하이드로겔의 초음파 중합: 프로토콜 및 스케일업

초음파 유도 중합은 수용성 비닐 단량체 및 매크로 단량체에서 하이드로겔을 합성하기 위한 라디칼 및 개시제가 없는 접근 방식을 제공합니다. 이 방법론은 캐비테이션을 통한 라디칼의 초음파 화학적 생성을 활용하며 개시제 잔류물을 피해야 하는 생체 의학 응용 분야에 이상적으로 적합합니다.

하이드로겔은 3차원의 친수성 폴리머 네트워크로, 구조적 무결성을 유지하면서 상당한 양의 물을 보유할 수 있으며, 이는 가교 폴리머 사슬에서 발생하는 속성입니다. 팽윤 거동, 기계적 강도 및 생체 적합성과 같은 물리화학적 특성으로 인해 약물 전달, 조직 공학 및 상처 치유를 포함한 생체 의학 응용 분야에 매우 매력적입니다.

초음파 하이드로겔 중합의 장점

전통적으로 하이드로겔 합성은 열, 광화학 또는 화학적 가교에 의존합니다. 그러나 초음파 하이드로겔 합성은 초음파 처리 방법이 시약이 없고 조정 가능하며 친환경적인 접근 방식을 제공하기 때문에 상당한 견인력을 얻고 있습니다. 초음파 하이드로겔 합성은 음향 캐비테이션을 사용하여 외부 개시제 없이 중합 및 물리적 또는 화학적 가교를 촉진합니다. 특히, 초음파는 또한 현장 나노 입자 분산을 촉진하거나 수성 매체에서 라디칼 반응을 시작할 수 있으므로 온화한 조건에서 다기능 또는 나노 복합 하이드로 겔을 만들기위한 다목적 도구입니다.

위의 비디오 클립은 하이드로겔의 초음파 합성을 보여줍니다 초음파 처리기 UP50H 사용 및 저분자량 겔레이터. 그 결과 자가 치유 초분자 하이드로겔이 탄생했습니다. (연구 및 영화: Rutgeerts et al., 2019)
 

Sonication을 통한 생체 적합성 하이드로겔

깨끗하고 안전하며 온디맨드 방식으로 형성할 수 있는 생체적합성 하이드로겔을 찾는 과정에서 기존의 중합 전략은 종종 부족합니다. Cass와 동료들의 연구는 이 문제에 대한 효과적인 해결책을 제시합니다: 저주파 초음파를 사용하여 하이드로겔 합성을 위한 깨끗하고 개시제가 없는 방법.

그들의 연구는 다양한 수용성 단량체의 초음파 화학적 중합을 탐구하지만, 특히 효율적이고 강력한 제형이 눈에 띄었습니다 : 70 % 글리세롤 물에 5 % 덱스트란 메타 크릴 레이트 (Dex-MA) 용액을 56 W / cm²의 적당한 강도로 초음파로 중합했습니다. 놀랍게도, 이 시스템은 단 6.5분 만에 완전히 형성된 하이드로겔을 생성했으며, 테스트된 모든 제형 중 가장 높은 72%의 단량체-폴리머 변환을 달성했습니다.

어쿠스틱 캐비테이션: 이 방법의 작동 원리는 일시적인 만큼 강력한 현상인 음향 캐비테이션을 기반으로 합니다. 파워 초음파를 받으면 액체 매체에서 미세한 기포가 형성되고 격렬하게 붕괴되어 온도가 잠시 5000 켈빈을 초과할 수 있는 국부적인 핫스팟을 생성합니다. 이러한 조건은 용매 분자의 상동분해 절단을 유도하여 반응성 라디칼의 폭발을 생성합니다. 외부 개시제 또는 열에 의존하는 기존의 중합과 달리, 초음파는 생리학적으로 관련된 벌크 온도를 초과하지 않으면서 중합을 시작하는 데 필요한 에너지와 라디칼을 모두 전달합니다.

보조 용매: 보조 용매(co-solvent)로 글리세롤을 선택한 것은 우연이 아니었습니다. 캐비테이션 강도를 향상시키는 데 중요한 요소인 용액의 점도를 높이는 것 외에도 글리세롤 자체는 근본적인 공동 공여체로 작용합니다. 수산기는 상대적으로 안정적인 2차 라디칼을 생성하는 것으로 알려져 있으며, 이에 따라 라디칼 수명을 늘리고 사슬 전파를 촉진합니다. 또한 점성이 있는 글리세롤이 풍부한 환경은 초기 폴리머 사슬을 가두어 용해도를 낮추고 더 희석된 수성 시스템에서 발생할 수 있는 초음파 분해로부터 보호하는 데 도움이 됩니다.

초음파 중합 : 중합 진행을 특성화하기 위해 연구원들은 적외선 분광법을 사용하여 시간이 지남에 따라 Dex-MA에서 비닐 그룹의 고갈을 추적했습니다. 1635cm⁻¹에서의 특성 흡수(C=C 이중 결합을 나타냄)는 초음파 처리 중에 급격히 감소한 반면, 1730cm⁻¹에서 에스테르 카르보닐 스트레치는 일정하게 유지되어 내부 기준 역할을 했습니다. 이러한 데이터는 빠른 비닐 변환뿐만 아니라 낮은 팽창 비율과 견고한 겔 구조로 입증된 높은 수준의 가교를 확인했습니다.

분석: 주사 전자 현미경은 겔의 미세 구조의 진화를 더욱 밝혔습니다. 초기 단계에서 네트워크는 크고 열린 기공을 특징으로 했지만 지속적인 초음파 처리를 통해 더 조밀한 2차 구조로 채워졌습니다. 15분이 지나자 하이드로겔은 단단히 상호 연결된 기공을 가진 균일하게 가교된 형태를 나타냈으며, 이는 잘 형성된 생체 의학 겔의 특징입니다.

결과: 열적 활성산소 개시제로 생산된 하이드로겔과 비교했을 때, 그 차이는 현저했습니다. 열적으로 유사한 변환을 달성할 수 있었지만 결과 네트워크는 더 다공성이고 덜 균일하며 더 높은 팽창 비율을 보였는데, 이는 더 느슨한 가교 아키텍처의 징후입니다. 또한 열처리 공정에는 질소 퍼징, 화학 첨가제 및 더 높은 온도가 필요했지만 초음파 접근 방식은 37°C의 주변 온도에서 작동했습니다.

아마도 이 연구의 가장 흥미로운 측면은 초음파가 중단된 후에도 중합이 계속될 수 있다는 관찰일 것입니다. 젤은 초음파 처리가 중단 된 후 30 분 동안 계속 경화되고 강도가 증가했습니다. 이는 초음파 처리 중에 형성된 지속적인 라디칼 종 또는 중간 구조가 추가 에너지 입력이 없을 때 고분자 사슬을 계속 전파 할 수 있음을 시사하며, 이는 생체 내 응용 분야에 잠재적으로 유용한 의미를 갖는 행동입니다.

초음파 하이드로겔 생산의 장점에 대해 자세히 알아보십시오!

프로토콜: 초음파 처리기를 사용한 덱스트란 메타크릴레이트(Dex-MA) 하이드로겔의 초음파 합성

공유 가교 결합된 Dex-MA 하이드로겔을 합성하기 위해 고강도, 저주파 초음파를 글리세롤/물 용액에 결합합니다. 온도 및 초음파 에너지 밀도가 정밀하게 제어됩니다.
아래에서는 대량으로 선형으로 확장할 수 있는 실험실 규모에서의 초음파 하이드로겔 합성에 대한 지침을 제공합니다.

장비 및 재료

설비

• Hielscher UP200Ht 초음파 프로세서 (200W, 26kHz)
• Sonotrode S26d2 (팁 직경: 2mm, 소량에 권장)
• 자켓형 반응 용기(50 mL), 자석 교반기와 호환 가능
• 순환 수조(37°C에서 온도 조절 방식으로 제어)
• 온도 프로브 PT100 (UP200Ht의 배송 범위에 포함)
• 자석 교반기
• 분석 저울(±0.1 mg)
• 진공 오븐 또는 동결 건조기

화학 물질

• 덱스트런 메타크릴레이트(Dex-MA), ~20% 메타크릴화
• 글리세롤, ≥99.5%(무수)
• 탈이온수

모든 시약은 분석 등급이어야 합니다. 산소가 풍부한 환경을 피하십시오. 가능한 경우 용제를 제거하십시오.

단계별 절차: 초음파 하이드로겔 중합

1. 중합 혼합물의 제조
   • 0.75g의 Dex-MA를 50mL 재킷 반응 용기에 넣습니다.
   • 글리세롤 10.5g과 탈이온수 3.75g을 추가합니다.
   • 혼합물을 실온(~22°C)에서 5-10분 동안 자석으로 저어 Dex-MA를 완전히 용해시킵니다. 약간 점성이 있고 균질한 용액이 생성되어야 합니다.
   • 수조를 37°C로 예열하고 재킷 용기에 연결하여 일정한 온도를 유지합니다.
2. Sonicator 설정
   • S26d2 sonotrode를 UP200Ht에 장착하고 단단히 결합하십시오.
   • sonotrode의 끝을 반응 혼합물에 담그십시오. 용기 벽이나 바닥을 만지지 마십시오.
   • 온도 프로브를 용액에 넣고 sonotrode에 가깝지만 직접 접촉하지 마십시오. 이를 통해 초음파 처리기의 통합 온도 제어 기능을 사용할 수 있습니다.
   • 진폭을 100%로 설정합니다.
3. 초음파 중합
   • 부드러운 균질화를 유지하기 위해 100–200rpm에서 교반을 시작합니다.
   • 적절한 진폭 설정에서 초음파 처리를 시작하여 6.5 분 동안 ~ 56 W / cm²를 제공합니다.
   • 용액 온도를 전체적으로 37°C로 유지합니다. 혼합물이 가열되기 시작하면 냉각수 흐름을 늘리거나 수조에 얼음을 넣으십시오.
   • 겔화는 일반적으로 5-6분 이내에 시작됩니다. 점도가 급격히 증가합니다.
   • 6.5분 이전에 겔화가 발생하면 과도한 가교 또는 성능 저하를 방지하기 위해 초음파 처리를 중지합니다.
4. 후처리 및 정제
   • 즉시 겔을 200mL의 탈이온수에 넣고 격렬하게 교반하여 미반응 단량체와 글리세롤을 침출합니다.
   • 30분 동안 저어준 다음 디캔트 상등액 또는 필터를 바르십시오.
   • 확산 개선을 위해 따뜻한 물(~60°C)을 사용하여 3회 더 세척을 반복합니다.
   • 진공 상태에서 60°C에서 8시간 동안 겔을 건조하거나 다공성 구조를 위해 동결 건조합니다.

 
결과: 생체적합성 하이드로겔
높은 전환율(~70–75%), 우수한 가교결합 및 최소 잔류 단량체를 가진 투명하고 견고한 하이드로겔을 얻어야 합니다. 하이드로겔은 물에 용해되지 않으며 건조 시 균일한 구조를 나타냅니다.

 
최적의 공정 제어를 위한 참고 사항

Scale-Up: Sonication을 통한 선형 및 단순성

정밀도, 순도 및 확장성이 점점 더 요구되는 분야에서 이 초음파 방법은 강력한 대안을 제공합니다. 공간적으로 제어 가능하고 실시간으로 조정할 수 있으며 최신 초음파 인라인 시스템을 사용하는 연속 처리와 호환됩니다.
Hielscher Ultrasonics의 Sonicators는 정확한 진폭을 제공하고 실험실에서 생산 규모까지 선형으로 확장되므로 이러한 하이드로겔 시스템을 실제 치료 및 진단 응용 분야로 변환하는 데 이상적입니다.

설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 만든 품질

Hielscher 초음파는 최고의 품질과 디자인 표준으로 잘 알려져 있습니다. 견고 함과 쉬운 작동으로 초음파를 산업 시설에 원활하게 통합 할 수 있습니다. 거친 조건과 까다로운 환경은 Hielscher 초음파기로 쉽게 처리 할 수 있습니다.

Hielscher 초음파는 ISO 인증 회사이며 최첨단 기술과 사용자 친화성을 갖춘 고성능 초음파에 특히 중점을 둡니다. 물론, Hielscher 초음파는 CE를 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.

아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.