हाइड्रोगेल का अल्ट्रासोनिक पॉलिमराइजेशन: प्रोटोकॉल और स्केल-अप

अल्ट्रासाउंड प्रेरित पोलीमराइजेशन पानी में घुलनशील विनाइल मोनोमर्स और मैक्रोमोनोमर्स से हाइड्रोगेल को संश्लेषित करने के लिए एक कट्टरपंथी-मुक्त, आरंभकर्ता-मुक्त दृष्टिकोण प्रदान करता है। यह पद्धति गुहिकायन के माध्यम से रेडिकल की सोनोकेमिकल पीढ़ी का शोषण करती है और आदर्श रूप से बायोमेडिकल अनुप्रयोगों के लिए अनुकूल है जहां सर्जक अवशेषों से बचा जाना चाहिए।

हाइड्रोगेल त्रि-आयामी, हाइड्रोफिलिक बहुलक नेटवर्क हैं जो संरचनात्मक अखंडता को बनाए रखते हुए पर्याप्त मात्रा में पानी को बनाए रखने में सक्षम हैं - क्रॉसलिंक्ड बहुलक श्रृंखलाओं से उत्पन्न होने वाली एक विशेषता। उनके भौतिक रासायनिक गुण - सूजन व्यवहार, यांत्रिक शक्ति और जैव-अनुकूलता - उन्हें जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक आकर्षक बनाते हैं, जिसमें दवा वितरण, ऊतक इंजीनियरिंग और घाव भरने शामिल हैं।

अल्ट्रासोनिक हाइड्रोजेल पॉलिमराइजेशन का लाभ

परंपरागत रूप से, हाइड्रोजेल संश्लेषण थर्मल, फोटोकेमिकल या रासायनिक क्रॉसलिंकिंग पर निर्भर करता है; हालांकि, अल्ट्रासोनिक हाइड्रोगेल संश्लेषण महत्वपूर्ण कर्षण प्राप्त कर रहा है क्योंकि सोनिकेशन विधि एक सरल अभिकर्मक-मुक्त, ट्यून करने योग्य और हरियाली दृष्टिकोण प्रदान करती है। अल्ट्रासोनिक हाइड्रोगेल संश्लेषण बाहरी सर्जक की आवश्यकता के बिना पोलीमराइजेशन और भौतिक या रासायनिक क्रॉसलिंकिंग को बढ़ावा देने के लिए ध्वनिक कैविटेशन का उपयोग करता है। विशेष रूप से, अल्ट्रासोनिकेशन सीटू नैनोपार्टिकल फैलाव में भी सुविधा प्रदान कर सकता है या जलीय मीडिया में कट्टरपंथी प्रतिक्रियाओं को शुरू कर सकता है, जिससे यह हल्के परिस्थितियों में बहुक्रियाशील या नैनोकम्पोजिट हाइड्रोगेल तैयार करने के लिए एक बहुमुखी उपकरण बन जाता है।

ऊपर दिया गया वीडियो क्लिप हाइड्रोजेल के अल्ट्रासोनिक संश्लेषण को प्रदर्शित करता है सोनिकेटर का उपयोग करना UP50H और एक कम आणविक भार जेलेटर। परिणाम एक स्व-चिकित्सा सुपरमॉलिक्यूलर हाइड्रोजेल है। (अध्ययन और फिल्म: रटगर्ट्स एट अल।
 

Sonication के साथ Biocompatible Hydrogels

जैव-संगत हाइड्रोगेल की तलाश में जो साफ-सुथरी, सुरक्षित और ऑन-डिमांड बनाई जा सकती है, पारंपरिक पोलीमराइजेशन रणनीतियां अक्सर कम हो जाती हैं। कैस और सहकर्मियों द्वारा काम इस समस्या का एक प्रभावी समाधान प्रस्तुत करता है: कम आवृत्ति अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके हाइड्रोजेल संश्लेषण के लिए एक स्वच्छ, सर्जक मुक्त विधि।

