Հիդրոգելների ուլտրաձայնային պոլիմերացում. արձանագրություն և մասշտաբի բարձրացում

Ուլտրաձայնային պոլիմերացումը առաջարկում է առանց ռադիկալների, նախաձեռնողներից ազատ մոտեցում՝ ջրում լուծվող վինիլային մոնոմերներից և մակրոմոնոմերներից հիդրոգելների սինթեզման համար: Այս մեթոդաբանությունը օգտագործում է ռադիկալների սոնոքիմիական առաջացումը կավիտացիայի միջոցով և իդեալականորեն հարմար է կենսաբժշկական կիրառությունների համար, որտեղ պետք է խուսափել նախաձեռնող մնացորդներից:

Հիդրոգելները եռաչափ, հիդրոֆիլ պոլիմերային ցանցեր են, որոնք կարող են պահպանել ջրի զգալի քանակություն՝ միաժամանակ պահպանելով կառուցվածքային ամբողջականությունը, որը խաչաձև կապված պոլիմերային շղթաներից բխող հատկանիշ է: Դրանց ֆիզիկաքիմիական հատկությունները՝ այտուցվածության վարքագիծը, մեխանիկական ամրությունը և կենսահամատեղելիությունը, դրանք դարձնում են խիստ գրավիչ կենսաբժշկական կիրառությունների համար, ներառյալ դեղերի ներարկումը, հյուսվածքների ճարտարագիտությունը և վերքերի բուժումը:

Ուլտրաձայնային հիդրոգելային պոլիմերացման առավելությունները

Ավանդաբար, հիդրոգելի սինթեզը հիմնված է ջերմային, ֆոտոքիմիական կամ քիմիական խաչաձև կապի վրա. Այնուամենայնիվ, ուլտրաձայնային հիդրոգելի սինթեզը զգալի ձգողականություն է ձեռք բերում, քանի որ sonication մեթոդը առաջարկում է պարզ ռեագենտից ազատ, կարգավորելի և ավելի կանաչ մոտեցում: Ուլտրաձայնային հիդրոգելի սինթեզը օգտագործում է ակուստիկ կավիտացիա՝ խթանելու պոլիմերացումը և ֆիզիկական կամ քիմիական խաչաձև կապը՝ առանց արտաքին նախաձեռնողների անհրաժեշտության: Հատկանշական է, որ ուլտրաձայնային աշխատանքը կարող է նաև հեշտացնել in situ նանոմասնիկների ցրումը կամ ռադիկալ ռեակցիաներ սկսել ջրային միջավայրում՝ դարձնելով այն բազմաֆունկցիոնալ կամ նանոկոմպոզիտային հիդրոգելներ մեղմ պայմաններում ստեղծելու բազմակողմանի գործիք:

Վերևում գտնվող տեսահոլովակը ցույց է տալիս հիդրոգելի ուլտրաձայնային սինթեզը օգտագործելով sonicator UP50H և ցածր մոլեկուլային քաշի գելատոր: Արդյունքը ինքնաբուժվող վերմոլեկուլային հիդրոգելն է։ (Ուսումնասիրություն և ֆիլմ. Ռուտգերթս և այլք, 2019)
 

Biocompatible Hydrogels հետ Sonication

Կենսհամատեղելի հիդրոգելների որոնման մեջ, որոնք կարող են ձևավորվել մաքուր, անվտանգ և ըստ պահանջի, պոլիմերացման ավանդական ռազմավարությունները հաճախ ձախողվում են: Կասի և գործընկերների աշխատանքը ներկայացնում է այս խնդրի արդյունավետ լուծումը՝ ցածր հաճախականությամբ ուլտրաձայնային հիդրոգելի սինթեզի մաքուր, առանց նախաձեռնող մեթոդ:

Նրանց ուսումնասիրությունը ուսումնասիրում է տարբեր ջրում լուծվող մոնոմերների սոնոքիմիական պոլիմերացումը, սակայն մեկ բանաձև առանձնացավ որպես հատկապես արդյունավետ և հուսալի. 5% դեքստրան մետակրիլատի (Dex-MA) լուծույթ 70% գլիցերին-ջրում, պոլիմերացված ուլտրաձայնային ալիքի տակ՝ 56 Վտ/սմ² չափավոր ինտենսիվությամբ: Հատկանշական է, որ այս համակարգը լիովին ձևավորված հիդրոգել է ստացել ընդամենը 6.5 րոպեում՝ հասնելով մոնոմերից պոլիմեր փոխակերպման 72%-ի՝ ամենաբարձր ցուցանիշը փորձարկված բոլոր բանաձևերի մեջ:

Ակուստիկ կավիտացիա. Այս մեթոդի աշխատանքային սկզբունքը հիմնված է նույնքան հզոր, որքան անցողիկ երևույթի՝ ակուստիկ կավիտացիայի վրա: Հզոր ուլտրաձայնի ազդեցության տակ հեղուկ միջավայրում առաջանում են մանրադիտակային փուչիկներ, որոնք բռնի կերպով փլուզվում են՝ առաջացնելով տեղայնացված տաք կետեր, որտեղ ջերմաստիճանը կարող է կարճ ժամանակով գերազանցել 5000 Կելվին: Այս պայմանները առաջացնում են լուծիչի մոլեկուլների հոմոլիտիկ տրոհում՝ առաջացնելով ռեակտիվ ռադիկալների պայթյուն: Ի տարբերություն ավանդական պոլիմերացման, որը կախված է արտաքին նախաձեռնողներից կամ ջերմությունից, ուլտրաձայնը մատակարարում է պոլիմերացումը սկսելու համար անհրաժեշտ ինչպես էներգիան, այնպես էլ ռադիկալները՝ առանց գերազանցելու ֆիզիոլոգիապես համապատասխան զանգվածային ջերմաստիճանը:

Համալուծիչ: Գլիցերինի ընտրությունը որպես համալուծիչ պատահական չէր: Լուծույթի մածուցիկության բարձրացումից բացի, որը կավիտացիայի ինտենսիվության բարձրացման կարևոր գործոն է, գլիցերինն ինքնին հանդես է գալիս որպես ռադիկալի համադոնոր: Հայտնի է, որ դրա հիդրօքսիլային խմբերը առաջացնում են համեմատաբար կայուն երկրորդային ռադիկալներ, դրանով իսկ մեծացնելով ռադիկալի կյանքի տևողությունը և խթանելով շղթայի տարածումը: Բացի այդ, մածուցիկ գլիցերինով հարուստ միջավայրը օգնում է որսալ նորաստեղծ պոլիմերային շղթաները՝ նվազեցնելով դրանց լուծելիությունը և պաշտպանելով դրանք ուլտրաձայնային քայքայումից, որը կարող է տեղի ունենալ ավելի նոսր ջրային համակարգերում:

Ուլտրաձայնային պոլիմերացում. Պոլիմերացման ընթացքը բնութագրելու համար հետազոտողները օգտագործել են ինֆրակարմիր սպեկտրոսկոպիա՝ հետևելով Dex-MA-ի վրա վինիլային խմբերի սպառմանը ժամանակի ընթացքում: 1635 սմ⁻¹-ում բնորոշ կլանումը, որը ցույց է տալիս C=C կրկնակի կապերը, արագորեն նվազել է ուլտրաձայնային մշակման ընթացքում, մինչդեռ էսթերային կարբոնիլային ձգումը 1730 սմ⁻¹-ում մնացել է անփոփոխ՝ ծառայելով որպես ներքին հղման ցուցանիշ: Այս տվյալները հաստատել են ոչ միայն վինիլային արագ փոխակերպումը, այլև խաչաձև կապի բարձր աստիճանը, ինչը վկայում են ցածր այտուցվածության հարաբերակցությունը և ամուր գելային կառուցվածքները:

Վերլուծություն: Սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակը հետագայում բացահայտեց գելի միկրոկառուցվածքի էվոլյուցիան: Վաղ փուլերում ցանցը առանձնանում էր մեծ, բաց ծակոտիներով, սակայն շարունակական ուլտրաձայնային մշակմամբ դրանք լցվեցին ավելի խիտ երկրորդային կառուցվածքով: 15 րոպեի ընթացքում հիդրոգելը ցուցաբերեց միատարր խաչաձև կապված ձևաբանություն՝ սերտորեն փոխկապակցված ծակոտիներով, ինչը լավ ձևավորված կենսաբժշկական գելերի բնորոշ հատկանիշ է:

Արդյունք: Ջերմային ազատ ռադիկալների նախաձեռնիչներով արտադրված հիդրոգելերի հետ համեմատած՝ տարբերությունները ակնառու էին։ Չնայած նմանատիպ փոխակերպումներ կարելի էր իրականացնել ջերմային եղանակով, արդյունքում ստացված ցանցերն ավելի ծակոտկեն էին, պակաս միատարր և ցուցաբերում էին ավելի բարձր այտուցվածության հարաբերակցություն՝ ավելի թույլ խաչաձև կապի ճարտարապետության նշաններ։ Ավելին, ջերմային գործընթացը պահանջում էր ազոտի մաքրում, քիմիական հավելումներ և ավելի բարձր ջերմաստիճաններ, մինչդեռ ուլտրաձայնային մոտեցումը գործում էր ընդամենը 37°C շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանում։

Այս աշխատանքի թերևս ամենահետաքրքիր կողմը այն դիտարկումն է, որ պոլիմերացումը կարող է շարունակվել նույնիսկ ուլտրաձայնի դադարեցումից հետո։ Գելը շարունակել է կարծրանալ և ուժեղանալ ուլտրաձայնային մշակման դադարեցումից հետո 30 րոպեի ընթացքում։ Սա ենթադրում է, որ ուլտրաձայնային մշակման ընթացքում ձևավորված կայուն ռադիկալ տեսակները կամ միջանկյալ կառուցվածքները կարող են շարունակել տարածել պոլիմերային շղթաները հետագա էներգիայի մուտքի բացակայության դեպքում՝ վարքագիծ, որը պոտենցիալ օգտակար հետևանքներ ունի in vivo կիրառությունների համար։

Իմացեք ավելին ուլտրաձայնային հիդրոգելի արտադրության առավելությունների մասին:

Արձանագրություն. Dextran Methacrylate (Dex-MA) հիդրոգելի ուլտրաձայնային սինթեզ՝ օգտագործելով Sonicator

Կովալենտային խաչաձեւ կապակցված Dex-MA հիդրոգելը սինթեզելու համար բարձր ինտենսիվության, ցածր հաճախականության ուլտրաձայնը զուգակցվում է գլիցերինի/ջրի լուծույթի մեջ: Ջերմաստիճանը և ուլտրաձայնային էներգիայի խտությունը ճշգրիտ վերահսկվում են:
Ստորև մենք ձեզ տալիս ենք լաբորատոր մասշտաբով ուլտրաձայնային հիդրոգելի սինթեզի հրահանգներ, որոնք կարող են գծային մասշտաբավորվել մինչև մեծ քանակությամբ:

Սարքավորումներ և նյութեր

Սարքավորումներ

• Hielscher UP200Ht ուլտրաձայնային պրոցեսոր (200 Վտ, 26 կՀց)
• Sonotrode S26d2 (ծածկի տրամագիծը՝ 2 մմ, խորհուրդ է տրվում փոքր ծավալների համար)
• Շապիկավոր ռեակցիոն անոթ (50 մլ), համատեղելի մագնիսական խառնիչի հետ
• Շրջանառվող ջրային բաղնիք (թերմոստատիկ կառավարվող 37°C ջերմաստիճանում)
• Ջերմաստիճանի զոնդ PT100 (ներառված է UP200Ht-ի առաքման շրջանակում)
• Մագնիսական հարիչ
• Անալիտիկ հաշվեկշիռ (±0,1 մգ)
• Վակուումային վառարան կամ լիոֆիլիզատոր

քիմիական նյութեր

• Dextran Methacrylate (Dex-MA), ~20% methacrylation
• Գլիցերին, ≥99,5% (անջուր)
• Դիոնացված ջուր

Բոլոր ռեակտիվները պետք է լինեն անալիտիկ կարգի: Խուսափեք թթվածնով հարուստ միջավայրերից; հնարավորության դեպքում գազազերծել լուծիչները:

Քայլ առ քայլ ընթացակարգ. Ուլտրաձայնային հիդրոգելային պոլիմերացում

1. Պոլիմերացման խառնուրդի պատրաստում
   • Քաշեք 0,75 գ Dex-MA-ն 50 մլ բաճկոնով ռեակցիոն անոթի մեջ:
   • Ավելացնել 10,5 գ գլիցերին և 3,75 գ դեիոնացված ջուր:
   • Խառնուրդը մագնիսորեն խառնել սենյակային ջերմաստիճանում (~22 °C) 5–10 րոպե, որպեսզի Dex-MA-ն ամբողջությամբ լուծարվի: Պետք է ստացվի մի փոքր մածուցիկ, համասեռ լուծում:
   • Ջրային բաղնիքը տաքացրեք մինչև 37 °C և միացրեք այն բաճկոնով անոթին՝ մշտական ջերմաստիճանը պահպանելու համար:
2. Sonicator-ի կարգավորում
   • Տեղադրեք S26d2 sonotrode-ը UP200Ht-ին և ապահովեք ամուր միացում:
   • Sonotrode-ի ծայրը ընկղմեք ռեակցիայի խառնուրդի մեջ: Խուսափեք դիպչել նավի պատերին կամ հատակին:
   • Տեղադրեք ջերմաստիճանի զոնդը լուծույթի մեջ սոնոտրոդին մոտ, բայց ոչ անմիջական շփման մեջ: Սա թույլ է տալիս օգտագործել ձայնային սարքի ինտեգրված ջերմաստիճանի վերահսկումը:
   • Սահմանեք ամպլիտուդը 100%:
3. ուլտրաձայնային պոլիմերացում
   • Նուրբ համասեռացումը պահպանելու համար սկսեք հարել 100–200 ռ/րոպե արագությամբ:
   • Սկսեք հնչյունավորումը համապատասխան ամպլիտուդի կարգավորումից՝ 6,5 րոպեով ապահովելու համար ~56 Վտ/սմ²:
   • Պահպանեք լուծույթի ջերմաստիճանը 37°C-ում: Եթե խառնուրդը սկսում է տաքանալ, ավելացրեք հովացուցիչ նյութի հոսքը կամ սառույցը ավելացրեք ջրային բաղնիքում:
   • Գելացումը սովորաբար սկսվում է 5-6 րոպեի ընթացքում: Մածուցիկությունը կտրուկ կբարձրանա։
   • Եթե ժելավորումը տեղի է ունենում 6,5 րոպեից առաջ, դադարեցրեք ձայնային արտանետումը, որպեսզի խուսափեք ավելորդ խաչմերուկից կամ քայքայումից:
4. Հետմշակում և մաքրում
   • Անմիջապես տեղափոխեք գելը 200 մլ դեիոնացված ջրի մեջ՝ ուժեղ խառնման տակ, որպեսզի դուրս ցնդի չազդող մոնոմերը և գլիցերինը:
   • Խառնել 30 րոպե, այնուհետև ցողել սուպերնատենտը կամ զտել:
   • Կրկնել լվացումը ևս 3 անգամ՝ օգտագործելով տաք ջուր (~60 °C)՝ ավելի լավ տարածման համար:
   • Գելը չորացրեք վակուումի տակ 60°C ջերմաստիճանում 8 ժամ, կամ լիոֆիլացրեք ծակոտկեն կառուցվածքների համար:

 
Արդյունքը՝ կենսահամատեղելի հիդրոգել
Դուք պետք է ստանաք թափանցիկ, ամուր հիդրոգել՝ բարձր փոխակերպմամբ (~70–75%), գերազանց խաչաձև կապով և նվազագույն մնացորդային մոնոմերով: Հիդրոգելը կդիմանա ջրում լուծարվելուն և չորանալուց հետո կցուցաբերի միատեսակ կառուցվածք:

 
Ծանոթագրություններ գործընթացի օպտիմալ կառավարման համար

Scale-Up. գծային և պարզ՝ Sonication-ով

Մի ոլորտում, որն ավելի ու ավելի է պահանջում ճշգրտություն, մաքրություն և մասշտաբայնություն, այս ուլտրաձայնային մեթոդն առաջարկում է համոզիչ այլընտրանք: Այն տարածականորեն կառավարելի է, կարգավորելի է իրական ժամանակում և համատեղելի է շարունակական մշակման հետ՝ օգտագործելով ժամանակակից ուլտրաձայնային ներգծային համակարգեր:
Hielscher Ultrasonics-ի սոնիկատորները ճշգրիտ ամպլիտուդներ և մասշտաբներ են ապահովում լաբորատորիայից մինչև արտադրական մասշտաբ՝ դրանք դարձնելով իդեալական նման հիդրոգելային համակարգերը իրական աշխարհի թերապևտիկ և ախտորոշիչ կիրառությունների թարգմանելու համար:

Դիզայն, արտադրություն և խորհրդատվություն – Որակյալ Արտադրված է Գերմանիայում

Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը հայտնի են իրենց բարձր որակի և դիզայնի չափանիշներով: Հզորությունը և հեշտ շահագործումը թույլ են տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի սահուն ինտեգրումը արդյունաբերական օբյեկտներում: Կոպիտ պայմանները և պահանջկոտ միջավայրերը հեշտությամբ կառավարվում են Hielscher ուլտրաձայնային սարքերի կողմից:

Hielscher Ultrasonics-ը ISO սերտիֆիկացված ընկերություն է և հատուկ շեշտադրում է կատարում բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային սարքերի վրա, որոնք բնութագրվում են ժամանակակից տեխնոլոգիաներով և օգտագործողների համար հարմարավետությամբ: Իհարկե, Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը համապատասխանում են ԵԽ-ին և համապատասխանում են UL, CSA և RoH-ների պահանջներին:

Ստորև բերված աղյուսակը ցույց է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորությունը.