Hidrogēlu ultraskaņas polimerizācija: protokols un paplašināšana

Ultraskaņas inducēta polimerizācija piedāvā bezradikālu pieeju hidrogēlu sintezēšanai no ūdenī šķīstošiem vinilmonomēriem un makromonomēriem. Šī metodika izmanto radikāļu sonoķīmisko veidošanos kavitācijas ceļā un ir ideāli piemērota biomedicīnas lietojumiem, kur jāizvairās no iniciatora atliekām.

Hidrogeli ir trīsdimensiju hidrofīli polimēru tīkli, kas spēj aizturēt ievērojamu ūdens daudzumu, vienlaikus saglabājot strukturālo integritāti - šo īpašību nodrošina šķērsšūtu polimēru ķēdes. To fizikāli ķīmiskās īpašības - uzbriešana, mehāniskā izturība un biosaderība - padara tos ļoti pievilcīgus biomedicīnā, tostarp zāļu piegādē, audu inženierijā un brūču dziedēšanā.

Ultraskaņas hidrogēla polimerizācijas priekšrocība

Tradicionāli hidrogēla sintēze balstās uz termisku, fotoķīmisku vai ķīmisku šķērssaisti; Tomēr ultraskaņas hidrogēla sintēze iegūst ievērojamu vilci, jo ultraskaņas metode piedāvā vienkāršu bezreaģentu, noregulējamu un zaļāku pieeju. Ultraskaņas hidrogēla sintēze izmanto akustisko kavitāciju, lai veicinātu polimerizāciju un fizikālu vai ķīmisku šķērssaisti bez ārējiem iniciatoriem. Proti, ultrasonikācija var arī atvieglot in situ nanodaļiņu dispersiju vai uzsākt radikālas reakcijas ūdens vidē, padarot to par daudzpusīgu rīku daudzfunkcionālu vai nanokompozītu hidrogēlu izgatavošanai vieglos apstākļos.

Iepriekš minētais videoklips parāda hidrogēla ultraskaņas sintēzi izmantojot ultraskaņas skaņas aparātu UP50H un zemas molekulmasas gelators. Rezultāts ir pašdziedinošs supramolekulārs hidrogēls. (Pētījums un filma: Rutgeerts et al., 2019)
 

Biosaderīgi hidrogēli ar ultraskaņas

Meklējot bioloģiski saderīgus hidrogēlus, kurus var veidot tīri, droši un pēc pieprasījuma, tradicionālās polimerizācijas stratēģijas bieži vien neizdodas. Cass un kolēģu darbs piedāvā efektīvu risinājumu šai problēmai: tīra, bez iniciatora hidrogēla sintēzes metode, izmantojot zemas frekvences ultraskaņu.

Pētījumā tika pētīta dažādu ūdenī šķīstošu monomēru sonohīmiskā polimerizācija, bet viens preparāts izcēlās kā īpaši efektīvs un izturīgs: 5 % dekstrāna metakrilāta (Dex-MA) šķīdums 70 % glicerīna ūdenī, kas polimerizēts ultraskaņas iedarbībā ar mērenu intensitāti 56 W/cm². Ievērojami, ka šī sistēma tikai 6,5 minūtēs deva pilnībā izveidojušos hidrogēlu, sasniedzot 72 % monomēra konversiju polimērā - augstāko starp visiem testētajiem preparātiem.

Akustiskā kavitācija: Šīs metodes darbības princips ir balstīts uz tikpat spēcīgu kā īslaicīgu parādību - akustisko kavitāciju. Ja šķidrumu iedarbojas ultraskaņas spēks, šķidruma vidē veidojas un strauji sabrūk mikroskopiski burbuļi, radot lokālus karstos punktus, kuros temperatūra uz īsu brīdi var pārsniegt 5000 Kelvīnu. Šie apstākļi izraisa homolītisku šķīdinātāja molekulu šķelšanos, radot reaktīvo radikāļu sprādzienu. Atšķirībā no parastās polimerizācijas, kas ir atkarīga no ārējiem iniciatoriem vai karstuma, ultraskaņa nodrošina gan enerģiju, gan radikāļus, kas nepieciešami polimerizācijas uzsākšanai, nepārsniedzot fizioloģiski būtiskas tilpuma temperatūras.

Līdzšķīdinātājs: Glicerīna kā līdzšķīdinātāja izvēle nebija nejauša. Papildus šķīduma viskozitātes palielināšanai, kas ir izšķirošs faktors kavitācijas intensitātes palielināšanai, glicerīns pats par sevi darbojas kā radikāļu ko-donors. Ir zināms, ka tā hidroksilgrupas rada relatīvi stabilus sekundāros radikāļus, tādējādi palielinot radikāļu dzīves ilgumu un veicinot ķēdes izplatīšanos. Turklāt ar glicerīnu bagātā viskozā vide palīdz noturēt topošās polimēru ķēdes, samazinot to šķīdību un pasargājot tās no ultraskaņas degradācijas, kas var notikt atšķaidītākās ūdens sistēmās.

Ultraskaņas polimerizācija: Lai raksturotu polimerizācijas gaitu, pētnieki izmantoja infrasarkano spektroskopiju, sekojot vinilgrupu noplicināšanai uz Dex-MA laika gaitā. Raksturīgā absorbcija pie 1635 cm-¹ - kas norāda uz C=C dubultsaitēm - sonikācijas laikā strauji samazinājās, bet estera karbonilatstieple pie 1730 cm-¹ palika nemainīga, kalpojot par iekšējo atskaites punktu. Šie dati apstiprināja ne tikai ātru vinila konversiju, bet arī augstu šķērssaišu veidošanās pakāpi, par ko liecina zems uzbriešanas koeficients un stabila gela struktūra.

Analīze: Skenēšanas elektronu mikroskopija atklāja arī gela mikrostruktūras attīstību. Sākotnējā stadijā tīklā bija lielas, atvērtas poras, bet, turpinot sonikāciju, tās aizpildījās ar blīvāku sekundāro struktūru. Pēc 15 minūtēm hidrogēlam bija homogēni sašūta morfoloģija ar cieši savstarpēji saistītām porām, kas ir labi izveidojušos biomedicīnisko gelu pazīme.

Rezultāts: Salīdzinot ar hidrogeļiem, kas iegūti, izmantojot termiski brīvo radikāļu iniciatorus, atšķirības bija pārsteidzošas. Lai gan termiski varēja panākt līdzīgu konversiju, iegūtie tīkli bija poraināki, mazāk viendabīgi un ar lielāku uzbriešanas koeficientu - brīvākas šķērssaišu arhitektūras pazīmes. Turklāt termiskajam procesam bija nepieciešama slāpekļa attīrīšana, ķīmiskās piedevas un augstākas temperatūras, savukārt ultraskaņas metode darbojās tikai 37 °C apkārtējās vides temperatūrā.

Iespējams, visintriģējošākais šī darba aspekts ir novērojums, ka polimerizācija var turpināties pat pēc ultraskaņas apturēšanas. Gēls turpināja sacietēt un palielināt stiprību 30 minūšu laikā pēc sonikācijas pārtraukšanas. Tas liecina, ka sonikācijas laikā izveidojušās noturīgās radikālu sugas vai starpposma struktūras var turpināt polimēru ķēžu izplatīšanos, ja nav turpmāku enerģijas pievadei - šāda uzvedība var būt noderīga in vivo lietojumiem.

Uzziniet vairāk par ultraskaņas hidrogēla ražošanas priekšrocībām!

Protokols: Dekstrāna metakrilāta (Dex-MA) hidrogēla ultraskaņas sintēze, izmantojot ultraskaņas skaņas agregatoru

Lai sintezētu kovalenti šķērssaistītu Dex-MA hidrogēlu, augstas intensitātes, zemas frekvences ultraskaņa tiek savienota ar glicerīna/ūdens šķīdumu. Temperatūra un ultraskaņas enerģijas blīvums tiek precīzi kontrolēts.
Zemāk mēs sniedzam jums norādījumus par ultraskaņas hidrogēla sintēzi laboratorijas mērogā, ko var lineāri mērogot līdz lieliem daudzumiem.

Aprīkojums un materiāli

Iekārtas

• Hielscher UP200Ht ultraskaņas procesors (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (gala diametrs: 2 mm; ieteicams maza mēroga tilpumiem)
• Reakcijas trauks ar apvalku (50 ml), savietojams ar magnētisko maisītāju
• Cirkulējošā ūdens vanna (termostatiski regulēta 37°C temperatūrā)
• Temperatūras zonde PT100 (iekļauta UP200Ht piegādes apjomā)
• Magnētiskais maisītājs
• Analītiskie svari (±0,1 mg)
• Vakuuma krāsns vai liofilizators

Ķimikālijas

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

Visiem reaģentiem jābūt analītiskām kvalitātēm. Izvairieties no skābekļiem bagātas vides; Ja iespējams, degazē šķīdinātājus.

Soli pa solim: ultraskaņas hidrogēla polimerizācija

1. Polimerizācijas maisījuma sagatavošana
   • Nosver 0,75 g Dex-MA 50 ml apvalkā reakcijas traukā.
   • Pievieno 10,5 g glicerīna un 3,75 g dejonizēta ūdens.
   • Maisījumu magnētiski samaisa istabas temperatūrā (~22 °C) 5–10 minūtes, lai pilnībā izšķīdinātu Dex-MA. Jārodas nedaudz viskozam, viendabīgam šķīdumam.
   • Uzkarsē ūdens vannu līdz 37 °C un savieno to ar apvalku trauku, lai uzturētu nemainīgu temperatūru.
2. Ultraskaņas aparata iestatīšana
   • Uzstādiet S26d2 sonotrodi pie UP200Ht un nodrošiniet ciešu savienojumu.
   • Iegremdējiet sonotrodes galu reakcijas maisījumā. Izvairieties no pieskaršanās kuģa sienām vai dibenam.
   • Temperatūras zondi novieto šķīdumā tuvu sonotrodam, bet ne tiešā saskarē. Tas ļauj izmantot ultraskaņas aderēja integrēto temperatūras kontroli.
   • Iestatiet amplitūdu uz 100%.
3. Ultraskaņas polimerizācija
   • Sāciet maisīt pie 100–200 apgr./min., lai saglabātu maigu homogenizāciju.
   • Sāciet ultraskaņu ar atbilstošu amplitūdas iestatījumu, lai nodrošinātu ~ 56 W / cm² 6,5 minūtes.
   • Uztur šķīduma temperatūru 37 °C temperatūrā. Ja maisījums sāk sildīt, palieliniet dzesēšanas šķidruma plūsmu vai pievienojiet ledu ūdens vannai.
   • Želeja parasti sākas 5–6 minūšu laikā. Viskozitāte strauji palielināsies.
   • Ja želeja notiek pirms 6,5 minūtēm, pārtrauciet ultraskaņas apstrādes, lai izvairītos no pārmērīgas šķērssaites vai noārdīšanās.
4. Pēcapstrāde un attīrīšana
   • Nekavējoties pārvietojiet želeju 200 ml dejonizētā ūdenī, enerģiski maisot, lai izskalotu nereaģējošo monomēru un glicerīnu.
   • Maisa 30 minūtes, pēc tam dekantē supernatantu vai filtru.
   • Atkārtojiet mazgāšanu vēl 3 reizes, izmantojot siltu ūdeni (~60 °C), lai uzlabotu difūziju.
   • Žāvējiet želeju vakuumā 60 ° C temperatūrā 8 stundas vai liofilizējiet porainām struktūrām.

 
Rezultāts: biosaderīgs hidrogēls
Jums vajadzētu iegūt caurspīdīgu, izturīgu hidrogēlu ar augstu konversijas (~70–75%), lielisku šķērssaisti un minimālu atlikušo monomēru. Hidrogēls izturēs izšķīdināšanu ūdenī un pēc žāvēšanas uzrādīs vienmērīgu struktūru.

 
Piezīmes optimālai procesa kontrolei

Mērogs: lineārs un vienkāršs ar ultraskaņas

Jomā, kas arvien vairāk prasa precizitāti, tīrību un mērogojamību, šī ultraskaņas metode piedāvā pārliecinošu alternatīvu. Tas ir telpiski kontrolējams, regulējams reāllaikā un saderīgs ar nepārtrauktu apstrādi, izmantojot modernas ultraskaņas inline sistēmas.
Hielscher Ultrasonics sonikatori nodrošina precīzu amplitūdu un lineāri mērogo no laboratorijas līdz ražošanas mērogam, padarot tos ideāli piemērotus šādu hidrogēla sistēmu izmantošanai reālos terapeitiskos un diagnostiskos lietojumos.

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Kvalitāte ražots Vācijā

Hielscher ultrasonikatori ir labi pazīstami ar saviem augstākajiem kvalitātes un dizaina standartiem. Robustums un viegla darbība ļauj vienmērīgi integrēt mūsu ultrasonikatorus rūpnieciskajās iekārtās. Hielscher ultrasonikatori viegli apstrādā neapstrādātus apstākļus un prasīgu vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums un īpašu uzsvaru liek uz augstas veiktspējas ultrasonikatoriem, kas piedāvā vismodernākās tehnoloģijas un lietotājdraudzīgumu. Protams, Hielscher ultrasonikatori atbilst CE prasībām un atbilst UL, CSA un RoHs prasībām.

Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu: