Hidrogelu polimerizācija ar ultraskaņu: protokols un mēroga palielināšana

Ultraskaņas izraisīta polimerizācija piedāvā pieeju hidrogelu sintēzei no ūdenī šķīstošiem vinilmonomēriem un makromonomēriem bez radikāļiem un iniciatoriem. Šī metode izmanto sonoķīmisku radikāļu veidošanos kavitācijas ietekmē un ir ideāli piemērota biomedicīniskiem lietojumiem, kuros jāizvairās no iniciatoru atliekām.

Hidrogeli ir trīsdimensionāli, hidrofili polimēru tīkli, kas spēj aizturēt ievērojamu ūdens daudzumu, vienlaikus saglabājot strukturālo integritāti – šo īpašību nodrošina šķērssaistītas polimēru ķēdes. To fizikāli ķīmiskās īpašības – uzbriešanas raksturlielumi, mehāniskā izturība un biosaderība – padara tos ļoti pievilcīgus biomedicīniskiem lietojumiem, tostarp zāļu piegādei, audu inženierijai un brūču dzīšanai.

Hidrogelu polimerizācijas ar ultraskaņu priekšrocība

Tradicionāli hidrogelu sintēze balstās uz termisku, fotoķīmisku vai ķīmisku šķērssaistīšanu; tomēr hidrogelu sintēze ar ultraskaņu kļūst arvien populārāka, jo apstrāde ar ultraskaņu piedāvā vienkāršu, regulējamu un videi draudzīgāku pieeju bez reaģentiem. Hidrogelu sintēzē ar ultraskaņu izmanto akustisko kavitāciju, lai veicinātu polimerizāciju un fizikālu vai ķīmisku šķērssaistīšanu bez ārēju iniciatoru nepieciešamības. Jāatzīmē, ka apstrāde ar ultraskaņu var arī veicināt nanodaļiņu disperģēšanu in situ vai ierosināt radikāļu reakcijas ūdens vidē, tādējādi tā ir daudzpusīgs līdzeklis daudzfunkcionālu vai nanokompozītu hidrogelu veidošanai saudzīgos apstākļos.

Iepriekš redzamajā videoklipā demonstrēta hidrogela sintēze ar ultraskaņu, izmantojot ultraskaņas procesoru UP50H un mazmolekulāru gelveidotāju. Rezultāts ir pašatjaunojošs supramolekulārs hidrogels. (Pētījums un videomateriāls: Rutgeerts et al., 2019)
 

Biosaderīgi hidrogeli, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu

Meklējot biosaderīgus hidrogelus, kurus var veidot tīri, droši un pēc vajadzības, tradicionālās polimerizācijas stratēģijas bieži izrādās nepietiekamas. Cass un kolēģu darbs piedāvā efektīvu šīs problēmas risinājumu: tīru hidrogelu sintēzes metodi bez iniciatoriem, izmantojot zemfrekvences ultraskaņu.

Viņu pētījumā aplūkota dažādu ūdenī šķīstošu monomēru sonoķīmiskā polimerizācija, taču viens sastāvs izcēlās kā īpaši efektīvs un uzticams: 5% dekstrāna metakrilāta (Dex-MA) šķīdums 70% glicerīna un ūdens maisījumā, kas polimerizēts ar ultraskaņu pie mērenas intensitātes 56 W/cm². Ievērības cienīgi, ka šī sistēma nodrošināja pilnībā izveidotu hidrogelu tikai 6,5 minūtēs, sasniedzot 72% monomēra pārvēršanās pakāpi polimērā – augstāko starp visiem pārbaudītajiem sastāviem.

Akustiskā kavitācija: Šīs metodes darbības princips balstās uz parādību, kas ir tikpat spēcīga, cik īslaicīga: akustisko kavitāciju. Lieljaudas ultraskaņas ietekmē šķidrā vidē veidojas mikroskopiski burbuļi, kas strauji sabrūk, radot lokālas karstās zonas, kurās temperatūra īslaicīgi var pārsniegt 5000 kelvinus. Šie apstākļi izraisa šķīdinātāja molekulu homolītisku šķelšanos, radot strauju reaģētspējīgu radikāļu pieplūdumu. Atšķirībā no parastās polimerizācijas, kas ir atkarīga no ārējiem iniciatoriem vai siltuma, ultraskaņa nodrošina gan polimerizācijas ierosināšanai nepieciešamo enerģiju, gan radikāļus – nepārsniedzot fizioloģiski atbilstošu temperatūru vides pamatmasā.

Līdzšķīdinātājs: Glicerīna izvēle par līdzšķīdinātāju nebija nejauša. Papildus šķīduma viskozitātes palielināšanai – kas ir būtisks faktors kavitācijas intensitātes paaugstināšanai – arī pats glicerīns darbojas kā papildu radikāļu donors. Ir zināms, ka tā hidroksilgrupas veido relatīvi stabilus sekundāros radikāļus, tādējādi pagarinot radikāļu dzīves ilgumu un veicinot ķēžu augšanu. Turklāt viskozā, ar glicerīnu bagātā vide palīdz aizturēt topošās polimēru ķēdes, samazinot to šķīdību un pasargājot tās no ultraskaņas izraisītas degradācijas, kas var notikt atšķaidītākās ūdens sistēmās.

Polimerizācija ar ultraskaņu: Lai raksturotu polimerizācijas gaitu, pētnieki izmantoja infrasarkano spektroskopiju, laika gaitā sekojot līdzi Dex-MA vinilgrupu daudzuma samazinājumam. Raksturīgā absorbcija pie 1635 cm⁻¹ – kas liecina par C=C dubultsaitēm – apstrādes ar ultraskaņu laikā strauji samazinājās, savukārt estera karbonilgrupas stiepšanās svārstību josla pie 1730 cm⁻¹ palika nemainīga un kalpoja par iekšējo atskaites punktu. Šie dati apstiprināja ne tikai strauju vinilgrupu konversiju, bet arī augstu šķērssaistīšanās pakāpi, par ko liecināja zemas uzbriešanas pakāpes un izturīgas gela struktūras.

Analīze: Skenējošā elektronu mikroskopija papildus atklāja gela mikrostruktūras attīstību. Sākotnējos posmos tīklā bija lielas, atvērtas poras, taču, turpinot apstrādi ar ultraskaņu, tās aizpildījās ar blīvāku sekundāro struktūru. Pēc 15 minūtēm hidrogels uzrādīja viendabīgi šķērssaistītu morfoloģiju ar cieši savstarpēji savienotām porām – labi izveidotiem biomedicīniskiem geliem raksturīgu pazīmi.

Rezultāts: Salīdzinot ar hidrogeliem, kas iegūti, izmantojot termiskos brīvo radikāļu iniciatorus, atšķirības bija izteiktas. Lai gan termiski varēja sasniegt līdzīgas konversijas pakāpes, iegūtie tīkli bija poraināki, mazāk viendabīgi un uzrādīja augstākas uzbriešanas pakāpes – pazīmes, kas liecina par mazāk blīvu šķērssaišu struktūru. Turklāt termiskajam procesam bija nepieciešama caurpūšana ar slāpekli, ķīmiskas piedevas un augstāka temperatūra, savukārt ultraskaņas metode darbojās apkārtējās vides temperatūrā, kas bija tikai 37°C.

Iespējams, šī darba visinteresantākais aspekts ir novērojums, ka polimerizācija var turpināties pat pēc ultraskaņas izslēgšanas. Gels turpināja sacietēt un kļūt izturīgāks 30 minūtes pēc apstrādes ar ultraskaņu pārtraukšanas. Tas liecina, ka ilgstoši pastāvošas radikāļu daļiņas vai starpstruktūras, kas izveidojušās apstrādes ar ultraskaņu laikā, var turpināt polimēru ķēžu augšanu bez papildu enerģijas pievadīšanas – šāda uzvedība var būt potenciāli noderīga lietojumos in vivo.

Uzziniet vairāk par hidrogelu ražošanas ar ultraskaņu priekšrocībām!

Protokols: dekstrāna metakrilāta (Dex-MA) hidrogela sintēze ar ultraskaņu, izmantojot ultraskaņas apstrādes ierīci

Lai sintezētu kovalenti šķērssaistītu Dex-MA hidrogelu, glicerīna/ūdens šķīdumā ievada augstas intensitātes zemfrekvences ultraskaņu. Temperatūra un ultraskaņas enerģijas blīvums tiek precīzi kontrolēti.
Tālāk sniedzam norādījumus hidrogelu sintēzei ar ultraskaņu laboratorijas mērogā; šo procesu var lineāri mērogot līdz lieliem apjomiem.

Aprīkojums un materiāli

Aprīkojums

• Hielscher UP200Ht ultraskaņas procesors (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (uzgaļa diametrs: 2 mm; ieteicama maziem tilpumiem)
• Reakcijas trauks ar apvalku (50 mL), kas ir saderīgs ar magnētisko maisītāju
• Cirkulācijas ūdens vanna (termostatiski uzturēta 37°C temperatūrā)
• Temperatūras zonde PT100 (iekļauta UP200Ht piegādes komplektācijā)
• Magnētiskais maisītājs
• Analītiskie svari (±0,1 mg)
• Vakuuma žāvēšanas skapis vai liofilizators

Ķīmiskās vielas

• Dekstrāna metakrilāts (Dex-MA), metakrilēšanas pakāpe ~20%
• Glicerīns, ≥99,5% (bezūdens)
• Dejonizēts ūdens

Visiem reaģentiem jābūt analītiskas tīrības pakāpes. Izvairieties no vides ar augstu skābekļa saturu; ja iespējams, degazējiet šķīdinātājus.

Soli pa solim: hidrogelu polimerizācija ar ultraskaņu

1. Polimerizācijas maisījuma sagatavošana
   • Iesveriet 0,75 g Dex-MA 50 mL reakcijas traukā ar apvalku.
   • Pievienojiet 10,5 g glicerīna un 3,75 g dejonizēta ūdens.
   • Maisiet maisījumu ar magnētisko maisītāju istabas temperatūrā (~22 °C) 5–10 minūtes, lai pilnībā izšķīdinātu Dex-MA. Jāizveidojas nedaudz viskozam, viendabīgam šķīdumam.
   • Iepriekš uzsildiet ūdens vannu līdz 37 °C un pievienojiet to reakcijas trauka apvalkam, lai uzturētu nemainīgu temperatūru.
2. Ultraskaņas apstrādes ierīces sagatavošana
   • Piestipriniet sonotrodi S26d2 pie UP200Ht un nodrošiniet ciešu savienojumu.
   • Iegremdējiet sonotrodes galu reakcijas maisījumā. Nepieskarieties trauka sienām vai dibenam.
   • Ievietojiet temperatūras zondi šķīdumā tuvu sonotrodei, taču nepieļaujiet tiešu saskari ar to. Tas ļauj izmantot ultraskaņas apstrādes ierīcē integrēto temperatūras kontroli.
   • Iestatiet amplitūdu uz 100%.
3. Polimerizācija ar ultraskaņu
   • Sāciet maisīšanu ar ātrumu 100–200 apgriezieni minūtē, lai uzturētu saudzīgu homogenizāciju.
   • Sāciet apstrādi ar ultraskaņu ar atbilstošu amplitūdas iestatījumu, lai 6,5 minūtes nodrošinātu ~56 W/cm² intensitāti.
   • Visā procesa laikā uzturiet šķīduma temperatūru 37°C. Ja maisījums sāk uzkarst, palieliniet dzesēšanas šķidruma plūsmu vai pievienojiet ūdens vannai ledu.
   • Želēšana parasti sākas 5–6 minūšu laikā. Viskozitāte strauji palielināsies.
   • Ja želēšana notiek pirms 6,5 min, pārtrauciet apstrādi ar ultraskaņu, lai izvairītos no pārmērīgas šķērssaistīšanas vai noārdīšanās.
4. Pēcapstrāde un attīrīšana
   • Nekavējoties pārnesiet gelu 200 mL dejonizēta ūdens, intensīvi maisot, lai izskalotu neizreaģējušo monomēru un glicerīnu.
   • Maisiet 30 minūtes, pēc tam dekantējiet virsējo šķidrumu vai filtrējiet.
   • Atkārtojiet mazgāšanu vēl 3 reizes, izmantojot siltu ūdeni (~60 °C), lai uzlabotu difūziju.
   • Žāvējiet gelu vakuumā 60°C temperatūrā 8 stundas vai liofilizējiet, lai iegūtu porainas struktūras.

 
Rezultāts: biosaderīgs hidrogels
Jums vajadzētu iegūt caurspīdīgu, izturīgu hidrogelu ar augstu konversijas pakāpi (~70–75%), izcilu šķērssaistījumu un minimālu monomēra atlikumu. Hidrogels būs izturīgs pret šķīšanu ūdenī, un pēc žāvēšanas tam būs viendabīga struktūra.

 
Piezīmes optimālai procesa kontrolei

Mēroga palielināšana: lineāra un vienkārša, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu

Jomā, kurā aizvien vairāk tiek prasīta precizitāte, tīrība un mērogojamība, šī ultraskaņas metode piedāvā pārliecinošu alternatīvu. To var telpiski kontrolēt, pielāgot reāllaikā un izmantot nepārtrauktai apstrādei ar modernām ultraskaņas plūsmas sistēmām.
Hielscher Ultrasonics ultraskaņas apstrādes ierīces nodrošina precīzas amplitūdas un lineāru mēroga palielināšanu no laboratorijas līdz ražošanas mērogam – tādēļ tās ir ideāli piemērotas šādu hidrogelu sistēmu ieviešanai praktiskos terapeitiskos un diagnostiskos lietojumos.

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte

Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces ir labi pazīstamas ar visaugstākajiem kvalitātes un konstrukcijas standartiem. Izturība un vienkārša lietošana ļauj netraucēti integrēt mūsu ultraskaņas apstrādes ierīces rūpnieciskajās iekārtās. Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes ierīcēm ar vismodernākajām tehnoloģijām un ērtu lietošanu. Protams, Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces atbilst CE prasībām, kā arī UL, CSA un RoHs prasībām.

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas apstrādes ierīču aptuveno apstrādes jaudu: