Ultradźwiękowa polimeryzacja hydrożeli: protokół i skalowanie

Polimeryzacja indukowana ultradźwiękami oferuje wolne od rodników, inicjatorów podejście do syntezy hydrożeli z rozpuszczalnych w wodzie monomerów winylowych i makromonomerów. Metodologia ta wykorzystuje sonochemiczne generowanie rodników poprzez kawitację i idealnie nadaje się do zastosowań biomedycznych, w których należy unikać pozostałości inicjatorów.

Hydrożele to trójwymiarowe, hydrofilowe sieci polimerowe zdolne do zatrzymywania znacznych ilości wody przy jednoczesnym zachowaniu integralności strukturalnej - atrybut wynikający z usieciowanych łańcuchów polimerowych. Ich właściwości fizykochemiczne - pęcznienie, wytrzymałość mechaniczna i biokompatybilność - czynią je bardzo atrakcyjnymi dla zastosowań biomedycznych, w tym dostarczania leków, inżynierii tkankowej i gojenia ran.

Zaleta ultradźwiękowej polimeryzacji hydrożelowej

Tradycyjnie synteza hydrożelu opiera się na sieciowaniu termicznym, fotochemicznym lub chemicznym; Jednak ultradźwiękowa synteza hydrożeli zyskuje na popularności, ponieważ metoda sonikacji oferuje proste, pozbawione odczynników, przestrajalne i bardziej ekologiczne podejście. Ultradźwiękowa synteza hydrożelowa wykorzystuje kawitację akustyczną do promowania polimeryzacji i fizycznego lub chemicznego sieciowania bez konieczności stosowania zewnętrznych inicjatorów. Warto zauważyć, że ultradźwięki mogą również ułatwiać dyspersję nanocząstek in situ lub inicjować reakcje rodnikowe w środowisku wodnym, co czyni je wszechstronnym narzędziem do wytwarzania wielofunkcyjnych lub nanokompozytowych hydrożeli w łagodnych warunkach.

Powyższy klip wideo przedstawia ultradźwiękową syntezę hydrożelu za pomocą sonikatora UP50H i żelator o niskiej masie cząsteczkowej. Rezultatem jest samonaprawiający się hydrożel supramolekularny. (Badanie i film: Rutgeerts i wsp., 2019)
 

Biokompatybilne hydrożele z sonikacją

W poszukiwaniu biokompatybilnych hydrożeli, które można formować w sposób czysty, bezpieczny i na żądanie, tradycyjne strategie polimeryzacji często zawodzą. Praca Cassa i współpracowników przedstawia skuteczne rozwiązanie tego problemu: czystą, wolną od inicjatorów metodę syntezy hydrożelu przy użyciu ultradźwięków o niskiej częstotliwości.

W ich badaniu zbadano sonochemiczną polimeryzację różnych rozpuszczalnych w wodzie monomerów, ale jeden preparat wyróżniał się jako szczególnie wydajny i wytrzymały: 5% roztwór metakrylanu dekstranu (Dex-MA) w 70% wodzie z glicerolem, polimeryzowany pod wpływem ultradźwięków o umiarkowanej intensywności 56 W/cm². Co ciekawe, system ten dał w pełni uformowany hydrożel w zaledwie 6,5 minuty, osiągając konwersję monomeru do polimeru na poziomie 72% - najwyższą spośród wszystkich testowanych preparatów.

Kawitacja akustyczna: Zasada działania tej metody opiera się na zjawisku tak potężnym, jak przejściowym: kawitacji akustycznej. Pod wpływem ultradźwięków mikroskopijne pęcherzyki tworzą się i gwałtownie zapadają w ciekłym medium, generując zlokalizowane gorące punkty, w których temperatura może na krótko przekroczyć 5000 kelwinów. Warunki te wywołują homolityczne rozszczepienie cząsteczek rozpuszczalnika, wytwarzając wybuch reaktywnych rodników. W przeciwieństwie do konwencjonalnej polimeryzacji, która zależy od zewnętrznych inicjatorów lub ciepła, ultradźwięki dostarczają zarówno energię, jak i rodniki potrzebne do zainicjowania polimeryzacji - bez przekraczania fizjologicznie istotnych temperatur objętościowych.

Współrozpuszczalnik: Wybór glicerolu jako współrozpuszczalnika nie był przypadkowy. Oprócz zwiększenia lepkości roztworu - krytycznego czynnika zwiększającego intensywność kawitacji - sam glicerol działa jako ko-donor rodników. Wiadomo, że jego grupy hydroksylowe wytwarzają stosunkowo stabilne rodniki wtórne, zwiększając w ten sposób czas życia rodników i promując propagację łańcucha. Dodatkowo, lepkie środowisko bogate w glicerol pomaga uwięzić powstające łańcuchy polimerowe, zmniejszając ich rozpuszczalność i chroniąc je przed degradacją ultradźwiękową, która może wystąpić w bardziej rozcieńczonych układach wodnych.

Polimeryzacja ultradźwiękowa: Aby scharakteryzować postęp polimeryzacji, naukowcy wykorzystali spektroskopię w podczerwieni, śledząc wyczerpywanie się grup winylowych na Dex-MA w czasie. Charakterystyczna absorpcja przy 1635 cm-¹ - wskazująca na podwójne wiązania C=C - szybko zmniejszała się podczas sonikacji, podczas gdy odcinek karbonylowy estru przy 1730 cm-¹ pozostawał stały, służąc jako wewnętrzny punkt odniesienia. Dane te potwierdziły nie tylko szybką konwersję winylu, ale także wysoki stopień usieciowania, o czym świadczą niskie współczynniki pęcznienia i solidne struktury żelu.

Analiza: Skaningowa mikroskopia elektronowa dodatkowo ujawniła ewolucję mikrostruktury żelu. Na wczesnych etapach sieć charakteryzowała się dużymi, otwartymi porami, ale przy dalszej sonikacji wypełniły się one gęstszą strukturą wtórną. Po 15 minutach hydrożel wykazywał jednorodnie usieciowaną morfologię ze ściśle połączonymi porami - cechą charakterystyczną dobrze uformowanych żeli biomedycznych.

Wynik: W porównaniu z hydrożelami wytwarzanymi przy użyciu termicznych inicjatorów wolnorodnikowych, różnice były uderzające. Chociaż podobne konwersje można było osiągnąć termicznie, powstałe sieci były bardziej porowate, mniej jednolite i wykazywały wyższe współczynniki pęcznienia - oznaki luźniejszej architektury sieciowania. Co więcej, proces termiczny wymagał przedmuchiwania azotem, dodatków chemicznych i wyższych temperatur, podczas gdy podejście ultradźwiękowe funkcjonowało w temperaturze otoczenia wynoszącej zaledwie 37°C.

Być może najbardziej intrygującym aspektem tej pracy jest obserwacja, że polimeryzacja może być kontynuowana nawet po zatrzymaniu ultradźwięków. Żel nadal utwardzał się i zwiększał wytrzymałość przez 30 minut po zaprzestaniu sonikacji. Sugeruje to, że trwałe rodniki lub struktury pośrednie utworzone podczas sonikacji mogą nadal propagować łańcuchy polimerowe przy braku dalszego wkładu energii - zachowanie o potencjalnie przydatnych implikacjach dla zastosowań in vivo.

Dowiedz się więcej o zaletach produkcji hydrożelu ultradźwiękowego!

Protokół: Ultradźwiękowa synteza hydrożelu metakrylanu dekstranu (Dex-MA) przy użyciu sonikatora

Aby zsyntetyzować kowalencyjnie usieciowany hydrożel Dex-MA, ultradźwięki o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości są sprzężone z roztworem glicerol/woda. Temperatura i gęstość energii ultradźwięków są precyzyjnie kontrolowane.
Poniżej przedstawiamy instrukcje dotyczące ultradźwiękowej syntezy hydrożelu w skali laboratoryjnej, którą można liniowo skalować do dużych ilości.

Sprzęt i materiały

Sprzęt

• Procesor ultradźwiękowy Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• Sonotroda S26d2 (średnica końcówki: 2 mm; zalecana do małych objętości)
• Naczynie reakcyjne z płaszczem (50 ml), kompatybilne z mieszadłem magnetycznym
• Łaźnia wodna obiegowa (regulowana termostatycznie w temperaturze 37°C)
• Sonda temperatury PT100 (wchodząca w zakres dostawy UP200Ht)
• Mieszadło magnetyczne
• Waga analityczna (±0,1 mg)
• Piec próżniowy lub liofilizator

substancjię chemicznę

• Metakrylan dekstranu (Dex-MA), ~20% metakrylacji
• Glicerol, ≥99,5% (bezwodny)
• Woda dejonizowana

Wszystkie odczynniki powinny być klasy analitycznej. Unikaj środowisk bogatych w tlen; Rozpuszczalniki odgazowujące, jeśli to możliwe.

Procedura krok po kroku: ultradźwiękowa polimeryzacja hydrożelowa

1. Przygotowanie mieszaniny polimeryzacyjnej
   • Odważyć 0,75 g Dex-MA w naczyniu reakcyjnym z płaszczem o pojemności 50 ml.
   • Dodaj 10,5 g glicerolu i 3,75 g wody dejonizowanej.
   • Mieszaj mieszaninę magnetycznie w temperaturze pokojowej (~22 °C) przez 5–10 minut, aby całkowicie rozpuścić Dex-MA. Powinien powstać lekko lepki, jednorodny roztwór.
   • Podgrzej łaźnię wodną do temperatury 37 °C i podłącz ją do naczynia z płaszczem, aby utrzymać stałą temperaturę.
2. Konfiguracja Sonicatora
   • Zamontuj sonotrodę S26d2 do UP200Ht i zapewnij szczelne połączenie.
   • Zanurzyć końcówkę sonotrody w mieszaninie reakcyjnej. Unikaj dotykania ścianek naczynia lub dna.
   • Umieścić sondę temperatury w roztworze w pobliżu sonotrody, ale nie w bezpośrednim kontakcie. Pozwala to na korzystanie ze zintegrowanej kontroli temperatury sonikatora.
   • Ustaw amplitudę na 100%.
3. polimeryzacja ultradźwiękowa
   • Rozpocznij mieszanie z prędkością 100–200 obr./min, aby utrzymać delikatną homogenizację.
   • Rozpocznij sonikację przy odpowiednim ustawieniu amplitudy, aby dostarczyć ~56 W/cm² przez 6,5 minuty.
   • Utrzymuj temperaturę roztworu na poziomie 37°C przez cały czas. Jeśli mieszanina zacznie się nagrzewać, zwiększ przepływ chłodziwa lub dodaj lód do łaźni wodnej.
   • Żelowanie zwykle rozpoczyna się w ciągu 5-6 minut. Lepkość gwałtownie wzrośnie.
   • Jeśli żelowanie nastąpi przed 6,5 min, należy przerwać sonikację, aby uniknąć nadmiernego sieciowania lub degradacji.
4. Przetwarzanie końcowe i oczyszczanie
   • Natychmiast przenieś żel do 200 ml wody dejonizowanej pod energicznym mieszaniem, aby wypłukać nieprzereagowany monomer i glicerol.
   • Mieszać przez 30 minut, następnie zdekantować supernatant lub przefiltrować.
   • Powtórz pranie jeszcze 3 razy w ciepłej wodzie (~60 °C), aby poprawić dyfuzję.
   • Suszyć żel w próżni w temperaturze 60°C przez 8 godzin lub liofilizować w przypadku porowatych struktur.

 
Rezultat: biokompatybilny hydrożel
Powinieneś uzyskać przezroczysty, wytrzymały hydrożel o wysokiej konwersji (~70–75%), doskonałym usieciowaniu i minimalnej zawartości resztkowego monomeru. Hydrożel jest odporny na rozpuszczenie w wodzie i wykazuje jednolitą strukturę po wysuszeniu.

 
Wskazówki dotyczące optymalnej kontroli procesu

Scale-Up: Liniowy i prosty z sonikacją

W dziedzinie, która coraz bardziej wymaga precyzji, czystości i skalowalności, ta metoda ultradźwiękowa stanowi atrakcyjną alternatywę. Jest sterowany przestrzennie, przestrajany w czasie rzeczywistym i kompatybilny z ciągłym przetwarzaniem przy użyciu nowoczesnych ultradźwiękowych systemów liniowych.
Sonikatory firmy Hielscher Ultrasonics zapewniają dokładne amplitudy i skalują się liniowo od skali laboratoryjnej do produkcyjnej, dzięki czemu idealnie nadają się do przekładania takich systemów hydrożelowych na rzeczywiste zastosowania terapeutyczne i diagnostyczne.

Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany

Ultradźwięki Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i standardów projektowych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwiękowców z obiektami przemysłowymi. Trudne warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: