פילמור קולי של הידרוג'לים: פרוטוקול והגדלה

פילמור המושרה על ידי אולטרסאונד מציע גישה נטולת רדיקלים ונטולת יוזמים לסינתזה של הידרוג'לים ממונומרים ומקרומונומרים ויניל מסיסים במים. מתודולוגיה זו מנצלת את הייצור הסונוכימי של רדיקלים באמצעות קוויטציה ומתאימה באופן אידיאלי ליישומים ביו-רפואיים שבהם יש להימנע משאריות יוזמים.

הידרוג'לים הם רשתות פולימריות תלת-ממדיות הידרופיליות המסוגלות לשמור על כמויות מים משמעותיות תוך שמירה על שלמות מבנית – תכונה הנובעת משרשראות פולימריות מצולבות. תכונותיהם הפיזיקו-כימיות – התנפחות, חוזק מכני ותאימות ביולוגית – הופכות אותם לאטרקטיביים ביותר ליישומים ביו-רפואיים, כולל העברת תרופות, הנדסת רקמות וריפוי פצעים.

היתרון של פילמור הידרוג'ל אולטרסאונד

באופן מסורתי, סינתזת הידרוג'ל מסתמכת על קישור צולב תרמי, פוטוכימי או כימי; עם זאת, סינתזת הידרוג'ל אולטראסוני צוברת אחיזה משמעותית מכיוון ששיטת הסוניקציה מציעה גישה פשוטה ללא ריאגנטים, ניתנת לכוונון וירוקה יותר. סינתזת הידרוג'ל אולטרסאונד משתמשת בקוויטציה אקוסטית כדי לקדם פילמור וקישור צולב פיזי או כימי ללא צורך ביוזמים חיצוניים. יש לציין כי אולטרסאונד יכול גם להקל על פיזור ננו-חלקיקים באתרו או ליזום תגובות רדיקליות במדיה מימית, מה שהופך אותו לכלי רב-תכליתי ליצירת הידרוג'לים רב-תכליתיים או ננו-מרוכבים בתנאים קלים.

סרטון הווידיאו למעלה מדגים את הסינתזה האולטרסאונד של הידרוג'ל שימוש בסוניקטור UP50H וג'לטור במשקל מולקולרי נמוך. התוצאה היא הידרוג'ל על-מולקולרי בעל ריפוי עצמי. (מחקר וסרט: Rutgeerts et al., 2019)
 

הידרוג'לים תואמים ביולוגית עם סוניקציה

בחיפוש אחר הידרוג'לים תואמים ביולוגית שניתן ליצור בצורה נקייה, בטוחה ולפי דרישה, אסטרטגיות פילמור מסורתיות נופלות לעתים קרובות. עבודתם של קאס ועמיתיו מציגה פתרון יעיל לבעיה זו: שיטה נקייה ונטולת יוזמים לסינתזה של הידרוג'ל באמצעות אולטרסאונד בתדר נמוך.

המחקר שלהם בוחן את הפולימריזציה הסונוכימית של מונומרים מסיסים במים שונים, אך תרכובת אחת בלט במיוחד ביעילותה ובחוזקה: תמיסה של 5% דקסטראן מתקרילט (Dex-MA) ב-70% גליצרול-מים, שעברה פולימריזציה תחת אולטרסאונד בעוצמה מתונה של 56 וואט/סמ"ר. ראוי לציין כי מערכת זו הניבה הידרוג'ל בעל מבנה מלא תוך 6.5 דקות בלבד, והשיגה המרה של מונומר לפולימר בשיעור של 72% – השיעור הגבוה ביותר מבין כל התרכובות שנבדקו.

קוויטציה אקוסטית: עקרון הפעולה של שיטה זו מבוסס על תופעה חזקה אך חולפת: קוויטציה אקוסטית. כאשר הם נחשפים לאולטרסאונד בעל עוצמה גבוהה, נוצרים בועות מיקרוסקופיות המתפוצצות באלימות במדיום הנוזלי, ויוצרות נקודות חמות מקומיות שבהן הטמפרטורה עשויה לעלות לזמן קצר על 5000 קלווין. תנאים אלה גורמים לפיצול הומוליטי של מולקולות הממס, וליצירת פרץ של רדיקלים תגובתיים. בניגוד לפולימריזציה קונבנציונלית, התלויה במפעילים חיצוניים או בחום, האולטרסאונד מספק הן את האנרגיה והן את הרדיקלים הדרושים ליזום הפולימריזציה – מבלי לחרוג מטמ

ממס משותף: הבחירה בגליצרול כקו-ממס לא הייתה מקרית. מעבר להגברת צמיגות התמיסה – גורם קריטי לשיפור עוצמת הקוויטציה – הגליצרול עצמו משמש כשותף לתרומת רדיקלים. קבוצות ההידרוקסיל שלו ידועות בייצור רדיקלים משניים יחסית יציבים, ובכך מגדילות את אורך חיי הרדיקלים ומקדמות את התפשטות השרשרת. בנוסף, הסביבה הצמיגה העשירה בגליצרול מסייעת ללכוד שרשראות פולימר מתהוות, להפחית את מסיסותן ולהגן עליהן מפני פירוק אולטראסוני, העלול להתרחש במערכות מימיות מדוללות יותר.

