Ultrasone polymerisatie van hydrogels: protocol en opschaling

Door echografie geïnduceerde polymerisatie biedt een radicaalvrije, initiatorvrije benadering voor het synthetiseren van hydrogels uit in water oplosbare vinylmonomeren en macromonomeren. Deze methodologie maakt gebruik van de sonochemische generatie van radicalen via cavitatie en is bij uitstek geschikt voor biomedische toepassingen waarbij initiatorresiduen moeten worden vermeden.

Hydrogelen zijn driedimensionale, hydrofiele polymeernetwerken die aanzienlijke hoeveelheden water kunnen vasthouden met behoud van structurele integriteit - een eigenschap die voortkomt uit vernette polymeerketens. Hun fysisch-chemische eigenschappen - zwelgedrag, mechanische sterkte en biocompatibiliteit - maken ze zeer aantrekkelijk voor biomedische toepassingen, waaronder medicijnafgifte, weefselmanipulatie en wondgenezing.

Het voordeel van ultrasone hydrogelpolymerisatie

Traditioneel is hydrogelsynthese gebaseerd op thermische, fotochemische of chemische verknoping; Ultrasone hydrogelsynthese wint echter aanzienlijk aan populariteit omdat de sonicatiemethode een eenvoudige, reagensvrije, afstembare en groenere benadering biedt. Ultrasone hydrogelsynthese maakt gebruik van akoestische cavitatie om polymerisatie en fysische of chemische verknoping te bevorderen zonder dat er externe initiators nodig zijn. Met name kan ultrasoonbehandeling ook de dispersie van nanodeeltjes in situ vergemakkelijken of radicale reacties in waterige media initiëren, waardoor het een veelzijdig hulpmiddel is voor het maken van multifunctionele of nanocomposiet hydrogels onder milde omstandigheden.

De videoclip hierboven demonstreert de ultrasone synthese van een hydrogel met behulp van de sonicator UP50H en een gelator met een laag moleculair gewicht. Het resultaat is een zelfhelende supramoleculaire hydrogel. (Studie en film: Rutgeerts et al., 2019)
 

Biocompatibele hydrogels met sonicatie

In de zoektocht naar biocompatibele hydrogels die schoon, veilig en on-demand kunnen worden gevormd, schieten traditionele polymerisatiestrategieën vaak tekort. Het werk van Cass en collega's presenteert een effectieve oplossing voor dit probleem: een schone, initiatorvrije methode voor hydrogelsynthese met behulp van laagfrequente echografie.

Hun studie onderzoekt de sonochemische polymerisatie van verschillende in water oplosbare monomeren, maar één formulering sprong eruit als bijzonder efficiënt en robuust: een 5% dextraanmethacrylaatoplossing (Dex-MA) in 70% glycerolwater, gepolymeriseerd onder ultrasoon geluid met een matige intensiteit van 56 W/cm². Opmerkelijk genoeg leverde dit systeem een volledig gevormde hydrogel op in slechts 6,5 minuten, met een monomeer-polymeerconversie van 72% - de hoogste van alle geteste formuleringen.

Akoestische cavitatie: Het werkingsprincipe van deze methode is gebaseerd op een even krachtig als voorbijgaand fenomeen: akoestische cavitatie. Wanneer ze worden blootgesteld aan ultrageluid, vormen zich microscopisch kleine belletjes in het vloeibare medium die vervolgens heftig ineenstorten. Hierdoor ontstaan lokale hotspots waar de temperatuur kortstondig de 5000 Kelvin kan overschrijden. Deze omstandigheden leiden tot homolytische splitsing van oplosmiddelmoleculen, waarbij een uitbarsting van reactieve radicalen ontstaat. In tegenstelling tot conventionele polymerisatie, die afhankelijk is van externe initiatoren of warmte, levert ultrageluid zowel de energie als de radicalen die nodig zijn om polymerisatie te starten - zonder fysiologisch relevante bulktemperaturen te overschrijden.

Co-oplosmiddel: De keuze voor glycerol als co-solvent was niet toevallig. Naast het verhogen van de viscositeit van de oplossing - een kritieke factor voor het verhogen van de cavitatie-intensiteit - werkt glycerol zelf als een radicale co-donor. Van de hydroxylgroepen is bekend dat ze relatief stabiele secundaire radicalen produceren, waardoor de levensduur van de radicalen toeneemt en de voortplanting van de keten wordt bevorderd. Bovendien helpt de viskeuze glycerolrijke omgeving om beginnende polymeerketens vast te houden, waardoor hun oplosbaarheid wordt verminderd en ze worden beschermd tegen ultrasone degradatie, die kan optreden in meer verdunde waterige systemen.

Ultrasone polymerisatie: Om de voortgang van de polymerisatie te karakteriseren, gebruikten de onderzoekers infraroodspectroscopie, waarbij ze de depletie van vinylgroepen op Dex-MA in de loop van de tijd volgden. De karakteristieke absorptie bij 1635 cm-¹ - indicatief voor C=C dubbele bindingen - nam snel af tijdens sonicatie, terwijl de ester carbonylstretch bij 1730 cm-¹ constant bleef en als interne referentie diende. Deze gegevens bevestigden niet alleen een snelle vinylomzetting, maar ook een hoge mate van crosslinking, zoals blijkt uit lage zwelverhoudingen en robuuste gelstructuren.

Analyse: Scanning elektronenmicroscopie onthulde verder de evolutie van de microstructuur van de gel. In het beginstadium vertoonde het netwerk grote, open poriën, maar met voortdurende sonicatie vulden deze zich met een dichtere secundaire structuur. Na 15 minuten vertoonde de hydrogel een homogene crosslinked morfologie met nauw verbonden poriën - een kenmerk van goed gevormde biomedische gels.

Resultaat: Bij vergelijking met hydrogels geproduceerd met thermische vrij-radicale initiators waren de verschillen opvallend. Hoewel thermisch vergelijkbare omzettingen konden worden bereikt, waren de resulterende netwerken poreuzer, minder uniform en vertoonden ze hogere zwelratio's - tekenen van een lossere verknopingsarchitectuur. Bovendien vereiste het thermische proces het doorspoelen met stikstof, chemische toevoegingen en hogere temperaturen, terwijl de ultrasone benadering functioneerde bij een omgevingstemperatuur van slechts 37 °C.

Misschien wel het meest intrigerende aspect van dit werk is de observatie dat polymerisatie door kan gaan, zelfs nadat het ultrasone geluid is gestopt. De gel bleef uitharden en in sterkte toenemen gedurende een periode van 30 minuten na het stoppen van sonicatie. Dit suggereert dat hardnekkige radicale soorten of tussenliggende structuren gevormd tijdens sonicatie polymeerketens kunnen blijven voortplanten zonder verdere energie-input - een gedrag met mogelijk nuttige implicaties voor in vivo toepassingen.

Lees meer over de voordelen van ultrasone hydrogelproductie!

Protocol: Ultrasone synthese van Dextran Methacrylaat (Dex-MA) Hydrogel met behulp van een Sonicator

Om een covalent verknoopte Dex-MA-hydrogel te synthetiseren, wordt ultrageluid met hoge intensiteit en lage frequentie gekoppeld aan een glycerol/wateroplossing. De temperatuur en de ultrasone energiedichtheid worden nauwkeurig geregeld.
Hieronder geven we u de instructies voor de ultrasone hydrogelsynthese op laboratoriumschaal, die lineair kan worden opgeschaald naar grote hoeveelheden.

Apparatuur en materialen

Uitrusting

• Hielscher UP200Ht ultrasone processor (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (tipdiameter: 2 mm; aanbevolen voor kleinschalige volumes)
• Dubbelwandig reactievat (50 ml), compatibel met magnetische roerder
• Circulatiewaterbad (thermostatisch geregeld op 37°C)
• Temperatuurvoeler PT100 (inbegrepen in de leveringsomvang van de UP200Ht)
• Magnetische roerder
• Analytische balans (±0,1 mg)
• Vacuümoven of vriesdroogapparaat

chemicaliën

• Dextran Methacrylaat (Dex-MA), ~20% methacrylaat
• Glycerol, ≥99,5% (watervrij)
• Gedeïoniseerd water

Alle reagentia moeten van analytische kwaliteit zijn. Vermijd zuurstofrijke omgevingen; Ontgas oplosmiddelen indien mogelijk.

Stapsgewijze procedure: ultrasone hydrogelpolymerisatie

1. Bereiding van polymerisatiemengsel
   • Weeg 0,75 g Dex-MA af in een dubbelwandig reactievat van 50 ml.
   • Voeg 10,5 g glycerol en 3,75 g gedeïoniseerd water toe.
   • Roer het mengsel magnetisch bij kamertemperatuur (~22 °C) gedurende 5-10 minuten om Dex-MA volledig op te lossen. Het resultaat moet zijn van een enigszins stroperige, homogene oplossing.
   • Verwarm het waterbad voor op 37 °C en sluit het aan op het dubbelwandige vat om een constante temperatuur te behouden.
2. Instellen van Sonicator
   • Monteer de S26d2 sonotrode op de UP200Ht en zorg voor een strakke koppeling.
   • Dompel de punt van de sonotrode onder in het reactiemengsel. Vermijd het aanraken van de wanden of bodem van het vat.
   • Plaats de temperatuursonde in de oplossing dicht bij de sonotrode, maar niet in direct contact. Hierdoor kunt u gebruik maken van de geïntegreerde temperatuurregeling van de sonicator.
   • Stel de amplitude in op 100%.
3. ultrasone polymerisatie
   • Begin te roeren bij 100-200 tpm om een zachte homogenisatie te behouden.
   • Begin met sonicatie bij de juiste amplitude-instelling om ~56 W/cm² gedurende 6.5 minuten te leveren.
   • Houd de temperatuur van de oplossing de hele tijd op 37°C. Als het mengsel begint te warmen, verhoog dan de koelvloeistofstroom of voeg ijs toe aan het waterbad.
   • De gelering begint meestal binnen 5-6 minuten. De viscositeit zal sterk toenemen.
   • Als gelering optreedt vóór 6,5 min, stop dan met sonicatie om overmatige verknoping of degradatie te voorkomen.
4. Nabewerking en zuivering
   • Breng de gel onmiddellijk over in 200 ml gedeïoniseerd water onder krachtig roeren om niet-gereageerde monomeren en glycerol uit te logen.
   • Roer gedurende 30 minuten en decanteer dan het bovenstaande of filtreer.
   • Herhaal het wassen nog 3 keer met warm water (~60 °C) voor een betere verspreiding.
   • Droog de gel 8 uur onder vacuüm bij 60°C, of vries op poreuze structuren.

 
Het resultaat: een biocompatibele hydrogel
U zou een transparante, robuuste hydrogel moeten krijgen met een hoge conversie (~70-75%), uitstekende verknoping en minimaal restmonomeer. De hydrogel is bestand tegen oplossen in water en vertoont bij het drogen een uniforme structuur.

 
Opmerkingen voor optimale procesbeheersing

De scale-up: lineair en eenvoudig met sonicatie

In een vakgebied dat steeds meer precisie, zuiverheid en schaalbaarheid vereist, biedt deze ultrasone methode een overtuigend alternatief. Het is ruimtelijk bestuurbaar, in realtime afstembaar en compatibel met continue verwerking met behulp van moderne ultrasone inline-systemen.
Sonicators van Hielscher Ultrasonics leveren exacte amplitudes en zijn lineair schaalbaar van laboratorium- tot productieschaal, waardoor ze ideaal zijn voor het vertalen van dergelijke hydrogelsystemen naar therapeutische en diagnostische toepassingen in de praktijk.

Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit Made in Germany

Hielscher ultrasone machines staan bekend om hun hoge kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening zorgen voor een soepele integratie van onze ultrasoonapparatuur in industriële faciliteiten. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasone apparaten met state-of-the-art technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de Hielscher ultrasoonapparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: