פילמור אולטרסוני של הידרוג'לים: פרוטוקול והגדלת קנה מידה

פילמור המושרה באמצעות אולטרסאונד מציע גישה ללא רדיקלים וללא יוזמים לסינתזה של הידרוג'לים ממונומרים ויניליים וממקרומונומרים מסיסים במים. שיטה זו מנצלת יצירה סונוכימית של רדיקלים באמצעות קוויטציה, ומתאימה באופן אידיאלי ליישומים ביו־רפואיים שבהם יש להימנע משאריות של יוזמים.

הידרוג'לים הם רשתות פולימריות תלת־ממדיות והידרופיליות המסוגלות לשמר כמויות ניכרות של מים תוך שמירה על שלמות מבנית – תכונה הנובעת משרשראות פולימריות מצולבות. תכונותיהם הפיזיקוכימיות – התנהגות התפיחה, החוזק המכני והתאימות הביולוגית – הופכות אותם לאטרקטיביים ביותר ליישומים ביו־רפואיים, ובהם הובלת תרופות, הנדסת רקמות וריפוי פצעים.

היתרון של פילמור אולטרסוני של הידרוג'לים

באופן מסורתי, סינתזה של הידרוג'לים מסתמכת על צילוב תרמי, פוטוכימי או כימי; עם זאת, סינתזה אולטרסונית של הידרוג'לים צוברת תאוצה משמעותית, שכן שיטת הסוניקציה מציעה גישה פשוטה, ללא ריאגנטים, הניתנת לכוונון וידידותית יותר לסביבה. סינתזה אולטרסונית של הידרוג'לים משתמשת בקוויטציה אקוסטית לקידום פילמור וצילוב פיזיקלי או כימי ללא צורך ביוזמים חיצוניים. ראוי לציין כי טיפול אולטרסוני יכול גם לסייע בפיזור ננו־חלקיקים באתרם או ליזום תגובות רדיקליות בתווכים מימיים, ולכן הוא כלי רב־תכליתי ליצירת הידרוג'לים רב־תפקודיים או ננו־מרוכבים בתנאים מתונים.

קטע הווידאו שלעיל מדגים סינתזה אולטרסונית של הידרוג'ל באמצעות הסוניקטור UP50H וחומר יוצר ג'ל בעל משקל מולקולרי נמוך. התוצאה היא הידרוג'ל סופראמולקולרי בעל יכולת ריפוי עצמי. (מחקר וסרטון: Rutgeerts et al., 2019)
 

הידרוג'לים בעלי תאימות ביולוגית באמצעות סוניקציה

בחיפוש אחר הידרוג'לים בעלי תאימות ביולוגית שניתן ליצור באופן נקי, בטוח ולפי דרישה, אסטרטגיות פילמור מסורתיות לעיתים קרובות אינן מספקות מענה הולם. עבודתם של Cass ועמיתיו מציגה פתרון יעיל לבעיה זו: שיטה נקייה, ללא יוזמים, לסינתזה של הידרוג'לים באמצעות אולטרסאונד בתדר נמוך.

מחקרם בוחן פילמור סונוכימי של מונומרים שונים המסיסים במים, אך הרכב אחד בלט כיעיל ועמיד במיוחד: תמיסה של 5% דקסטרן מתאקרילט (Dex-MA) בתערובת גליצרול–מים בריכוז 70%, שעברה פילמור באמצעות אולטרסאונד בעוצמה מתונה של 56 W/cm². באופן מרשים, מערכת זו הניבה הידרוג'ל שנוצר במלואו בתוך 6.5 דקות בלבד, תוך השגת שיעור המרה ממונומר לפולימר של 72% – הגבוה ביותר מבין כל ההרכבים שנבדקו.

קוויטציה אקוסטית: עקרון הפעולה של שיטה זו מבוסס על תופעה שעוצמתה רבה כשם שהיא חולפת: קוויטציה אקוסטית. בחשיפה לאולטרסאונד רב־עוצמה, בועות מיקרוסקופיות נוצרות וקורסות באלימות בתווך הנוזלי, ויוצרות מוקדי חום מקומיים שבהם הטמפרטורות עשויות לעלות לזמן קצר על 5000 קלווין. תנאים אלה גורמים לביקוע הומוליטי של מולקולות הממס, המייצר פרץ של רדיקלים תגובתיים. בניגוד לפילמור קונבנציונלי, התלוי ביוזמים חיצוניים או בחום, אולטרסאונד מספק הן את האנרגיה והן את הרדיקלים הדרושים לתחילת הפילמור – מבלי שטמפרטורת הנוזל בכללותו תחרוג מטמפרטורות הרלוונטיות מבחינה פיזיולוגית.