פילמור אולטראסוני: כדי לאפיין את התקדמות הפולימריזציה, החוקרים השתמשו בספקטרוסקופיה אינפרא-אדומה, ועקבו אחר הידלדלות קבוצות הוויניל ב-Dex-MA לאורך זמן. הקליטה האופיינית ב-1635 ס"מ⁻¹ – המעידה על קשרי C=C כפולים – פחתה במהירות במהלך הסוניקציה, בעוד שהמתיחה של אסתר קרבוניל ב-1730 ס"מ⁻¹ נותרה קבועה, ושימשה כנקודת ייחוס פנימית. נתונים אלה אישרו לא רק המרה מהירה של ויניל, אלא גם רמה גבוהה של יצירת קשרי צולבות, כפי שמעידים יחסי הנפיחות הנמוכים ומבני הג'ל החזקים.

ניתוח: מיקרוסקופ אלקטרוני סורק חשף עוד יותר את התפתחות המיקרו-מבנה של הג'ל. בשלבים המוקדמים, הרשת כללה נקבוביות גדולות ופתוחות, אך עם המשך השימוש באולטרסאונד, אלה התמלאו במבנה משני צפוף יותר. לאחר 15 דקות, ההידרוג'ל הציג מורפולוגיה הומוגנית עם נקבוביות מחוברות היטב – סימן היכר של ג'לים ביו-רפואיים בעלי מבנה טוב.

תוצאה: בהשוואה להידרוג'לים המיוצרים באמצעות חומרים מזרזים תרמיים של רדיקלים חופשיים, ההבדלים היו בולטים. למרות שניתן היה להשיג המרות דומות באמצעות תהליך תרמי, הרשתות שהתקבלו היו נקבוביות יותר, פחות אחידות והציגו יחסי התנפחות גבוהים יותר – סימנים למבנה צולב רופף יותר. בנוסף, התהליך התרמי הצריך טיהור חנקן, תוספים כימיים וטמפרטורות גבוהות יותר, בעוד שהגישה האולטראסונית פעלה בטמפרטורת סביבה של 37°C בלבד.

אולי ההיבט המרתק ביותר בעבודה זו הוא התצפית כי הפולימריזציה יכולה להמשיך גם לאחר הפסקת האולטרסאונד. הג'ל המשיך להתקשות ולהתחזק במשך 30 דקות לאחר הפסקת הסוניקציה. הדבר מצביע על כך שמינים רדיקליים עמידים או מבנים ביניים שנוצרו במהלך הסוניקציה עשויים להמשיך ולהפיץ שרשראות פולימריות בהיעדר אספקת אנרגיה נוספת – התנהגות בעלת השלכות שימושיות פוטנציאליות ליישומים in vivo.

למידע נוסף על היתרונות של ייצור הידרוג'ל קולי!

פרוטוקול: סינתזה אולטרסאונד של הידרוג'ל דקסטרן מתאקרילט (Dex-MA) באמצעות סוניקטור

כדי לסנתז הידרוג'ל Dex-MA צולב קוולנטי, אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך מחובר לתמיסת גליצרול/מים. הטמפרטורה וצפיפות האנרגיה של האולטרסאונד נשלטים במדויק.
להלן, אנו נותנים לך את ההוראות לסינתזה של הידרוג'ל קולי בקנה מידה מעבדתי, שניתן להגדיל באופן ליניארי לכמויות גדולות.

ציוד וחומרים

ציוד

• מעבד אולטראסוני Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (קוטר קצה: 2 מ"מ; מומלץ לנפחים בקנה מידה קטן)
• כלי תגובה מעוטר (50 מ"ל), תואם למערבל מגנטי
• אמבט מים במחזור (מבוקר תרמוסטטית ב-37 מעלות צלזיוס)
• בדיקת טמפרטורה PT100 (כלולה בהיקף האספקה של ה-UP200Ht)
• בוחש מגנטי
• איזון אנליטי (±0.1 מ"ג)
• תנור ואקום או ליופילייזר

כימיקלים

• דקסטרן מתאקרילט (Dex-MA), ~20% מתאקרילציה
• גליצרול, ≥99.5% (נטול מים)
• מים שעברו דה-יוניזציה

כל הריאגנטים צריכים להיות ברמה אנליטית. הימנע מסביבות עשירות בחמצן; ממיסי גז במידת האפשר.

הליך שלב אחר שלב: פילמור הידרוג'ל אולטרסאונד

1. הכנת תערובת פילמור
   • שקלו 0.75 גרם של Dex-MA לתוך כלי תגובה מצופה 50 מ"ל.
   • הוסף 10.5 גרם גליצרול ו -3.75 גרם מים נטולי יונים.
   • מערבבים את התערובת בצורה מגנטית בטמפרטורת החדר (~22 מעלות צלזיוס) למשך 5-10 דקות כדי להמיס את Dex-MA לחלוטין. אמור להיווצר פתרון מעט צמיג והומוגני.
   • מחממים את אמבט המים ל-37 מעלות צלזיוס ומחברים אותו לכלי המעוטף כדי לשמור על טמפרטורה קבועה.
2. התקנה של Sonicator
   • התקן את הסונוטרודה S26d2 ל-UP200Ht והבטח צימוד הדוק.
   • טבלו את קצה הסונוטרודה בתערובת התגובה. הימנע מלגעת בדפנות הכלי או בתחתית.
   • הנח את בדיקת הטמפרטורה בתמיסה קרוב לסונוטרודה אך לא במגע ישיר. זה מאפשר לך להשתמש בבקרת הטמפרטורה המשולבת של הסוניקטור.
   • הגדרת משרעת ל- 100%.
3. פילמור קולי
   • התחל לערבב ב-100-200 סל"ד כדי לשמור על הומוגניזציה עדינה.
   • התחל סוניקציה בהגדרת המשרעת המתאימה כדי לספק ~56 W/cm² למשך 6.5 דקות.
   • שמור על טמפרטורת התמיסה על 37 מעלות צלזיוס לאורך כל הדרך. אם התערובת מתחילה להתחמם, הגדילו את זרימת נוזל הקירור או הוסיפו קרח לאמבט המים.
   • הג'לציה מתחילה בדרך כלל תוך 5-6 דקות. הצמיגות תגדל בחדות.
   • אם הג'לציה מתרחשת לפני 6.5 דקות, הפסק את הסוניקציה כדי למנוע קישורים צולבים או השפלה מוגזמים.
4. לאחר עיבוד וטיהור
   • העבירו מיד את הג'ל ל-200 מ"ל מים נטולי יונים תחת ערבוב נמרץ כדי לשטוף מונומר וגליצרול שלא הגיבו.
   • מערבבים במשך 30 דקות, ואז שופכים סופרנטנט או מסנן.
   • חזור על הכביסה 3 פעמים נוספות תוך שימוש במים חמים (~60 מעלות צלזיוס) לשיפור הדיפוזיה.
   • יבש את הג'ל בוואקום ב-60 מעלות צלזיוס למשך 8 שעות, או ליופיליזציה למבנים נקבוביים.

 
התוצאה: הידרוג'ל תואם ביולוגית
עליך להשיג הידרוג'ל שקוף וחזק עם המרה גבוהה (~70-75%), קישור צולב מעולה ומונומר שיורי מינימלי. ההידרוג'ל יתנגד להתמוססות במים ויציג מבנה אחיד עם הייבוש.

 
הערות לבקרת תהליכים אופטימלית

ההרחבה: ליניארי ופשוט עם סוניקציה

בתחום הדורש יותר ויותר דיוק, טוהר ומדרגיות, שיטה אולטרסאונד זו מציעה אלטרנטיבה משכנעת. הוא ניתן לשליטה מרחבית, ניתן לכוונון בזמן אמת ותואם לעיבוד רציף באמצעות מערכות מוטבעות אולטרסאונד מודרניות.
הסוניקטורים של Hielscher Ultrasonics מספקים אמפליטודות מדויקות וסקאלה ליניארית ממעבדה ועד לייצור בקנה מידה תעשייתי, מה שהופך אותם לאידיאליים להמרת מערכות הידרוג'ל כאלה ליישומים טיפוליים ואבחנתיים בעולם האמיתי.

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

Hielscher ultrasonicators ידועים באיכות הגבוהה ביותר שלהם סטנדרטים עיצוב. חוסן ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. תנאים קשים וסביבות תובעניות מטופלים בקלות על ידי אולטרסוניקטורים Hielscher.

Hielscher Ultrasonics היא חברה מוסמכת ISO לשים דגש מיוחד על ultrasonicators ביצועים גבוהים שמציעות טכנולוגיה חדישה וידידותיות למשתמש. כמובן, Hielscher ultrasonicators הם תואמי CE ולעמוד בדרישות של UL, CSA ו RoHs.

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו: