale pour des essais de faisabilité sans risque, l’optimisation des procédés et la mise en œuvre ultérieure dans la fabrication commerciale. Contactez-nous pour découvrir comment la sonication peut augmenter le rendement et la qualité de vos MIP.

Qualité optimale – conçu et fabriqué en Allemagne

En tant qu’entreprise familiale, détenue et dirigée par une famille, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les ultrasonicateurs sont conçus, fabriqués et minutieusement testés dans notre siège de Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité des équipements à ultrasons de Hielscher en font une bête de somme dans votre production. Le fonctionnement 24/7 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 ultrasonicateurs :

Vous pouvez acheter un processeur à ultrasons Hielscher dans toutes les tailles et configuré exactement selon les exigences de votre procédé. Du traitement de réactifs dans un petit tube de laboratoire au mélange en flux continu de suspensions de polymères à l’échelle industrielle, Hielscher Ultrasonics vous propose un ultrasonicateur adapté ! N’hésitez pas à nous contacter – nous serons heureux de vous recommander la configuration à ultrasons idéale !