Ultrasone polymerisatie van hydrogels: protocol en opschaling

Door ultrageluid geïnduceerde polymerisatie biedt een aanpak zonder radicalen en zonder initiatoren voor de synthese van hydrogels uit wateroplosbare vinylmonomeren en macromonomeren. Deze methode benut de sonochemische vorming van radicalen door cavitatie en is bij uitstek geschikt voor biomedische toepassingen waarbij resten van initiatoren moeten worden vermeden.

Hydrogels zijn driedimensionale, hydrofiele polymeernetwerken die aanzienlijke hoeveelheden water kunnen vasthouden terwijl hun structurele integriteit behouden blijft – een eigenschap die voortkomt uit vernetting van polymeerketens. Hun fysisch-chemische eigenschappen – zwelgedrag, mechanische sterkte en biocompatibiliteit – maken ze zeer aantrekkelijk voor biomedische toepassingen, waaronder geneesmiddelafgifte, weefselengineering en wondgenezing.

Het voordeel van ultrasone polymerisatie van hydrogels

Traditioneel berust de synthese van hydrogels op thermische, fotochemische of chemische vernetting; ultrasone synthese van hydrogels wint echter sterk aan belangstelling, omdat sonicatie een eenvoudige aanpak zonder reagentia biedt die instelbaar en milieuvriendelijker is. Ultrasone synthese van hydrogels maakt gebruik van akoestische cavitatie om polymerisatie en fysieke of chemische vernetting te bevorderen zonder dat externe initiatoren nodig zijn. Bovendien kan ultrasone behandeling ook de dispersie van nanodeeltjes in situ vergemakkelijken of radicaalreacties in waterige media initiëren, waardoor deze techniek een veelzijdig hulpmiddel is voor het vervaardigen van multifunctionele hydrogels of hydrogels op basis van nanocomposieten onder milde omstandigheden.

De bovenstaande videoclip demonstreert de ultrasone synthese van een hydrogel met de sonicator UP50H en een gelvormer met een laag molecuulgewicht. Het resultaat is een zelfherstellende supramoleculaire hydrogel. (Onderzoek en video: Rutgeerts et al., 2019)
 

Biocompatibele hydrogels met sonicatie

In de zoektocht naar biocompatibele hydrogels die schoon, veilig en op aanvraag kunnen worden gevormd, schieten traditionele polymerisatiestrategieën vaak tekort. Het werk van Cass en collega’s biedt een effectieve oplossing voor dit probleem: een schone methode zonder initiatoren voor de synthese van hydrogels met laagfrequent ultrageluid.

Hun onderzoek verkent de sonochemische polymerisatie van verschillende wateroplosbare monomeren, maar één formulering bleek bijzonder efficiënt en robuust: een oplossing van 5% dextranmethacrylaat (Dex-MA) in een glycerol-watermengsel met 70% glycerol, gepolymeriseerd met ultrageluid bij een gematigde intensiteit van 56 W/cm². Opmerkelijk genoeg leverde dit systeem in slechts 6,5 minuten een volledig gevormde hydrogel op, met een omzetting van monomeer naar polymeer van 72% – de hoogste van alle geteste formuleringen.

Akoestische cavitatie: Het werkingsprincipe van deze methode berust op een verschijnsel dat even krachtig als kortstondig is: akoestische cavitatie. Bij blootstelling aan ultrageluid met hoog vermogen ontstaan microscopische bellen in het vloeibare medium die vervolgens heftig imploderen, waardoor plaatselijke hotspots ontstaan waar de temperatuur kortstondig boven 5000 Kelvin kan uitkomen. Deze omstandigheden veroorzaken homolytische splitsing van oplosmiddelmoleculen, waarbij plotseling een grote hoeveelheid 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 de polymerisatie te initiëren – zonder fysiologisch relevante temperaturen van het totale medium te overschrijden.

Co-oplosmiddel: De keuze voor glycerol als co-oplosmiddel was niet toevallig. Naast het verhogen van de viscositeit van de oplossing – een cruciale factor voor het versterken van de cavitatie-intensiteit – fungeert glycerol zelf als mededonor van radicalen. Het is bekend dat de hydroxylgroepen ervan relatief stabiele secundaire radicalen produceren, waardoor de levensduur van radicalen toeneemt en ketenpropagatie wordt bevorderd. Bovendien helpt de viskeuze, glycerolrijke omgeving pas gevormde polymeerketens vast te houden, waardoor hun oplosbaarheid afneemt en ze worden beschermd tegen ultrasone afbraak, die in meer verdunde waterige systemen kan optreden.

Ultrasone polymerisatie: Om het verloop van de polymerisatie te karakteriseren, gebruikten de onderzoekers infraroodspectroscopie om de afname van vinylgroepen op Dex-MA in de tijd te volgen. De karakteristieke absorptie bij 1635 cm⁻¹ – die wijst op C=C-dubbele bindingen – nam tijdens sonicatie snel af, terwijl de rekvibratie van de estercarbonylgroep bij 1730 cm⁻¹ constant bleef en als interne referentie diende. Deze gegevens bevestigden niet alleen een snelle omzetting van vinylgroepen, maar ook een hoge mate van vernetting, zoals bleek uit lage zwelverhoudingen en robuuste gelstructuren.

Analyse: Rasterelektronenmicroscopie bracht daarnaast de ontwikkeling van de microstructuur van de gel aan het licht. In de vroege stadia vertoonde het netwerk grote, open poriën, maar bij voortgezette sonicatie werden deze opgevuld met een dichtere secundaire structuur. Na 15 minuten vertoonde de hydrogel een homogeen vernette morfologie met nauw onderling verbonden poriën – een kenmerk van goed gevormde biomedische gels.

Resultaat: Bij vergelijking met hydrogels die met thermische initiatoren voor vrije radicalen waren geproduceerd, waren de verschillen opvallend. Hoewel thermisch vergelijkbare omzettingen konden worden bereikt, waren de resulterende netwerken poreuzer, minder uniform en vertoonden ze hogere zwelverhoudingen – tekenen van een lossere vernettingsstructuur. Bovendien vereiste het thermische proces spoelen met stikstof, chemische additieven en hogere temperaturen, terwijl de ultrasone aanpak werkte bij een omgevingstemperatuur van slechts 37°C.

Misschien wel het meest intrigerende aspect van dit werk is de waarneming dat polymerisatie kan doorgaan, zelfs nadat het ultrageluid is gestopt. De gel bleef gedurende 30 minuten na het beëindigen van de sonicatie uitharden en in sterkte toenemen. Dit suggereert dat persistente radicaalsoorten of tussenstructuren die tijdens sonicatie worden gevormd, de propagatie van polymeerketens mogelijk kunnen voortzetten zonder verdere energietoevoer – een gedrag met potentieel nuttige implicaties voor toepassingen in vivo.

Lees meer over de voordelen van ultrasone productie van hydrogels!

Protocol: ultrasone synthese van een hydrogel van dextranmethacrylaat (Dex-MA) met een sonicator

Om een covalent vernette Dex-MA-hydrogel te synthetiseren, wordt laagfrequent ultrageluid met hoge intensiteit in een glycerol-wateroplossing gekoppeld. De temperatuur en de energiedichtheid van het ultrageluid worden nauwkeurig geregeld.
Hieronder geven we u de instructies voor de ultrasone synthese van hydrogels op laboratoriumschaal, die lineair kan worden opgeschaald naar grote hoeveelheden.

Apparatuur en materialen

Apparatuur

• Hielscher UP200Ht ultrasone processor (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (tipdiameter: 2 mm; aanbevolen voor kleine volumes)
• Reactievat met mantel (50 mL), geschikt voor gebruik met een magneetroerder
• Circulerend waterbad (thermostatisch geregeld op 37°C)
• Temperatuursonde PT100 (inbegrepen bij de levering van de UP200Ht)
• Magneetroerder
• Analytische balans (±0,1 mg)
• Vacuümoven of vriesdroger

Chemicaliën

• Dextranmethacrylaat (Dex-MA), ~20% methacrylering
• Glycerol, ≥99,5% (watervrij)
• Gedeïoniseerd water

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

Stapsgewijze procedure: ultrasone polymerisatie van hydrogels

1. Bereiding van het polymerisatiemengsel
   • Weeg 0,75 g Dex-MA af in een reactievat van 50 mL met mantel.
   • Voeg 10,5 g glycerol en 3,75 g gedeïoniseerd water toe.
   • Roer het mengsel met een magneetroerder bij kamertemperatuur (~22 °C) gedurende 5–10 minuten om Dex-MA volledig op te lossen. Er moet een enigszins viskeuze, homogene oplossing ontstaan.
   • Verwarm het waterbad voor tot 37 °C en sluit het aan op het vat met mantel om een constante temperatuur te handhaven.
2. Opstelling van de sonicator
   • Monteer de S26d2-sonotrode op de UP200Ht en zorg voor een stevige koppeling.
   • Dompel de tip van de sonotrode in het reactiemengsel. Vermijd contact met de wanden of de bodem van het vat.
   • Plaats de temperatuursonde in de oplossing dicht bij de sonotrode, maar zonder direct contact. Zo kunt u de geïntegreerde temperatuurregeling van de sonicator gebruiken.
   • Stel de amplitude in op 100%.
3. Ultrasone polymerisatie
   • Begin met roeren bij 100–200 rpm om een milde homogenisatie te handhaven.
   • Begin met sonicatie bij de geschikte amplitude-instelling om gedurende 6,5 minuten ~56 W/cm² te leveren.
   • Houd de temperatuur van de oplossing gedurende het hele proces op 37°C. Als het mengsel begint op te warmen, verhoog dan het debiet van het koelmiddel of voeg ijs toe aan het waterbad.
   • Gelvorming begint doorgaans binnen 5–6 minuten. De viscositeit zal sterk toenemen.
   • Als gelvorming vóór 6,5 min optreedt, stop dan de sonicatie om overmatige vernetting of afbraak te voorkomen.
4. Nabehandeling en zuivering
   • Breng de gel onmiddellijk onder krachtig roeren over in 200 mL gedeïoniseerd water om niet-gereageerd monomeer en glycerol uit te logen.
   • Roer gedurende 30 minuten en giet vervolgens de bovenstaande vloeistof af of filtreer.
   • Herhaal het wassen nog 3 keer met warm water (~60 °C) voor een betere diffusie.
   • Droog de gel gedurende 8 uur onder vacuüm bij 60°C, of vriesdroog deze voor poreuze structuren.

 
Het resultaat: een biocompatibele hydrogel
U zou een transparante, robuuste hydrogel moeten verkrijgen met een hoge omzetting (~70–75%), uitstekende vernetting en een minimale hoeveelheid restmonomeer. De hydrogel zal bestand zijn tegen oplossen in water en na droging een uniforme structuur vertonen.

 
Opmerkingen voor optimale procesbeheersing

Opschaling: lineair en eenvoudig met sonicatie

In een vakgebied dat steeds hogere eisen stelt aan precisie, zuiverheid en schaalbaarheid, biedt deze ultrasone methode een overtuigend alternatief. Ze is ruimtelijk te regelen, in realtime instelbaar en geschikt voor continue verwerking met moderne ultrasone inlinesystemen.
Sonicators van Hielscher Ultrasonics leveren exacte amplitudes en kunnen lineair worden opgeschaald van laboratoriumschaal naar productieschaal – waardoor ze ideaal zijn om dergelijke hydrogelsystemen om te zetten in praktische therapeutische en diagnostische toepassingen.

Ontwerp, productie en advies – kwaliteit uit Duitsland

Ultrasone processors van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze ultrasone processors in industriële installaties mogelijk. Ultrasone processors van Hielscher kunnen ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen gemakkelijk aan.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op ultrasone processors met hoge prestaties, geavanceerde technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard voldoen de ultrasone processors van Hielscher aan de CE-eisen en aan de vereisten van UL, CSA en RoHs.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasone processors: