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 molecolare biologica o chimica. Il trattamento a ultrasuoni può migliorare diversi percorsi di sintesi dei polimeri a impronta molecolare, rendendo la polimerizzazione più efficiente e affidabile.

Che cosa sono i polimeri a impronta molecolare?

Un polimero a impronta molecolare (MIP) è un materiale polimerico con caratteristiche di riconoscimento simili a quelle degli anticorpi, prodotto mediante la tecnica dell’imprinting molecolare. La tecnica dell’imprinting molecolare produce un polimero a impronta molecolare per una specifica molecola bersaglio. Il polimero a impronta molecolare presenta nella propria matrice polimerica cavità con affinità per la specifica molecola «stampo». Il processo prevede solitamente l’avvio della polimerizzazione dei monomeri in presenza di una molecola stampo, che viene successivamente estratta, lasciando 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 stampo). I polimeri a impronta molecolare (MIP) sono caratterizzati da siti di legame appositamente progettati che corrispondono alle molecole stampo per forma, dimensioni e gruppi funzionali. La caratteristica «serratura – chiave» consente di utilizzare i polimeri a impronta molecolare in varie applicazioni, nelle quali uno specifico tipo di molecola viene riconosciuto e si lega alla serratura molecolare, ossia 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 vengono utilizzati per separare e purificare specifiche molecole biologiche o chimiche, tra cui amminoacidi e proteine, derivati nucleotidici, inquinanti, nonché farmaci e alimenti. I campi di applicazione spaziano dalla separazione e purificazione ai sensori chimici, alle reazioni catalitiche, al rilascio 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 trattare e purificare molecole derivate dalla cannabis, come CBD o THC, dall’estratto a spettro completo, al fine di ottenere isolati e distillati di cannabinoidi.

Sintesi a ultrasuoni di molecole a impronta molecolare

A seconda del tipo di bersaglio (stampo) e dell’applicazione finale del MIP, i MIP possono essere sintetizzati in diverse forme, come particelle sferiche di dimensioni nanometriche e micrometriche, nanofili, nanobarre, nanofilamenti o film sottili. Per produrre una specifica forma di MIP, si possono applicare diverse tecniche di polimerizzazione, quali imprinting in massa, precipitazione, polimerizzazione in emulsione, sospensione, dispersione, gelificazione e polimerizzazione mediante rigonfiamento in più fasi.
L’applicazione di ultrasuoni a bassa frequenza e ad alta intensità offre una tecnica altamente efficiente, versatile e semplice per sintetizzare nanostrutture polimeriche.
Rispetto ai processi di polimerizzazione tradizionali, la sonicazione offre diversi vantaggi nella sintesi dei MIP, poiché favorisce velocità di reazione più elevate, una crescita più omogenea delle catene polimeriche, rese maggiori e condizioni più blande (ad esempio, una bassa temperatura di reazione). Inoltre, può modificare la distribuzione della popolazione dei siti di legame e, di conseguenza, la morfologia del polimero finale. (Svenson 2011)
Applicando energia sonochimica alla polimerizzazione dei MIP, le reazioni di polimerizzazione vengono avviate e influenzate positivamente. Contemporaneamente, la sonicazione favorisce un efficace degasaggio della miscela polimerica senza compromettere la capacità di legame o la rigidità.
L’omogeneizzazione, la dispersione e l’emulsificazione a ultrasuoni offrono una miscelazione e un’agitazione superiori per formare sospensioni omogenee e fornire l’energia di innesco per i processi di polimerizzazione. Viveiros et al. (2019) hanno studiato il potenziale della sintesi a ultrasuoni dei MIP e affermano che «i MIP preparati mediante ultrasuoni presentavano proprietà di legame simili o superiori a quelle ottenute con i metodi convenzionali».
I MIP in formato nanometrico aprono prospettive promettenti per migliorare l’omogeneità dei siti di legame. Il trattamento a ultrasuoni è ben noto per i suoi risultati eccezionali nella preparazione di nanodispersioni e nanoemulsioni.

Polimerizzazione in nanoemulsione mediante ultrasuoni

I MIP possono essere sintetizzati mediante polimerizzazione in emulsione. La polimerizzazione in emulsione si ottiene comunemente formando un’emulsione olio in acqua con l’aggiunta di un tensioattivo. Per formare un’emulsione stabile di dimensioni nanometriche, è necessaria una tecnica di emulsificazione ad alte prestazioni. L’emulsificazione a ultrasuoni è una tecnica consolidata per preparare nanoemulsioni e miniemulsioni.
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Gli ultrasuoni possono migliorare i seguenti percorsi di sintesi per la produzione di nanoMIP: polimerizzazione per precipitazione, polimerizzazione in emulsione e polimerizzazione nucleo-guscio.
Studio e immagine di: Refaat et al. 2019

Estrazione a ultrasuoni della molecola stampo

Dopo la sintesi dei polimeri a impronta molecolare, la molecola stampo deve essere rimossa dal sito di legame per ottenere un polimero a impronta molecolare attivo. Le intense forze di miscelazione generate dalla sonicazione favoriscono la solubilità, la diffusività, la penetrazione e il trasporto del solvente e delle molecole stampo. In questo modo, le molecole stampo vengono rimosse rapidamente dai siti di legame.
L’estrazione a ultrasuoni può anche essere combinata con l’estrazione Soxhlet per rimuovere la molecola stampo dal polimero a impronta.

Casi di studio: applicazioni degli ultrasuoni per i polimeri a impronta molecolare

Sintesi a ultrasuoni di polimeri a impronta molecolare

L’incapsulamento di nanoparticelle magnetiche con polimeri a impronta di 17β-estradiolo mediante un percorso di sintesi a ultrasuoni consente la rapida rimozione del 17β-estradiolo dagli ambienti acquosi. Per la sintesi a ultrasuoni dei nanoMIP, sono stati utilizzati acido metacrilico (MAA) come monomero, dimetacrilato di glicole etilenico (EGDMA) come reticolante e azobisisobutirronitrile (AIBN) come iniziatore. La procedura di sintesi a ultrasuoni è stata condotta per 2h 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 ha migliorato la velocità di polimerizzazione e la morfologia delle nanoparticelle e ha inoltre aumentato il numero di radicali liberi, facilitando così la crescita dei MIP attorno alle nanoparticelle magnetiche. La capacità di adsorbimento nei confronti del 17β-estradiolo era comparabile 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 descritto è stato sviluppato mediante polimerizzazione termica utilizzando acido metacrilico (MAA) come monomero funzionale, 2,2-azobisisobutirronitrile (AIBN) e acrilato di rosinato maleico di glicole etilenico (EGMRA) come agente reticolante, fenobarbitali (PB) come molecola stampo e dimetilsolfossido (DMSO) come solvente organico. Nel processo di fabbricazione del sensore, 0,0464g di PB e 0,0688g di MAA sono stati miscelati in 3 mL di DMSO e sottoposti a sonicazione per 10 min. Dopo 5 h, sono stati aggiunti alla miscela 1,0244g di EGMRA e 0,0074g di AIBN, quindi la miscela è stata sottoposta a sonicazione per 30 min per ottenere soluzioni di polimero a impronta di PB. Successivamente, 10 μL di soluzione a 2,0 mg mL^-1 di nanoparticelle di Ni sono stati depositati sulla superficie del GCE e il sensore è stato quindi asciugato a temperatura ambiente. Circa 5 μL della soluzione preparata di polimero a impronta di PB sono stati poi applicati come rivestimento sul GCE modificato con nanoparticelle di Ni e asciugati sotto vuoto a 75◦C per 6 h. Dopo la polimerizzazione termica, il sensore a impronta è stato lavato con HAc (acido acetico)/metanolo (rapporto volumetrico, 3:7) per 7 min per rimuovere le molecole stampo. (cfr. Uygun et al. 2015)

Microestrazione a ultrasuoni mediante MIP

Per recuperare gli analiti di nicotinammide dai campioni, si applica una microestrazione dispersiva in fase solida assistita da ultrasuoni, seguita da una misurazione con spettrofotometro UV-vis (UA-DSPME-UV-vis). Per l’estrazione e la preconcentrazione della nicotinammide (vitamina B3), sono stati utilizzati polimeri a impronta molecolare basati sulla struttura metallo-organica (MOF) HKUST-1. (Asfaram et al. 2017)

Sonicatori ad alte prestazioni per applicazioni con polimeri

Dal laboratorio alla produzione con scalabilità lineare: I polimeri a impronta molecolare appositamente progettati vengono inizialmente sviluppati e testati su piccola scala in laboratorio e con sistemi da banco, per verificare la fattibilità della sintesi del polimero. Una volta accertata la fattibilità e completata l’ottimizzazione dei MIP, la produzione dei MIP viene portata a volumi maggiori. Tutti i percorsi di sintesi a ultrasuoni possono essere scalati linearmente dai sistemi da banco alla produzione pienamente commerciale. Hielscher Ultrasonics offre apparecchiature sonochimiche per la sintesi dei polimeri su piccola scala in laboratorio e con sistemi da banco, fino a sistemi a ultrasuoni in linea completamente industriali per la produzione 24/7 a pieno carico. Il trattamento a ultrasuoni può essere scalato linearmente dalle dimensioni di una provetta fino a grandi capacità produttive pari a carichi di camion all’ora. L’ampio portafoglio di prodotti Hielscher Ultrasonics, dai sistemi sonochimici da laboratorio a quelli industriali, comprende il sonicatore più adatto alla capacità di processo prevista. Il nostro personale con molti anni di esperienza vi assisterà dai test di fattibilità e dall’ottimizzazione del processo fino all’installazione del vostro sistema a ultrasuoni sulla scala di produzione finale.

Hielscher Ultrasonics – Apparecchiature sonochimiche avanzate

Il portafoglio di prodotti 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 del dispositivo a ultrasuoni più adatta al vostro processo. La configurazione a ultrasuoni ottimale dipende dalla capacità prevista, dal volume, dal materiale, dal processo in batch o in linea e dalle tempistiche. Hielscher vi aiuta a configurare il processo sonochimico ideale.

In batch e in linea

I sonicatori Hielscher possono essere utilizzati per il trattamento in batch e a flusso continuo. Volumi piccoli e medi possono essere comodamente sottoposti a sonicazione in un processo in batch (ad esempio, in fiale, provette, becher, serbatoi o fusti). Per il trattamento di grandi volumi, la sonicazione in linea può essere più efficace. Mentre il trattamento in batch richiede più tempo e manodopera, un processo di miscelazione continua in linea è più efficiente, più rapido e richiede una quantità di manodopera significativamente inferiore. Hielscher Ultrasonics dispone della configurazione di estrazione più adatta alla vostra reazione di polimerizzazione e al volume del vostro processo.

Sonde a ultrasuoni per ogni capacità produttiva

La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics copre l’intero spettro dei processori a ultrasuoni, dai sonicatori compatti da laboratorio ai sistemi da banco e pilota, fino ai processori a ultrasuoni completamente industriali con la capacità di trattare carichi di camion all’ora. La gamma completa di prodotti ci consente di offrirvi l’apparecchiatura a ultrasuoni più adatta ai vostri polimeri, alla capacità del processo e agli obiettivi di produzione.
I sistemi a ultrasuoni da banco sono ideali per i test di fattibilità e l’ottimizzazione del processo. L’aumento di scala lineare basato su parametri di processo consolidati rende molto semplice aumentare le capacità di trattamento, dai lotti più piccoli alla produzione pienamente commerciale. L’aumento di scala può essere effettuato installando un’unità di estrazione a ultrasuoni più potente oppure raggruppando più sonicatori in parallelo. Con UIP16000, Hielscher offre l’unità a ultrasuoni più potente al mondo.

Ampiezze controllabili con precisione per risultati ottimali

Tutti i sonicatori Hielscher sono controllabili con precisione e costituiscono quindi strumenti di lavoro affidabili nella produzione. L’ampiezza è uno dei parametri di processo fondamentali che influenzano l’efficienza e l’efficacia delle reazioni sonochimiche, comprese le reazioni di polimerizzazione e i percorsi di sintesi.
Tutti i processori Hielscher Ultrasonics consentono di impostare con precisione l’ampiezza. I sonotrodi e gli amplificatori di ampiezza sono accessori che consentono di modificare l’ampiezza in un intervallo ancora più ampio. I processori industriali a ultrasuoni Hielscher possono generare ampiezze molto elevate e fornire l’intensità ultrasonica necessaria per applicazioni impegnative. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente mantenute in modo continuo durante il funzionamento 24/7.
L’impostazione precisa dell’ampiezza e il monitoraggio permanente dei parametri del processo a ultrasuoni mediante software intelligente vi consentono di sintetizzare i vostri polimeri a impronta molecolare nelle condizioni ultrasoniche più efficaci. Sonicazione ottimale per i migliori risultati di polimerizzazione!
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 in condizioni di lavoro gravose e in ambienti impegnativi. Questo rende le apparecchiature a ultrasuoni Hielscher strumenti di lavoro affidabili che soddisfano i requisiti del vostro processo sonochimico.

Test semplici e privi di rischi

I processi a ultrasuoni possono essere scalati in modo completamente lineare. Ciò significa che ogni risultato ottenuto utilizzando un sonicatore da laboratorio o da banco può essere riprodotto su scala maggiore con esattamente la stessa resa, utilizzando esattamente gli stessi parametri di processo. Questo rende il trattamento a ultrasuoni ideale per test di fattibilità privi di rischi, per l’ottimizzazione del processo e per la successiva implementazione nella produzione commerciale. Contattateci per scoprire come la sonicazione può aumentare la resa e la qualità dei vostri MIP.

Massima qualità – Progettati e fabbricati in Germania

Come azienda a proprietà e gestione familiare, Hielscher dà priorità ai più elevati standard di qualità per i propri processori a ultrasuoni. Tutti i sonicatori vengono progettati, fabbricati e accuratamente testati presso la nostra sede centrale a Teltow, vicino a Berlino, in Germania. La robustezza e l’affidabilità delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher le rendono strumenti di lavoro instancabili nella vostra produzione. Il funzionamento 24/7 a pieno carico e in ambienti impegnativi è una caratteristica naturale dei miscelatori ad alte prestazioni Hielscher.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

Potete acquistare un processore a ultrasuoni Hielscher di qualsiasi dimensione, configurato esattamente secondo i requisiti del vostro processo. Dal trattamento dei reagenti in una piccola provetta da laboratorio alla miscelazione a flusso continuo di sospensioni polimeriche su scala industriale, Hielscher Ultrasonics vi offre il sonicatore adatto! Contattateci – saremo lieti di consigliarvi la configurazione a ultrasuoni ideale!