Hidrogélek ultrahangos polimerizációja: protokoll és méretnövelés

Az ultrahang által kiváltott polimerizáció gyökmentes, iniciátormentes megközelítést kínál hidrogélek szintéziséhez vízoldható vinilmonomerekből és makromonomerekből. Ez a módszer a kavitáció révén történő szonokémiai gyökképződést használja ki, és ideálisan alkalmas olyan biomedicinális alkalmazásokhoz, amelyekben el kell kerülni az iniciátormaradványokat.

A hidrogélek háromdimenziós, hidrofil polimerhálózatok, amelyek jelentős mennyiségű vizet képesek megtartani szerkezeti épségük megőrzése mellett – ez a tulajdonság a térhálósított polimerláncokból ered. Fizikai-kémiai tulajdonságaik – duzzadási viselkedésük, mechanikai szilárdságuk és biokompatibilitásuk – rendkívül vonzóvá teszik őket biomedicinális alkalmazásokhoz, többek között gyógyszerhatóanyagok célba juttatásához, szövetmérnöki alkalmazásokhoz és sebgyógyításhoz.

Az ultrahangos hidrogél-polimerizáció előnye

A hidrogélek szintézise hagyományosan termikus, fotokémiai vagy kémiai térhálósításon alapul; az ultrahangos hidrogélszintézis azonban egyre nagyobb teret nyer, mivel az ultrahangos kezelés egyszerű, reagensmentes, szabályozható és környezetbarátabb megközelítést kínál. Az ultrahangos hidrogélszintézis akusztikus kavitációval segíti elő a polimerizációt és a fizikai vagy kémiai térhálósítást, külső iniciátorok nélkül. Az ultrahangos kezelés emellett elősegítheti a nanorészecskék in situ diszpergálását, vagy gyökreakciókat indíthat el vizes közegekben, így sokoldalú eszköz multifunkcionális vagy nanokompozit hidrogélek enyhe körülmények közötti előállításához.

A fenti videó egy hidrogél ultrahangos szintézisét mutatja be az UP50H ultrahangos készülék használatával és egy kis molekulatömegű gélképző anyag alkalmazásával. Az eredmény egy öngyógyuló szupramolekuláris hidrogél. (Tanulmány és videó: Rutgeerts et al., 2019)
 

Biokompatibilis hidrogélek ultrahangos kezeléssel

A tisztán, biztonságosan és igény szerint előállítható biokompatibilis hidrogélek keresése során a hagyományos polimerizációs stratégiák gyakran nem bizonyulnak megfelelőnek. Cass és munkatársai munkája hatékony megoldást kínál erre a problémára: tiszta, iniciátormentes módszert hidrogélek szintéziséhez alacsony frekvenciájú ultrahanggal.

Tanulmányuk különféle vízoldható monomerek szonokémiai polimerizációját vizsgálja, de egy összetétel különösen hatékonynak és robusztusnak bizonyult: 5% dextrán-metakrilátot (Dex-MA) tartalmazó oldat 70% glicerint tartalmazó glicerin–víz közegben, amelyet mérsékelt, 56 W/cm² intenzitású ultrahanggal polimerizáltak. Figyelemre méltó, hogy ebben a rendszerben mindössze 6,5 perc alatt teljesen kialakult hidrogél keletkezett, és a monomer polimerré alakulásának konverziója elérte a 72%-ot – ez volt a legmagasabb az összes vizsgált összetétel közül.

Akusztikus kavitáció: A módszer működési elve egy olyan jelenségen alapul, amely éppoly erőteljes, mint amilyen rövid életű: az akusztikus kavitáción. Nagy teljesítményű ultrahang hatására mikroszkopikus buborékok képződnek a folyékony közegben, majd hevesen összeomlanak, helyi forró pontokat hozva létre, ahol a hőmérséklet rövid időre meghaladhatja az 5000 kelvint. Ezek a körülmények az oldószermolekulák homolitikus hasadását idézik elő, ami reaktív gyökök hirtelen képződéséhez vezet. A hagyományos polimerizációval ellentétben, amely külső iniciátoroktól vagy hőtől függ, az ultrahang a polimerizáció megindításához szükséges energiát és gyököket egyaránt biztosítja – anélkül, hogy a közeg egészének hőmérséklete meghaladná a fiziológiailag releváns hőmérsékleteket.

Társoldószer: A glicerin társoldószerként való kiválasztása nem volt véletlen. Az oldat viszkozitásának növelésén túl – ami a kavitáció intenzitásának fokozásában kulcsfontosságú tényező – maga a glicerin is gyök-társdonorként működik. Hidroxilcsoportjairól ismert, hogy viszonylag stabil szekunder gyököket hoznak létre, ezáltal növelik a gyökök élettartamát és elősegítik a láncnövekedést. Ezenkívül a viszkózus, glicerinben gazdag környezet segít csapdába ejteni a kialakuló polimerláncokat, csökkentve oldhatóságukat és védve őket az ultrahangos degradációtól, amely hígabb vizes rendszerekben előfordulhat.

Ultrahangos polimerizáció: A polimerizáció előrehaladásának jellemzésére a kutatók infravörös spektroszkópiát alkalmaztak, időben követve a Dex-MA vinilcsoportjainak fogyását. A C=C kettős kötésekre jellemző, 1635 cm⁻¹-nél jelentkező abszorpció az ultrahangos kezelés során gyorsan csökkent, míg az észter-karbonilcsoport 1730 cm⁻¹-nél jelentkező nyújtási rezgési sávja állandó maradt, és belső referenciaként szolgált. Ezek az adatok nemcsak a vinilcsoportok gyors konverzióját, hanem a térhálósítás magas fokát is igazolták, amit az alacsony duzzadási arányok és a szilárd gélszerkezetek is alátámasztottak.

Elemzés: A pásztázó elektronmikroszkópia a gél mikroszerkezetének fejlődését is feltárta. A korai szakaszokban a hálózat nagy, nyitott pórusokat tartalmazott, de az ultrahangos kezelés folytatásával ezeket egy sűrűbb másodlagos szerkezet töltötte ki. A 15. percre a hidrogél homogénen térhálósított morfológiát mutatott, szorosan összekapcsolódó pórusokkal – ez a megfelelően kialakult biomedicinális gélek jellegzetessége.

Eredmény: A termikus szabadgyökös iniciátorokkal előállított hidrogélekkel összehasonlítva a különbségek szembetűnőek voltak. Bár termikus úton is hasonló konverziók voltak elérhetők, a kapott hálózatok porózusabbak, kevésbé egyenletesek voltak, és nagyobb duzzadási arányokat mutattak – ezek a lazább térhálós szerkezet jelei. Ezenkívül a termikus eljárás nitrogénes átöblítést, kémiai adalékokat és magasabb hőmérsékleteket igényelt, míg az ultrahangos megközelítés mindössze 37°C-os környezeti hőmérsékleten működött.

A munka talán legérdekesebb megállapítása az, hogy a polimerizáció az ultrahang kikapcsolása után is folytatódhat. Az ultrahangos kezelés leállítását követő 30 perces időszakban a gél tovább szilárdult, és szilárdsága növekedett. Ez arra utal, hogy az ultrahangos kezelés során képződő tartós gyökfajták vagy köztes szerkezetek további energiabevitel nélkül is folytathatják a polimerláncok növekedését – ez a viselkedés potenciálisan hasznos következményekkel járhat az in vivo alkalmazások számára.

Tudjon meg többet az ultrahangos hidrogélgyártás előnyeiről!

Protokoll: dextrán-metakrilát (Dex-MA) hidrogél ultrahangos szintézise ultrahangos készülékkel

Kovalensen térhálósított Dex-MA hidrogél szintéziséhez nagy intenzitású, alacsony frekvenciájú ultrahangot csatolnak be egy glicerin/víz oldatba. A hőmérsékletet és az ultrahangos energiasűrűséget pontosan szabályozzák.
Az alábbiakban ismertetjük a laboratóriumi léptékű ultrahangos hidrogélszintézis utasításait, amely lineárisan nagy mennyiségekre skálázható.

Berendezések és anyagok

Berendezések

• Hielscher UP200Ht ultrahangos processzor (200 W, 26 kHz)
• S26d2 szonotróda (csúcsátmérő: 2 mm; kis térfogatokhoz ajánlott)
• Köpenyes reakcióedény (50 mL), mágneses keverővel kompatibilis
• Keringető vízfürdő (termosztatikusan 37°C-ra szabályozva)
• PT100 hőmérséklet-érzékelő (az UP200Ht szállítási terjedelmének része)
• Mágneses keverő
• Analitikai mérleg (±0,1 mg)
• Vákuumszárító szekrény vagy liofilizáló

Vegyszerek

• Dextrán-metakrilát (Dex-MA), ~20%-os metakriláltság
• Glicerin, ≥99,5% (vízmentes)
• Ioncserélt víz

Minden reagens analitikai tisztaságú legyen. Kerülje az oxigénben gazdag környezetet; lehetőség szerint gáztalanítsa az oldószereket.

Eljárás lépésről lépésre: ultrahangos hidrogél-polimerizáció

1. A polimerizációs elegy előkészítése
   • Mérjen be 0,75 g Dex-MA-t egy 50 mL-es köpenyes reakcióedénybe.
   • Adjon hozzá 10,5 g glicerint és 3,75 g ioncserélt vizet.
   • Keverje az elegyet mágneses keverővel szobahőmérsékleten (~22 °C) 5–10 percig, hogy a Dex-MA teljesen feloldódjon. Enyhén viszkózus, homogén oldatnak kell keletkeznie.
   • Melegítse elő a vízfürdőt 37 °C-ra, és csatlakoztassa a köpenyes edényhez az állandó hőmérséklet fenntartásához.
2. Az ultrahangos készülék beállítása
   • Szerelje fel az S26d2 szonotródát az UP200Ht készülékre, és biztosítson szoros csatlakozást.
   • Merítse a szonotróda csúcsát a reakcióelegybe. Kerülje az edény falának vagy aljának érintését.
   • Helyezze a hőmérséklet-érzékelőt az oldatba a szonotróda közelében, de ne érintkezzen vele közvetlenül. Ez lehetővé teszi az ultrahangos készülék beépített hőmérséklet-szabályozásának használatát.
   • Állítsa az amplitúdót 100%-ra.
3. Ultrahangos polimerizáció
   • Indítsa el a keverést 100–200 rpm fordulatszámon a kíméletes homogenizálás fenntartásához.
   • Indítsa el az ultrahangos kezelést a megfelelő amplitúdóbeállítással, hogy 6,5 percen keresztül ~56 W/cm² intenzitást biztosítson.
   • Az oldat hőmérsékletét végig tartsa 37°C-on. Ha az elegy melegedni kezd, növelje a hűtőfolyadék térfogatáramát, vagy adjon jeget a vízfürdőhöz.
   • A gélesedés jellemzően 5–6 percen belül kezdődik. A viszkozitás meredeken növekedni fog.
   • Ha a gélesedés 6,5 min előtt bekövetkezik, állítsa le az ultrahangos kezelést a túlzott térhálósítás vagy degradáció elkerülése érdekében.
4. Utókezelés és tisztítás
   • Azonnal helyezze át a gélt 200 mL ioncserélt vízbe, erőteljes keverés mellett, hogy kioldja az el nem reagált monomert és a glicerint.
   • Keverje 30 percig, majd dekantálja a felülúszót, vagy végezzen szűrést.
   • Ismételje meg a mosást további 3 alkalommal, meleg vízzel (~60 °C) a diffúzió javítása érdekében.
   • Szárítsa a gélt vákuumban 60°C-on 8 órán át, vagy liofilizálja porózus szerkezetek előállításához.

 
Az eredmény: biokompatibilis hidrogél
Átlátszó, szilárd hidrogélt kell kapnia, magas konverzióval (~70–75%), kiváló térhálósítottsággal és minimális monomermaradvánnyal. A hidrogél ellenáll a vízben való oldódásnak, és szárítás után egyenletes szerkezetet mutat.

 
Megjegyzések az optimális folyamatszabályozáshoz

Méretnövelés: lineárisan és egyszerűen, ultrahangos kezeléssel

Egy olyan területen, ahol egyre nagyobb az igény a pontosságra, a tisztaságra és a méretnövelhetőségre, ez az ultrahangos módszer meggyőző alternatívát kínál. Térben szabályozható, valós időben állítható, és kompatibilis a korszerű, gyártósorba épített ultrahangos rendszerekkel végzett folyamatos feldolgozással.
A Hielscher Ultrasonics ultrahangos készülékei pontos amplitúdókat biztosítanak, és a laboratóriumi léptéktől a gyártási léptékig lineárisan skálázhatók – így ideálisak az ilyen hidrogélrendszerek gyakorlati terápiás és diagnosztikai alkalmazásba történő átültetéséhez.

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség

A Hielscher ultrahangos készülékei a legmagasabb minőségi és tervezési színvonalukról ismertek. Robusztusságuk és egyszerű kezelhetőségük lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását az ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos készülékei könnyedén megbirkóznak a mostoha körülményekkel és a nagy igénybevételt jelentő környezetekkel.

A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, és különös hangsúlyt fektet a nagy teljesítményű, csúcstechnológiát és felhasználóbarát működést kínáló ultrahangos készülékekre. A Hielscher ultrahangos készülékei természetesen CE-megfelelők, és teljesítik az UL, CSA és RoHs követelményeit.

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: