סינתזה אולטרסונית של פולימרים בעלי הטבעה מולקולרית (MIPs)

פולימרים בעלי הטבעה מולקולרית (MIPs) הם קולטנים המתוכננים באופן מלאכותי, בעלי בררנות וסגוליות שנקבעו מראש למבנה נתון של מולקולה ביולוגית או כימית. סוניקציה יכולה לשפר מסלולי סינתזה שונים של פולימרים בעלי הטבעה מולקולרית ולהפוך את הפילמור ליעיל ואמין יותר.

מהם פולימרים בעלי הטבעה מולקולרית?

פולימר בעל הטבעה מולקולרית (MIP) הוא חומר פולימרי בעל מאפייני זיהוי דמויי נוגדנים, המיוצר באמצעות טכניקת ההטבעה המולקולרית. טכניקת ההטבעה המולקולרית מייצרת פולימר בעל הטבעה מולקולרית המותאם למולקולת מטרה מסוימת. לפולימר בעל ההטבעה המולקולרית יש חללים במטריצה הפולימרית שלו, בעלי זיקה למולקולת ה"תבנית" המסוימת. התהליך כולל בדרך כלל ייזום של פילמור מונומרים בנוכחות מולקולת תבנית, המורחקת לאחר מכן ומותירה אחריה חללים משלימים. לפולימרים אלה יש זיקה למולקולה המקורית, והם משמשים ביישומים כגון הפרדות כימיות, קטליזה או חיישנים מולקולריים. ניתן להשוות מולקולות בעלות הטבעה מולקולרית למנעול מולקולרי המתאים למפתח מולקולרי (המכונה מולקולת התבנית). פולימרים בעלי הטבעה מולקולרית (MIPs) מתאפיינים באתרי קישור המותאמים במיוחד למולקולות התבנית מבחינת צורה, גודל וקבוצות פונקציונליות. תכונת ה"מנעול – מפתח" מאפשרת להשתמש בפולימרים בעלי הטבעה מולקולרית במגוון יישומים שבהם סוג מסוים של מולקולה מזוהה ונקשר למנעול המולקולרי, כלומר לפולימר בעל ההטבעה המולקולרית.

האיור הסכמטי מציג את מסלול ההטבעה המולקולרית של ציקלודקסטרינים להכנת קולטנים מותאמים.
מחקר ותמונה: Hishiya et al. 2003

לפולימרים בעלי הטבעה מולקולרית (MIPs) מגוון רחב של יישומים, והם משמשים להפרדה ולטיהור של מולקולות ביולוגיות או כימיות מוגדרות, ובהן חומצות אמינו וחלבונים, נגזרות נוקלאוטידים, מזהמים, וכן תרופות ומזון. תחומי היישום נעים מהפרדה וטיהור ועד לחיישנים כימיים, תגובות קטליטיות, הובלת תרופות, נוגדנים ביולוגיים ומערכות קולטנים. (ראו Vasapollo et al. 2011)
לדוגמה, טכנולוגיית MIP משמשת כטכניקת מיקרו־מיצוי בפאזה מוצקה לעיבוד ולטיהור של מולקולות שמקורן בקנאביס, כגון CBD או THC, מתוך תמצית הספקטרום המלא, כדי לקבל קנבינואידים מבודדים ותזקיקי קנבינואידים.

סינתזה אולטרסונית של מולקולות בעלות הטבעה מולקולרית

בהתאם לסוג מולקולת המטרה (התבנית) וליישום הסופי של ה-MIP, ניתן לסנתז פולימרים בעלי הטבעה מולקולרית במגוון צורות, כגון חלקיקים כדוריים בגודל ננומטרי ומיקרומטרי, ננו-חוטים, ננו-מוטות, ננו-סיבים או שכבות דקות. כדי לייצר MIP בצורה מסוימת, ניתן להשתמש בטכניקות פילמור שונות כגון הטבעה במסה, שיקוע, פילמור בתחליב, הרחפה, פיזור, יצירת ג׳ל ופילמור בהתנפחות רב-שלבית.
השימוש באולטרסאונד בתדר נמוך ובעוצמה גבוהה מציע טכניקה יעילה ביותר, רב-תכליתית ופשוטה לסינתזה של ננו-מבנים פולימריים.
סוניקציה מציעה כמה יתרונות בסינתזת MIP בהשוואה לתהליכי פילמור מסורתיים, משום שהיא מקדמת קצבי תגובה גבוהים יותר, צמיחה אחידה יותר של שרשראות הפולימר, תפוקות גבוהות יותר ותנאים מתונים יותר (למשל, טמפרטורת תגובה נמוכה). נוסף על כך, היא יכולה לשנות את התפלגות אוכלוסיית אתרי הקישור, ובכך גם את המורפולוגיה של הפולימר הסופי. (Svenson 2011)
הפעלת אנרגיה סונוכימית בפילמור של פולימרים בעלי הטבעה מולקולרית מתניעה את תגובות הפילמור ומשפיעה עליהן באופן חיובי. במקביל, סוניקציה מקדמת סילוק יעיל של גזים מתערובת הפולימר בלי לפגוע בכושר הקישור או בקשיחות.
הומוגניזציה, פיזור ותחלוב באמצעות אולטרסאונד מספקים ערבוב ובחישה ברמה מעולה ליצירת תרחיפים אחידים ולאספקת אנרגיית התנעה לתהליכי פילמור. Viveiros et al. (2019) חקרו את הפוטנציאל של סינתזת MIP באמצעות אולטרסאונד ומציינים כי ״פולימרים בעלי הטבעה מולקולרית שהוכנו באמצעות אולטרסאונד הציגו תכונות קישור דומות לאלו שהתקבלו בשיטות המקובלות או טובות מהן״.
פולימרים בעלי הטבעה מולקולרית בצורת ננו פותחים אפשרויות מבטיחות לשיפור האחידות של אתרי הקישור. השימוש באולטרסאונד ידוע בתוצאותיו יוצאות הדופן בהכנת ננו-דיספרסיות וננו-תחליבים.

פילמור בננו-תחליב באמצעות אולטרסאונד

ניתן לסנתז פולימרים בעלי הטבעה מולקולרית באמצעות פילמור בתחליב. פילמור בתחליב מתבצע בדרך כלל באמצעות יצירת תחליב שמן במים תוך הוספת חומר פעיל שטח. כדי ליצור תחליב יציב בגודל ננומטרי, נדרשת טכניקת תחלוב בעלת ביצועים גבוהים. תחלוב אולטרסוני הוא טכניקה מבוססת היטב להכנת ננו-תחליבים ומיני-תחליבים.
קראו עוד על ננו-תחלוב באמצעות אולטרסאונד!

אולטרסאונד יכול לשפר את מסלולי הסינתזה הבאים לייצור nanoMIP: פילמור בשיקוע, פילמור בתחליב ופילמור ליבה-קליפה.
מחקר ותמונה מאת: Refaat et al. 2019

מיצוי אולטרסוני של מולקולת התבנית

לאחר סינתזת פולימרים בעלי הטבעה מולקולרית, יש להסיר את מולקולת התבנית מאתר הקישור כדי לקבל פולימר פעיל בעל הטבעה מולקולרית. כוחות הערבוב העזים של הסוניקציה מקדמים מסיסות, דיפוזיה, חדירה והובלה של מולקולות הממס והתבנית. כך מולקולות התבנית מוסרות במהירות מאתרי הקישור.
ניתן לשלב מיצוי אולטרסוני גם עם מיצוי סוקסלט כדי להסיר את מולקולת התבנית מהפולימר המוטבע.

מקרי בוחן: יישומים אולטרסוניים לפולימרים בעלי הטבעה מולקולרית

סינתזה אולטרסונית של פולימרים בעלי הטבעה מולקולרית

כימוס ננו-חלקיקים מגנטיים בפולימרים בעלי הטבעה מולקולרית של 17β-אסטרדיול באמצעות מסלול סינתזה אולטרסוני מאפשר סילוק מהיר של 17β-אסטרדיול מסביבות מימיות. לצורך הסינתזה האולטרסונית של ה-nanoMIPs שימשה חומצה מתאקרילית (MAA) כמונומר, אתילן גליקול דימתילאקרילט (EGDMA) כחומר מצליב, ואזוביסאיזובוטירוניטריל (AIBN) כיוזם. תהליך הסינתזה האולטרסונית בוצע במשך 2h בטמפרטורה של 65ºC. קוטרי החלקיקים הממוצעים של NIPs מגנטיים ושל MIPs מגנטיים היו 200 ו-300 nm, בהתאמה. השימוש באולטרסאונד לא רק שיפר את קצב הפילמור ואת המורפולוגיה של ננו-החלקיקים, אלא גם הוביל לעלייה במספר הרדיקלים החופשיים, ובכך הקל על צמיחת MIP סביב ננו-החלקיקים המגנטיים. קיבולת הספיחה של 17β-אסטרדיול הייתה דומה לזו שהושגה בגישות מסורתיות. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

אולטרסאונד לחיישנים בעלי הטבעה מולקולרית

Yu ועמיתיו תכננו חיישן אלקטרוכימי בעל הטבעה מולקולרית המבוסס על אלקטרודות ששונו באמצעות ננו-חלקיקי ניקל לצורך קביעת פנוברביטל. החיישן האלקטרוכימי המתואר פותח באמצעות פילמור תרמי תוך שימוש בחומצה מתאקרילית (MAA) כמונומר הפונקציונלי, ב־2,2-azobisisobutyronitrile (AIBN) ובאקרילט של אתילן גליקול מלאיק רוזינאט (EGMRA) כחומר המצליב, בפנוברביטלים (PBs) כמולקולת התבנית, ובדימתיל סולפוקסיד (DMSO) כממס אורגני. בתהליך ייצור החיישן עורבבו 0.0464g של PB ו-0.0688g של MAA ב-3 mL של DMSO ועברו סוניקציה במשך 10 min. לאחר 5 h נוספו לתערובת 1.0244g של EGMRA ו-0.0074g של AIBN, והתערובת עברה סוניקציה במשך 30 min לקבלת תמיסות פולימר בעל הטבעה של PB. לאחר מכן טופטפו 10 μL של תמיסת ננו-חלקיקי Ni בריכוז 2.0 mg mL^-1 על פני השטח של ה-GCE, ולאחר מכן יובש החיישן בטמפרטורת החדר. לאחר מכן צופה ה-GCE ששונה באמצעות ננו-חלקיקי Ni בכ-5 μL מתמיסת הפולימר בעל ההטבעה של PB שהוכנה, ויובש בוואקום בטמפרטורה של 75◦C במשך 6 h. לאחר הפילמור התרמי נשטף החיישן בעל ההטבעה בתערובת של HAc (חומצה אצטית)/מתנול (יחס נפחי, 3:7) במשך 7 min להסרת מולקולות התבנית. (ראו Uygun et al. 2015)

מיקרו-מיצוי אולטרסוני באמצעות MIPs

לצורך השבת ניקוטינאמיד כאנליט מדגימות, מיושם מיקרו-מיצוי דיספרסיבי בפאזה מוצקה בסיוע אולטרסאונד, ולאחריו מדידה בספקטרופוטומטר UV-vis ‏(UA-DSPME-UV-vis). לצורך המיצוי והריכוז המקדים של ניקוטינאמיד (ויטמין B3), נעשה שימוש בפולימרים בעלי הטבעה מולקולרית המבוססים על מסגרת מתכתית-אורגנית (MOF) מסוג HKUST-1. ‏(Asfaram et al. 2017)

מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים ליישומי פולימרים

מהמעבדה לייצור עם אפשרות להגדלת קנה המידה באופן ליניארי: פולימרים בעלי הטבעה מולקולרית שתוכננו במיוחד מפותחים ונבדקים תחילה בקנה מידה מעבדתי קטן ובמערכות שולחניות, כדי לבחון את היתכנות סינתזת הפולימר. לאחר שהושגו היתכנות ואופטימיזציה של MIPs, ייצור ה-MIP מוגדל לנפחים גדולים יותר. ניתן להגדיל באופן ליניארי את קנה המידה של כל מסלולי הסינתזה האולטרסונית, ממערכות שולחניות ועד לייצור מסחרי מלא. Hielscher Ultrasonics מציעה ציוד סונוכימי לסינתזת פולימרים במערכות מעבדתיות קטנות ובמערכות שולחניות, ועד למערכות אולטרסוניות תעשייתיות מלאות בקו הזרימה לייצור 24/7 בעומס מלא. ניתן להגדיל באופן ליניארי את קנה המידה של העיבוד האולטרסוני, מגודל של מבחנה ועד לתפוקות ייצור גדולות של מטעני משאיות בשעה. מגוון המוצרים הנרחב של Hielscher Ultrasonics, ממערכות סונוכימיות מעבדתיות ועד למערכות תעשייתיות, כולל את המכשיר האולטרסוני המתאים ביותר לקיבולת התהליך המתוכננת שלכם. הצוות שלנו, בעל הניסיון רב השנים, יסייע לכם מבדיקות היתכנות ואופטימיזציה של התהליך ועד להתקנת המערכת האולטרסונית שלכם בקנה המידה הסופי של הייצור.

Hielscher Ultrasonics – ציוד סונוכימי מתקדם

סל המוצרים של Hielscher Ultrasonics מכסה את כל מגוון הממצים האולטרסוניים עתירי הביצועים, מהיקף קטן ועד גדול. אביזרים נוספים מאפשרים להרכיב בקלות את תצורת המכשיר האולטרסוני המתאימה ביותר לתהליך שלכם. המערך האולטרסוני המיטבי תלוי בכושר העיבוד המתוכנן, בנפח, בחומר, בסוג התהליך – באצווה או בקו – ובלוח הזמנים. Hielscher מסייעת לכם להקים את התהליך הסונוכימי האידיאלי.

עיבוד באצווה ובקו

ניתן להשתמש במכשירים האולטרסוניים של Hielscher לעיבוד באצווה ולעיבוד בזרימה רציפה. ניתן לבצע בנוחות סוניקציה של נפחים קטנים ובינוניים בתהליך באצווה (למשל בבקבוקונים, במבחנות, בכוסות מעבדה, במכלים או בחביות). לעיבוד נפחים גדולים, סוניקציה בקו עשויה להיות יעילה יותר. בעוד שעיבוד באצוות דורש יותר זמן ועבודה, תהליך ערבוב רציף בקו יעיל יותר, מהיר יותר ודורש פחות עבודה במידה ניכרת. ל-Hielscher Ultrasonics יש מערך מיצוי המתאים ביותר לתגובת הפילמור ולנפח התהליך שלכם.

גשושים אולטרסוניים לכל כושר ייצור

מגוון המוצרים של Hielscher Ultrasonics מכסה את מלוא קשת המעבדים האולטרסוניים, ממכשירים אולטרסוניים מעבדתיים קומפקטיים, דרך מערכות שולחניות ומערכות פיילוט ועד למעבדים אולטרסוניים תעשייתיים מלאים בעלי יכולת לעבד כמויות של מטעני משאיות בשעה. מגוון המוצרים המלא מאפשר לנו להציע לכם את הציוד האולטרסוני המתאים ביותר לפולימרים שלכם, לכושר העיבוד וליעדי הייצור שלכם.
מערכות אולטרסוניות שולחניות אידיאליות לבדיקות היתכנות ולאופטימיזציה של תהליכים. הגדלה ליניארית של קנה המידה על בסיס פרמטרים מבוססים של התהליך מקלה מאוד על הגדלת כושר העיבוד מאצוות קטנות לייצור מסחרי מלא. ניתן להגדיל את קנה המידה באמצעות התקנת יחידת מיצוי אולטרסונית בעלת הספק גבוה יותר או באמצעות שילוב של כמה מכשירים אולטרסוניים במקביל. עם UIP16000, חברת Hielscher מציעה את היחידה האולטרסונית בעלת ההספק הגבוה ביותר בעולם.

משרעות הניתנות לבקרה מדויקת להשגת תוצאות מיטביות

כל המכשירים האולטרסוניים של Hielscher ניתנים לבקרה מדויקת ולכן משמשים כלי עבודה אמינים ועמידים בייצור. המשרעת היא אחד מפרמטרי התהליך המכריעים המשפיעים על היעילות ועל האפקטיביות של תגובות סונוכימיות, לרבות תגובות פילמור ומסלולי סינתזה.
כל המעבדים של Hielscher Ultrasonics מאפשרים כוונון מדויק של המשרעת. סונוטרודות וקרני הגברה הן אביזרים המאפשרים לשנות את המשרעת בטווח רחב עוד יותר. המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher יכולים לספק משרעות גבוהות מאוד ואת העוצמה האולטרסונית הנדרשת ליישומים תובעניים. ניתן להפעיל בקלות וברציפות משרעות של עד 200µm בפעולה של 24/7.
כוונון מדויק של המשרעת וניטור מתמיד של פרמטרי התהליך האולטרסוני באמצעות תוכנה חכמה מאפשרים לכם לסנתז את הפולימרים המוטבעים מולקולרית שלכם בתנאים האולטרסוניים האפקטיביים ביותר. סוניקציה מיטבית להשגת תוצאות הפילמור הטובות ביותר!
עמידות הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת פעולה של 24/7 בעומס עבודה כבד ובסביבות תובעניות. בזכות זאת, הציוד האולטרסוני של Hielscher הוא כלי עבודה אמין העונה על דרישות התהליך הסונוכימי שלכם.

בדיקות קלות וללא סיכון

ניתן להגדיל את קנה המידה של תהליכים אולטרסוניים באופן ליניארי לחלוטין. משמעות הדבר היא שכל תוצאה שהשגתם באמצעות מכשיר אולטרסוני מעבדתי או שולחני ניתנת להגדלה לאותה תפוקה בדיוק, תוך שימוש באותם פרמטרי תהליך בדיוק. הדבר הופך את הטיפול האולטרסוני לאידיאלי לבדיקות היתכנות ללא סיכון, לאופטימיזציה של תהליכים ולהטמעה בהמשך בייצור מסחרי. צרו איתנו קשר כדי ללמוד כיצד סוניקציה יכולה להגדיל את הניצולת ולשפר את האיכות של ה-MIP שלכם.

האיכות הגבוהה ביותר – מתוכנן ומיוצר בגרמניה

כעסק בבעלות משפחתית ובניהול משפחתי, Hielscher מעניקה עדיפות לתקני האיכות הגבוהים ביותר עבור המעבדים האולטרסוניים שלה. כל המכשירים האולטרסוניים מתוכננים, מיוצרים ונבדקים ביסודיות במטה שלנו בטלטו שליד ברלין, גרמניה. העמידות והאמינות של הציוד האולטרסוני של Hielscher הופכות אותו לכלי עבודה המסוגל לעמוד בעומסי הייצור שלכם. פעולה 24/7 בעומס מלא ובסביבות תובעניות היא מאפיין טבעי של המערבלים עתירי הביצועים של Hielscher.

הטבלה שלהלן מספקת אומדן לכושר העיבוד של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

תוכלו לרכוש מעבד אולטרסוני של Hielscher בכל גודל, בתצורה המותאמת במדויק לדרישות התהליך שלכם. מטיפול במגיבים במבחנה מעבדתית קטנה ועד לערבול רציף בזרימה של תרחיפי פולימרים בקנה מידה תעשייתי, Hielscher Ultrasonics מציעה מכשיר אולטרסוני מתאים עבורכם! צרו איתנו קשר – נשמח להמליץ לכם על המערך האולטרסוני האידיאלי!