分子インプリントポリマー（MIP）の超音波合成

分子インプリントポリマー（MIP）は、特定の生物学的または化学的な分子構造に対して、あらかじめ定められた選択性と特異性を持つよう人工的に設計された受容体です。超音波処理は、分子インプリントポリマーのさまざまな合成経路を改善し、重合の効率と信頼性を高めることができます。

分子インプリントポリマーとは？

分子インプリントポリマー（MIP）は、分子インプリンティング技術を用いて作製された、抗体に似た認識特性を持つ高分子材料です。分子インプリンティング技術では、特定の標的分子に対応する分子インプリントポリマーを作製します。分子インプリントポリマーの高分子マトリックスには、特定の「鋳型」分子に親和性を持つ空洞があります。このプロセスでは通常、鋳型分子の存在下でモノマーの重合を開始し、その後で鋳型分子を抽出して、相補的な空洞を残します。これらのポリマーは元の分子に親和性を持ち、化学的分離、触媒反応、分子センサーなどの用途に使用されてきました。分子インプリント分子は、分子の鍵（いわゆる鋳型分子）に適合する分子の錠に例えることができます。分子インプリントポリマー（MIP）は、鋳型分子の形状、サイズ、官能基に適合するよう特別に調整された結合部位を特徴とします。この「錠と鍵」の特性により、特定の種類の分子を認識して分子の錠、すなわち分子インプリントポリマーに結合させるさまざまな用途に、分子インプリントポリマーを使用できます。

模式図は、目的に合わせた受容体を作製するための、シクロデキストリンの分子インプリンティング経路を示しています。
研究および画像：Hishiya et al. 2003

分子インプリントポリマー（MIP）は幅広い用途を持ち、アミノ酸やタンパク質、ヌクレオチド誘導体、汚染物質、さらには医薬品や食品など、特定の生物学的または化学的な分子の分離・精製に使用されています。その用途は、分離・精製から化学センサー、触媒反応、薬物送達、生物学的な抗体および受容体システムにまで及びます。（参照：Vasapollo et al. 2011）
例えば、MIP技術は、カンナビノイドの単離物や蒸留物を得るために、フルスペクトラム抽出物中のCBDやTHCなどの大麻由来分子を処理・精製する固相マイクロ抽出技術として使用されています。

分子インプリント分子の超音波合成

標的（鋳型）の種類とMIPの最終用途に応じて、MIPはナノサイズおよびマイクロメートルサイズの球状粒子、ナノワイヤー、ナノロッド、ナノフィラメント、薄膜など、さまざまな形態で合成できます。特定の形態のMIPを作製するために、バルクインプリンティング、沈殿、乳化重合、懸濁、分散、ゲル化、多段階膨潤重合など、さまざまな重合技術を適用できます。
低周波・高強度超音波の利用は、高分子ナノ構造を合成するための、高効率で汎用性が高く簡便な技術を提供します。
超音波処理は、反応速度の向上、より均一な高分子鎖の成長、収率の向上、より穏やかな条件（例えば、低い反応温度）を促進するため、従来の重合プロセスと比較してMIP合成にいくつもの利点をもたらします。さらに、結合部位の分布を変化させ、それによって最終的なポリマーの形態を変化させることができます。（Svenson 2011）
MIPの重合にソノケミカルエネルギーを加えることで、重合反応が開始され、好ましい影響を受けます。同時に、超音波処理は結合容量や剛性を損なうことなく、高分子混合物の効果的な脱気を促進します。
超音波による均質化、分散、乳化は、優れた混合・撹拌作用により均一な懸濁液を形成し、重合プロセスの開始エネルギーを供給します。Viveiros et al. (2019)は、超音波によるMIP合成の可能性を調査し、「超音波で作製されたMIPは、従来の方法と同等またはそれ以上の結合特性を示した」と述べています。
ナノ形態のMIPは、結合部位の均一性を改善するうえで有望な可能性を開きます。超音波処理は、ナノ分散液やナノエマルションの調製における卓越した結果でよく知られています。

超音波ナノエマルション重合

MIPは乳化重合によって合成できます。乳化重合は一般に、界面活性剤を添加して水中油型エマルションを形成することで行われます。安定したナノサイズのエマルションを形成するには、高性能な乳化技術が必要です。超音波乳化は、ナノエマルションおよびミニエマルションを調製するための、十分に確立された技術です。
超音波ナノ乳化について詳しく読む！

超音波は、nanoMIPの作製に用いる次の合成経路を改善できます：沈殿重合、乳化重合、コアシェル重合。
研究および画像の提供：Refaat et al. 2019

鋳型の超音波抽出

分子インプリントポリマーの合成後、活性のある分子インプリントポリマーを得るために、結合部位から鋳型を除去する必要があります。超音波処理による強力な混合力は、溶媒と鋳型分子の溶解性、拡散性、浸透、輸送を促進します。これにより、鋳型は結合部位から迅速に除去されます。
超音波抽出はソックスレー抽出と組み合わせることもでき、インプリントポリマーから鋳型を除去できます。

事例研究：分子インプリントポリマーへの超音波の応用

分子インプリントポリマーの超音波合成

超音波合成経路を用いて、磁性ナノ粒子を17β-estradiolインプリントポリマーで封入することで、水系環境から17β-estradiolを迅速に除去できます。nanoMIPの超音波合成には、モノマーとしてメタクリル酸（MAA）、架橋剤としてエチレングリコールジメチルアクリレート（EGDMA）、開始剤としてアゾビスイソブチロニトリル（AIBN）を使用しました。超音波合成は65ºCで2h行いました。磁性NIPおよび磁性MIPの平均粒子直径は、それぞれ200および300 nmでした。超音波の使用は、重合速度とナノ粒子の形態を改善しただけでなく、フリーラジカルの数も増加させ、それによって磁性ナノ粒子の周囲でのMIPの成長を促進しました。17β-estradiolに対する吸着容量は、従来の手法と同程度でした。 [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

分子インプリントセンサーのための超音波

Yu et al.は、フェノバルビタールを定量するために、ニッケルナノ粒子で修飾した電極に基づく分子インプリント電気化学センサーを設計しました。報告された電気化学センサーは、機能性モノマーとしてメタクリル酸（MAA）、架橋剤として2,2-azobisisobutyronitrile（AIBN）とエチレングリコールマレイン酸ロジンエステル（EGMRA）アクリレート、鋳型分子としてフェノバルビタール（PB）、有機溶媒としてジメチルスルホキシド（DMSO）を用い、熱重合によって作製されました。センサーの作製工程では、0.0464gのPBと0.0688gのMAAを3 mLのDMSO中で混合し、10 min超音波処理しました。5 h後、1.0244gのEGMRAと0.0074gのAIBNを混合物に加え、30 min超音波処理して、PBインプリントポリマー溶液を得ました。その後、10 μLの2.0 mg mL^-1のNiナノ粒子溶液をGCE表面に滴下し、センサーを室温で乾燥させました。次に、調製したPBインプリントポリマー溶液を約5 μL、Niナノ粒子で修飾したGCEに塗布し、75◦Cで6 h真空乾燥させました。熱重合後、インプリントセンサーを（酢酸）HAc/メタノール（体積比3:7）で7 min洗浄し、鋳型分子を除去しました。（参照：Uygun et al. 2015）

MIPを用いた超音波マイクロ抽出

サンプルから分析対象のニコチンアミドを回収するために、超音波支援分散固相マイクロ抽出に続いてUV-vis分光光度計による測定を行う手法（UA-DSPME-UV-vis）が適用されます。ニコチンアミド（ビタミンB3）の抽出および予備濃縮には、HKUST-1金属有機構造体（MOF）に基づく分子インプリントポリマーが使用されています。（Asfaram et al. 2017）

高分子用途向けの高性能超音波処理装置

線形スケールアップによって実験室から生産へ： 特別に設計された分子インプリントポリマーは、まず小規模な実験室およびベンチトップ規模で開発・試験され、高分子合成の実現可能性を調査します。MIPの実現可能性の確認と最適化が完了すると、MIPの生産をより大きな容量へとスケールアップします。超音波合成経路はすべて、ベンチトップ規模から本格的な商業生産まで線形にスケールアップできます。Hielscher Ultrasonicsは、小規模な実験室およびベンチトップ環境での高分子合成用ソノケミカル装置から、全負荷で24/7生産を行う完全な産業用インライン超音波システムまで提供しています。超音波プロセスは、試験管サイズから、毎時トラック積載量単位の大規模な生産能力まで線形にスケールアップできます。実験室用から産業用ソノケミカルシステムまで揃うHielscher Ultrasonicsの幅広い製品群には、お客様が想定する処理能力に最も適した超音波処理装置があります。長年の経験を持つスタッフが、実現可能性試験やプロセス最適化から、最終的な生産規模での超音波システムの設置まで支援します。

Hielscher Ultrasonics – 高度なソノケミカル装置

Hielscher Ultrasonicsの製品群は、小規模から大規模まで、高性能超音波抽出装置の全範囲を網羅しています。追加のアクセサリーにより、お客様のプロセスに最も適した超音波装置構成を容易に組み立てることができます。最適な超音波装置構成は、想定する処理能力、容量、材料、バッチまたはインラインのプロセス、スケジュールによって異なります。Hielscherは、理想的なソノケミカルプロセスの構築を支援します。

バッチおよびインライン

Hielscherの超音波処理装置は、バッチ処理および連続フロー処理に使用できます。少量および中程度の容量は、バッチプロセス（例えば、バイアル、試験管、ビーカー、タンク、ドラム缶）で簡便に超音波処理できます。大容量の処理では、インライン超音波処理のほうが効果的な場合があります。バッチ処理にはより多くの時間と労力が必要ですが、連続インライン混合プロセスは効率と速度が高く、必要な労力を大幅に削減できます。Hielscher Ultrasonicsには、お客様の重合反応と処理容量に最も適した抽出装置構成があります。

あらゆる生産能力に対応する超音波プローブ

Hielscher Ultrasonicsの製品群は、コンパクトな実験室用超音波処理装置から、ベンチトップおよびパイロットシステム、毎時トラック積載量単位の処理能力を持つ完全な産業用超音波プロセッサーまで、全範囲を網羅しています。充実した製品群により、お客様のポリマー、処理能力、生産目標に最も適した超音波装置を提供できます。
超音波ベンチトップシステムは、実現可能性試験とプロセス最適化に理想的です。確立されたプロセスパラメーターに基づく線形スケールアップにより、小規模なロットから本格的な商業生産まで、処理能力を非常に容易に増大させることができます。スケールアップは、より高出力の超音波抽出装置を設置するか、複数の超音波処理装置を並列に組み合わせることで実施できます。Hielscherは、UIP16000によって世界で最も高出力の超音波装置を提供しています。

最適な結果を得るために精密に制御できる振幅

Hielscherのすべての超音波処理装置は精密に制御できるため、生産現場で頼れる働き手となります。振幅は、重合反応や合成経路を含むソノケミカル反応の効率と有効性に影響する重要なプロセスパラメーターの一つです。
Hielscher Ultrasonicsのすべてのプロセッサーで、振幅を精密に設定できます。ソノトロードとブースターホーンは、振幅をさらに広い範囲で変更できるアクセサリーです。Hielscherの産業用超音波プロセッサーは非常に高い振幅を実現し、要求の厳しい用途に必要な超音波強度を提供できます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行えます。
精密な振幅設定と、スマートソフトウェアによる超音波プロセスパラメーターの継続的な監視により、最も効果的な超音波条件で分子インプリントポリマーを合成できます。最良の重合結果を得るための最適な超音波処理！
Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、高負荷や厳しい環境でも24/7運転が可能です。このため、Hielscherの超音波装置は、お客様のソノケミカルプロセスの要件を満たす、信頼性の高い作業機器となります。

容易でリスクのない試験

超音波プロセスは、完全に線形にスケールアップできます。これは、実験室用またはベンチトップ超音波処理装置で得られたあらゆる結果を、まったく同じプロセスパラメーターを用いて、まったく同じ出力結果が得られるようにスケールアップできることを意味します。このため、超音波処理は、リスクのない実現可能性試験、プロセス最適化、その後の商業生産への導入に理想的です。超音波処理によってMIPの収率と品質をどのように向上できるかについては、お問い合わせください。

最高品質 – ドイツで設計・製造

家族所有・家族経営の企業であるHielscherは、超音波プロセッサーにおいて最高の品質基準を最優先しています。すべての超音波処理装置は、ドイツのベルリン近郊、テルトウにある本社で設計・製造され、徹底的に試験されています。Hielscherの超音波装置は、その堅牢性と信頼性により、お客様の生産現場で頼れる働き手となります。全負荷や厳しい環境での24/7運転は、Hielscherの高性能ミキサーが当然備える特性です。

下表に、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示します：

Hielscherの超音波プロセッサーは、さまざまなサイズから選び、お客様のプロセス要件に正確に合わせた構成で購入できます。小さな実験室用試験管内の反応物の処理から、産業規模での高分子スラリーの連続フロー混合まで、Hielscher Ultrasonicsはお客様に適した超音波処理装置を提供します！ぜひお問い合わせください – 理想的な超音波装置構成を喜んでご提案します！