Ultradźwiękowa polimeryzacja hydrożeli: protokół i zwiększanie skali

Polimeryzacja indukowana ultradźwiękami umożliwia syntezę hydrożeli z rozpuszczalnych w wodzie monomerów winylowych i makromonomerów metodą wolną od rodników i inicjatorów. Metoda ta wykorzystuje sonochemiczne wytwarzanie 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 zachowaniu integralności strukturalnej – cechy wynikającej z usieciowania łańcuchów polimerowych. Ich właściwości fizykochemiczne – charakterystyka pęcznienia, wytrzymałość mechaniczna i biokompatybilność – sprawiają, że są bardzo atrakcyjne w zastosowaniach biomedycznych, w tym w dostarczaniu leków, inżynierii tkankowej i gojeniu ran.

Zaleta ultradźwiękowej polimeryzacji hydrożeli

Tradycyjnie synteza hydrożeli opiera się na sieciowaniu termicznym, fotochemicznym lub chemicznym; jednak ultradźwiękowa synteza hydrożeli zyskuje coraz większą popularność, ponieważ sonikacja oferuje prostą, niewymagającą odczynników, regulowaną i bardziej przyjazną dla środowiska metodę. Ultradźwiękowa synteza hydrożeli wykorzystuje kawitację akustyczną do wspomagania polimeryzacji oraz sieciowania fizycznego lub chemicznego bez konieczności stosowania zewnętrznych inicjatorów. Co istotne, działanie ultradźwięków może również ułatwiać dyspergowanie nanocząstek in situ lub inicjować reakcje rodnikowe w środowisku wodnym, dzięki czemu stanowi wszechstronne narzędzie do wytwarzania wielofunkcyjnych lub nanokompozytowych hydrożeli w łagodnych warunkach.

Powyższy film przedstawia ultradźwiękową syntezę hydrożelu z użyciem sonikatora UP50H i niskocząsteczkowego czynnika żelującego. Wynikiem jest samonaprawiający się hydrożel supramolekularny. (Badanie i film: Rutgeerts et al., 2019)
 

Biokompatybilne hydrożele dzięki sonikacji

W poszukiwaniu biokompatybilnych hydrożeli, które można wytwarzać czysto, bezpiecznie i na żądanie, tradycyjne strategie polimeryzacji często okazują się niewystarczające. Praca Cassa i współpracowników przedstawia skuteczne rozwiązanie tego problemu: czystą metodę syntezy hydrożeli bez inicjatorów, wykorzystującą ultradźwięki o niskiej częstotliwości.

Ich badanie dotyczy sonochemicznej polimeryzacji różnych monomerów rozpuszczalnych w wodzie, ale jedna formulacja wyróżniała się szczególną wydajnością i niezawodnością: 5% roztwór metakrylanu dekstranu (Dex-MA) w mieszaninie glicerolu i wody zawierającej 70% glicerolu, polimeryzowany pod wpływem ultradźwięków o umiarkowanym natężeniu 56 W/cm². Co godne uwagi, układ ten pozwolił uzyskać w pełni uformowany hydrożel w zaledwie 6,5 minuty, osiągając konwersję monomeru do polimeru na poziomie 72% – najwyższą spośród wszystkich badanych formulacji.

Kawitacja akustyczna: Zasada działania tej metody opiera się na zjawisku równie intensywnym, co krótkotrwałym: kawitacji akustycznej. Pod wpływem ultradźwięków dużej mocy w ciekłym ośrodku tworzą się mikroskopijne pęcherzyki, które gwałtownie implodują, generując lokalne obszary wysokiej temperatury, gdzie temperatura może na krótko przekraczać 5000 kelwinów. Warunki te wywołują homolityczne rozszczepienie cząsteczek rozpuszczalnika, powodując gwałtowne powstawanie reaktywnych rodników. W przeciwieństwie do konwencjonalnej polimeryzacji, która wymaga zewnętrznych inicjatorów lub ciepła, ultradźwięki dostarczają zarówno energii, jak i rodników niezbędnych do zainicjowania polimeryzacji – bez przekraczania temperatur całego ośrodka odpowiadających warunkom fizjologicznym.

Współrozpuszczalnik: Wybór glicerolu jako współrozpuszczalnika nie był przypadkowy. Oprócz zwiększania lepkości roztworu – kluczowego czynnika wzmacniającego intensywność kawitacji – sam glicerol pełni funkcję dodatkowego donora rodników. Wiadomo, że jego grupy hydroksylowe wytwarzają stosunkowo stabilne rodniki drugorzędowe, wydłużając tym samym czas życia rodników i wspomagając propagację łańcuchów. Ponadto lepkie środowisko bogate w glicerol pomaga zatrzymywać powstające łańcuchy polimerowe, zmniejszając ich rozpuszczalność i chroniąc je przed degradacją ultradźwiękową, która może występować w bardziej rozcieńczonych układach wodnych.

Polimeryzacja ultradźwiękowa: Aby scharakteryzować postęp polimeryzacji, badacze zastosowali spektroskopię w podczerwieni, śledząc ubytek grup winylowych w Dex-MA w czasie. Charakterystyczna absorpcja przy 1635 cm⁻¹ – wskazująca na obecność wiązań podwójnych C=C – szybko malała podczas sonikacji, natomiast pasmo drgań rozciągających estrowej grupy karbonylowej przy 1730 cm⁻¹ pozostawało stałe, służąc jako wewnętrzny punkt odniesienia. Dane te potwierdziły nie tylko szybką konwersję grup winylowych, ale również wysoki stopień usieciowania, o czym świadczyły niskie współczynniki pęcznienia i wytrzymałe struktury żelu.

Analiza: Skaningowa mikroskopia elektronowa ujawniła ponadto ewolucję mikrostruktury żelu. We wczesnych etapach sieć miała duże, otwarte pory, lecz w miarę kontynuowania sonikacji wypełniały się one gęstszą strukturą wtórną. Po 15 minutach hydrożel wykazywał jednorodnie usieciowaną morfologię ze ściśle połączonymi porami – cechę charakterystyczną prawidłowo uformowanych żeli biomedycznych.

Wynik: Porównanie z hydrożelami wytwarzanymi przy użyciu termicznych inicjatorów wolnorodnikowych ujawniło wyraźne różnice. Chociaż metodą termiczną można było osiągnąć podobne stopnie konwersji, otrzymane sieci były bardziej porowate, mniej jednorodne i wykazywały wyższe współczynniki pęcznienia – oznaki luźniejszej struktury usieciowania. Ponadto proces termiczny wymagał przedmuchiwania azotem, dodatków chemicznych i wyższych temperatur, podczas gdy metoda ultradźwiękowa działała w temperaturze otoczenia wynoszącej zaledwie 37°C.

Być może najbardziej intrygującym aspektem tej pracy jest obserwacja, że polimeryzacja może trwać nawet po wyłączeniu ultradźwięków. Żel nadal się utwardzał i zwiększał swoją wytrzymałość przez 30 minut po zakończeniu sonikacji. Sugeruje to, że trwałe formy rodnikowe lub struktury pośrednie powstałe podczas sonikacji mogą nadal prowadzić propagację łańcuchów polimerowych bez dalszego dopływu energii – zachowanie o potencjalnie użytecznych konsekwencjach dla zastosowań in vivo.

Dowiedz się więcej o zaletach ultradźwiękowego wytwarzania hydrożeli!

Protokół: ultradźwiękowa synteza hydrożelu z metakrylanu dekstranu (Dex-MA) z użyciem sonikatora

Aby zsyntetyzować kowalencyjnie usieciowany hydrożel Dex-MA, ultradźwięki o wysokim natężeniu i niskiej częstotliwości są sprzęgane z roztworem glicerolu i wody. Temperatura i gęstość energii ultradźwiękowej są precyzyjnie kontrolowane.
Poniżej przedstawiamy instrukcje ultradźwiękowej syntezy hydrożelu w skali laboratoryjnej, którą można liniowo zwiększyć 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 z obiegiem (z termostatyczną regulacją temperatury na poziomie 37°C)
• Sonda temperatury PT100 (wchodząca w zakres dostawy UP200Ht)
• Mieszadło magnetyczne
• Waga analityczna (±0,1 mg)
• Suszarka próżniowa lub liofilizator

Substancje chemiczne

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

Wszystkie odczynniki powinny mieć czystość analityczną. Unikać środowisk bogatych w tlen; w miarę możliwości odgazować rozpuszczalniki.

Procedura krok po kroku: ultradźwiękowa polimeryzacja hydrożeli

1. Przygotowanie mieszaniny do polimeryzacji
   • Odważyć 0,75 g Dex-MA do naczynia reakcyjnego z płaszczem o pojemności 50 mL.
   • Dodać 10,5 g glicerolu i 3,75 g wody dejonizowanej.
   • Mieszać mieszaninę mieszadłem magnetycznym w temperaturze pokojowej (~22 °C) przez 5–10 minut, aby całkowicie rozpuścić Dex-MA. Powinien powstać lekko lepki, jednorodny roztwór.
   • Wstępnie ogrzać łaźnię wodną do 37 °C i podłączyć ją do naczynia z płaszczem, aby utrzymywać stałą temperaturę.
2. Przygotowanie sonikatora
   • Zamontować sonotrodę S26d2 w UP200Ht i zapewnić ścisłe połączenie.
   • Zanurzyć końcówkę sonotrody w mieszaninie reakcyjnej. Unikać dotykania ścianek lub dna naczynia.
   • Umieścić sondę temperatury w roztworze blisko sonotrody, ale bez bezpośredniego kontaktu z nią. Umożliwia to korzystanie ze zintegrowanej regulacji temperatury sonikatora.
   • Ustawić amplitudę na 100%.
3. Polimeryzacja ultradźwiękowa
   • Rozpocząć mieszanie z prędkością 100–200 rpm, aby utrzymywać łagodną homogenizację.
   • Rozpocząć sonikację przy odpowiednim ustawieniu amplitudy, aby zapewnić natężenie ~56 W/cm² przez 6,5 minuty.
   • Przez cały czas utrzymywać temperaturę roztworu na poziomie 37°C. Jeśli mieszanina zacznie się nagrzewać, zwiększyć natężenie przepływu chłodziwa lub dodać lód do łaźni wodnej.
   • Żelowanie zwykle rozpoczyna się w ciągu 5–6 minut. Lepkość gwałtownie wzrośnie.
   • Jeśli żelowanie nastąpi przed upływem 6,5 min, przerwać sonikację, aby uniknąć nadmiernego usieciowania lub degradacji.
4. Obróbka końcowa i oczyszczanie
   • Natychmiast przenieść żel do 200 mL wody dejonizowanej przy intensywnym mieszaniu, aby wypłukać nieprzereagowany monomer i glicerol.
   • Mieszać przez 30 minut, a następnie zdekantować ciecz znad żelu lub przeprowadzić filtrację.
   • Powtórzyć płukanie jeszcze 3 razy, używając ciepłej wody (~60 °C), aby usprawnić dyfuzję.
   • Suszyć żel pod próżnią w temperaturze 60°C przez 8 godzin lub liofilizować, aby uzyskać porowate struktury.

 
Wynik: biokompatybilny hydrożel
Powinien powstać przezroczysty, wytrzymały hydrożel o wysokim stopniu konwersji (~70–75%), doskonałym usieciowaniu i minimalnej zawartości pozostałości monomeru. Hydrożel będzie odporny na rozpuszczanie w wodzie i po wysuszeniu będzie wykazywał jednorodną strukturę.

 
Uwagi dotyczące optymalnej kontroli procesu

Zwiększanie skali: liniowo i prosto dzięki sonikacji

W dziedzinie, która coraz bardziej wymaga precyzji, czystości i możliwości zwiększania skali, ta metoda ultradźwiękowa oferuje atrakcyjną alternatywę. Można kontrolować przestrzenny zakres jej działania, regulować ją w czasie rzeczywistym i stosować w przetwarzaniu ciągłym z użyciem nowoczesnych ultradźwiękowych systemów pracujących w linii procesowej.
Sonikatory Hielscher Ultrasonics zapewniają dokładne amplitudy i umożliwiają liniowe zwiększanie skali od laboratorium do produkcji – dzięki czemu idealnie nadają się do wdrażania takich układów hydrożelowych w praktycznych zastosowaniach terapeutycznych i diagnostycznych.

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Sonikatory Hielscher są dobrze znane z najwyższych standardów jakości i projektowania. Wytrzymałość i łatwa obsługa umożliwiają bezproblemową integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającymi środowiskami.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na sonikatory o wysokiej wydajności, wykorzystujące najnowocześniejszą technologię i przyjazne dla użytkownika. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA oraz RoHs.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: