Ultradźwiękowa synteza polimerów molekularnie zadrukowanych (MIPs)

Molekularnie zadrukowane polimery (MIPs) to sztucznie zaprojektowane receptory o określonej selektywności i specyficzności dla danej biologicznej lub chemicznej struktury molekuł. Ultradźwięki mogą poprawić różne drogi syntezy polimerów z nadrukiem molekularnym, czyniąc polimeryzację bardziej wydajną i niezawodną.

Czym są polimery nadrukowane molekularnie?

Polimer z nadrukiem molekularnym (MIP) to materiał polimerowy o właściwościach rozpoznawczych zbliżonych do przeciwciał, który został wyprodukowany przy użyciu techniki nadruku molekularnego. Technika molekularnego nadruku powoduje powstanie polimeru z molekularnym nadrukiem w odniesieniu do konkretnej cząsteczki docelowej. Polimer z nadrukiem molekularnym posiada w swojej matrycy polimerowej wgłębienia o powinowactwie do specyficznej cząsteczki docelowej. “Wzór” molekuła. Proces ten polega zazwyczaj na inicjowaniu polimeryzacji monomerów w obecności cząsteczki wzorcowej, która jest następnie ekstrahowana, pozostawiając po sobie jamy uzupełniające. Polimery te mają powinowactwo do pierwotnej cząsteczki i były używane w takich zastosowaniach jak separacja chemiczna, kataliza lub czujniki molekularne. Cząsteczki z nadrukiem molekularnym można porównać do zamka molekularnego, który pasuje do klucza molekularnego (tzw. cząsteczka szablonowa). Polimery z nadrukiem molekularnym (MIP) charakteryzują się specjalnie dopasowanymi miejscami wiązania, które pasują do cząsteczek wzorcowych pod względem kształtu, rozmiaru i grup funkcyjnych. Zamek – cecha "key" pozwala na wykorzystanie polimerów z nadrukiem molekularnym do różnych zastosowań, gdzie określony typ cząsteczki jest rozpoznawany i dołączany do zamka molekularnego, tj. polimer z nadrukiem molekularnym.

Schematyczna ilustracja przedstawia drogę molekularnego odcisku cyklodekstryn do przygotowania receptorów dostosowanych do potrzeb.
Studium i obraz: Hishiya et al. 2003

Polimery z nadrukiem molekularnym (MIP) mają szeroki zakres zastosowań i są wykorzystywane do oddzielania i oczyszczania określonych biologicznych lub chemicznych cząsteczek, w tym aminokwasów i białek, pochodnych nukleotydów, zanieczyszczeń, a także leków i żywności. Obszary zastosowań sięgają od separacji i oczyszczania do czujników chemicznych, reakcji katalitycznych, podawania leków, biologicznych przeciwciał i systemów receptorów. (por. Vasapollo i in. 2011)
Na przykład technologia MIP jest stosowana jako technika mikroekstrakcji fazy stałej w celu operowania i oczyszczania cząsteczek pochodzących z konopi indyjskich, takich jak CBD lub THC, z ekstraktu o pełnym spektrum, w celu uzyskania izolatów i destylatów konopi indyjskich.

Ultradźwiękowa synteza molekularnie zadrukowanych cząsteczek (Molecularly Imprinted Molecules)

W zależności od rodzaju celu (szablonu) i ostatecznego zastosowania MIP, MIP mogą być syntetyzowane w różnych formatach, takich jak kuliste cząstki o rozmiarze nano- i mikrona, nanowiry, nano pręty, nanowłókna lub cienkie warstwy. W celu uzyskania specyficznej formy MIP można zastosować różne techniki polimeryzacji, takie jak wytłaczanie masowe, wytrącanie, polimeryzacja emulsyjna, zawiesina, dyspersja, żelowanie i wieloetapowa polimeryzacja pęczniejąca.
Zastosowanie ultradźwięków o niskiej częstotliwości i wysokiej intensywności oferuje wysoce wydajną, wszechstronną i prostą technikę syntezy nanostruktur polimerowych.
Synteza MIP przynosi szereg korzyści w porównaniu z tradycyjnymi procesami polimeryzacji, ponieważ sprzyja wyższej szybkości reakcji, bardziej jednorodnemu rozwojowi łańcucha polimeru, wyższej wydajności i łagodniejszym warunkom (np. niskiej temperaturze reakcji). Co więcej, może to zmienić rozkład populacji miejsca wiązania, a tym samym morfologię polimeru końcowego. (Svenson 2011)
Poprzez zastosowanie energii sonochemicznej do polimeryzacji MIPs, reakcje polimeryzacji są inicjowane i pozytywnie wpływa na nią. Jednocześnie sonizacja sprzyja efektywnemu odgazowywaniu mieszaniny polimerów bez utraty zdolności wiązania lub sztywności.
Ultradźwiękowa homogenizacja, dyspergowanie i emulgowanie oferuje doskonałe mieszanie i mieszanie w celu utworzenia jednorodnych zawiesin i zapewnienia energii inicjowania procesów polimeryzacji. Viveiros et al. (2019) zbadali potencjał syntezy ultradźwiękowej MIP i stwierdzili, że "MIPs przygotowali ultradźwiękowo przedstawione właściwości wiążące podobne lub lepsze od konwencjonalnych metod".
WPI w nano-formatach otwierają obiecujące możliwości poprawy jednolitości wiążących miejsc. Ultrasonizacja znana jest z wyjątkowych wyników w przygotowywaniu nanodyspersji i nanoemulsji.

Ultradźwiękowa Nano-Emulsja Polimeryzacja

MIPs mogą być syntezowane poprzez polimeryzację emulsyjną. Polimeryzacja emulsyjna jest powszechnie osiągana poprzez tworzenie emulsji typu olej w wodzie pod wpływem dodania środka powierzchniowo czynnego. Do utworzenia stabilnej, nano-wymiarowej emulsji wymagana jest wysokowydajna technika emulsyfikacji. Emulsyfikacja ultradźwiękowa jest ugruntowaną techniką przygotowywania nano- i mini-emulsji.
Przeczytaj więcej o Nano-Emulsyfikacji Ultrasonic!

Ultradźwięki mogą poprawić następujące drogi syntezy do produkcji nanoMIP: polimeryzacja z opadami atmosferycznymi, polimeryzacja emulsyjna i polimeryzacja typu core-shell.
Studium i zdjęcie przez: Refaat et al. 2019

Ekstrakcja ultradźwiękowa szablonu

Po syntezie polimerów z nadrukiem molekularnym, szablon należy usunąć z miejsca wiązania, aby otrzymać aktywny polimer z nadrukiem molekularnym. Intensywne siły miksowania sprzyjają rozpuszczalności, dyfuzyjności, penetracji i transportowi cząsteczek rozpuszczalnika i szablonu. Dzięki temu szablony są szybko usuwane z miejsca wiązania.
Ekstrakcja ultradźwiękowa może być również połączona z ekstrakcją Soxhleta w celu usunięcia szablonu z nadrukowanego polimeru.

Studia przypadków: Ultradźwiękowe zastosowania dla polimerów znakowanych molekularnie

Ultradźwiękowa synteza polimerów znakowanych molekularnie

Enkapsulacja nanocząsteczek magnetycznych przez polimery z nadrukiem 17β-estradiolu przy użyciu ultradźwiękowej drogi syntezy pozwala na szybkie usunięcie 17β-estradiolu ze środowiska wodnego. Do syntezy ultradźwiękowej nanoMIPs zastosowano kwas metakrylowy (MAA) jako monomer, dimetylakrylan glikolu etylenowego (EGDMA) jako substancję sieciującą oraz azobizobutyronitryl (AIBN) jako inicjator. Procedurę syntezy ultradźwiękowej prowadzono przez 2h w temperaturze 65ºC. Średnie średnice cząstek magnetycznych NIP i magnetycznych MIP wynosiły odpowiednio 200 i 300 nm. Zastosowanie ultradźwięków nie tylko zwiększyło szybkość polimeryzacji i morfologię nanocząstek, ale również doprowadziło do zwiększenia liczby wolnych rodników, a tym samym ułatwiło wzrost MIP wokół nanocząstek magnetycznych. Zdolność adsorpcji w kierunku 17β-estradiolu była porównywalna z tradycyjnymi metodami. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultradźwięki dla czujników molekularnie znakowanych

Yu et al. zaprojektowali czujnik elektrochemiczny z odciskiem molekularnym na bazie elektrod modyfikowanych nanocząsteczkami niklu do oznaczania fenobarbitalu. Sensor elektrochemiczny opracowano metodą polimeryzacji termicznej z wykorzystaniem kwasu metakrylowego (MAA) jako monomeru funkcyjnego, 2,2-azobisobutyronitrylu (AIBN) i akrylanu glikolu etylenowego (EGMRA) jako czynnika sieciującego, fenobarbitalu (PB) jako cząsteczki wzorcowej oraz sulfotlenku dimetylu (DMSO) jako rozpuszczalnika organicznego. W procesie produkcji czujników zmieszano 0,0464 g PB i 0,0688 g MAA w 3 mL DMSO i sondowano przez 10 min. Po 5 h do mieszaniny dodano 1,0244 g EGMRA i 0,0074 g AIBN, a następnie przez 30 min. sonikowano w celu uzyskania roztworów polimeru z nadrukiem PB. Następnie 10 μL z 2,0 mg mL^-1Roztwór nanocząsteczek niklu spadł na powierzchnię GCE, a następnie czujnik został wysuszony w temperaturze pokojowej. Następnie ok. 5 μl przygotowanego roztworu polimeru z nadrukiem PB pokryto powłoką na modyfikowanej nanocząsteczkami niklu GCE i suszono próżniowo w temperaturze 75◦C przez 6 h. Po polimeryzacji termicznej nadrukowany czujnik przemywano (kwasem octowym) HAc/metanolem (stosunek objętościowy, 3:7) przez 7 min w celu usunięcia cząsteczek wzornika. (por. Uygun i in. 2015)

Mikroekstrakcja ultradźwiękowa przy użyciu MIPs

W celu odzyskania analiz nikotynamidowych z próbek stosuje się wspomaganą ultradźwiękowo mikroekstrakcję dyspersyjną fazy stałej, a następnie spektrofotometr UV-vis (UA-DSPME-UV-vis). Do ekstrakcji i wstępnego zagęszczenia nikotynamidu (witamina B3) zastosowano polimery na bazie molekularnie wytłaczanego metalowego szkieletu organicznego HKUST-1 (MOF). (Asfaram i in. 2017)

Wysokowydajne ultrasonografy do zastosowań polimerowych

Od laboratorium do produkcji z możliwością skalowania liniowego: Specjalnie zaprojektowane polimery z odciskiem molekularnym są najpierw opracowywane i testowane w małej skali laboratoryjnej i stołowej, w celu zbadania możliwości syntezy polimeru. Jeśli wykonalność i optymalizacja MIP została osiągnięta, produkcja MIP jest skalowana do większych ilości. Wszystkie drogi syntezy ultradźwiękowej mogą być skalowane liniowo od produkcji stacjonarnej do w pełni komercyjnej. Firma Hielscher Ultrasonics oferuje urządzenia sonochemiczne do syntezy polimerów w małych laboratoriach i na stole warsztatowym aż po w pełni przemysłowe systemy ultradźwiękowe do produkcji w trybie 24/7 pod pełnym obciążeniem. Urządzenia ultradźwiękowe mogą być skalowane liniowo od wielkości probówki do dużych wydajności produkcyjnych ciężarówek na godzinę. Firma Hielscher Ultrasonics posiada szeroką ofertę produktów, od laboratoryjnych po przemysłowe systemy sonochemiczne, które są najbardziej odpowiednie dla przewidywanej wydajności procesu. Nasi długoletni, doświadczeni pracownicy pomogą Państwu od badań wykonalności i optymalizacji procesu aż po instalację systemu ultradźwiękowego na końcowym poziomie produkcji.

Hielscher Ultrasonics – Wyrafinowany sprzęt sonochemiczny

Portfolio produktów firmy Hielscher Ultrasonics obejmuje pełną gamę wysokowydajnych ekstraktorów ultradźwiękowych od małej do dużej skali. Dodatkowe akcesoria pozwalają na łatwy montaż najbardziej odpowiedniej konfiguracji urządzenia ultradźwiękowego dla Państwa procesu. Optymalna konfiguracja ultradźwiękowa zależy od przewidywanej wydajności, objętości, materiału, procesu wsadowego lub inline oraz osi czasu. Firma Hielscher pomoże Państwu skonfigurować idealny proces sonochemiczny.

Batch i Inline

Ultradźwięki firmy Hielscher mogą być stosowane do przetwarzania wsadowego i ciągłego. Małe i średnie objętości mogą być wygodnie sondowane w procesie wsadowym (np. fiolki, test, probówki, zlewki, zbiorniki lub beczki). W przypadku przetwarzania dużych objętości bardziej efektywna może być sonikacja inline. Podczas gdy szarżowanie jest bardziej czasochłonne i pracochłonne, ciągły proces mieszania w linii produkcyjnej jest bardziej efektywny, szybszy i wymaga znacznie mniejszego nakładu pracy. Firma Hielscher Ultrasonics posiada najbardziej odpowiedni zestaw do ekstrakcji dla Państwa reakcji polimeryzacji i objętości procesu.

Sondy ultradźwiękowe dla każdej pojemności produktu

Asortyment produktów firmy Hielscher Ultrasonics obejmuje pełne spektrum procesorów ultradźwiękowych, od kompaktowych laboratoryjnych ultrasonografów, poprzez systemy stacjonarne i pilotażowe, aż po w pełni przemysłowe procesory ultradźwiękowe o wydajności umożliwiającej przetwarzanie ciężarówek na godzinę. Pełna gama produktów pozwala nam zaoferować Państwu najbardziej odpowiednie urządzenia ultradźwiękowe dla Państwa polimerów, wydajności procesu i celów produkcyjnych.
Ultradźwiękowe systemy stacjonarne są idealne do badań wykonalności i optymalizacji procesów. Liniowe skalowanie w oparciu o ustalone parametry procesowe umożliwia bardzo łatwe zwiększenie mocy przerobowych z mniejszych partii do w pełni komercyjnej produkcji. Skalowanie może być wykonane przez zainstalowanie mocniejszego urządzenia do ekstrakcji ultradźwiękowej lub przez połączenie kilku ultrasonografów równolegle. Dzięki UIP16000 firma Hielscher oferuje najmocniejsze urządzenie ultradźwiękowe na świecie.

Precyzyjnie regulowane amplitudy dla uzyskania optymalnych wyników

Wszystkie ultradźwięki firmy Hielscher są precyzyjnie sterowane i dzięki temu niezawodnie pracują z końmi roboczymi w produkcji. Amplituda jest jednym z kluczowych parametrów procesu, który wpływa na efektywność i skuteczność reakcji sonochemicznych, w tym reakcji polimeryzacji i dróg syntezy.
Wszystkie ultradźwięki Hielscher Ultrasonics’ Procesory pozwalają na precyzyjne ustawienie amplitudy. Sonotrody i klaksony wzmacniające są akcesoriami pozwalającymi na modyfikację amplitudy w jeszcze szerszym zakresie. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher mogą dostarczać bardzo duże amplitudy i zapewnić wymaganą intensywność ultradźwiękową dla wymagających zastosowań. Amplitudy do 200µm można z łatwością pracować w trybie ciągłym w trybie 24/7.
Precyzyjne ustawienia amplitudy i stałe monitorowanie parametrów procesu ultradźwiękowego za pomocą inteligentnego oprogramowania dają możliwość syntezy molekularnie nadrukowanych polimerów w najbardziej efektywnych warunkach ultradźwiękowych. Optymalna sonizacja dla uzyskania najlepszych wyników polimeryzacji!
Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 w trudnych warunkach pracy i w wymagającym otoczeniu. Dzięki temu urządzenia ultradźwiękowe firmy Hielscher są niezawodnym narzędziem pracy, które spełnia wymagania procesów sonochemicznych.

Łatwe, wolne od ryzyka testowanie

Procesy ultradźwiękowe mogą być całkowicie liniowo skalowane. Oznacza to, że każdy wynik uzyskany za pomocą laboratorium lub stacjonarnego ultrasonografu może być skalowany na dokładnie taką samą wydajność przy użyciu dokładnie takich samych parametrów procesu. Dzięki temu ultradźwięki nadają się idealnie do bezinwazyjnych testów wykonalności, optymalizacji procesów i późniejszego wdrożenia do produkcji komercyjnej. Skontaktuj się z nami, aby dowiedzieć się, w jaki sposób ultradźwiękowanie może zwiększyć wydajność i jakość MIP.

Najwyższa jakość – Zaprojektowane i wyprodukowane w Niemczech

Jako firma rodzinna i rodzinna, Hielscher priorytetowo traktuje najwyższe standardy jakości dla swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie ultrasonicators są zaprojektowane, wyprodukowane i dokładnie przetestowane w naszej siedzibie w Teltowie koło Berlina, Niemcy. Solidność i niezawodność ultradźwiękowego sprzętu Hielschera sprawiają, że jest to koń roboczy w Twojej produkcji. Praca 24/7 przy pełnym obciążeniu i w wymagających środowiskach jest naturalną cechą wysokowydajnych mieszalników Firmy Hielscher.

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:

Możesz kupić procesor ultradźwiękowy Hielscher w dowolnym rozmiarze i dokładnie skonfigurowany do Twoich wymagań procesowych. Od obróbki reaktantów w małej probówce laboratoryjnej do ciągłego mieszania zawiesin polimerowych na poziomie przemysłowym, Hielscher Ultrasonics oferuje odpowiedni ultradźwiękowiec dla Państwa! Prosimy o kontakt z nami – Chętnie polecimy Państwu idealną konfigurację ultradźwiękową!