Hidrogélek ultrahangos polimerizációja: protokoll és méretezés
Az ultrahang által kiváltott polimerizáció gyökmentes, iniciátormentes megközelítést kínál a vízoldható vinil-monomerekből és makromonomerekből származó hidrogélek szintézisére. Ez a módszertan a gyökök kavitáción keresztüli szonokémiai előállítását használja ki, és ideális orvosbiológiai alkalmazásokhoz, ahol el kell kerülni az iniciátormaradványokat.
A hidrogélek háromdimenziós, hidrofil polimerhálózatok, amelyek képesek jelentős mennyiségű vizet megtartani, miközben megőrzik a szerkezeti integritást - ez a tulajdonság a keresztkötésű polimerláncokból ered. Fizikai-kémiai tulajdonságaik - duzzadási viselkedésük, mechanikai szilárdságuk és biokompatibilitásuk - rendkívül vonzóvá teszik őket az orvosbiológiai alkalmazásokban, beleértve a gyógyszeradagolást, a szövetszerkesztést és a sebgyógyulást.
Az ultrahangos hidrogél polimerizáció előnye
Hagyományosan a hidrogél szintézis termikus, fotokémiai vagy kémiai térhálósodáson alapul; Az ultrahangos hidrogél szintézis azonban jelentős vonzerőt kap, mivel az ultrahangos módszer egyszerű reagensmentes, hangolható és zöldebb megközelítést kínál. Az ultrahangos hidrogél szintézis akusztikus kavitációt használ a polimerizáció és a fizikai vagy kémiai térhálósodás elősegítésére külső kezdeményezők nélkül. Nevezetesen, az ultrahangos kezelés megkönnyítheti az in situ nanorészecskék diszperzióját, vagy radikális reakciókat indíthat el vizes közegben, így sokoldalú eszköz multifunkcionális vagy nanokompozit hidrogélek készítésére enyhe körülmények között.
Sonicator UIP1000hdT üvegreaktorral hidrogélszintézishez
A fenti videoklip egy hidrogél ultrahangos szintézisét mutatja be
az ultrahangos UP50H használatával
és egy kis molekulatömegű zselésítő. Az eredmény egy öngyógyító szupramolekuláris hidrogél.
(Tanulmány és film: Rutgeerts et al., 2019)
A fenti videoklip egy hidrogél ultrahangos szintézisét mutatja be az ultrahangos UP50H használatával és egy kis molekulatömegű zselésítő. Az eredmény egy öngyógyító szupramolekuláris hidrogél. (Tanulmány és film: Rutgeerts et al., 2019)
Biokompatibilis hidrogélek ultrahangos kezeléssel
A tisztán, biztonságosan és igény szerint kialakítható biokompatibilis hidrogélek keresése során a hagyományos polimerizációs stratégiák gyakran elmaradnak. Cass és munkatársai munkája hatékony megoldást mutat be erre a problémára: egy tiszta, iniciátormentes módszert a hidrogél szintézisére alacsony frekvenciájú ultrahanggal.
Tanulmányukban különböző vízben oldódó monomerek szonokémiai polimerizációját vizsgálták, de egy készítmény különösen hatékony és robusztus volt: egy 5%-os dextrán-metakrilát (Dex-MA) oldat 70%-os glicerin-vízben, amelyet mérsékelt, 56 W/cm² intenzitású ultrahanggal polimerizáltak. Figyelemre méltó, hogy ez a rendszer mindössze 6,5 perc alatt teljesen kialakult hidrogélt eredményezett, 72%-os monomer-polimer konverziót elérve - a legmagasabbat a vizsgált készítmények közül.
Akusztikus kavitáció: A módszer működési elve egy olyan jelenségen alapul, amely éppoly erőteljes, mint amilyen átmeneti: az akusztikus kavitáción. Amikor erős ultrahangnak teszik ki, mikroszkopikus buborékok alakulnak ki és omlanak össze erőszakosan a folyékony közegben, lokális forró pontokat hozva létre, ahol a hőmérséklet rövid időre meghaladhatja az 5000 Kelvint. Ezek a körülmények az oldószer-molekulák homolitikus hasadását idézik elő, reaktív gyökök robbanását produkálva. A hagyományos polimerizációval ellentétben, amely külső iniciátoroktól vagy hőtől függ, az ultrahang a polimerizáció elindításához szükséges energiát és gyököket egyaránt biztosítja - anélkül, hogy a fiziológiailag releváns ömlesztett hőmérsékletet meghaladná.
Oldószer: A glicerin mint társoldószer kiválasztása nem volt véletlen. Az oldat viszkozitásának növelésén túl - ami kritikus tényező a kavitáció intenzitásának fokozása szempontjából - a glicerin maga is radikális társdonorként működik. Hidroxilcsoportjai köztudottan viszonylag stabil másodlagos gyököket hoznak létre, ezáltal növelve a gyökök élettartamát és elősegítve a láncok terjedését. Ezenkívül a viszkózus, glicerinben gazdag környezet segít csapdába ejteni a kialakuló polimerláncokat, csökkentve azok oldhatóságát és megóvva őket az ultrahangos lebomlástól, ami hígabb vizes rendszerekben előfordulhat.
Ultrahangos polimerizáció: A polimerizáció előrehaladásának jellemzésére a kutatók infravörös spektroszkópiát alkalmaztak, és nyomon követték a Dex-MA vinilcsoportjainak fogyását az idő múlásával. A C=C kettős kötésekre utaló 1635 cm-¹-es jellegzetes abszorpció gyorsan csökkent a szonikáció során, míg az 1730 cm-¹-es észter-karbonil nyúlás állandó maradt, ami belső referenciaként szolgált. Ezek az adatok nemcsak a gyors vinil átalakulást, hanem a magas fokú térhálósodást is megerősítették, amit az alacsony duzzadási arányok és a robusztus gélszerkezetek is bizonyítanak.
Analízis: A pásztázó elektronmikroszkópia tovább mutatta a gél mikroszerkezetének alakulását. A korai szakaszokban a hálózat nagy, nyitott pórusokat tartalmazott, de a folyamatos szonikálás hatására ezek sűrűbb másodlagos szerkezettel töltődtek ki. 15 percre a hidrogél homogénen térhálósodott morfológiát mutatott, szorosan összekapcsolt pórusokkal - ami a jól kialakult orvosbiológiai gélek jellemzője.
Eredmény: A termikus szabadgyökös iniciátorokkal előállított hidrogélekkel összehasonlítva a különbségek szembetűnőek voltak. Bár termikusan hasonló konverziót lehetett elérni, az így kapott hálózatok porózusabbak, kevésbé egyenletesek voltak, és nagyobb duzzadási arányt mutattak - ami a lazább térhálós szerkezet jele. Ráadásul a termikus eljárás nitrogén öblítést, kémiai adalékanyagokat és magasabb hőmérsékletet igényelt, míg az ultrahangos megközelítés mindössze 37 °C-os környezeti hőmérsékleten működött.
A munka talán legérdekesebb aspektusa az a megfigyelés, hogy a polimerizáció az ultrahang leállítása után is folytatódhat. A gél a szonikáció abbahagyását követően 30 percig folytatta a keményedést és az erősség növekedését. Ez arra utal, hogy a szonikáció során kialakult tartós gyökfajok vagy köztes struktúrák további energiabevitel hiányában is folytathatják a polimerláncok terjedését - ez a viselkedés potenciálisan hasznos következményekkel járhat az in vivo alkalmazások számára.
Tudjon meg többet az ultrahangos hidrogél előállítás előnyeiről!
Sonicator UP200Ht ultrahangos hidrogél polimerizációhoz
Protokoll: A dextrán-metakrilát (Dex-MA) hidrogél ultrahangos szintézise ultrahangos készülékkel
A kovalens térhálósított Dex-MA hidrogél szintetizálásához nagy intenzitású, alacsony frekvenciájú ultrahangot kapcsolunk glicerin/víz oldatba. A hőmérséklet és az ultrahang energiasűrűsége pontosan szabályozott.
Az alábbiakban bemutatjuk az ultrahangos hidrogél szintézisre vonatkozó utasításokat laboratóriumi méretekben, amelyek lineárisan nagy mennyiségre méretezhetők.
Felszerelés és anyagok
Berendezés
- Hielscher UP200Ht ultrahangos processzor (200 W, 26 kHz)
- Sonotrode S26d2 (csúcsátmérő: 2 mm; kis térfogatokhoz ajánlott)
- Köpenyes reakcióedény (50 ml), kompatibilis a mágneses keverővel
- Keringető vízfürdő (termosztáttal 37 °C-ra szabályozva)
- PT100 hőmérséklet-szonda (az UP200Ht szállítási terjedelmében található)
- Mágneses keverő
- Analitikai mérleg (±0,1 mg)
- Vákuumsütő vagy liofilizáló
vegyszerek
- Dexfrán-metakrilát (Dex-MA), ~20% metakriláció
- Glicerin, ≥99,5% (vízmentes)
- Ionmentes víz
Minden reagensnek analitikai tisztaságúnak kell lennie. Kerülje az oxigénben gazdag környezetet; lehetőség szerint gáztalanítja az oldószereket.
| Komponens | Összeg (g) | Tömeg % |
|---|---|---|
| Dextrán-metakrilát | 075 g | 5% |
| Glicerin | 10,5 g | 70% |
| Ionmentes víz | 3,75 g | 25% |
| Teljes | 15,0 g | 100% |
Lépésről lépésre: Ultrahangos hidrogél polimerizáció
- Polimerizációs keverék készítése
- Mérjünk be 0,75 g Dex-MA-t egy 50 ml-es köpenyes reakcióedénybe.
- Adjunk hozzá 10,5 g glicerint és 3,75 g ioncserélt vizet.
- Keverje a keveréket mágnesesen szobahőmérsékleten (~22 °C) 5-10 percig, hogy a Dex-MA teljesen feloldódjon. Enyhén viszkózus, homogén oldatot kell eredményeznie.
- Melegítse elő a vízfürdőt 37 °C-ra, és csatlakoztassa a köpenyes edényhez az állandó hőmérséklet fenntartása érdekében.
- A Sonicator beállítása
- Szerelje fel az S26d2 szonotródot az UP200Ht-re, és biztosítsa a szoros csatlakozást.
- Merítse a szonotróda hegyét a reakciókeverékbe. Kerülje az edény falának vagy aljának megérintését.
- Helyezze a hőmérséklet-szondát az oldatba a szonotróda közelébe, de ne érintkezzen közvetlenül. Ez lehetővé teszi a szonikátor integrált hőmérséklet-szabályozásának használatát.
- Állítsa az amplitúdót 100%-ra.
- ultrahangos polimerizáció
- Kezdje el keverni 100–200 fordulat / perc sebességgel a kíméletes homogenizálás fenntartása érdekében.
- Kezdje el az ultrahangos kezelést a megfelelő amplitúdóbeállítással, hogy ~56 W / cm²-t szállítson 6,5 percig.
- Az oldat hőmérsékletét végig 37 °C-on kell tartani. Ha a keverék melegedni kezd, növelje a hűtőfolyadék áramlását, vagy adjon hozzá jeget a vízfürdőhöz.
- A gélesedés általában 5-6 percen belül megkezdődik. A viszkozitás hirtelen megnő.
- Ha a gélesedés 6,5 perc előtt következik be, hagyja abba az ultrahangos kezelést, hogy elkerülje a túlzott térhálósodást vagy lebomlást.
- Utófeldolgozás és tisztítás
- Azonnal tegye a gélt 200 ml ioncserélt vízbe erőteljes keverés mellett, hogy kiszivárogjon a reakcióba nem lépett monomer és glicerin.
- Keverjük 30 percig, majd dekantáljuk a felülúszót vagy szűrjük le.
- Ismételje meg a mosást további 3 alkalommal meleg vízzel (~60 °C) a jobb diffúzió érdekében.
- Szárítsa a gélt vákuumban 60 °C-on 8 órán keresztül, vagy liofilizálja a porózus szerkezeteket.
Az eredmény: egy biokompatibilis hidrogél
Átlátszó, robusztus hidrogélt kell kapnia, nagy konverzióval (~70–75%), kiváló térhálósodással, minimális maradék monomerrel. A hidrogél ellenáll a vízben való oldódásnak, és szárításkor egyenletes szerkezetet mutat.
Megjegyzések az optimális folyamatszabályozáshoz
Ipari ultrahangos készülék UIP16000hdT 16 000 watt teljesítménnyel hidrogélek nagy áteresztőképességű gyártósori gyártásához.
A felskálázás: lineáris és egyszerű ultrahangos kezeléssel
Egy olyan területen, amely egyre inkább megköveteli a pontosságot, a tisztaságot és a skálázhatóságot, ez az ultrahangos módszer meggyőző alternatívát kínál. Térben vezérelhető, valós időben hangolható, és kompatibilis a modern ultrahangos inline rendszerekkel történő folyamatos feldolgozással.
A Hielscher Ultrasonics szonátorai pontos amplitúdót biztosítanak, és lineárisan skálázódnak a laboratóriumi mérettől a gyártási méretig, így ideálisak az ilyen hidrogélrendszerek valós terápiás és diagnosztikai alkalmazásokba való átültetéséhez.
- nagy hatékonyság
- A legkorszerűbb technológia
- megbízhatóság & Erőteljesség
- állítható, precíz folyamatvezérlés
- halom & Inline
- bármely kötethez
- intelligens szoftver
- intelligens funkciók (pl. programozható, adatprotokoll, távirányító)
- könnyen és biztonságosan kezelhető
- Alacsony karbantartási igény
- CIP (helyben tisztítható)
Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban gyártott minőség
A Hielscher ultrahangos készülékek jól ismertek a legmagasabb minőségi és tervezési szabványokról. A robusztusság és a könnyű kezelhetőség lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását ipari létesítményekbe. A durva körülmények és az igényes környezetek könnyen kezelhetők Hielscher ultrasonicators.
Hielscher Ultrasonics egy ISO tanúsítvánnyal rendelkező cég, és különös hangsúlyt fektet a nagy teljesítményű ultrasonicatorokra, amelyek a legmodernebb technológiát és felhasználóbarátságot mutatják. Természetesen a Hielscher ultrasonicators CE-kompatibilis és megfelel az UL, CSA és RoHs követelményeinek.
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:
| Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
|---|---|---|
| 0.5-től 1,5 ml-ig | n.a. | VialMagassugárzó |
| 1–500 ml | 10–200 ml/perc | UP100H |
| 10 és 2000 ml között | 20–400 ml/perc | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1-től 20L-ig | 0.2-től 4 liter/percig | UIP2000hdT |
| 10–100 liter | 2–10 l/perc | UIP4000hdt |
| 15–150 liter | 3–15 l/perc | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100 l/perc | UIP16000hdT |
| n.a. | Nagyobb | klaszter UIP16000hdT |
Inline ultrahangos készülék UIP2000hdT ipari hidrogél előállításához folyamatos átfolyással
Irodalom / Hivatkozások
- Rutgeerts, Laurens A. J.; Soultan, Al Halifa; Subramani, Ramesh; Toprakhisar, Burak; Ramon, Herman; Paderes, Monissa C.; De Borggraeve, Wim M.; Patterson, Jennifer (2019): Robust scalable synthesis of a bis-urea derivative forming thixotropic and cytocompatible supramolecular hydrogels. Chemical Communications Issue 51, 2019.
- Cass, P., Knower, W., Pereeia, E., Holmes, N.P., Hughes, T. (2010): Preparation of hydrogels via ultrasonic polymerization. Ultrasonics Sonochemistry, 17(2), 2010. 326–332.
- Kocen, Rok; Gasik, Michael; Gantar, Ana; Novak, Sasa (2017): Viscoelastic behaviour of hydrogel-based composites for tissue engineering under mechanical load. Biomedical materials (Bristol, England), 2017.
- Willfahrt, A., Steiner, E., Hoetzel, J., Crispin, X. (2019): Printable acid-modified corn starch as non-toxic, disposable hydrogel-polymer electrolyte in supercapacitors. Applied Physics A, 125(7), 474.
Gyakran Ismételt Kérdések
Mi az a hidrogél?
A hidrogél egy háromdimenziós, hidrofil polimer hálózat, amely képes nagy mennyiségű vizet felszívni és megtartani, miközben megőrzi a szerkezeti integritást. A polimer láncok fizikai vagy kémiai térhálósodásával jön létre, gyakran utánozva a biológiai szövetek víztartalmát és rugalmasságát.
Milyen betegségek esetén alkalmazható a hidrogélt?
A hidrogéleket számos alkalmazásban használják, beleértve a gyógyszeradagolást, a sebkötözőket, a szövettechnikai állványokat, a lágy kontaktlencséket, a bioszenzorokat, valamint újabban a puha robotikát és a hordható elektronikát. Biokompatibilitásuk, hangolható mechanikai tulajdonságaik és az ingerekre való reagálásuk rendkívül sokoldalúvá teszi őket mind orvosi, mind ipari környezetben.
A hidrogél jó a bőrnek?
Igen, a hidrogél általában jót tesz a bőrnek. Nedves környezetet tart fenn, amely elősegíti a sebgyógyulást, csökkenti a hegesedést és támogatja a sejtek szaporodását. A hidrogél alapú sebkötszerek hűtést, fájdalomcsillapítást és terápiás szerek ellenőrzött adagolását is biztosíthatják, így hatékonyak égési sérülések, fekélyek és műtét utáni ellátás esetén.
Tudjon meg többet az ultrahanggal elkészített Aloe Vera sebkötözőkről!
Miért öngyógyító a hidrogél?
A hidrogélek öngyógyító viselkedést mutatnak a polimer hálózatukon belüli reverzibilis kölcsönhatások miatt. Ezek közé tartozhat a hidrogénkötés, az ionos kölcsönhatások, a hidrofób erők vagy a dinamikus kovalens kötések. Ha a hálózat megszakad, ezek a kölcsönhatások lehetővé teszik az anyag szerkezetének újraformálását, lehetővé téve a hidrogél számára, hogy sérülés után visszanyerje mechanikai és funkcionális tulajdonságait.
Hielscher Ultrasonics gyárt nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok labor hoz ipari méret.