ჰიდროგელების ულტრაბგერითი პოლიმერიზაცია: პროტოკოლი და მასშტაბირება

ულტრაბგერითი ინდუქციით პოლიმერიზაცია სთავაზობს რადიკალებისა და ინიციატორების გარეშე მიღებულ მეთოდს ჰიდროგელების სინთეზისთვის წყალში ხსნადი ვინილის მონომერებისა და მაკრომონომერებისგან. ეს მეთოდოლოგია იყენებს კავიტაციის მეშვეობით რადიკალების სონოქიმიურ გენერაციას და იდეალურად არის შესაფერისი ბიომედიცინური გამოყენებისთვის, სადაც ინიციატორის ნარჩენების თავიდან აცილებაა საჭირო.

ჰიდროგელები არის სამგანზომილებიანი, ჰიდროფილური პოლიმერული ქსელები, რომლებსაც შეუძლიათ შეინარჩუნონ წყლის მნიშვნელოვანი რაოდენობა სტრუქტურული მთლიანობის დაცვით – ეს თვისება განპირობებულია გადაჯვარედინებული პოლიმერული ჯაჭვებით. მათი ფიზიკურ-ქიმიური თვისებები – გაბერილობა, მექანიკური სიმტკიცე და ბიოთავსებადობა – მათ უაღრესად მიმზიდველს ხდის ბიომედიცინური გამოყენებისთვის, მათ შორის წამლების მიწოდების, ქსოვილოვანი ინჟინერიისა და ჭრილობების შეხორცების სფეროში.

ულტრაბგერითი ჰიდროგელური პოლიმერიზაციის უპირატესობა

ტრადიციულად, ჰიდროგელური სინთეზი ეფუძნება თერმულ, ფოტოქიმიურ ან ქიმიურ გადაჯვარედინებას; თუმცა, ულტრაბგერითი ჰიდროგელური სინთეზი მნიშვნელოვან პოპულარობას იძენს, რადგან ულტრაბგერითი დამუშავების მეთოდი სთავაზობს მარტივ, რეაგენტების გარეშე, მარტივად რეგულირებად და უფრო ეკოლოგიურად სუფთა მიდგომას. ულტრაბგერითი ჰიდროგელური სინთეზი იყენებს აკუსტიკურ კავიტაციას პოლიმერიზაციისა და ფიზიკური ან ქიმიური გადაჯვარედინების წახალისებისთვის გარე ინიციატორების საჭიროების გარეშე. აღსანიშნავია, რომ ულტრაბგერითმა დამუშავებამ ასევე შეიძლება ხელი შეუწყოს ნანონაწილაკების in situ დისპერსიას ან წყალხსნარ გარემოში რადიკალური რეაქციების ინიცირებას, რაც მას მრავალფუნქციური ან ნანოკომპოზიტური ჰიდროგელების შექმნისთვის მრავალმხრივ ინსტრუმენტად აქცევს მსუბუქ პირობებში.

ზემოთ მოცემული ვიდეო აჩვენებს ჰიდროგელის ულტრაბგერით სინთეზს ულტრაბგერითი გენერატორის UP50H გამოყენებით და დაბალმოლეკულური მასის გელატორის გამოყენებით. შედეგად მიღებულია თვითშემკვრელი სუპრამოლეკულური ჰიდროგელი. (კვლევა და ვიდეო: Rutgeerts et al., 2019)
 

ბიოთავსებადი ჰიდროგელები ულტრაბგერითი დამუშავებით

ბიოთავსებადი ჰიდროგელების ძიებისას, რომლებიც სუფთად, უსაფრთხოდ და მოთხოვნისამებრ შეიძლება ჩამოყალიბდეს, ტრადიციული პოლიმერიზაციის სტრატეგიები ხშირად ვერ ახერხებენ ამის უზრუნველყოფას. კასისა და მისი კოლეგების მიერ შესრულებული მუშაობა სთავაზობს ამ პრობლემის ეფექტურ გადაწყვეტას: სუფთა, ინიციატორების გარეშე მეთოდი ჰიდროგელური სინთეზისთვის დაბალსიხშირიანი ულტრაბგერის გამოყენებით.

მათი კვლევა იკვლევს სხვადასხვა წყალში ხსნადი მონომერების სონოქიმიურ პოლიმერიზაციას, მაგრამ ერთი ფორმულაცია გამოირჩეოდა განსაკუთრებით ეფექტურობითა და სიმტკიცით: 5% დექსტრანის მეთაკრილატის (Dex-MA) ხსნარი 70% გლიცერინ-წყალში, პოლიმერიზებული ულტრაბგერის ქვეშ 56 W/cm² ზომიერი ინტენსივობით. შესანიშნავად, ამ სისტემამ სრულად ჩამოყალიბებული ჰიდროგელი მხოლოდ 6,5 წუთში მისცა, მონომერიდან პოლიმერამდე გარდაქმნის 72%-ით – ეს არის უმაღლესი მაჩვენებელი ყველა ტესტირებული ფორმულაციის შორის.

აკუსტიკური კავიტაცია: ამ მეთოდის მოქმედების პრინციპი ეფუძნება ფენომენს, რომელიც იმდენად ძლიერია, რამდენადაც მყისიერი: აკუსტიკური კავიტაცია. როდესაც ის ექვემდებარება მძლავრ ულტრაბგერას, სითხის გარემოში წარმოიქმნება მიკროსკოპული ბუშტუკები და მძლავრად იშლება, რაც ქმნის ლოკალიზებულ ცხელ წერტილებს, სადაც ტემპერატურა შეიძლება მოკლე დროში გადააჭარბოს 5000 კელვინს. ეს პირობები იწვევს გამხსნელის მოლეკულების ჰომოლიზურ გახლეჩას, რაც წარმოქმნის რეაქციული რადიკალების ნაკადს. ტრადიციული პოლიმერიზაციისგან განსხვავებით, რომელიც დამოკიდებულია გარე ინიციატორებზე ან სითბოზე, ულტრაბგერა აწვდის როგორც ენერგიას, ისე რადიკალებს, რომლებიც საჭიროა პოლიმერიზაციის ინიცირებისთვის – ფიზიოლოგიურად მნიშვნელოვანი მთლიანი ტემპერატურის გადაჭარბების გარეშე.

თანაგამხსნელი: გლიცერინის არჩევა თანამხსნელად შემთხვევითი არ იყო. ხსნარის სიბლანტის გაზრდის გარდა – რაც კავიტაციის ინტენსივობის გაზრდისთვის კრიტიკული ფაქტორია – გლიცერინი თავად მოქმედებს როგორც რადიკალური კოდონორი. ცნობილია, რომ მისი ჰიდროქსილის ჯგუფები წარმოქმნის შედარებით სტაბილურ მეორეულ რადიკალებს, რითაც ზრდის რადიკალების სიცოცხლის ხანგრძლივობას და აძლიერებს ჯაჭვის გავრცელებას. გარდა ამისა, ბლანტი, გლიცერინით მდიდარი გარემო ხელს უწყობს ახლად წარმოქმნილი პოლიმერული ჯაჭვების დაჭერას, ამცირებს მათ ხსნადობას და იცავს მათ ულტრაბგერითი დეგრადაციისგან, რომელიც შეიძლება მოხდეს უფრო განზავებულ წყალხსნარებში.

ულტრაბგერითი პოლიმერიზაცია: პოლიმერიზაციის მიმდინარეობის დასახასიათებლად მკვლევრებმა გამოიყენეს ინფრაწითელი სპექტროსკოპია და დროთა განმავლობაში აკვირდებოდნენ Dex-MA-ზე ვინილის ჯგუფების შემცირებას. მახასიათებელი შთანთქმა 1635 cm⁻¹-ზე – რაც C=C ორმაგი ბმების მაჩვენებელია – სწრაფად შემცირდა ულტრაბგერითი დამუშავების დროს, ხოლო ესტერული კარბონილის გაჭიმვის რხევა 1730 cm⁻¹-ზე უცვლელი დარჩა და შიდა რეფერენსად გამოიყენებოდა. ეს მონაცემები ადასტურებდა არა მხოლოდ ვინილის სწრაფ კონვერსიას, არამედ გადაჯვარედინების მაღალ ხარისხსაც, რასაც მოწმობდა გაბერვის დაბალი მაჩვენებლები და მყარი გელის სტრუქტურები.

ანალიზი: სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპია კიდევ უფრო მეტად ავლენდა გელის მიკროსტრუქტურის ევოლუციას. ადრეულ ეტაპებზე, ქსელი ავლენდა დიდ, ღია ფორებს, მაგრამ ულტრაბგერითი დამუშავების გაგრძელებით, ისინი შეივსო უფრო მკვრივი მეორეული სტრუქტურით. 15 წუთისთვის, ჰიდროგელი ავლენდა ერთგვაროვნად გადაჯვარედინებულ მორფოლოგიას მჭიდროდ ურთიერთდაკავშირებული ფორებით – რაც კარგად ჩამოყალიბებული ბიომედიცინური გელების მახასიათებელია.

შედეგი: თერმული თავისუფალი რადიკალური ინიციატორებით წარმოებული ჰიდროგელებთან შედარებით, განსხვავებები მკაფიო იყო. მიუხედავად იმისა, რომ მსგავსი კონვერსიები თერმულად შეიძლებოდა მიღწეულიყო, მიღებული ქსელები იყო უფრო ფოროვანი, ნაკლებად ერთგვაროვანი და ავლენდა უფრო მაღალ გაბერვის მაჩვენებლებს – რაც უფრო თავისუფალი გადაჯვარედინების არქიტექტურის ნიშანია. გარდა ამისა, თერმული პროცესი მოითხოვდა აზოტით გაწმენდას, ქიმიურ დანამატებს და უფრო მაღალ ტემპერატურას, მაშინ როცა ულტრაბგერითი მიდგომა ფუნქციონირებდა მხოლოდ 37°C გარემო ტემპერატურაზე.

ამ მუშაობის ყველაზე საინტერესო ასპექტი, შესაძლოა, იყო დაკვირვება, რომ პოლიმერიზაცია შეიძლება გაგრძელდეს მაშინაც კი, როდესაც ულტრაბგერა შეწყდება. გელმა გააგრძელა გამაგრება და სიმტკიცის ზრდა ულტრაბგერითი დამუშავების შეწყვეტიდან 30-წუთიანი პერიოდის განმავლობაში. ეს მიუთითებს იმაზე, რომ მუდმივი რადიკალური სახეობები ან შუალედური სტრუქტურები, რომლებიც წარმოიქმნა ულტრაბგერითი დამუშავების დროს, შეიძლება გააგრძელონ პოლიმერული ჯაჭვების გავრცელება ენერგიის შემდგომი შეტანის გარეშე – რაც პოტენციურად სასარგებლო გავლენას ახდენს in vivo გამოყენებებზე.

გაიგეთ მეტი ულტრაბგერითი ჰიდროგელის წარმოების უპირატესობების შესახებ!

პროტოკოლი: დექსტრან მეტაკრილატის (Dex-MA) ჰიდროგელის ულტრაბგერითი სინთეზი სონიკატორის გამოყენებით

კოვალენტურად გადაჯვარედინებული Dex-MA ჰიდროგელის სინთეზისთვის, მაღალი ინტენსივობის, დაბალი სიხშირის ულტრაბგერა გადაეცემა გლიცერინის/წყლის ხსნარს. ტემპერატურა და ულტრაბგერითი ენერგიის სიმკვრივე ზუსტად კონტროლდება.
ქვემოთ, ჩვენ მოგცემთ ინსტრუქციებს ლაბორატორიული მასშტაბის ულტრაბგერითი ჰიდროგელის სინთეზისთვის, რომელიც შეიძლება ლინეარულად გაიზარდოს დიდი რაოდენობებისთვის.

მოწყობილობა და მასალები

მოწყობილობა

• Hielscher UP200Ht ულტრაბგერითი პროცესორი (200 W, 26 kHz)
• სონოტროდი S26d2 (წვერის დიამეტრი: 2 mm; რეკომენდებულია მცირე მასშტაბის მოცულობებისთვის)
• ორმაგკედლიანი რეაქციის ჭურჭელი (50 mL), თავსებადი მაგნიტურ სარევთან
• ცირკულაციური წყლის აბაზანა (თერმოსტატირებული 37°C-ზე)
• ტემპერატურული ზონდი PT100 (შედის UP200Ht-ის მიწოდების კომპლექტში)
• მაგნიტური სარევი
• ანალიზური სასწორი (±0,1 mg)
• ვაკუუმური ღუმელი ან ლიოფილიზატორი

ქიმიკატები

• დექსტრან მეტაკრილატი (Dex-MA), ~20% მეტაკრილირება
• გლიცერინი, ≥99,5% (ანჰიდრული)
• დეიონიზებული წყალი

ყველა რეაგენტი უნდა იყოს ანალიზური ხარისხის. თავი აარიდეთ ჟანგბადით მდიდარ გარემოს; შესაძლებლობის შემთხვევაში გაათავისუფლეთ გამხსნელები გახსნილი აირებისგან (დეგაზაცია).

ნაბიჯ-ნაბიჯ პროცედურა: ულტრაბგერითი ჰიდროგელის პოლიმერიზაცია

1. პოლიმერიზაციის ნარევის მომზადება
   • აწონეთ 0,75 g Dex-MA 50 mL ორმაგკედლიან რეაქციის ჭურჭელში.
   • დაუმატეთ 10,5 g გლიცერინი და 3,75 g დეიონიზებული წყალი.
   • ნარევს აურიეთ მაგნიტური სარევით ოთახის ტემპერატურაზე (~22 °C) 5–10 წუთის განმავლობაში Dex-MA-ს სრულად გასახსნელად. უნდა მიიღოთ ოდნავ სქელი, ერთგვაროვანი ხსნარი.
   • გაათბეთ წყლის აბაზანა 37 °C-მდე და შეუერთეთ ის ორმაგკედლიან ჭურჭელს მუდმივი ტემპერატურის შესანარჩუნებლად.
2. სონიკატორის მონტაჟი
   • დააყენეთ S26d2 სონოტროდი UP200Ht-ზე და უზრუნველყავით მჭიდრო შეერთება.
   • ჩაძირეთ სონოტროდის წვერი რეაქციის ნარევში. თავი აარიდეთ ჭურჭლის კედლებთან ან ფსკერთან შეხებას.
   • განათავსეთ ტემპერატურული პრობი ხსნარში სონოტროდთან ახლოს, მაგრამ არა პირდაპირ კონტაქტში. ეს საშუალებას გაძლევთ გამოიყენოთ სონიკატორის ინტეგრირებული ტემპერატურული კონტროლი.
   • დააყენეთ ამპლიტუდა 100%-ზე.
3. ულტრაბგერითი პოლიმერიზაცია
   • დაიწყეთ მრევა 100–200 ბრ/წთ სიჩქარით ნაზი ჰომოგენიზაციის შესანარჩუნებლად.
   • დაიწყეთ ულტრაბგერითი დამუშავება შესაბამისი ამპლიტუდის პარამეტრით, რათა მიეწოდოთ ~56 W/cm² 6,5 წუთის განმავლობაში.
   • შეინარჩუნეთ ხსნარის ტემპერატურა 37°C-ზე მთელი პროცესის განმავლობაში. თუ ნარევი იწყებს გათბობას, გაზარდეთ გამაგრილებლის ნაკადი ან დაუმატეთ ყინული წყლის აბაზანას.
   • გელწარმოება ჩვეულებრივ იწყება 5–6 წუთის განმავლობაში. სიბლანტე მკვეთრად იზრდება.
   • თუ გელწარმოება ხდება 6,5 წუთამდე, შეწყვიტეთ ულტრაბგერითი დამუშავება ზედმეტი შეჯვარების ან დეგრადაციის თავიდან ასაცილებლად.
4. დამუშავების შემდგომი ეტაპი და გაწმენდა
   • მყისიერად გადაიტანეთ გელი 200 mL დეიონიზებულ წყალში ინტენსიური მრევით, რათა გამოილუღოთ რეაქციაში არ შესული მონომერი და გლიცერინი.
   • აურიეთ 30 წუთის განმავლობაში, შემდეგ გადაასხით ზედა ფენა ან გააფილტრეთ.
   • გაიმეორეთ რეცხვა 3 დამატებითი ჯერით თბილი წყლის (~60 °C) გამოყენებით დიფუზიის გასაუმჯობესებლად.
   • გააშრეთ გელი ვაკუუმში 60°C-ზე 8 საათის განმავლობაში, ან გაყინეთ-გამშრალეთ ფოროვანი სტრუქტურებისთვის.

 
შედეგი: ბიოთავსებადი ჰიდროგელი
უნდა მიიღოთ გამჭვირვალე, მტკიცე ჰიდროგელი მაღალი კონვერსიით (~70–75%), შესანიშნავი შეჯვარებით და მინიმალური ნარჩენი მონომერით. ჰიდროგელი წინააღმდეგობას გაუწევს წყალში გახსნას და გამოაჩენს ერთგვაროვან სტრუქტურას გაშრობის შემდეგ.

შენიშვნები ოპტიმალური პროცესის კონტროლისთვის

მასშტაბირება: წრფივი და მარტივი ულტრაბგერითი დამუშავებით

სფეროში, რომელიც მზარდ სიზუსტეს, სიწმინდეს და მასშტაბირებადობას მოითხოვს, ეს ულტრაბგერითი მეთოდი შესაფერის ალტერნატივას წარმოადგენს. ის არის სივრცითად კონტროლირებადი, რეალურ დროში რეგულირებადი და თავსებადი უწყვეტი დამუშავების თანამედროვე ულტრაბგერით ინლაინ სისტემებთან.
Hielscher Ultrasonics-ის სონიკატორები უზრუნველყოფენ ზუსტ ამპლიტუდებს და წრფივად მასშტაბირდება ლაბორატორიულიდან წარმოების მასშტაბამდე–რაც მათ იდეალურს ხდის ასეთი ჰიდროგელური სისტემების რეალურ სამკურნალო და დიაგნოსტიკური გამოყენებებისთვის ტრანსლაციისთვის.

დიზაინი, წარმოება და კონსულტირება – ხარისხი დამზადებულია გერმანიაში

Hielscher ულტრაბგერითი სონიკატორები ცნობილია თავიანთი უმაღლესი ხარისხითა და დიზაინის სტანდარტებით. მდგრადობა და მარტივი ექსპლუატაცია საშუალებას იძლევა ჩვენი ულტრაბგერითი სონიკატორების გლუვი ინტეგრაციის სამრეწველო ობიექტებში. მკაცრი პირობები და მოთხოვნადი გარემო მარტივად მართვადია Hielscher ულტრაბგერითი სონიკატორებით.

Hielscher Ultrasonics არის ISO სერტიფიცირებული კომპანია და განსაკუთრებულ მნიშვნელობას ანიჭებს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით სონიკატორებს, რომლებიც იყენებენ თანამედროვე ტექნოლოგიას და მომხმარებლისთვის მოსახერხებელ ინტერფეისს. რა თქმა უნდა, Hielscher ულტრაბგერითი სონიკატორები შეესაბამება CE სტანდარტს და აკმაყოფილებენ UL, CSA და RoHs მოთხოვნებს.

ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაწვდით ინფორმაციას ჩვენი ულტრაბგერითი სონიკატორების დაახლოებითი დამუშავების სიმძლავრის შესახებ: