हाइड्रोजेल का अल्ट्रासोनिक बहुलकीकरण: प्रोटोकॉल और उत्पादन पैमाने का विस्तार

अल्ट्रासाउंड-प्रेरित बहुलकीकरण जल में घुलनशील विनाइल मोनोमर और मैक्रोमोनोमर से हाइड्रोजेल के संश्लेषण के लिए रेडिकल-मुक्त, आरंभक-मुक्त विधि प्रदान करता है। यह पद्धति कैविटेशन के माध्यम से रेडिकल के सोनोकेमिकल उत्पादन का उपयोग करती है और उन जैवचिकित्सीय अनुप्रयोगों के लिए आदर्श रूप से उपयुक्त है, जहाँ आरंभक के अवशेषों से बचना अनिवार्य है।

हाइड्रोजेल त्रि-आयामी, जलस्नेही बहुलक नेटवर्क होते हैं, जो अपनी संरचनात्मक अखंडता बनाए रखते हुए पर्याप्त मात्रा में जल धारण कर सकते हैं – यह गुण क्रॉसलिंक की गई बहुलक शृंखलाओं से उत्पन्न होता है। उनके भौतिक-रासायनिक गुण – फूलने का व्यवहार, यांत्रिक मजबूती और जैवसंगतता – उन्हें औषधि वितरण, ऊतक अभियांत्रिकी और घाव भरने सहित जैवचिकित्सीय अनुप्रयोगों के लिए अत्यंत आकर्षक बनाते हैं।

अल्ट्रासोनिक हाइड्रोजेल बहुलकीकरण का लाभ

परंपरागत रूप से, हाइड्रोजेल संश्लेषण ऊष्मीय, प्रकाश-रासायनिक या रासायनिक क्रॉसलिंकिंग पर निर्भर करता है; हालाँकि, अल्ट्रासोनिक हाइड्रोजेल संश्लेषण का उपयोग तेज़ी से बढ़ रहा है, क्योंकि सोनिकेशन विधि एक सरल, अभिकर्मक-मुक्त, समायोज्य और अधिक पर्यावरण-अनुकूल तरीका प्रदान करती है। अल्ट्रासोनिक हाइड्रोजेल संश्लेषण बाहरी आरंभकों की आवश्यकता के बिना बहुलकीकरण और भौतिक या रासायनिक क्रॉसलिंकिंग को बढ़ावा देने के लिए ध्वनिक कैविटेशन का उपयोग करता है। विशेष रूप से, अल्ट्रासोनिकेशन उसी स्थान पर नैनोकणों के परिक्षेपण को सुगम भी बना सकता है या जलीय माध्यम में रेडिकल अभिक्रियाएँ आरंभ कर सकता है, जिससे यह सौम्य परिस्थितियों में बहुकार्यात्मक या नैनोकम्पोज़िट हाइड्रोजेल तैयार करने के लिए एक बहुउपयोगी साधन बन जाता है।

ऊपर दिया गया वीडियो क्लिप एक हाइड्रोजेल का अल्ट्रासोनिक संश्लेषण दर्शाता है, जो सोनिकेटर UP50H और कम आणविक भार वाले जेलकारक का उपयोग करके किया जाता है। परिणामस्वरूप स्वतः ठीक होने वाला एक सुप्रामॉलिक्यूलर हाइड्रोजेल बनता है। (अध्ययन और वीडियो: Rutgeerts et al., 2019)
 

सोनिकेशन से जैवसंगत हाइड्रोजेल

ऐसे जैवसंगत हाइड्रोजेल की खोज में, जिन्हें स्वच्छ रूप से, सुरक्षित ढंग से और माँग के अनुसार बनाया जा सके, पारंपरिक बहुलकीकरण रणनीतियाँ अक्सर अपर्याप्त साबित होती हैं। Cass और उनके सहकर्मियों का कार्य इस समस्या का एक प्रभावी समाधान प्रस्तुत करता है: कम आवृत्ति वाले अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके हाइड्रोजेल संश्लेषण की एक स्वच्छ, आरंभक-मुक्त विधि।

उनका अध्ययन जल में घुलनशील विभिन्न मोनोमर के सोनोकेमिकल बहुलकीकरण की पड़ताल करता है, लेकिन एक संरूपण विशेष रूप से कुशल और विश्वसनीय साबित हुआ: 70% ग्लिसरॉल–जल माध्यम में डेक्सट्रान मेथैक्रिलेट (Dex-MA) का 5% विलयन, जिसका बहुलकीकरण 56 W/cm² की मध्यम तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड से किया गया। उल्लेखनीय रूप से, इस प्रणाली से मात्र 6.5 मिनट में पूरी तरह बना हुआ हाइड्रोजेल प्राप्त हुआ और मोनोमर से बहुलक में रूपांतरण 72% तक पहुँचा – जो परीक्षण किए गए सभी संरूपणों में सबसे अधिक था।

ध्वनिक कैविटेशन: इस विधि का कार्य सिद्धांत एक ऐसी परिघटना पर आधारित है, जो जितनी शक्तिशाली है, उतनी ही क्षणिक भी है: ध्वनिक कैविटेशन। उच्च-शक्ति वाले अल्ट्रासाउंड के प्रभाव में, तरल माध्यम में सूक्ष्म बुलबुले बनते हैं और तीव्रता से ध्वस्त होते हैं, जिससे स्थानीय अत्यधिक गर्म क्षेत्र बनते हैं, जहाँ तापमान क्षण भर के लिए 5000 Kelvin से अधिक हो सकता है। ये परिस्थितियाँ विलायक के अणुओं में समांश बंध-विच्छेदन उत्पन्न करती हैं, जिससे अभिक्रियाशील रेडिकल अचानक बड़ी संख्या में बनते हैं। पारंपरिक बहुलकीकरण, जो बाहरी आरंभकों या ऊष्मा पर निर्भर करता है, के विपरीत, अल्ट्रासाउंड बहुलकीकरण आरंभ करने के लिए आवश्यक ऊर्जा और रेडिकल दोनों प्रदान करता है – पूरे माध्यम का तापमान शरीरक्रियात्मक रूप से प्रासंगिक तापमानों से ऊपर ले जाए बिना।

सह-विलायक: सह-विलायक के रूप में ग्लिसरॉल का चुनाव संयोगवश नहीं किया गया था। विलयन की श्यानता बढ़ाने के अलावा – जो कैविटेशन की तीव्रता बढ़ाने के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है – ग्लिसरॉल स्वयं मुक्त मूलकों के सह-दाता के रूप में कार्य करता है। इसके हाइड्रॉक्सिल समूह अपेक्षाकृत स्थिर द्वितीयक मुक्त मूलक उत्पन्न करने के लिए जाने जाते हैं, जिससे मुक्त मूलकों का जीवनकाल बढ़ता है और श्रृंखला प्रसार को बढ़ावा मिलता है। इसके अतिरिक्त, ग्लिसरॉल से समृद्ध श्यान परिवेश नवगठित बहुलक श्रृंखलाओं को फँसाकर रखने में मदद करता है, जिससे उनकी विलेयता कम होती है और वे अल्ट्रासोनिक अपघटन से सुरक्षित रहती हैं, जो अधिक तनु जलीय प्रणालियों में हो सकता है।

अल्ट्रासोनिक बहुलकीकरण: बहुलकीकरण की प्रगति का अभिलक्षणन करने के लिए शोधकर्ताओं ने अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग किया और समय के साथ Dex-MA पर विनाइल समूहों की कमी का पता लगाया। 1635 cm⁻¹ पर विशिष्ट अवशोषण – जो C=C द्विबंधों का संकेत देता है – सोनिकेशन के दौरान तेजी से घटा, जबकि 1730 cm⁻¹ पर एस्टर कार्बोनिल के तनन कंपन का अवशोषण स्थिर रहा और आंतरिक संदर्भ के रूप में काम आया। इन आँकड़ों ने न केवल तीव्र विनाइल रूपांतरण की, बल्कि उच्च स्तर की क्रॉसलिंकिंग की भी पुष्टि की, जिसका प्रमाण कम स्फीतन अनुपात और मजबूत जेल संरचनाओं से मिला।

विश्लेषण: स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी ने जेल की सूक्ष्मसंरचना के विकास को भी उजागर किया। शुरुआती चरणों में नेटवर्क में बड़े, खुले छिद्र थे, लेकिन सोनिकेशन जारी रहने पर ये अधिक सघन द्वितीयक संरचना से भर गए। 15 मिनट तक हाइड्रोजेल में समान रूप से क्रॉसलिंकित आकृति-विन्यास दिखाई दिया, जिसमें छिद्र सघन रूप से एक-दूसरे से जुड़े थे – यह सुविकसित जैवचिकित्सीय जेलों की एक विशिष्ट पहचान है।

परिणाम: तापीय मुक्त-मूलक आरंभकों से बनाए गए हाइड्रोजेलों की तुलना में अंतर स्पष्ट थे। यद्यपि तापीय विधि से समान रूपांतरण प्राप्त किए जा सकते थे, फिर भी उससे बने नेटवर्क अधिक छिद्रयुक्त और कम एकसमान थे तथा उनमें स्फीतन अनुपात अधिक था – ये अपेक्षाकृत शिथिल क्रॉसलिंकिंग संरचना के संकेत हैं। इसके अलावा, तापीय प्रक्रिया में नाइट्रोजन से पर्जिंग, रासायनिक योजकों और अधिक तापमान की आवश्यकता थी, जबकि अल्ट्रासोनिक विधि केवल 37°C के परिवेशी तापमान पर काम करती थी।

इस कार्य का शायद सबसे रोचक पहलू यह अवलोकन है कि अल्ट्रासाउंड बंद होने के बाद भी बहुलकीकरण जारी रह सकता है। सोनिकेशन बंद होने के बाद 30 मिनट की अवधि तक जेल की क्योरिंग जारी रही और उसकी मजबूती बढ़ती रही। इससे संकेत मिलता है कि सोनिकेशन के दौरान बनी दीर्घजीवी मुक्त-मूलक प्रजातियाँ या मध्यवर्ती संरचनाएँ अतिरिक्त ऊर्जा दिए बिना भी बहुलक श्रृंखलाओं का प्रसार जारी रख सकती हैं – यह व्यवहार जीवित शरीर में अनुप्रयोगों के लिए संभावित रूप से उपयोगी निहितार्थ रखता है।

अल्ट्रासोनिक हाइड्रोजेल उत्पादन के लाभों के बारे में अधिक जानें!

प्रोटोकॉल: सोनिकेटर का उपयोग करके डेक्सट्रान मेथाक्रिलेट (Dex-MA) हाइड्रोजेल का अल्ट्रासोनिक संश्लेषण

सहसंयोजक रूप से क्रॉसलिंकित Dex-MA हाइड्रोजेल का संश्लेषण करने के लिए उच्च तीव्रता, कम आवृत्ति वाले अल्ट्रासाउंड की ऊर्जा ग्लिसरॉल/पानी के विलयन में संचारित की जाती है। तापमान और अल्ट्रासाउंड ऊर्जा घनत्व को सटीक रूप से नियंत्रित किया जाता है।
नीचे हम प्रयोगशाला स्तर पर अल्ट्रासोनिक हाइड्रोजेल संश्लेषण के निर्देश दे रहे हैं, जिसका पैमाना बड़ी मात्राओं के लिए रैखिक रूप से बढ़ाया जा सकता है।

उपकरण और सामग्री

उपकरण

• Hielscher UP200Ht अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर (200 W, 26 kHz)
• सोनोट्रोड S26d2 (सिरे का व्यास: 2 mm; छोटे आयतनों के लिए अनुशंसित)
• जैकेटयुक्त अभिक्रिया पात्र (50 mL), चुंबकीय विलोडक के साथ उपयोग के अनुकूल
• परिसंचारी जल स्नान (थर्मोस्टैट द्वारा 37°C पर नियंत्रित)
• तापमान प्रोब PT100 (UP200Ht के साथ आपूर्ति में शामिल)
• चुंबकीय विलोडक
• विश्लेषणात्मक तुला (±0.1 mg)
• निर्वात ओवन या लायोफिलाइज़र

रसायन

• डेक्सट्रान मेथाक्रिलेट (Dex-MA), ~20% मेथाक्रिलीकरण
• ग्लिसरॉल, ≥99.5% (निर्जल)
• विआयनीकृत पानी

सभी अभिकर्मक विश्लेषणात्मक ग्रेड के होने चाहिए। ऑक्सीजन से समृद्ध परिवेश से बचें; यदि संभव हो तो विलायकों से घुली गैसें निकाल दें।

चरणबद्ध प्रक्रिया: अल्ट्रासोनिक हाइड्रोजेल बहुलकीकरण

1. बहुलकीकरण मिश्रण की तैयारी
   • 50 mL के जैकेटयुक्त अभिक्रिया पात्र में 0.75 g Dex-MA तौलकर डालें।
   • 10.5 g ग्लिसरॉल और 3.75 g विआयनीकृत पानी डालें।
   • Dex-MA को पूरी तरह घोलने के लिए मिश्रण को कमरे के तापमान (~22 °C) पर चुंबकीय विलोडक से 5–10 मिनट तक हिलाएँ। इससे थोड़ा श्यान, समांगी विलयन बनना चाहिए।
   • जल स्नान को पहले से 37 °C तक गर्म करें और स्थिर तापमान बनाए रखने के लिए उसे जैकेटयुक्त पात्र से जोड़ें।
2. सोनिकेटर की स्थापना
   • S26d2 सोनोट्रोड को UP200Ht पर लगाएँ और सुनिश्चित करें कि जोड़ कसकर जुड़ा हो।
   • सोनोट्रोड की नोक को अभिक्रिया मिश्रण में डुबोएँ। नोक को पात्र की दीवारों या तली से छूने न दें।
   • तापमान प्रोब को विलयन में सोनोट्रोड के पास रखें, लेकिन उसके सीधे संपर्क में न रखें। इससे आप सोनिकेटर के एकीकृत तापमान नियंत्रण का उपयोग कर सकते हैं।
   • आयाम को 100% पर सेट करें।
3. अल्ट्रासोनिक बहुलकीकरण
   • सौम्य समांगीकरण बनाए रखने के लिए 100–200 rpm पर हिलाना शुरू करें।
   • 6.5 मिनट तक ~56 W/cm² प्रदान करने के लिए उपयुक्त आयाम सेटिंग पर सोनिकेशन शुरू करें।
   • पूरी प्रक्रिया के दौरान विलयन का तापमान 37°C पर बनाए रखें। यदि मिश्रण गर्म होने लगे, तो शीतलक का प्रवाह बढ़ाएँ या जल स्नान में बर्फ डालें।
   • जेल बनना सामान्यतः 5–6 मिनट के भीतर शुरू हो जाता है। श्यानता तेजी से बढ़ेगी।
   • यदि 6.5 min से पहले जेल बन जाए, तो अत्यधिक क्रॉसलिंकिंग या अवक्रमण से बचने के लिए सोनिकेशन रोक दें।
4. पश्च-प्रसंस्करण और शुद्धीकरण
   • अभिक्रिया में भाग न लेने वाले मोनोमर और ग्लिसरॉल को निक्षालित करके निकालने के लिए जेल को तुरंत 200 mL विआयनीकृत जल में डालें और जोर से हिलाते रहें।
   • 30 मिनट तक हिलाएँ, फिर ऊपर के अधिप्लावी द्रव को निथार दें या छान लें।
   • बेहतर विसरण के लिए गर्म पानी (~60 °C) से धुलाई 3 अतिरिक्त बार दोहराएँ।
   • जेल को निर्वात में 60°C पर 8 घंटे तक सुखाएँ, या सरंध्र संरचनाएँ प्राप्त करने के लिए हिमशुष्कन करें।

 
परिणाम: एक जैवसंगत हाइड्रोजेल
आपको उच्च रूपांतरण (~70–75%), उत्कृष्ट क्रॉसलिंकिंग और न्यूनतम अवशिष्ट मोनोमर वाला पारदर्शी, मजबूत हाइड्रोजेल प्राप्त होना चाहिए। हाइड्रोजेल पानी में घुलने का प्रतिरोध करेगा और सूखने पर एकसमान संरचना प्रदर्शित करेगा।

 
इष्टतम प्रक्रिया नियंत्रण के लिए टिप्पणियाँ

पैमाना-विस्तार: सोनिकेशन के साथ रैखिक और सरल

जिस क्षेत्र में परिशुद्धता, शुद्धता और पैमाना बढ़ाने की क्षमता की माँग लगातार बढ़ रही है, उसमें यह अल्ट्रासोनिक विधि एक आकर्षक विकल्प प्रदान करती है। इसे स्थान के अनुसार नियंत्रित किया जा सकता है, वास्तविक समय में समायोजित किया जा सकता है और यह आधुनिक अल्ट्रासोनिक इनलाइन प्रणालियों का उपयोग करके निरंतर प्रसंस्करण के अनुकूल है।
Hielscher Ultrasonics के सोनिकेटर सटीक आयाम प्रदान करते हैं और प्रयोगशाला से उत्पादन स्तर तक रैखिक रूप से उनका पैमाना बढ़ाया जा सकता है – जिससे वे ऐसी हाइड्रोजेल प्रणालियों को वास्तविक चिकित्सीय और नैदानिक अनुप्रयोगों में उपयोग में लाने के लिए आदर्श बनते हैं।

डिज़ाइन, विनिर्माण और परामर्श – जर्मनी में निर्मित गुणवत्ता

Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर अपनी उच्चतम गुणवत्ता और डिज़ाइन मानकों के लिए प्रसिद्ध हैं। मजबूती और आसान संचालन से हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों को औद्योगिक सुविधाओं में सुचारु रूप से एकीकृत किया जा सकता है। Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर कठोर परिस्थितियों और चुनौतीपूर्ण परिवेश में आसानी से काम करते हैं।

Hielscher Ultrasonics एक ISO प्रमाणित कंपनी है और अत्याधुनिक प्रौद्योगिकी तथा उपयोग में सुगमता वाले उच्च प्रदर्शन के अल्ट्रासोनिकेटरों पर विशेष जोर देती है। निःसंदेह, Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर CE के अनुरूप हैं और UL, CSA तथा RoHs की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं।

नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है: