Ultradźwiękowa synteza polimerów molekularnie odciśniętych (MIP)

Polimery z nadrukiem molekularnym (MIP) są sztucznie zaprojektowanymi receptorami o z góry określonej selektywności i specyficzności dla danej struktury cząsteczki biologicznej lub chemicznej. Ultradźwięki mogą poprawić różne ścieżki syntezy polimerów z nadrukiem molekularnym, dzięki czemu polimeryzacja jest bardziej wydajna i niezawodna.

Czym są polimery wdrukowane molekularnie?

Polimer wdrukowany molekularnie (MIP) to materiał polimerowy o właściwościach rozpoznawania podobnych do przeciwciał, który został wytworzony przy użyciu techniki wdruku molekularnego. Technika nadruku molekularnego wytwarza polimer z nadrukiem molekularnym w odniesieniu do określonej cząsteczki docelowej. Polimer z nadrukiem molekularnym ma wgłębienia w swojej matrycy polimerowej z powinowactwem do określonej cząsteczki docelowej. “szablon” molekuła. Proces ten zwykle polega na zainicjowaniu polimeryzacji monomerów w obecności cząsteczki matrycowej, która jest następnie ekstrahowana, pozostawiając komplementarne wnęki. Polimery te mają powinowactwo do oryginalnej cząsteczki i były używane w takich zastosowaniach, jak separacje chemiczne, kataliza lub czujniki molekularne. Molekularne cząsteczki wdrukowane można porównać do zamka molekularnego, który pasuje do klucza molekularnego (tzw. cząsteczki matrycowej). Polimery z nadrukiem molekularnym (MIP) charakteryzują się specjalnie dostosowanymi miejscami wiązania, które pasują do cząsteczek matrycowych pod względem kształtu, wielkości i grup funkcyjnych. Ten “zamek – klucz” Cecha ta pozwala na wykorzystanie polimerów z nadrukiem molekularnym do różnych zastosowań, w których określony typ cząsteczki jest rozpoznawany i przyłączany do blokady molekularnej, tj. polimeru z nadrukiem molekularnym.

Schematyczna ilustracja przedstawia ścieżkę odciskania molekularnego cyklodekstryn w celu przygotowania dostosowanych receptorów.Badanie i zdjęcie: Hishiya et al. 2003

Polimery wdrukowywane molekularnie (MIP) mają szeroki zakres zastosowań i są wykorzystywane do oddzielania i oczyszczania określonych cząsteczek biologicznych lub chemicznych, w tym aminokwasów i białek, pochodnych nukleotydów, zanieczyszczeń, a także leków i żywności. Obszary zastosowań obejmują separację i oczyszczanie, czujniki chemiczne, reakcje katalityczne, dostarczanie leków, przeciwciała biologiczne i systemy receptorów. (por. Vasapollo et al. 2011)
Na przykład, technologia MIP jest stosowana jako technika mikroekstrakcji w fazie stałej do obsługi i oczyszczania cząsteczek pochodzących z konopi indyjskich, takich jak CBD lub THC z ekstraktu o pełnym spektrum w celu uzyskania izolatów i destylatów kannabinoidów.

Ultradźwiękowa synteza cząsteczek z nadrukiem molekularnym

W zależności od typu celu (szablonu) i ostatecznego zastosowania MIP, MIP mogą być syntetyzowane w różnych formatach, takich jak cząstki sferyczne o wielkości nano- i mikronowej, nanodruty, nanopręty, nanowłókna lub cienkie warstwy. W celu wytworzenia określonej formy MIP można zastosować różne techniki polimeryzacji, takie jak odciskanie 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.
Sonikacja przynosi szereg korzyści w syntezie MIP w porównaniu z tradycyjnymi procesami polimeryzacji, ponieważ promuje wyższe szybkości reakcji, bardziej jednorodny wzrost łańcucha polimerowego, wyższą wydajność i łagodniejsze warunki (np. niską temperaturę reakcji). Co więcej, może zmieniać rozkład populacji miejsc wiązania, a tym samym morfologię końcowego polimeru. (Svenson 2011)
Poprzez zastosowanie energii sonochemicznej do polimeryzacji MIP, reakcje polimeryzacji są inicjowane i mają pozytywny wpływ. Jednocześnie sonikacja sprzyja skutecznemu odgazowaniu mieszaniny polimerów bez utraty zdolności wiązania lub sztywności.
Homogenizacja, dyspersja i emulgacja ultradźwiękowa zapewnia doskonałe mieszanie i mieszanie w celu utworzenia jednorodnych zawiesin i zapewnienia energii inicjacji procesów polimeryzacji. Viveiros i in. (2019) zbadali potencjał ultradźwiękowej syntezy MIP i stwierdzili, że “MIPs przygotowane ultradźwiękami wykazywały właściwości wiążące podobne lub lepsze od metod konwencjonalnych”.
MIP w nanoformacie otwierają obiecujące możliwości poprawy jednorodności miejsc wiązania. Ultradźwięki są dobrze znane ze swoich wyjątkowych wyników w przygotowywaniu nanodyspersji i nanoemulsji.