ממס נלווה: הבחירה בגליצרול כממס משותף לא הייתה מקרית. מעבר להגדלת צמיגות התמיסה – גורם קריטי להגברת עוצמת הקוויטציה – הגליצרול עצמו פועל כתורם נוסף לרדיקלים. קבוצות ההידרוקסיל שלו ידועות ביכולתן ליצור רדיקלים שניוניים יציבים יחסית, ובכך להאריך את משך חיי הרדיקלים ולקדם את התארכות השרשראות. בנוסף, הסביבה הצמיגה והעשירה בגליצרול מסייעת ללכוד שרשראות פולימר הנמצאות בשלבי היווצרות, מפחיתה את מסיסותן ומגינה עליהן מפני פירוק אולטרסוני, שעלול להתרחש במערכות מימיות מדוללות יותר.

פילמור אולטרסוני: כדי לאפיין את התקדמות הפילמור, השתמשו החוקרים בספקטרוסקופיית אינפרה־אדום ועקבו לאורך זמן אחר הירידה בכמות קבוצות הוויניל ב-Dex-MA. הבליעה האופיינית ב-1635 cm⁻¹ – המעידה על קשרים כפולים מסוג C=C – פחתה במהירות במהלך הסוניקציה, בעוד שפס מתיחת הקרבוניל של האסטר ב-1730 cm⁻¹ נותר קבוע ושימש כייחוס פנימי. נתונים אלה אישרו לא רק המרה מהירה של קבוצות הוויניל אלא גם דרגת צילוב גבוהה, כפי שהעידו יחסי תפיחה נמוכים ומבני ג׳ל חזקים.

אנליזה: מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת חשפה גם את התפתחות המיקרו־מבנה של הג׳ל. בשלבים המוקדמים התאפיינה הרשת בנקבוביות גדולות ופתוחות, אך עם המשך הסוניקציה הן התמלאו במבנה שניוני צפוף יותר. לאחר 15 דקות הציג ההידרוג׳ל מורפולוגיה בעלת צילוב הומוגני, עם נקבוביות המקושרות זו לזו באופן הדוק – מאפיין מובהק של ג׳לים ביו־רפואיים שנוצרו כהלכה.

תוצאה: בהשוואה להידרוג׳לים שיוצרו באמצעות יוזמי רדיקלים חופשיים המופעלים בחום, ההבדלים היו בולטים. אף שניתן היה להשיג שיעורי המרה דומים באמצעות חימום, הרשתות שהתקבלו היו נקבוביות יותר, אחידות פחות והציגו יחסי תפיחה גבוהים יותר – סימנים למבנה צילוב רופף יותר. יתרה מזאת, התהליך התרמי דרש שטיפה בחנקן, תוספים כימיים וטמפרטורות גבוהות יותר, בעוד שהגישה האולטרסונית פעלה בטמפרטורת סביבה של 37°C בלבד.

ייתכן שההיבט המסקרן ביותר בעבודה זו הוא התצפית שלפיה הפילמור יכול להימשך גם לאחר הפסקת האולטרסאונד. הג׳ל המשיך להתקשות ולהתחזק במשך 30 דקות לאחר הפסקת הסוניקציה. הדבר מרמז שמינים רדיקליים מתמידים או מבני ביניים שנוצרו במהלך הסוניקציה עשויים להמשיך להאריך את שרשראות הפולימר ללא אספקת אנרגיה נוספת – התנהגות שעשויות להיות לה השלכות מועילות ליישומים בתוך הגוף החי.

למידע נוסף על היתרונות של ייצור הידרוג׳ל באמצעות אולטרסאונד!

פרוטוקול: סינתזה אולטרסונית של הידרוג׳ל דקסטרן מתאקרילט (Dex-MA) באמצעות מכשיר סוניקציה

לסינתזה של הידרוג׳ל Dex-MA המצולב בקשרים קוולנטיים, מוחדר אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך לתמיסת גליצרול/מים. הטמפרטורה וצפיפות האנרגיה האולטרסונית מבוקרות במדויק.
להלן הוראות לסינתזה אולטרסונית של הידרוג׳ל בקנה מידה מעבדתי, שניתן להגדיל באופן ליניארי לכמויות גדולות.

ציוד וחומרים

ציוד

• מעבד אולטרסוני Hielscher UP200Ht ‏(200 W, 26 kHz)
• סונוטרודה S26d2 (קוטר הקצה: 2 mm; מומלצת לנפחים בקנה מידה קטן)
• כלי תגובה בעל מעטפת (50 mL), המתאים לשימוש עם בוחש מגנטי
• אמבט מים מסוחרר (מבוקר תרמוסטטית ב-37°C)
• גשש טמפרטורה PT100 (כלול בתכולת האספקה של UP200Ht)
• בוחש מגנטי
• מאזניים אנליטיים (±0.1 mg)
• תנור ואקום או מכשיר לייבוש בהקפאה

כימיקלים

• דקסטרן מתאקרילט (Dex-MA), דרגת מתאקרילציה של ~20%
• גליצרול, ≥99.5% (נטול מים)
• מים נטולי יונים

כל הריאגנטים צריכים להיות בדרגת ניקיון אנליטית. יש להימנע מסביבות עשירות בחמצן; יש לסלק גזים מהממסים במידת האפשר.

הליך שלב אחר שלב: פילמור אולטרסוני של הידרוג׳ל

1. הכנת תערובת הפילמור
   • יש לשקול 0.75 g של Dex-MA לתוך כלי תגובה בעל מעטפת בנפח 50 mL.
   • יש להוסיף 10.5 g גליצרול ו-3.75 g מים נטולי יונים.
   • ערבבו את התערובת באמצעות בוחש מגנטי בטמפרטורת החדר (~22 °C) במשך 5–10 דקות כדי להמיס את Dex-MA לחלוטין. אמורה להתקבל תמיסה הומוגנית וצמיגה מעט.
   • חממו מראש את אמבט המים ל-37 °C וחברו אותו לכלי בעל המעטפת כדי לשמור על טמפרטורה קבועה.
2. הכנת הסוניקטור
   • הרכיבו את הסונוטרודה S26d2 על UP200Ht וודאו שהחיבור מהודק.
   • טבלו את קצה הסונוטרודה בתערובת התגובה. הימנעו ממגע בדפנות הכלי או בתחתיתו.
   • הציבו את חיישן הטמפרטורה בתמיסה בקרבת הסונוטרודה, אך ללא מגע ישיר עמה. כך תוכלו להשתמש בבקרת הטמפרטורה המשולבת של הסוניקטור.
   • הגדירו את האמפליטודה ל-100%.
3. פילמור אולטרסוני
   • התחילו לערבב במהירות של 100–200 rpm כדי לשמור על הומוגניזציה עדינה.
   • התחילו בסוניקציה בהגדרת האמפליטודה המתאימה לאספקת ~56 W/cm² במשך 6.5 דקות.
   • שמרו על טמפרטורת התמיסה ב-37°C לאורך כל התהליך. אם התערובת מתחילה להתחמם, הגבירו את זרימת נוזל הקירור או הוסיפו קרח לאמבט המים.
   • היווצרות הג'ל מתחילה בדרך כלל בתוך 5–6 דקות. הצמיגות תעלה בחדות.
   • אם הג'ל נוצר לפני שחלפו 6.5 min, הפסיקו את הסוניקציה כדי להימנע מצילוב יתר או מפירוק.
4. עיבוד לאחר התהליך וטיהור
   • העבירו מיד את הג'ל לתוך 200 mL מים נטולי יונים תוך ערבוב נמרץ, כדי למצות מתוכו מונומר שלא הגיב וגליצרול.
   • ערבבו במשך 30 דקות, ולאחר מכן מזגו בזהירות את הנוזל העליון או בצעו סינון.
   • חזרו על השטיפה 3 פעמים נוספות באמצעות מים חמים (~60 °C) לשיפור הדיפוזיה.
   • ייבשו את הג'ל בוואקום ב-60°C במשך 8 שעות, או ייבשו בהקפאה לקבלת מבנים נקבוביים.

 
התוצאה: הידרוג'ל בעל תאימות ביולוגית
אמור להתקבל הידרוג'ל שקוף ועמיד, בעל שיעור המרה גבוה (~70–75%), צילוב מצוין ושארית מונומר מזערית. ההידרוג'ל יהיה עמיד בפני התמוססות במים ויציג מבנה אחיד לאחר הייבוש.

 
הערות לבקרת תהליך מיטבית

הגדלת קנה המידה: ליניארית ופשוטה באמצעות סוניקציה

בתחום הדורש יותר ויותר דיוק, טוהר ויכולת להגדיל את קנה המידה, שיטה אולטרסונית זו מציעה חלופה משכנעת. ניתן לשלוט בה במרחב ולכוונן אותה בזמן אמת, והיא מתאימה לעיבוד רציף באמצעות מערכות אולטרסוניות מודרניות המותקנות בקו.
הסוניקטורים של Hielscher Ultrasonics מספקים אמפליטודות מדויקות ומאפשרים הגדלה ליניארית מקנה מידה מעבדתי לקנה מידה של ייצור – ולכן הם אידיאליים להעברת מערכות הידרוג'ל כאלה ליישומים טיפוליים ואבחוניים מעשיים.

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

הסוניקטורים של Hielscher מוכרים בזכות תקני האיכות והתכנון הגבוהים ביותר שלהם. עמידותם וקלות הפעלתם מאפשרות שילוב חלק של הסוניקטורים שלנו במתקנים תעשייתיים. הסוניקטורים של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, והיא שמה דגש מיוחד על סוניקטורים עתירי ביצועים המשלבים טכנולוגיה מהמתקדמות ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, הסוניקטורים של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו-RoHs.

הטבלה שלהלן נותנת מושג על כושר העיבוד המשוער של הסוניקטורים שלנו: