ハイドロゲルの超音波重合：プロトコー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ヒドロゲルを合成するための、ラジカルフリー、開始剤フリーのアプローチを提供する。この方法は、キャビテーションによる超音波化学的ラジカル発生を利用したもので、開始剤の残留を避けなければならないバイオメディカル用途に理想的である。

ハイドロゲルは3次元の親水性ポリマーネットワークであり、架橋されたポリマー鎖から生じる構造的完全性を維持しながら、大量の水を保持することができる。その物理化学的特性（膨潤挙動、機械的強度、生体適合性）は、薬物送達、組織工学、創傷治癒などの生物医学的応用に非常に魅力的である。

超音波ハイドロゲル重合の利点

従来、ハイドロゲル合成は熱架橋、光化学架橋、または化学架橋に頼ってきたが、超音波ハイドロゲル合成は、超音波処理法が試薬を使用しない簡便で、調整可能な、より環境に優しいアプローチを提供することから、大きな支持を得ている。超音波ハイドロゲル合成は、音響キャビテーションを用いて重合を促進し、外部開始剤を必要とせずに物理的または化学的架橋を行う。注目すべきは、超音波照射はin situナノ粒子分散や水性媒体中でのラジカル反応を促進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製造する汎用性の高いツールであるということである。

上のビデオクリップはハイドロゲルの超音波合成を示している。 ソニケーターUP50Hを使用して と低分子量ゲル化剤からなる。その結果、自己修復性の超分子ハイドロゲルが得られた。(研究・動画：Rutgeerts et al.）
 

超音波処理による生体適合性ハイドロゲル

クリーンかつ安全に、オンデマンドで形成できる生体適合性ハイドロゲルの探求において、従来の重合戦略はしばしば不十分であった。Cass博士らの研究は、この問題に対する効果的な解決策を提示している。それは、低周波超音波を用いた、重合開始剤を使わないクリーンなハイドロゲル合成法である。

この研究では、さまざまな水溶性モノマーの超音波重合について検討されたが、特に効率的で堅牢な処方として際立っていたのが、70％グリセリン-水中の5％デキストランメタクリレート（Dex-MA）溶液であり、56W/cm²という中程度の強度の超音波下で重合された。驚くべきことに、このシステムはわずか6.5分で完全に形成されたハイドロゲルを生成し、モノマーからポリマーへの転化率は72％を達成した。

音響キャビテーション： この方法の原理は、強力かつ過渡的な現象である音響キャビテーションに基づいている。超音波を照射すると、液体中に微細な気泡が形成され、激しく崩壊し、局所的なホットスポットが発生する。このような条件が溶媒分子のホモ溶解切断を誘発し、反応性ラジカルのバーストを発生させる。外部重合開始剤や熱に依存する従来の重合とは異なり、超音波は重合を開始するのに必要なエネルギーとラジカルの両方を、生理学的に適切なバルク温度を超えることなく供給する。

共溶媒： 共溶媒としてグリセロールを選択したのは、決して偶然ではない。キャビテーション強度を高めるために重要な要素である溶液の粘度を高めるだけでなく、グリセロール自体がラジカル共供与体として作用する。グリセロールの水酸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、これによりラジカルの寿命が延び、鎖の伝播が促進される。さらに、グリセロールに富む粘性の高い環境は、新生ポリマー鎖を捕捉し、溶解度を低下させ、より希薄な水系で起こりうる超音波劣化から保護するのに役立つ。

超音波重合： 重合の進行を特徴づけるために、研究者らは赤外分光法を用い、Dex-MA上のビニル基の減少を経時的に追跡した。C=C二重結合を示す1635cm-¹の吸収は超音波処理中に急速に減少したが、1730cm-¹のエステルカルボニル伸縮は一定で、内部参照として機能した。これらのデータから、迅速なビニル変換だけでなく、低い膨潤比と強固なゲル構造から明らかなように、高度な架橋も確認された。

分析する： 走査型電子顕微鏡は、ゲルの微細構造の進化をさらに明らかにした。初期段階では、ネットワークは大きく開いた孔を有していたが、超音波処理を続けると、孔はより緻密な二次構造で満たされた。15分後までには、ハイドロゲルは均質に架橋された形態となり、細孔は緊密に連結していた。

結果 熱フリーラジカル開始剤で作られたハイドロゲルと比較すると、その違いは顕著であった。熱的に同様の変換が達成できたが、得られたネットワークはより多孔性で、均一性が低く、高い膨潤比を示した。さらに、熱プロセスは、窒素パージ、化学添加剤、高温を必要としたが、超音波アプローチは、わずか37℃の周囲温度で機能した。

おそらくこの研究で最も興味深い点は、超音波を止めた後でも重合が継続するという観察結果であろう。このゲルは、超音波照射の停止後30分以上にわたって硬化を続け、強度を増加させた。このことは、超音波処理中に形成された持続的なラジカル種や中間構造が、それ以上のエネルギー入力がなくてもポリマー鎖を伝播し続ける可能性を示唆している。

超音波ハイドロゲル製造の利点についてもっと知る！

プロトコルソニケーターによるデキストランメタクリレート（Dex-MA）ハイドロゲルの超音波合成

共有結合で架橋したDex-MAハイドロゲルを合成するために、高強度低周波超音波をグリセロール/水溶液に結合させる。温度と超音波エネルギー密度は精密に制御される。
以下に、ラボスケールでの超音波ハイドロゲル合成の手順を示す。

設備と材料

設備

• Hielscher UP200Ht 超音波プロセッサ（200 W、26 kHz）
• ソノトロード S26d2（先端径：2mm、小容量用として推奨）
• 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
• 循環水浴（37℃にサーモスタット制御）
• 温度プローブPT100（UP200Htの納入品目に含まれる）
• マグネチックスターラー
• 分析天秤（±0.1mg）
• 真空オーブンまたは凍結乾燥機

化学物質

• デキストランメタクリレート（Dex-MA）、～20％メタクリル化
• グリセロール、99.5%以上（無水）
• 脱イオン水

試薬はすべて分析グレードのものを使用する。酸素の多い環境を避け、可能であれば溶媒を脱気する。

ステップバイステップの手順超音波ハイドロゲル重合

1. 重合混合物の調製
   • 0.75gのDex-MAを50mLのジャケット付き反応容器に秤量する。
   • 10.5gのグリセロールと3.75gの脱イオン水を加える。
   • 混合物を室温（～22℃）で5～10分間磁気撹拌し、Dex-MAを完全に溶解させる。わずかに粘性のある均一な溶液が得られるはずである。
   • ウォーターバスを37℃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つ。
2. ソニッケーターのセットアップ
   • S26d2 ソノトロードを UP200Ht に取り付け、しっかりと固定します。
   • ソノトロードの先端を反応混合液に浸す。容器の壁や底に触れないようにする。
   • 温度プローブは溶液中でソノトロードの近くに置くが、直接接触させない。これにより、ソニケーターの内蔵温度制御を使用することができます。
   • 振幅を100％に設定する。
3. 超音波重合
   • 100～200rpmで攪拌を開始し、穏やかな均質化を維持する。
   • 適切な振幅設定で超音波処理を開始し、～56W/cm² を6.5分間照射する。
   • 溶液の温度を終始37℃に保つ。混合液が熱を持ち始めたら、冷却液の流量を増やすか、ウォーターバスに氷を加える。
   • ゲル化は通常5～6分以内に始まる。粘度は急激に上昇する。
   • 6.5分より前にゲル化が生じた場合は、過度の架橋や分解を避けるため、超音波処理を中止する。
4. 後処理と精製
   • ゲルを直ちに200mLの脱イオン水に移し、激しく攪拌しながら未反応のモノマーとグリセロールを溶出させる。
   • 30分間攪拌した後、上清をデカントするかフィルターにかける。
   • 拡散を改善するために、温水（～60℃）でさらに3回洗浄を繰り返す。
   • ゲルを60℃で8時間真空乾燥するか、多孔質構造の場合は凍結乾燥する。

 
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、最小限の残留モノマーを持つ、透明で強固なハイドロゲルを得る必要があります。ハイドロゲルは水に溶けにくく、乾燥時に均一な構造を示す。

 
最適なプロセス制御のための注意事項

スケールアップソニケーションでリニアかつシンプルに

精密さ、純度、スケーラビリティがますます要求されるこの分野において、この超音波法は説得力のある選択肢を提供する。空間的に制御可能で、リアルタイムで調整でき、最新の超音波インライン・システムを使った連続処理にも対応できる。
Hielscher Ultrasonicsのソニケーターは、正確な振幅を提供し、実験室から生産規模までリニアに拡張できるため、このようなハイドロゲルシステムを実際の治療や診断用途に応用するのに理想的です。

デザイン、製造、コンサルティング – 品質 ドイツ製

Hielscher社の超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。頑丈で操作が簡単なため、産業設備にスムーズに組み込むことができます。過酷な条件や厳しい環境でも、Hielscherの超音波装置は容易に対応できます。

Hielscher Ultrasonics社は、ISO認証取得企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波振動子に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：