Ultradźwiękowa polimeryzacja nano-emulsyjna

MIP mogą być syntetyzowane poprzez polimeryzację emulsyjną. Polimeryzacja emulsyjna jest zwykle osiągana poprzez tworzenie emulsji typu olej w wodzie z dodatkiem środka powierzchniowo czynnego. Aby utworzyć stabilny, nano-rozmiar, wymagana jest wysokowydajna technika emulgowania. Emulsyfikacja ultradźwiękowa jest dobrze ugruntowaną techniką przygotowywania nano- i mini-emulsji.
Przeczytaj więcej o ultradźwiękowej nano-emulsyfikacji!

Ultradźwięki mogą poprawić następujące szlaki syntezy do produkcji nanoMIP: polimeryzacja strąceniowa, polimeryzacja emulsyjna i polimeryzacja rdzeniowa.Badanie i zdjęcie autorstwa: Refaat et al. 2019

Ultradźwiękowa ekstrakcja szablonu

Po syntezie polimerów wdrukowanych molekularnie, szablon musi zostać usunięty z miejsca wiązania w celu uzyskania aktywnego polimeru wdrukowanego molekularnie. Intensywne siły mieszania sonikacji promują rozpuszczalność, dyfuzyjność, penetrację i transport cząsteczek rozpuszczalnika i szablonu. W ten sposób szablony są szybko usuwane z miejsc wiązania.
Ekstrakcja ultradźwiękowa może być również połączona z ekstrakcją Soxhleta w celu usunięcia szablonu z nadrukowanego polimeru.

Studia przypadków: Zastosowania ultradźwiękowe dla polimerów z nadrukiem molekularnym

Ultradźwiękowa synteza polimerów z nadrukiem molekularnym

Enkapsulacja nanocząstek magnetycznych polimerami z nadrukiem 17β-estradiolu przy użyciu ultradźwiękowej drogi syntezy pozwala na szybkie usunięcie 17β-estradiolu ze środowiska wodnego. Do ultradźwiękowej syntezy nanoMIP zastosowano kwas metakrylowy (MAA) jako monomer, dimetyloakrylan glikolu etylenowego (EGDMA) jako środek sieciujący oraz azobizobutyronitryl (AIBN) jako inicjator. Procedurę syntezy ultradźwiękowej przeprowadzono przez 2 godziny 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 także doprowadziło do zwiększenia liczby wolnych rodników, a tym samym ułatwiło wzrost MIP wokół nanocząstek magnetycznych. Zdolność adsorpcji 17β-estradiolu była porównywalna z tradycyjnymi metodami. [Xia et al. 2012? Viveiro et al. 2019].

Ultradźwięki dla czujników z nadrukiem molekularnym

Yu i wsp. zaprojektowali czujnik elektrochemiczny z nadrukiem molekularnym oparty na elektrodach modyfikowanych nanocząstkami niklu do oznaczania fenobarbitalu. Opisany czujnik elektrochemiczny został opracowany w procesie polimeryzacji termicznej z wykorzystaniem kwasu metakrylowego (MAA) jako monomeru funkcyjnego, akrylanu 2,2-azobisisobutyronitrylu (AIBN) i glikolu etylenowego maleinowego (EGMRA) jako środka sieciującego, fenobarbitali (PBs) jako cząsteczki szablonu oraz dimetylosulfotlenku (DMSO) jako rozpuszczalnika organicznego. W procesie wytwarzania czujnika 0,0464 g PB i 0,0688 g MAA zmieszano w 3 ml DMSO i poddano działaniu ultradźwięków przez 10 minut. Po 5 godzinach do mieszaniny dodano 1,0244 g EGMRA i 0,0074 g AIBN i poddano sonikacji przez 30 minut w celu uzyskania roztworów polimeru z nadrukiem PB. Następnie dodano 10 μL 2,0 mg mL^-1Roztwór nanocząstek Ni naniesiono na powierzchnię GCE, a następnie czujnik wysuszono w temperaturze pokojowej. Około 5 μL przygotowanego roztworu polimeru z nadrukiem PB zostało następnie naniesione na GCE zmodyfikowaną nanocząsteczkami Ni i suszone próżniowo w temperaturze 75◦C przez 6 godzin. Po polimeryzacji termicznej, czujnik z nadrukiem przemyto (kwasem octowym) HAc/metanolem (stosunek objętościowy, 3:7) przez 7 minut w celu usunięcia cząsteczek szablonu. (por. Uygun et al. 2015)

Mikroekstrakcja ultradźwiękowa z wykorzystaniem MIP

W celu odzyskania analiz nikotynamidu z próbek zastosowano ultradźwiękowo wspomaganą dyspersyjną mikroekstrakcję do fazy stałej, a następnie spektrofotometr UV-vis (UA-DSPME-UV-vis). Do ekstrakcji i wstępnego zatężania nikotynamidu (witaminy B3) zastosowano polimery wdrukowywane molekularnie HKUST-1 na bazie metaloorganicznego szkieletu (MOF). (Asfaram et al. 2017)

Wysokowydajne ultradźwięki do zastosowań polimerowych

Od laboratorium do produkcji z liniową skalowalnością: Specjalnie zaprojektowane polimery wdrukowywane molekularnie są najpierw opracowywane i testowane w małej skali laboratoryjnej i laboratoryjnej, aby zbadać wykonalność syntezy polimeru. Jeśli wykonalność i optymalizacja MIP zostały osiągnięte, produkcja MIP jest skalowana do większych objętości. Ultradźwiękowe trasy syntezy mogą być liniowo skalowane od bench-topu do w pełni komercyjnej produkcji. Hielscher Ultrasonics oferuje sprzęt sonochemiczny do syntezy polimerów w małych laboratoriach i ustawieniach stołowych do w pełni przemysłowych systemów ultradźwiękowych inline do produkcji 24/7 pod pełnym obciążeniem. Ultradźwięki mogą być liniowo skalowane od wielkości probówki do dużych zdolności produkcyjnych ciężarówek na godzinę. Hielscher Ultrasonics szerokie portfolio produktów z laboratorium do przemysłowych systemów sonochemicznych ma najbardziej odpowiedni ultrasonicator dla przewidywanej wydajności procesu. Nasz wieloletni doświadczony personel pomoże Ci od testów wykonalności i optymalizacji procesu do instalacji systemu ultradźwiękowego na końcowym poziomie produkcji.

Hielscher Ultrasonics – Zaawansowany sprzęt sonochemiczny

Portfolio produktów 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 danego procesu. Optymalna konfiguracja ultradźwiękowa zależy od przewidywanej wydajności, objętości, materiału, partii lub procesu inline i osi czasu. Hielscher pomaga skonfigurować idealny proces sonochemiczny.

wsadowe i inline

Ultradźwięki Hielscher mogą być używane do przetwarzania wsadowego i ciągłego przepływu. Małe i średnie objętości mogą być wygodnie sonikowane w procesie wsadowym (np. fiolki, probówki, zlewki, zbiorniki lub beczki). W przypadku przetwarzania dużych ilości, sonikacja inline może być bardziej skuteczna. Podczas gdy dozowanie jest bardziej czasochłonne i pracochłonne, ciągły proces mieszania w linii jest bardziej wydajny, szybszy i wymaga znacznie mniej pracy. Hielscher Ultrasonics ma najbardziej odpowiednią konfigurację ekstrakcji dla reakcji polimeryzacji i objętości procesu.

Sondy ultradźwiękowe dla każdej wydajności produktu

Asortyment produktów Hielscher Ultrasonics obejmuje pełne spektrum procesorów ultradźwiękowych, od kompaktowych ultrasonografów laboratoryjnych, przez systemy stacjonarne i pilotażowe, po w pełni przemysłowe procesory ultradźwiękowe o wydajności umożliwiającej przetwarzanie ładunków ciężarówek na godzinę. Pełna gama produktów pozwala nam zaoferować najbardziej odpowiedni sprzęt ultradźwiękowy do polimerów, wydajności procesu i celów produkcyjnych.
Ultradźwiękowe systemy stacjonarne są idealne do testów wykonalności i optymalizacji procesów. Liniowe skalowanie w oparciu o ustalone parametry procesu bardzo ułatwia zwiększenie wydajności przetwarzania z mniejszych partii do w pełni komercyjnej produkcji. Skalowanie w górę można wykonać, instalując mocniejszą ultradźwiękową jednostkę ekstrakcyjną lub grupując równolegle kilka ultrasonicatorów. Dzięki UIP16000, Hielscher oferuje najpotężniejszą jednostkę ultradźwiękową na świecie.

Precyzyjnie kontrolowane amplitudy dla optymalnych wyników

Wszystkie ultradźwięki Hielscher są precyzyjnie sterowane, a tym samym niezawodne w produkcji. Amplituda jest jednym z kluczowych parametrów procesu, które wpływają na wydajność i skuteczność reakcji sonochemicznych, w tym reakcji polimeryzacji i szlaków syntezy.
Wszystkie urządzenia Hielscher Ultrasonics’ Procesory pozwalają na precyzyjne ustawienie amplitudy. Sonotrody i tuby wzmacniające to akcesoria, które pozwalają na modyfikację amplitudy w jeszcze szerszym zakresie. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy i zapewniać wymaganą intensywność ultradźwięków dla wymagających zastosowań. Amplitudy do 200 μm mogą być z łatwością uruchamiane w sposób ciągły w trybie 24/7.
Precyzyjne ustawienia amplitudy i stałe monitorowanie parametrów procesu ultradźwiękowego za pomocą inteligentnego oprogramowania dają możliwość syntezy polimerów z nadrukiem molekularnym w najbardziej efektywnych warunkach ultradźwiękowych. Optymalna sonikacja dla najlepszych wyników polimeryzacji!
Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach. To sprawia, że urządzenia ultradźwiękowe firmy Hielscher są niezawodnym narzędziem pracy, które spełnia wymagania procesu sonochemicznego.

Łatwe testowanie bez ryzyka

Procesy ultradźwiękowe można skalować całkowicie liniowo. Oznacza to, że każdy wynik osiągnięty przy użyciu ultrasonografu laboratoryjnego lub stacjonarnego można skalować do dokładnie tej samej wydajności przy użyciu dokładnie tych samych parametrów procesu. To sprawia, że ultradźwięki są idealne do testowania wykonalności bez ryzyka, optymalizacji procesu i późniejszego wdrożenia do produkcji komercyjnej. Skontaktuj się z nami, aby dowiedzieć się, jak ultradźwięki mogą zwiększyć wydajność i jakość MIP.

Najwyższa jakość – Zaprojektowany i wyprodukowany w Niemczech

Jako firma rodzinna, Hielscher stawia na pierwszym miejscu najwyższe standardy jakości swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie ultradźwięki są projektowane, produkowane i dokładnie testowane w naszej siedzibie w Teltow koło Berlina w Niemczech. Solidność i niezawodność urządzeń ultradźwiękowych firmy Hielscher sprawiają, że są one koniem pociągowym w Twojej produkcji. Praca 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu przy pełnym obciążeniu i w wymagających środowiskach jest naturalną cechą wysokowydajnych mieszalników firmy Hielscher.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:

Możesz kupić procesor ultradźwiękowy Hielscher w dowolnym rozmiarze i dokładnie skonfigurowany do Twoich wymagań procesowych. Od obróbki reagentów w małej rurce laboratoryjnej do ciągłego mieszania przepływowego zawiesin polimerowych na poziomie przemysłowym, Hielscher Ultrasonics oferuje odpowiedni ultrasonicator dla Ciebie! Prosimy o kontakt – z przyjemnością polecimy Ci idealną konfigurację ultradźwiękową!