Ultrazvučna polimerizacija hidrogelova: protokol i povećanje mjerila

Polimerizacija potaknuta ultrazvukom omogućuje pristup sintezi hidrogelova iz vodotopljivih vinilnih monomera i makromonomera bez radikala i inicijatora. Ta se metodologija temelji na sonokemijskom stvaranju radikala kavitacijom i idealno je prikladna za biomedicinske primjene u kojima se moraju izbjeći ostaci inicijatora.

Hidrogelovi su trodimenzionalne, hidrofilne polimerne mreže koje mogu zadržati znatne količine vode uz očuvanje strukturne cjelovitosti – svojstvo koje proizlazi iz umreženih polimernih lanaca. Njihova fizikalno-kemijska svojstva – ponašanje pri bubrenju, mehanička čvrstoća i biokompatibilnost – čine ih vrlo privlačnima za biomedicinske primjene, uključujući isporuku lijekova, tkivno inženjerstvo i zacjeljivanje rana.

Prednost ultrazvučne polimerizacije hidrogelova

Tradicionalno se sinteza hidrogelova temelji na toplinskom, fotokemijskom ili kemijskom umrežavanju; međutim, ultrazvučna sinteza hidrogelova sve se više prihvaća jer metoda sonikacije nudi jednostavan, prilagodljiv i ekološki prihvatljiviji pristup bez reagensa. Ultrazvučna sinteza hidrogelova koristi akustičnu kavitaciju za poticanje polimerizacije te fizikalnog ili kemijskog umrežavanja bez potrebe za vanjskim inicijatorima. Posebno je značajno da ultrazvučna obrada također može olakšati dispergiranje nanočestica in situ ili pokrenuti radikalske reakcije u vodenim medijima, što je čini svestranim alatom za izradu multifunkcionalnih ili nanokompozitnih hidrogelova u blagim uvjetima.

Gornji videoisječak prikazuje ultrazvučnu sintezu hidrogela s pomoću sonikatora UP50H i gelatora male molekulske mase. Rezultat je supramolekulski hidrogel sa sposobnošću samoobnavljanja. (Istraživanje i video: Rutgeerts i sur., 2019)
 

Biokompatibilni hidrogelovi dobiveni sonikacijom

U potrazi za biokompatibilnim hidrogelovima koji se mogu oblikovati čisto, sigurno i na zahtjev, tradicionalne strategije polimerizacije često ne daju zadovoljavajuće rezultate. Rad Cassa i suradnika donosi učinkovito rješenje tog problema: čistu metodu sinteze hidrogelova bez inicijatora primjenom niskofrekventnog ultrazvuka.

Njihovo istraživanje proučava sonokemijsku polimerizaciju različitih vodotopljivih monomera, no jedna se formulacija istaknula kao posebno učinkovita i pouzdana: 5% otopina dekstran-metakrilata (Dex-MA) u smjesi glicerola i vode sa 70% glicerola, polimerizirana pod djelovanjem ultrazvuka pri umjerenom intenzitetu od 56 W/cm². Izvanredno je da je taj sustav dao potpuno oblikovan hidrogel za samo 6,5 minuta, uz konverziju monomera u polimer od 72% – najvišu među svim ispitanim formulacijama.

Akustična kavitacija: Načelo rada ove metode temelji se na pojavi koja je jednako snažna koliko i kratkotrajna: akustičnoj kavitaciji. Pri izlaganju ultrazvuku velike snage u tekućem se mediju stvaraju mikroskopski mjehurići koji se silovito urušavaju, stvarajući lokalizirane vruće točke u kojima temperature mogu nakratko premašiti 5000 kelvina. Ti uvjeti potiču homolitičko cijepanje molekula otapala, pri čemu naglo nastaju reaktivni radikali. Za razliku od konvencionalne polimerizacije, koja ovisi o vanjskim inicijatorima ili toplini, ultrazvuk osigurava i energiju i radikale potrebne za pokretanje polimerizacije – bez prekoračenja fiziološki relevantnih temperatura u ukupnom volumenu medija.

Suotapalo: Odabir glicerola kao suotapala nije bio slučajan. Osim što povećava viskoznost otopine – ključan čimbenik za povećanje intenziteta kavitacije – sam glicerol djeluje kao sudonor radikala. Poznato je da njegove hidroksilne skupine stvaraju relativno stabilne sekundarne radikale, čime produljuju životni vijek radikala i potiču rast lanaca. Osim toga, viskozna sredina bogata glicerolom pomaže zarobiti polimerne lance u nastajanju, smanjujući njihovu topljivost i štiteći ih od ultrazvučne razgradnje, koja se može pojaviti u razrijeđenijim vodenim sustavima.

Ultrazvučna polimerizacija: Kako bi opisali tijek polimerizacije, istraživači su primijenili infracrvenu spektroskopiju, prateći smanjenje broja vinilnih skupina na Dex-MA tijekom vremena. Karakteristična apsorpcija pri 1635 cm⁻¹ – koja upućuje na dvostruke veze C=C – brzo se smanjivala tijekom sonikacije, dok je vrpca istezanja esterske karbonilne skupine pri 1730 cm⁻¹ ostala nepromijenjena i služila kao interna referencija. Ti su podaci potvrdili ne samo brzu pretvorbu vinilnih skupina nego i visok stupanj umrežavanja, na što su upućivali niski omjeri bubrenja i čvrste strukture gela.

Analiza: Pretražna elektronska mikroskopija dodatno je otkrila razvoj mikrostrukture gela. U ranim fazama mreža je imala velike, otvorene pore, no nastavkom sonikacije one su se ispunjavale gušćom sekundarnom strukturom. Nakon 15 minuta hidrogel je pokazivao homogeno umreženu morfologiju s usko međusobno povezanim porama – obilježje dobro oblikovanih biomedicinskih gelova.

Rezultat: U usporedbi s hidrogelovima proizvedenima uz termičke slobodnoradikalske inicijatore, razlike su bile izrazite. Iako su se termičkim postupkom mogli postići slični stupnjevi pretvorbe, nastale su mreže bile poroznije, manje ujednačene i imale su više omjere bubrenja – znakove rahlije umrežene strukture. Osim toga, termički je postupak zahtijevao propuhivanje dušikom, kemijske dodatke i više temperature, dok se ultrazvučni postupak odvijao pri temperaturi okoline od samo 37°C.

Možda je najzanimljiviji aspekt ovog rada opažanje da se polimerizacija može nastaviti čak i nakon isključivanja ultrazvuka. Gel se nastavio stvrdnjavati i dobivati na čvrstoći tijekom razdoblja od 30 minuta nakon prestanka sonikacije. To upućuje na to da dugovječne radikalske vrste ili međustrukture nastale tijekom sonikacije mogu nastaviti rast polimernih lanaca bez daljnjeg unosa energije – ponašanje s potencijalno korisnim implikacijama za primjene in vivo.

Saznajte više o prednostima ultrazvučne proizvodnje hidrogelova!

Protokol: ultrazvučna sinteza hidrogela dekstran metakrilata (Dex-MA) s pomoću sonikatora

Za sintezu kovalentno umreženog hidrogela Dex-MA, ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije uvodi se u otopinu glicerola i vode. Temperatura i gustoća ultrazvučne energije precizno se kontroliraju.
U nastavku donosimo upute za ultrazvučnu sintezu hidrogela u laboratorijskom mjerilu, koja se može linearno prenijeti na velike količine.

Oprema i materijali

Oprema

• Ultrazvučni procesor Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• Sonotroda S26d2 (promjer vrha: 2 mm; preporučuje se za male volumene)
• Reakcijska posuda s plaštem (50 mL), kompatibilna s magnetskom miješalicom
• Cirkulacijska vodena kupelj (termostatski regulirana na 37°C)
• Temperaturna sonda PT100 (uključena u opseg isporuke uređaja UP200Ht)
• Magnetska miješalica
• Analitička vaga (±0,1 mg)
• Vakuumski sušionik ili liofilizator

Kemikalije

• Dekstran metakrilat (Dex-MA), stupanj metakrilacije ~20%
• Glicerol, ≥99,5% (bezvodni)
• Deionizirana voda

Svi reagensi trebaju biti analitičke čistoće. Izbjegavajte okruženja bogata kisikom; otplinite otapala ako je moguće.

Postupak korak po korak: ultrazvučna polimerizacija hidrogelova

1. Priprema polimerizacijske smjese
   • Odvažite 0,75 g Dex-MA u reakcijsku posudu s plaštem volumena 50 mL.
   • Dodajte 10,5 g glicerola i 3,75 g deionizirane vode.
   • Miješajte smjesu magnetskom miješalicom na sobnoj temperaturi (~22 °C) 5–10 minuta kako bi se Dex-MA potpuno otopio. Trebala bi nastati blago viskozna, homogena otopina.
   • Prethodno zagrijte vodenu kupelj na 37 °C i spojite je s posudom s plaštem kako biste održavali stalnu temperaturu.
2. Postavljanje sonikatora
   • Montirajte sonotrodu S26d2 na UP200Ht i osigurajte čvrst spoj.
   • Uronite vrh sonotrode u reakcijsku smjesu. Izbjegavajte dodirivanje stijenki ili dna posude.
   • Postavite temperaturnu sondu u otopinu blizu sonotrode, ali bez izravnog dodira s njom. Time se omogućuje upotreba integrirane regulacije temperature sonikatora.
   • Postavite amplitudu na 100%.
3. Ultrazvučna polimerizacija
   • Započnite miješanje pri 100–200 rpm kako biste održavali blagu homogenizaciju.
   • Započnite sonikaciju uz odgovarajuću postavku amplitude kako biste postigli intenzitet od ~56 W/cm² tijekom 6,5 minuta.
   • Tijekom cijelog postupka održavajte temperaturu otopine na 37°C. Ako se smjesa počne zagrijavati, povećajte protok rashladne tekućine ili dodajte led u vodenu kupelj.
   • Geliranje obično započinje unutar 5–6 minuta. Viskoznost će naglo porasti.
   • Ako do geliranja dođe prije isteka 6,5 min, zaustavite sonikaciju kako biste izbjegli prekomjerno umrežavanje ili razgradnju.
4. Naknadna obrada i pročišćavanje
   • Odmah prenesite gel u 200 mL deionizirane vode uz snažno miješanje kako biste izlužili neizreagirani monomer i glicerol.
   • Miješajte 30 minuta, a zatim dekantirajte supernatant ili filtrirajte.
   • Ponovite ispiranje još 3 puta toplom vodom (~60 °C) radi poboljšanja difuzije.
   • Sušite gel pod vakuumom na 60°C tijekom 8 sati ili ga liofilizirajte kako biste dobili porozne strukture.

 
Rezultat: biokompatibilni hidrogel
Trebali biste dobiti proziran, čvrst hidrogel s visokim stupnjem konverzije (~70–75%), izvrsnim umrežavanjem i minimalnom količinom preostalog monomera. Hidrogel će biti otporan na otapanje u vodi i nakon sušenja pokazivati ujednačenu strukturu.

 
Napomene za optimalnu kontrolu procesa

Povećanje mjerila procesa: linearno i jednostavno uz sonikaciju

U području koje sve više zahtijeva preciznost, čistoću i mogućnost povećanja mjerila procesa, ova ultrazvučna metoda nudi uvjerljivu alternativu. Može se prostorno kontrolirati, podešavati u stvarnom vremenu i primjenjivati u kontinuiranoj obradi s pomoću suvremenih linijskih ultrazvučnih sustava.
Sonikatori tvrtke Hielscher Ultrasonics osiguravaju točne amplitude i omogućuju linearno povećanje mjerila od laboratorijske do proizvodne razine – što ih čini idealnima za primjenu takvih hidrogelnih sustava u stvarnim terapijskim i dijagnostičkim postupcima.

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Ultrazvučni uređaji Hielscher poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Ultrazvučni uređaji Hielscher lako se nose s teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnim rukovanjem. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher sukladni su s oznakom CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: