Ultrazvučna sinteza molekularno otisnutih polimera (MIPs)

Molekularno otisnuti polimeri (MIPs) umjetno su oblikovani receptori s unaprijed određenom selektivnošću i specifičnošću za određenu strukturu biološke ili kemijske molekule. Primjena ultrazvuka može poboljšati različite putove sinteze molekularno otisnutih polimera, čineći polimerizaciju učinkovitijom i pouzdanijom.

Što su molekularno otisnuti polimeri?

Molekularno otisnuti polimer (MIP) polimerni je materijal sa svojstvima prepoznavanja sličnima onima protutijela, proizveden tehnikom molekularnog otiskivanja. Tehnikom molekularnog otiskivanja proizvodi se molekularno otisnuti polimer prema određenoj ciljnoj molekuli. Molekularno otisnuti polimer u svojoj polimernoj matrici ima šupljine s afinitetom prema određenoj molekuli „predloška”. Postupak obično uključuje pokretanje polimerizacije monomera u prisutnosti molekule predloška, koja se nakon toga ekstrahira, ostavljajući komplementarne šupljine. Ti polimeri imaju afinitet prema izvornoj molekuli i upotrebljavaju se u primjenama poput kemijskog razdvajanja, katalize ili molekularnih senzora. Molekularno otisnute molekule mogu se usporediti s molekularnom bravom koja odgovara molekularnom ključu (takozvanoj molekuli predloška). Molekularno otisnuti polimeri (MIPs) odlikuju se posebno prilagođenim veznim mjestima koja oblikom, veličinom i funkcionalnim skupinama odgovaraju molekulama predloška. Svojstvo „brava – ključ” omogućuje upotrebu molekularno otisnutih polimera u različitim primjenama u kojima se određena vrsta molekule prepoznaje i veže za molekularnu bravu, odnosno molekularno otisnuti polimer.

Shematski prikaz pokazuje put molekularnog otiskivanja ciklodekstrina za pripremu prilagođenih receptora.
Istraživanje i slika: Hishiya et al. 2003

Molekularno otisnuti polimeri (MIPs) imaju široko područje primjene i upotrebljavaju se za razdvajanje i pročišćavanje određenih bioloških ili kemijskih molekula, uključujući aminokiseline i proteine, derivate nukleotida, onečišćujuće tvari te lijekove i hranu. Područja primjene obuhvaćaju razdvajanje i pročišćavanje, kemijske senzore, katalitičke reakcije, dostavu lijekova te sustave bioloških protutijela i receptora. (usp. Vasapollo et al. 2011)
Primjerice, tehnologija MIP upotrebljava se kao tehnika mikroekstrakcije na čvrstoj fazi za obradu i pročišćavanje molekula dobivenih iz kanabisa, poput CBD-a ili THC-a, iz ekstrakta punog spektra radi dobivanja kanabinoidnih izolata i destilata.

Ultrazvučna sinteza molekularno otisnutih molekula

Ovisno o vrsti ciljne molekule (predloška) i konačnoj primjeni MIP-a, MIP-ovi se mogu sintetizirati u različitim oblicima, kao što su sferične čestice nanometarskih i mikrometarskih veličina, nanožice, nanoštapići, nanoniti ili tanki filmovi. Za dobivanje određenog oblika MIP-a mogu se primijeniti različite tehnike polimerizacije, kao što su otiskivanje u masi, precipitacija, emulzijska polimerizacija, suspenzija, disperzija, geliranje i višestupanjska polimerizacija uz bubrenje.
Primjena ultrazvuka niske frekvencije i visokog intenziteta pruža vrlo učinkovitu, svestranu i jednostavnu tehniku za sintezu polimernih nanostruktura.
Sonikacija donosi nekoliko prednosti u sintezi MIP-ova u usporedbi s tradicionalnim postupcima polimerizacije jer potiče veće brzine reakcije, homogeniji rast polimernih lanaca, veće prinose i blaže uvjete (npr. nisku reakcijsku temperaturu). Nadalje, može promijeniti raspodjelu populacije veznih mjesta, a time i morfologiju konačnog polimera. (Svenson 2011)
Primjenom sonokemijske energije pri polimerizaciji MIP-ova pokreću se reakcije polimerizacije i pozitivno se utječe na njih. Istodobno sonikacija potiče učinkovito otplinjavanje polimerne smjese bez smanjenja kapaciteta vezanja ili krutosti.
Ultrazvučna homogenizacija, dispergiranje i emulgiranje omogućuju vrhunsko miješanje i agitaciju za stvaranje homogenih suspenzija te osiguravaju energiju za iniciranje procesa polimerizacije. Viveiros et al. (2019) istražili su potencijal ultrazvučne sinteze MIP-ova i navode da su „MIP-ovi pripremljeni ultrazvučno pokazali svojstva vezanja slična ili bolja od onih dobivenih konvencionalnim metodama”.
MIP-ovi u nanoobliku otvaraju obećavajuće mogućnosti za poboljšanje homogenosti veznih mjesta. Sonikacija je dobro poznata po iznimnim rezultatima u pripremi nanodisperzija i nanoemulzija.

Ultrazvučna nanoemulzijska polimerizacija

MIP-ovi se mogu sintetizirati emulzijskom polimerizacijom. Emulzijska polimerizacija obično se provodi stvaranjem emulzije ulja u vodi uz dodatak površinski aktivne tvari. Za stvaranje stabilne emulzije s kapljicama nanometarske veličine potrebna je visokoučinkovita tehnika emulgiranja. Ultrazvučno emulgiranje dobro je etablirana tehnika za pripremu nanoemulzija i miniemulzija.
Pročitajte više o ultrazvučnom nanoemulgiranju!

Ultrazvuk može poboljšati sljedeće puteve sinteze za proizvodnju nanoMIP-ova: precipitacijsku polimerizaciju, emulzijsku polimerizaciju i polimerizaciju struktura jezgra–ljuska.
Istraživanje i slika: Refaat et al. 2019

Ultrazvučna ekstrakcija predloška

Nakon sinteze molekulski otisnutih polimera predložak se mora ukloniti s veznog mjesta kako bi se dobio aktivan molekulski otisnuti polimer. Intenzivne sile miješanja pri sonikaciji potiču topljivost, difuzivnost, prodiranje i prijenos molekula otapala i predloška. Time se predlošci brzo uklanjaju s veznih mjesta.
Ultrazvučna ekstrakcija može se kombinirati i sa Soxhletovom ekstrakcijom radi uklanjanja predloška iz otisnutog polimera.

Studije slučaja: primjene ultrazvuka za molekulski otisnute polimere

Ultrazvučna sinteza molekulski otisnutih polimera

Enkapsulacijom magnetskih nanočestica polimerima s molekularnim otiskom 17β-estradiola primjenom ultrazvučne sinteze postiže se brzo uklanjanje 17β-estradiola iz vodenih sredina. Za ultrazvučnu sintezu nanoMIP-ova upotrijebljeni su metakrilna kiselina (MAA) kao monomer, etilen-glikol-dimetilakrilat (EGDMA) kao umreživalo i azobisisobutironitril (AIBN) kao inicijator. Postupak ultrazvučne sinteze provodio se 2h pri 65ºC. Prosječni promjeri čestica magnetskih NIP-ova i magnetskih MIP-ova iznosili su 200 odnosno 300 nm. Primjena ultrazvuka ne samo da je poboljšala brzinu polimerizacije i morfologiju nanočestica nego je dovela i do povećanja broja slobodnih radikala, čime je olakšan rast MIP-ova oko magnetskih nanočestica. Adsorpcijski kapacitet za 17β-estradiol bio je usporediv s onim postignutim tradicionalnim pristupima. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultrazvuk za senzore s molekularnim otiskom

Yu i sur. osmislili su elektrokemijski senzor s molekularnim otiskom na temelju elektroda modificiranih nanočesticama nikla za određivanje fenobarbitala. Opisani elektrokemijski senzor razvijen je toplinskom polimerizacijom uz primjenu metakrilne kiseline (MAA) kao funkcionalnog monomera, spoja 2,2-azobisisobutyronitrile (AIBN) i akrilata etilen-glikol-maleinskog rozinata (EGMRA) kao umreživala, fenobarbitala (PBs) kao molekule predloška te dimetil-sulfoksida (DMSO) kao organskog otapala. Tijekom izrade senzora pomiješano je 0,0464g PB-a i 0,0688g MAA u 3 mL DMSO-a te je smjesa sonicirana 10 min. Nakon 5 h u smjesu je dodano 1,0244g EGMRA i 0,0074g AIBN-a te je smjesa sonicirana 30 min kako bi se dobile otopine polimera s molekularnim otiskom PB-a. Nakon toga na površinu GCE-a nakapano je 10 μL otopine nanočestica Ni koncentracije 2,0 mg mL^-1 te je senzor osušen na sobnoj temperaturi. Približno 5 μL pripremljene otopine polimera s molekularnim otiskom PB-a zatim je naneseno na GCE modificiran nanočesticama Ni i osušeno u vakuumu pri 75◦C tijekom 6 h. Nakon toplinske polimerizacije senzor s molekularnim otiskom ispiran je smjesom HAc (octene kiseline) i metanola (volumni omjer 3:7) tijekom 7 min kako bi se uklonile molekule predloška. (usp. Uygun i sur. 2015)

Ultrazvučna mikroekstrakcija primjenom MIP-ova

Za izdvajanje nikotinamida kao analita iz uzoraka primjenjuje se ultrazvučno potpomognuta disperzivna mikroekstrakcija na čvrstoj fazi nakon koje slijedi mjerenje UV-vis spektrofotometrom (UA-DSPME-UV-vis). Za ekstrakciju i predkoncentriranje nikotinamida (vitamina B3) upotrijebljeni su polimeri s molekularnim otiskom na osnovi metalno-organske strukture (MOF) HKUST-1. (Asfaram i sur. 2017)

Ultrazvučni uređaji visokih performansi za primjene s polimerima

Od laboratorija do proizvodnje uz linearno povećanje mjerila: Posebno osmišljeni polimeri s molekularnim otiskom najprije se razvijaju i ispituju u malom laboratorijskom mjerilu i na stolnim sustavima kako bi se istražila izvedivost sinteze polimera. Nakon što se potvrdi izvedivost i provede optimizacija MIP-ova, njihova se proizvodnja povećava na veće volumene. Mjerilo svih postupaka ultrazvučne sinteze može se linearno povećati od stolnih sustava do potpuno komercijalne proizvodnje. Hielscher Ultrasonics nudi sonokemijsku opremu za sintezu polimera u malim laboratorijskim i stolnim sustavima pa sve do potpuno industrijskih ultrazvučnih sustava za rad u liniji i proizvodnju 24/7 pod punim opterećenjem. Mjerilo primjene ultrazvuka može se linearno povećati od volumena epruvete do velikih proizvodnih kapaciteta od više kamionskih tereta na sat. Opsežan portfelj proizvoda tvrtke Hielscher Ultrasonics, od laboratorijskih do industrijskih sonokemijskih sustava, obuhvaća najprikladniji ultrazvučni uređaj za vaš predviđeni kapacitet procesa. Naše osoblje s dugogodišnjim iskustvom pružit će vam pomoć od ispitivanja izvedivosti i optimizacije procesa do ugradnje vašeg ultrazvučnog sustava na konačnoj proizvodnoj razini.

Hielscher Ultrasonics – sofisticirana sonokemijska oprema

Portfelj proizvoda tvrtke Hielscher Ultrasonics obuhvaća cjelokupan raspon visokoučinkovitih ultrazvučnih ekstraktora za rad od malog do velikog mjerila. Dodatni pribor omogućuje jednostavno sastavljanje konfiguracije ultrazvučnog uređaja koja najbolje odgovara vašem procesu. Optimalna konfiguracija ultrazvučnog sustava ovisi o predviđenom kapacitetu, volumenu, materijalu, šaržnom ili linijskom procesu te vremenskom okviru. Hielscher vam pomaže uspostaviti idealan sonokemijski proces.

Šaržna i linijska obrada

Hielscher ultrazvučni uređaji mogu se upotrebljavati za šaržnu i kontinuiranu protočnu obradu. Mali i srednji volumeni mogu se praktično sonicirati u šaržnom procesu (npr. u bočicama, epruvetama, laboratorijskim čašama, spremnicima ili bačvama). Za obradu velikih volumena linijska sonikacija mogla bi biti djelotvornija. Dok šaržna obrada zahtijeva više vremena i rada, kontinuirani proces linijskog miješanja učinkovitiji je, brži i zahtijeva znatno manje rada. Hielscher Ultrasonics ima konfiguraciju sustava za ekstrakciju koja najbolje odgovara vašoj reakciji polimerizacije i volumenu obrade.

Ultrazvučne sonde za svaki proizvodni kapacitet

Asortiman proizvoda tvrtke Hielscher Ultrasonics obuhvaća cjelokupan spektar ultrazvučnih procesora, od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja preko stolnih i pilot-sustava do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora s kapacitetom obrade količina koje odgovaraju kamionskim teretima na sat. Cjelokupan asortiman proizvoda omogućuje nam da vam ponudimo ultrazvučnu opremu koja najbolje odgovara vašim polimerima, kapacitetu obrade i proizvodnim ciljevima.
Stolni ultrazvučni sustavi idealni su za ispitivanja izvedivosti i optimizaciju procesa. Linearno povećanje mjerila na temelju utvrđenih procesnih parametara omogućuje vrlo jednostavno povećanje kapaciteta obrade od manjih šarži do potpuno komercijalne proizvodnje. Mjerilo se može povećati ugradnjom snažnije ultrazvučne ekstrakcijske jedinice ili paralelnim povezivanjem više ultrazvučnih uređaja. S modelom UIP16000 Hielscher nudi najsnažniju ultrazvučnu jedinicu na svijetu.

Precizno podesive amplitude za optimalne rezultate

Svi Hielscher ultrazvučni uređaji omogućuju precizno upravljanje te su stoga pouzdani radni strojevi u proizvodnji. Amplituda je jedan od ključnih procesnih parametara koji utječu na učinkovitost i djelotvornost sonokemijskih reakcija, uključujući reakcije polimerizacije i putove sinteze.
Svi procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics omogućuju precizno podešavanje amplitude. Sonotrode i pojačivači amplitude pribor su koji omogućuje promjenu amplitude u još širem rasponu. Hielscher industrijski ultrazvučni procesori mogu postići vrlo visoke amplitude i osigurati potreban ultrazvučni intenzitet za zahtjevne primjene. Amplitude do 200µm lako se mogu kontinuirano održavati u radu 24/7.
Precizno podešavanje amplitude i stalno praćenje ultrazvučnih procesnih parametara putem pametnog softvera omogućuju vam sintezu molekularno utisnutih polimera u najdjelotvornijim ultrazvučnim uvjetima. Optimalna sonikacija za najbolje rezultate polimerizacije!
Robusnost Hielscher ultrazvučne opreme omogućuje rad 24/7 pri velikom opterećenju i u zahtjevnim okruženjima. Zbog toga je Hielscher ultrazvučna oprema pouzdan radni alat koji ispunjava zahtjeve vašeg sonokemijskog procesa.

Jednostavno ispitivanje bez rizika

Mjerilo ultrazvučnih procesa može se povećavati potpuno linearno. To znači da se svaki rezultat koji ste postigli laboratorijskim ili stolnim ultrazvučnim uređajem može prenijeti u veće mjerilo uz potpuno jednak izlazni rezultat i primjenu potpuno jednakih procesnih parametara. Zbog toga je ultrazvučna obrada idealna za ispitivanje izvedivosti bez rizika, optimizaciju procesa i naknadno uvođenje u komercijalnu proizvodnju. Obratite nam se kako biste saznali kako sonikacija može povećati prinos i kvalitetu vaših MIP-ova.

Najviša kvaliteta – projektirano i proizvedeno u Njemačkoj

Kao obiteljsko poduzeće kojim upravlja obitelj, Hielscher daje prednost najvišim standardima kvalitete svojih ultrazvučnih procesora. Svi ultrazvučni uređaji projektiraju se, proizvode i temeljito ispituju u našem sjedištu u Teltowu blizu Berlina u Njemačkoj. Robusnost i pouzdanost ultrazvučne opreme tvrtke Hielscher čine je pouzdanim osloncem u vašoj proizvodnji. Rad 24/7 pod punim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima prirodno je svojstvo miješalica visokih performansi tvrtke Hielscher.

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

Ultrazvučni procesor tvrtke Hielscher možete kupiti u različitim veličinama i konfiguriran točno prema zahtjevima vašeg procesa. Od obrade reaktanata u maloj laboratorijskoj epruveti do kontinuiranog protočnog miješanja polimernih suspenzija na industrijskoj razini, Hielscher Ultrasonics nudi odgovarajući ultrazvučni uređaj za vas! Obratite nam se – rado ćemo vam preporučiti idealnu konfiguraciju ultrazvučne opreme!