ハイドロゲルの超音波重合：プロトコルとスケールアップ

超音波誘起重合は、水溶性ビニルモノマーおよびマクロモノマーからハイドロゲルを合成するための、ラジカルも開始剤も使用しないアプローチを提供します。この方法は、キャビテーションによるラジカルのソノケミカル生成を利用しており、開始剤の残留を避けなければならない生物医学用途に理想的です。

ハイドロゲルは、構造の完全性を維持しながら大量の水を保持できる、三次元の親水性ポリマーネットワークです – この特性は、架橋されたポリマー鎖に由来します。その物理化学的特性 – 膨潤挙動、機械的強度、生体適合性 – により、薬物送達、組織工学、創傷治癒などの生物医学用途に非常に魅力的な材料となっています。

ハイドロゲルの超音波重合の利点

従来、ハイドロゲルの合成は熱的、光化学的、または化学的な架橋に依存してきました。しかし、超音波処理は、試薬を使用せず、調整可能で、より環境に配慮した簡便なアプローチを提供するため、超音波によるハイドロゲル合成が大きな注目を集めています。超音波によるハイドロゲル合成では、音響キャビテーションを利用して、外部からの開始剤を必要とせずに重合および物理的または化学的な架橋を促進します。特に、超音波処理は、その場でのナノ粒子分散を促進したり、水性媒体中でラジカル反応を開始したりすることもできるため、温和な条件下で多機能ハイドロゲルやナノコンポジットハイドロゲルを作製するための汎用性の高い手法です。

上の動画では、ハイドロゲルを 超音波処理装置 UP50H および低分子量ゲル化剤を用いて超音波合成する様子を示しています。得られるのは、自己修復性を持つ超分子ハイドロゲルです。（研究および動画：Rutgeerts et al., 2019）
 

超音波処理による生体適合性ハイドロゲル

清浄かつ安全に、必要に応じて形成できる生体適合性ハイドロゲルを実現するうえで、従来の重合手法では十分な結果が得られないことがよくあります。Cassらの研究は、この問題に対する効果的な解決策を示しています。それは、低周波超音波を用い、開始剤を使用せずにハイドロゲルを清浄に合成する方法です。

この研究では、さまざまな水溶性モノマーのソノケミカル重合が検討されましたが、特に効率と確実性に優れた配合がありました。それは、70%グリセロール水溶液中の5%メタクリル酸デキストラン（Dex-MA）溶液を、56 W/cm²という中程度の超音波強度で重合させるものです。注目すべきことに、この系ではわずか6.5分でハイドロゲルが完全に形成され、モノマーからポリマーへの転化率は72%に達しました – これは、試験したすべての配合の中で最高の値です。

音響キャビテーション： この方法の作用原理は、強力でありながら一過性の現象である音響キャビテーションに基づいています。液体媒体に高出力超音波を照射すると、微小な気泡が形成されて激しく崩壊し、温度が一時的に5000ケルビンを超える場合もある局所的なホットスポットが発生します。この条件によって溶媒分子のホモリシスが誘起され、反応性ラジカルが一挙に生成されます。外部からの開始剤や熱に依存する従来の重合とは異なり、超音波は重合開始に必要なエネルギーとラジカルの両方を供給します – 液体全体の温度を生理学的に適切な範囲より高くすることなく実現できます。

共溶媒： 共溶媒としてグリセロールが選ばれたのは偶然ではありません。グリセロールは、キャビテーション強度を高めるために重要な因子である溶液の粘度を増加させるだけでなく、それ自体がラジカルの供与にも寄与します。そのヒドロキシ基は比較的安定な二級ラジカルを生成することが知られており、これによってラジカルの寿命が延び、鎖の成長が促進されます。さらに、グリセロールを多く含む粘性の高い環境は、生成直後のポリマー鎖を捕捉するのに役立ち、その溶解性を低下させ、より希薄な水性系で起こり得る超音波による分解から保護します。

超音波重合： 重合の進行を評価するため、研究者らは赤外分光法を用いて、Dex-MA上のビニル基が時間とともに減少する様子を追跡しました。C=C二重結合を示す1635 cm⁻¹の特徴的な吸収は超音波処理中に急速に減少した一方、1730 cm⁻¹のエステルカルボニル伸縮振動は一定に保たれ、内部基準として機能しました。これらのデータは、ビニル基の急速な転化に加え、低い膨潤比と強固なゲル構造によって裏付けられる高い架橋度も確認しました。

分析： 走査電子顕微鏡観察により、ゲルの微細構造の変化も明らかになりました。初期段階では、ネットワークに大きな開放孔が見られましたが、超音波処理を継続すると、これらの孔はより緻密な二次構造で埋められました。15分までに、ハイドロゲルは孔が密接に相互接続した均一な架橋形態を示しました – これは、良好に形成された生物医学用ゲルの特徴です。

結果： 熱によって活性化されるフリーラジカル開始剤を用いて製造したハイドロゲルと比較すると、顕著な違いが見られました。熱による方法でも同程度の転化率を達成できましたが、得られたネットワークはより多孔質で、均一性が低く、膨潤比が高くなりました – これらは、より疎な架橋構造を示す兆候です。さらに、熱によるプロセスでは窒素パージ、化学添加剤、より高い温度が必要だった一方、超音波によるアプローチはわずか37°Cの周囲温度で機能しました。