उनका अध्ययन विभिन्न पानी में घुलनशील मोनोमर्स के सोनोकेमिकल पोलीमराइजेशन की पड़ताल करता है, लेकिन एक सूत्रीकरण विशेष रूप से कुशल और मजबूत के रूप में खड़ा था: 70% ग्लिसरॉल-पानी में 5% डेक्सट्रान मेथैक्रिलेट (डेक्स-एमए) समाधान, अल्ट्रासाउंड के तहत 56 डब्ल्यू / सेमी² की मध्यम तीव्रता पर पोलीमराइज़। उल्लेखनीय रूप से, इस प्रणाली ने केवल 6.5 मिनट में पूरी तरह से गठित हाइड्रोजेल प्राप्त किया, जिससे 72% का मोनोमर-टू-पॉलिमर रूपांतरण प्राप्त हुआ - परीक्षण किए गए सभी योगों में सबसे अधिक।

ध्वनिक गुहिकायन: इस पद्धति का कार्य सिद्धांत एक घटना पर आधारित है क्योंकि यह क्षणिक है: ध्वनिक गुहिकायन। जब पावर अल्ट्रासाउंड के अधीन किया जाता है, तो सूक्ष्म बुलबुले तरल माध्यम में हिंसक रूप से बनते हैं और ढह जाते हैं, स्थानीयकृत हॉटस्पॉट उत्पन्न करते हैं जहां तापमान संक्षेप में 5000 केल्विन से अधिक हो सकता है। ये स्थितियां विलायक अणुओं के होमोलिटिक दरार को प्रेरित करती हैं, जिससे प्रतिक्रियाशील कणों का विस्फोट होता है। पारंपरिक पोलीमराइजेशन के विपरीत, जो बाहरी सर्जक या गर्मी पर निर्भर करता है, अल्ट्रासाउंड पोलीमराइजेशन शुरू करने के लिए आवश्यक ऊर्जा और रेडिकल दोनों को बचाता है - शारीरिक रूप से प्रासंगिक थोक तापमान से अधिक के बिना।

सह-विलायक: सह-विलायक के रूप में ग्लिसरॉल का चुनाव आकस्मिक नहीं था। समाधान की चिपचिपाहट बढ़ाने से परे - गुहिकायन तीव्रता बढ़ाने के लिए एक महत्वपूर्ण कारक - ग्लिसरॉल स्वयं एक कट्टरपंथी सह-दाता के रूप में कार्य करता है। इसके हाइड्रॉक्सिल समूहों को अपेक्षाकृत स्थिर माध्यमिक कणों का उत्पादन करने के लिए जाना जाता है, जिससे कट्टरपंथी जीवनकाल में वृद्धि होती है और श्रृंखला प्रसार को बढ़ावा मिलता है। इसके अतिरिक्त, चिपचिपा ग्लिसरॉल युक्त वातावरण नवजात बहुलक श्रृंखलाओं को फंसाने में मदद करता है, उनकी घुलनशीलता को कम करता है और उन्हें अल्ट्रासोनिक क्षरण से बचाता है, जो अधिक पतला जलीय प्रणालियों में हो सकता है।

अल्ट्रासोनिक पॉलिमराइजेशन: पोलीमराइजेशन की प्रगति को चिह्नित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग किया, समय के साथ डेक्स-एमए पर विनाइल समूहों की कमी पर नज़र रखी। 1635 cm⁻¹ पर विशेषता अवशोषण - C = C डबल बॉन्ड का संकेत - सोनिकेशन के दौरान तेजी से कम हो गया, जबकि 1730 cm⁻¹ पर एस्टर कार्बोनिल खिंचाव स्थिर रहा, जो आंतरिक संदर्भ के रूप में कार्य करता है। इन आंकड़ों ने न केवल तेजी से विनाइल रूपांतरण की पुष्टि की, बल्कि क्रॉसलिंकिंग की एक उच्च डिग्री भी पुष्टि की, जैसा कि कम सूजन अनुपात और मजबूत जेल संरचनाओं द्वारा प्रमाणित है।

विश्लेषण: स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी ने जेल के माइक्रोस्ट्रक्चर के विकास का खुलासा किया। शुरुआती चरणों में, नेटवर्क में बड़े, खुले छिद्र थे, लेकिन निरंतर सोनिकेशन के साथ, ये एक सघन माध्यमिक संरचना से भर गए। 15 मिनट तक, हाइड्रोजेल ने कसकर परस्पर जुड़े छिद्रों के साथ एक सजातीय क्रॉसलिंक आकृति विज्ञान प्रदर्शित किया - अच्छी तरह से गठित बायोमेडिकल जैल की एक बानगी।

परिणाम: थर्मल फ्री-रेडिकल सर्जक के साथ उत्पादित हाइड्रोगेल की तुलना में, अंतर हड़ताली थे। यद्यपि इसी तरह के रूपांतरणों को थर्मल रूप से प्राप्त किया जा सकता था, परिणामी नेटवर्क अधिक छिद्रपूर्ण, कम समान थे, और उच्च सूजन अनुपात प्रदर्शित करते थे - एक शिथिल क्रॉसलिंकिंग आर्किटेक्चर के संकेत। इसके अलावा, थर्मल प्रक्रिया को नाइट्रोजन शुद्धिकरण, रासायनिक योजक और उच्च तापमान की आवश्यकता होती है, जबकि अल्ट्रासोनिक दृष्टिकोण केवल 37 डिग्री सेल्सियस के परिवेश के तापमान पर कार्य करता है।

शायद इस काम का सबसे पेचीदा पहलू यह अवलोकन है कि अल्ट्रासाउंड बंद होने के बाद भी पोलीमराइजेशन जारी रह सकता है। सोनिकेशन की समाप्ति के बाद 30 मिनट की अवधि में जेल का इलाज और ताकत में वृद्धि जारी रही। इससे पता चलता है कि सोनिकेशन के दौरान गठित लगातार कट्टरपंथी प्रजातियां या मध्यवर्ती संरचनाएं आगे ऊर्जा इनपुट की अनुपस्थिति में बहुलक श्रृंखलाओं का प्रचार करना जारी रख सकती हैं - विवो अनुप्रयोगों में संभावित उपयोगी निहितार्थ के साथ एक व्यवहार।

अल्ट्रासोनिक हाइड्रोजेल उत्पादन के फायदों के बारे में अधिक जानें!

प्रोटोकॉल: एक Sonicator का उपयोग करके Dextran Methacrylate (Dex-MA) हाइड्रोजेल का अल्ट्रासोनिक संश्लेषण

एक सहसंयोजक क्रॉसलिंक्ड डेक्स-एमए हाइड्रोजेल को संश्लेषित करने के लिए, उच्च तीव्रता, कम आवृत्ति अल्ट्रासाउंड को ग्लिसरॉल / तापमान और अल्ट्रासाउंड ऊर्जा घनत्व को ठीक से नियंत्रित किया जाता है।
नीचे, हम आपको प्रयोगशाला पैमाने पर अल्ट्रासोनिक हाइड्रोगेल संश्लेषण के लिए निर्देश देते हैं, जिसे बड़ी मात्रा में रैखिक रूप से बढ़ाया जा सकता है।

उपकरण और सामग्री

साधन

• Hielscher UP200Ht अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर (200 डब्ल्यू, 26 किलोहर्ट्ज़)
• सोनोट्रोड S26d2 (टिप व्यास: 2 मिमी; छोटे पैमाने पर संस्करणों के लिए अनुशंसित)
• जैकेटेड प्रतिक्रिया पोत (50 एमएल), चुंबकीय उत्तेजक के साथ संगत
• परिसंचारी जल स्नान (थर्मोस्टेटिक रूप से 37 डिग्री सेल्सियस पर नियंत्रित)
• तापमान जांच PT100 (UP200Ht के वितरण के दायरे में शामिल)
• चुंबकीय स्टिरर
• विश्लेषणात्मक संतुलन (±0.1 मिलीग्राम)
• वैक्यूम ओवन या lyophilizer

रसायन

• डेक्सट्रान मेथैक्रिलेट (डेक्स-एमए), ~ 20% मेथैक्रिलेशन
• ग्लिसरॉल, ≥99.5% (निर्जल)
• विआयनीकृत पानी

सभी अभिकर्मक विश्लेषणात्मक ग्रेड के होने चाहिए। ऑक्सीजन युक्त वातावरण से बचें; यदि संभव हो तो डेगास सॉल्वैंट्स।

चरण-दर-चरण प्रक्रिया: अल्ट्रासोनिक हाइड्रोजेल पॉलिमराइजेशन

1. पोलीमराइजेशन मिश्रण की तैयारी
   • एक 50 एमएल जैकेट प्रतिक्रिया पोत में डेक्स-एमए के 0.75 ग्राम वजन.
   • 10.5 ग्राम ग्लिसरॉल और 3.75 ग्राम विआयनीकृत पानी डालें।
   • डेक्स-एमए को पूरी तरह से भंग करने के लिए 5-10 मिनट के लिए कमरे के तापमान (~ 22 डिग्री सेल्सियस) पर चुंबकीय रूप से मिश्रण हिलाओ। थोड़ा चिपचिपा, सजातीय समाधान का परिणाम होना चाहिए।
   • पानी के स्नान को 37 डिग्री सेल्सियस पर प्रीहीट करें और निरंतर तापमान बनाए रखने के लिए इसे जैकेट वाले बर्तन से कनेक्ट करें।
2. सोनिकेटर का सेटअप
   • S26d2 सोनोट्रोड को UP200Ht पर माउंट करें और एक तंग युग्मन सुनिश्चित करें।
   • सोनोट्रोड की नोक को प्रतिक्रिया मिश्रण में विसर्जित करें। बर्तन की दीवारों या तल को छूने से बचें।
   • सोनोट्रोड के करीब समाधान में तापमान जांच रखें लेकिन सीधे संपर्क में नहीं। यह आपको सोनिकेटर के एकीकृत तापमान नियंत्रण का उपयोग करने की अनुमति देता है।
   • आयाम को 100% पर सेट करें।
3. अल्ट्रासोनिक पोलीमराइजेशन
   • कोमल समरूपता बनाए रखने के लिए 100-200 आरपीएम पर सरगर्मी शुरू करें।
   • 56 मिनट के लिए ~ 6.5 W/cm² देने के लिए उपयुक्त आयाम सेटिंग पर सोनिकेशन शुरू करें।
   • पूरे समय 37 डिग्री सेल्सियस पर समाधान तापमान बनाए रखें। यदि मिश्रण गर्म होना शुरू हो जाता है, तो शीतलक प्रवाह बढ़ाएं या पानी के स्नान में बर्फ जोड़ें।
   • जेल आमतौर पर 5-6 मिनट के भीतर शुरू होता है। श्यानता में तेजी से वृद्धि होगी।
   • यदि जेलेशन 6.5 मिनट से पहले होता है, तो अत्यधिक क्रॉसलिंकिंग या गिरावट से बचने के लिए सोनिकेशन बंद कर दें।
4. प्रसंस्करण और शुद्धिकरण के बाद
   • तुरंत जोरदार सरगर्मी के तहत 200 एमएल विआयनीकृत पानी में जेल हस्तांतरण unreacted मोनोमर और ग्लिसरॉल बाहर लीच.
   • 30 मिनट के लिए हिलाओ, फिर सतह पर तैरनेवाला या फ़िल्टर करें।
   • बेहतर प्रसार के लिए गर्म पानी (~ 60 डिग्री सेल्सियस) का उपयोग करके 3 अतिरिक्त बार धोने दोहराएं।
   • 8 घंटे के लिए 60 डिग्री सेल्सियस पर वैक्यूम के तहत जेल सूखी, या झरझरा संरचनाओं के लिए lyophilize.

 
परिणाम: एक बायोकम्पैटिबल हाइड्रोजेल
आपको उच्च रूपांतरण (~ 70-75%), उत्कृष्ट क्रॉसलिंकिंग और न्यूनतम अवशिष्ट मोनोमर के साथ एक पारदर्शी, मजबूत हाइड्रोजेल प्राप्त करना चाहिए। हाइड्रोजेल पानी में विघटन का विरोध करेगा और सूखने पर एक समान संरचना प्रदर्शित करेगा।

 
इष्टतम प्रक्रिया नियंत्रण के लिए नोट्स

स्केल-अप: सोनिकेशन के साथ रैखिक और सरल

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