Sintesi a ultrasuoni di polimeri a impronta molecolare (MIP)

I polimeri a impronta molecolare (MIP) sono recettori progettati artificialmente con una selettività e una specificità predeterminate per una determinata struttura di molecola biologica o chimica. Gli ultrasuoni possono migliorare vari percorsi di sintesi dei polimeri a impronta molecolare, rendendo la polimerizzazione più efficiente e affidabile.

Cosa sono i polimeri a impronta molecolare?

Un polimero a impronta molecolare (MIP) è un materiale polimerico con caratteristiche di riconoscimento simili a quelle di un anticorpo, prodotto con la tecnica dell'imprinting molecolare. La tecnica di imprinting molecolare produce un polimero a impronta molecolare in relazione a una specifica molecola bersaglio. Il polimero a impronta molecolare presenta cavità nella sua matrice polimerica con un'affinità per la specifica molecola bersaglio. “modello” molecola. Il processo di solito prevede l'avvio della polimerizzazione dei monomeri in presenza di una molecola modello che viene successivamente estratta, lasciando dietro di sé cavità complementari. Questi polimeri hanno affinità per la molecola originale e sono stati utilizzati in applicazioni quali separazioni chimiche, catalisi o sensori molecolari. Le molecole a impronta molecolare possono essere paragonate a una serratura molecolare che corrisponde a una chiave molecolare (la cosiddetta molecola modello). I polimeri a impronta molecolare (MIP) sono caratterizzati da siti di legame specificamente personalizzati che corrispondono alle molecole modello per forma, dimensioni e gruppi funzionali. La "serratura – La caratteristica "chiave" consente di utilizzare i polimeri a impronta molecolare per varie applicazioni, in cui un tipo specifico di molecola viene riconosciuto e attaccato al blocco molecolare, cioè al polimero a impronta molecolare.

L'illustrazione schematica mostra il percorso di imprinting molecolare delle ciclodestrine per la preparazione di recettori su misura.
Studio e immagine: Hishiya et al. 2003

I polimeri a impronta molecolare (MIP) hanno un ampio campo di applicazione e sono utilizzati per separare e purificare specifiche molecole biologiche o chimiche, tra cui aminoacidi e proteine, derivati nucleotidici, sostanze inquinanti, nonché farmaci e alimenti. Le aree di applicazione vanno dalla separazione e purificazione ai sensori chimici, alle reazioni catalitiche, alla somministrazione di farmaci, agli anticorpi biologici e ai sistemi recettoriali. (cfr. Vasapollo et al. 2011)
Ad esempio, la tecnologia MIP viene utilizzata come tecnica di microestrazione in fase solida per operare e purificare le molecole derivate dalla cannabis, come il CBD o il THC, dall'estratto a spettro completo per ottenere isolati e distillati di cannabinoidi.

Sintesi a ultrasuoni di molecole a impronta molecolare

A seconda del tipo di target (template) e dell'applicazione finale del MIP, i MIP possono essere sintetizzati in diversi formati, come particelle sferiche di dimensioni nano e micron, nanofili, nano-rod, nano-filamenti o film sottili. Per produrre una forma specifica di MIP, si possono applicare diverse tecniche di polimerizzazione, come l'imprinting in massa, la precipitazione, la polimerizzazione in emulsione, la sospensione, la dispersione, la gelificazione e la polimerizzazione di rigonfiamento in più fasi.
L'applicazione di ultrasuoni a bassa frequenza e alta intensità offre una tecnica altamente efficiente, versatile e semplice per sintetizzare nanostrutture polimeriche.
La sonicazione offre diversi vantaggi nella sintesi di MIP rispetto ai processi di polimerizzazione tradizionali, in quanto promuove tassi di reazione più elevati, una crescita più omogenea delle catene polimeriche, rese più elevate e condizioni più blande (ad esempio, bassa temperatura di reazione). Inoltre, può alterare la distribuzione della popolazione dei siti di legame e quindi la morfologia del polimero finale. (Svenson 2011)
Applicando l'energia sonica alla polimerizzazione dei MIP, le reazioni di polimerizzazione vengono avviate e influenzate positivamente. Contemporaneamente, la sonicazione favorisce un efficace degassamento della miscela polimerica senza sacrificare la capacità di legame o la rigidità.
L'omogeneizzazione, la dispersione e l'emulsionamento a ultrasuoni offrono una miscelazione e un'agitazione superiori per formare sospensioni omogenee e fornire energia di iniziazione per i processi di polimerizzazione. Viveiros et al. (2019) hanno studiato il potenziale della sintesi MIP a ultrasuoni e affermano che "i MIP preparati a ultrasuoni hanno presentato proprietà leganti simili o superiori ai metodi convenzionali".
I MIP in formato nano aprono promettenti possibilità di migliorare l'omogeneità dei siti di legame. L'ultrasuonoterapia è nota per i suoi risultati eccezionali nella preparazione di nanodispersioni e nanoemulsioni.

Polimerizzazione a ultrasuoni di nano-emulsione

I MIP possono essere sintetizzati mediante polimerizzazione in emulsione. La polimerizzazione in emulsione si ottiene comunemente formando un'emulsione olio-acqua con l'aggiunta di un tensioattivo. Per formare un'emulsione stabile e di dimensioni nanometriche, è necessaria una tecnica di emulsionamento ad alte prestazioni. L'emulsificazione a ultrasuoni è una tecnica consolidata per preparare nano- e mini-emulsioni.
Per saperne di più sulla nano-emulsificazione a ultrasuoni!

Gli ultrasuoni possono migliorare le seguenti vie di sintesi per la produzione di nanoMIP: polimerizzazione per precipitazione, polimerizzazione in emulsione e polimerizzazione core-shell.
Studio e immagine di: Refaat et al. 2019

Estrazione a ultrasuoni della sagoma

Dopo la sintesi dei polimeri a impronta molecolare, il template deve essere rimosso dal sito di legame per ottenere un polimero a impronta molecolare attivo. Le intense forze di miscelazione della sonicazione favoriscono la solubilità, la diffusività, la penetrazione e il trasporto delle molecole di solvente e di template. In questo modo, i template vengono rapidamente rimossi dai siti di legame.
L'estrazione a ultrasuoni può anche essere combinata con l'estrazione Soxhlet per rimuovere il template dal polimero impresso.

Casi di studio: Applicazioni a ultrasuoni per polimeri a impronta molecolare

Sintesi a ultrasuoni di polimeri a impronta molecolare

L'incapsulamento di nanoparticelle magnetiche da parte di polimeri a impronta di 17β-estradiolo, utilizzando una via di sintesi a ultrasuoni, consente di ottenere una rapida rimozione del 17β-estradiolo dagli ambienti acquosi. Per la sintesi a ultrasuoni dei nanoMIP è stato utilizzato l'acido metacrilico (MAA) come monomero, l'etilenglicole dimetilacrilato (EGDMA) come reticolante e l'azobisobutirronitrile (AIBN) come iniziatore. La procedura di sintesi a ultrasuoni è stata condotta per 2 ore a 65ºC. I diametri medi delle particelle dei NIP magnetici e dei MIP magnetici erano rispettivamente di 200 e 300 nm. L'uso degli ultrasuoni non solo ha migliorato la velocità di polimerizzazione e la morfologia delle nanoparticelle, ma ha anche portato a un aumento del numero di radicali liberi, facilitando così la crescita dei MIP intorno alle nanoparticelle magnetiche. La capacità di adsorbimento del 17β-estradiolo è stata paragonabile a quella degli approcci tradizionali. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019].

Ultrasuoni per sensori a impronta molecolare

Yu et al. hanno progettato un sensore elettrochimico a impronta molecolare basato su elettrodi modificati con nanoparticelle di nichel per la determinazione del fenobarbital. Il sensore elettrochimico riportato è stato sviluppato mediante polimerizzazione termica con l'uso di acido metacrilico (MAA) come monomero funzionale, 2,2-azobisobutirronitrile (AIBN) e acrilato di etilenglicole maleico rosinato (EGMRA) come agente reticolante, fenobarbitali (PB) come molecola modello e dimetilsolfossido (DMSO) come solvente organico. Nel processo di fabbricazione del sensore, 0,0464 g di PB e 0,0688 g di MAA sono stati miscelati in 3 ml di DMSO e sonicati per 10 minuti. Dopo 5 ore, 1,0244 g di EGMRA e 0,0074 g di AIBN sono stati aggiunti alla miscela e sonicati per 30 minuti per ottenere soluzioni di polimeri impressi nel PB. Successivamente, sono stati aggiunti 10 μL di 2,0 mg mL^-1La soluzione di nanoparticelle di Ni è caduta sulla superficie del GCE e il sensore è stato poi essiccato a temperatura ambiente. Circa 5 μL della soluzione polimerica PB-imprinted preparata sono stati quindi spalmati sul GCE modificato con nanoparticelle di Ni ed essiccati sotto vuoto a 75◦C per 6 h. Dopo la polimerizzazione termica, il sensore imprinted è stato lavato con (acido acetico) HAc/metanolo (rapporto in volume, 3:7) per 7 min per rimuovere le molecole del template. (cfr. Uygun et al. 2015)

Microestrazione a ultrasuoni con i MIP

Per recuperare le analisi della nicotinamide dai campioni, è stata applicata una microestrazione in fase solida dispersiva assistita da ultrasuoni seguita da spettrofotometro UV-vis (UA-DSPME-UV-vis). Per l'estrazione e la preconcentrazione della nicotinamide (vitamina B3), sono stati utilizzati polimeri a impronta molecolare basati su HKUST-1 metal organic framework (MOF). (Asfaram et al. 2017)

Ultrasuonatori ad alte prestazioni per applicazioni su polimeri

Dal laboratorio alla produzione con scalabilità lineare: I polimeri a impronta molecolare specificamente ingegnerizzati vengono dapprima sviluppati e testati su piccola scala in laboratorio e al banco, per studiare la fattibilità della sintesi del polimero. Se la fattibilità e l'ottimizzazione dei MIP sono state raggiunte, la produzione di MIP viene scalata a volumi maggiori. I percorsi di sintesi a ultrasuoni possono essere scalati linearmente dal banco di prova alla produzione commerciale completa. Hielscher Ultrasonics offre apparecchiature per la sintesi di polimeri in piccoli laboratori e banchi di prova, fino a sistemi a ultrasuoni in linea completamente industriali per la produzione a pieno carico 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Gli ultrasuoni possono essere scalati linearmente dalle dimensioni della provetta alle grandi capacità produttive di camionate all'ora. L'ampia gamma di prodotti di Hielscher Ultrasonics, dai sistemi di laboratorio a quelli industriali, offre l'ultrasuonatore più adatto alla capacità di processo prevista. Il nostro personale di lunga esperienza vi assisterà dai test di fattibilità e dall'ottimizzazione del processo fino all'installazione del vostro sistema a ultrasuoni a livello di produzione finale.

Hielscher Ultrasonics – Sofisticata apparecchiatura per la sonotecnica

Il portafoglio prodotti di Hielscher Ultrasonics copre l'intera gamma di estrattori a ultrasuoni ad alte prestazioni, dalla piccola alla grande scala. Gli accessori aggiuntivi consentono di assemblare facilmente la configurazione di dispositivi a ultrasuoni più adatta al vostro processo. La configurazione ottimale degli ultrasuoni dipende dalla capacità prevista, dal volume, dal materiale, dal processo in batch o in linea e dalla tempistica. Hielscher vi aiuta a configurare il processo ecochimico ideale.

Batch e Inline

Gli ultrasuonatori Hielscher possono essere utilizzati per il trattamento in batch e in flusso continuo. I volumi di piccole e medie dimensioni possono essere sonicati comodamente in un processo batch (ad esempio, fiale, provette, becher, serbatoi o barili). Per la lavorazione di grandi volumi, la sonicazione in linea potrebbe essere più efficace. Mentre il dosaggio è più dispendioso in termini di tempo e manodopera, un processo di miscelazione continua in linea è più efficiente, più rapido e richiede una manodopera notevolmente inferiore. Hielscher Ultrasonics ha la configurazione di estrazione più adatta alla reazione di polimerizzazione e al volume del processo.

Sonde a ultrasuoni per ogni capacità di prodotto

La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics copre l'intero spettro dei processori a ultrasuoni, dai compatti ultrasuoni da laboratorio ai sistemi da banco e pilota, fino ai processori a ultrasuoni completamente industriali con la capacità di lavorare carichi di camion all'ora. L'intera gamma di prodotti ci permette di offrirvi l'apparecchiatura a ultrasuoni più adatta ai vostri polimeri, alla capacità di processo e agli obiettivi di produzione.
I sistemi da banco a ultrasuoni sono ideali per le prove di fattibilità e l'ottimizzazione dei processi. Lo scale-up lineare basato sui parametri di processo stabiliti rende molto facile aumentare le capacità di lavorazione da lotti più piccoli alla produzione commerciale completa. L'up-scaling può essere effettuato installando un'unità di estrazione a ultrasuoni più potente o raggruppando più ultrasuoni in parallelo. Con il modello UIP16000, Hielscher offre l'unità a ultrasuoni più potente al mondo.

Ampiezze controllabili con precisione per risultati ottimali

Tutti gli ultrasuonatori Hielscher sono controllabili con precisione e quindi affidabili nella produzione. L'ampiezza è uno dei parametri di processo cruciali che influenzano l'efficienza e l'efficacia delle reazioni stereo-chimiche, comprese le reazioni di polimerizzazione e le vie di sintesi.
Tutti gli ultrasuoni Hielscher’ I processori consentono di impostare con precisione l'ampiezza. I sonotrodi e le trombe di rinforzo sono accessori che consentono di modificare l'ampiezza in un intervallo ancora più ampio. I processori industriali a ultrasuoni di Hielscher sono in grado di fornire ampiezze molto elevate e di fornire l'intensità ultrasonica richiesta per le applicazioni più complesse. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
Le impostazioni precise dell'ampiezza e il monitoraggio permanente dei parametri del processo a ultrasuoni tramite un software intelligente consentono di sintetizzare i polimeri a impronta molecolare con le condizioni ultrasoniche più efficaci. Sonicazione ottimale per i migliori risultati di polimerizzazione!
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili. Ciò rende le apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher uno strumento di lavoro affidabile, in grado di soddisfare le esigenze dei vostri processi elettrochimici.

Test facili e senza rischi

I processi a ultrasuoni possono essere scalati in modo completamente lineare. Ciò significa che ogni risultato ottenuto con un ultrasuonatore da laboratorio o da banco può essere scalato esattamente allo stesso risultato utilizzando gli stessi parametri di processo. Ciò rende l'ultrasonicazione ideale per la verifica di fattibilità senza rischi, l'ottimizzazione dei processi e la successiva implementazione nella produzione commerciale. Contattateci per scoprire come la sonicazione può aumentare la resa e la qualità dei vostri MIP.

Massima qualità – Progettato e prodotto in Germania

In quanto azienda a conduzione familiare, Hielscher dà priorità ai più alti standard di qualità per i suoi processori a ultrasuoni. Tutti gli ultrasuoni sono progettati, prodotti e testati a fondo nella nostra sede centrale di Teltow, vicino a Berlino, in Germania. La robustezza e l'affidabilità delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher ne fanno un cavallo di battaglia nella vostra produzione. Il funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, a pieno carico e in ambienti difficili è una caratteristica naturale dei miscelatori ad alte prestazioni di Hielscher.

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:

È possibile acquistare processori a ultrasuoni Hielscher di qualsiasi dimensione e configurati esattamente in base alle esigenze del processo. Dal trattamento dei reagenti in una piccola provetta da laboratorio alla miscelazione continua di impasti polimerici a livello industriale, Hielscher Ultrasonics offre il processore a ultrasuoni adatto a voi! Contattateci – siamo lieti di consigliarvi la configurazione ad ultrasuoni ideale!