この研究でおそらく最も興味深い点は、超音波を停止した後も重合が継続し得るという観察結果です。超音波処理の停止後、ゲルは30分間にわたって硬化を続け、強度が増加しました。これは、超音波処理中に形成された持続性ラジカル種や中間構造が、さらなるエネルギー供給なしでもポリマー鎖の成長を継続する可能性を示唆しています – この挙動は、生体内用途に役立つ可能性があります。

超音波によるハイドロゲル製造の利点について詳しくご覧ください！

プロトコル：超音波処理装置を用いたメタクリル酸デキストラン（Dex-MA）ハイドロゲルの超音波合成

共有結合で架橋されたDex-MAハイドロゲルを合成するため、高強度・低周波の超音波をグリセロール／水溶液に結合させます。温度と超音波エネルギー密度を精密に制御します。
以下では、実験室規模でのハイドロゲルの超音波合成手順を示します。この手順は、大量製造へと線形にスケールアップできます。

装置および材料

装置

• Hielscher UP200Ht 超音波処理装置（200 W, 26 kHz）
• ソノトロード S26d2（先端直径：2 mm；少量処理に推奨）
• ジャケット付き反応容器（50 mL）、マグネチックスターラー対応
• 循環式ウォーターバス（37°Cに恒温制御）
• 温度プローブ PT100（UP200Htの付属品）
• マグネチックスターラー
• 分析天秤（±0.1 mg）
• 真空乾燥機または凍結乾燥機

薬品

• メタクリル酸デキストラン（Dex-MA）、メタクリル化率~20%
• グリセロール、≥99.5%（無水）
• 脱イオン水

すべての試薬は分析用グレードを使用してください。酸素濃度の高い環境を避け、可能であれば溶媒を脱気してください。

段階別手順：ハイドロゲルの超音波重合

1. 重合混合液の調製
   • Dex-MAを0.75 g量り取り、50 mLのジャケット付き反応容器に入れます。
   • グリセロール10.5 gと脱イオン水3.75 gを加えます。
   • 室温（~22 °C）で混合液を5–10分間マグネチックスターラーで撹拌し、Dex-MAを完全に溶解させます。わずかに粘性のある均一な溶液が得られるはずです。
   • ウォーターバスを37 °Cに予熱し、ジャケット付き容器に接続して温度を一定に保ちます。
2. 超音波処理装置のセットアップ
   • S26d2ソノトロードをUP200Htに取り付け、確実に結合されていることを確認します。
   • ソノトロードの先端を反応混合液に浸します。容器の壁や底に触れないようにしてください。
   • 温度プローブを溶液中のソノトロードの近くに配置しますが、直接接触させないでください。これにより、超音波処理装置に内蔵された温度制御機能を使用できます。
   • 振幅を100%に設定します。
3. 超音波重合
   • 穏やかな均質化を維持するため、100–200 rpmで撹拌を開始します。
   • ~56 W/cm²を供給できる適切な振幅設定で超音波処理を開始し、6.5分間処理します。
   • 処理中は常に溶液温度を37°Cに維持します。混合液の温度が上昇し始めた場合は、冷却液の流量を増やすか、ウォーターバスに氷を加えます。
   • 通常、ゲル化は5–6分以内に始まります。粘度が急激に上昇します。
   • 6.5 minより前にゲル化が起きた場合は、過度の架橋や分解を避けるため、超音波処理を停止します。
4. 後処理および精製
   • 未反応モノマーとグリセロールを溶出させるため、激しく撹拌しながら、ゲルを直ちに200 mLの脱イオン水に移します。
   • 30分間撹拌した後、上澄みをデカンテーションで除去するか、ろ過します。
   • 拡散を促進するため、温水（~60 °C）を使用して、さらに3回洗浄を繰り返します。
   • ゲルを60°Cの真空下で8時間乾燥させるか、多孔質構造を得るために凍結乾燥します。

 
結果：生体適合性ハイドロゲル
高い転化率（~70–75%）、優れた架橋状態、最小限の残留モノマーを備えた、透明で強固なハイドロゲルが得られるはずです。このハイドロゲルは水への溶解に抵抗し、乾燥後には均一な構造を示します。

 
最適なプロセス制御のための注意事項

スケールアップ：超音波処理で線形かつ簡単に

精度、純度、スケーラビリティへの要求がますます高まる分野において、この超音波法は魅力的な代替手法を提供します。作用する位置を制御でき、リアルタイムで調整可能であり、最新の超音波インラインシステムを用いた連続処理にも対応しています。
Hielscher Ultrasonicsの超音波処理装置は正確な振幅を提供し、実験室規模から製造規模へと線形にスケールアップできます – そのため、このようなハイドロゲル系を実際の治療・診断用途へ展開するのに理想的です。

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscherの超音波処理装置は、最高水準の品質と設計基準でよく知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を産業設備に円滑に組み込むことができます。Hielscherの超音波処理装置は、過酷な条件や要求の厳しい環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置を特に重視しています。もちろん、Hielscherの超音波処理装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています。