Síntese ultrassónica de polímeros molecularmente impressos (MIPs)

Os polímeros molecularmente impressos (MIPs) são recetores concebidos artificialmente com uma seletividade e especificidade predeterminadas para uma determinada estrutura molecular biológica ou química. A ultrassonicação pode melhorar várias vias de síntese de polímeros molecularmente impressos, tornando a polimerização mais eficiente e fiável.

O que são polímeros molecularmente impressos?

Um polímero molecularmente impresso (MIP) é um material polimérico com características de reconhecimento semelhantes às dos anticorpos, produzido através da técnica de impressão molecular. A técnica de impressão molecular produz um polímero molecularmente impresso para uma molécula-alvo específica. O polímero molecularmente impresso apresenta cavidades na sua matriz polimérica com afinidade para a molécula «molde» específica. O processo envolve geralmente o início da polimerização de monómeros na presença de uma molécula-molde que é extraída posteriormente, deixando cavidades complementares. Estes polímeros têm afinidade para a molécula original e têm sido utilizados em aplicações como separações químicas, catálise ou sensores moleculares. As moléculas molecularmente impressas podem ser comparadas a uma fechadura molecular que corresponde a uma chave molecular (a chamada molécula-molde). Os polímeros molecularmente impressos (MIPs) caracterizam-se por locais de ligação especificamente adaptados que correspondem às moléculas-molde em forma, tamanho e grupos funcionais. A característica «fechadura – chave» permite utilizar polímeros molecularmente impressos em várias aplicações nas quais um tipo específico de molécula é reconhecido e se liga à fechadura molecular, ou seja, ao polímero molecularmente impresso.

A ilustração esquemática mostra a via de impressão molecular das ciclodextrinas para a preparação de recetores adaptados.
Estudo e imagem: Hishiya et al. 2003

Os polímeros molecularmente impressos (MIPs) têm um vasto campo de aplicações e são utilizados para separar e purificar moléculas biológicas ou químicas específicas, incluindo aminoácidos e proteínas, derivados de nucleótidos, poluentes, bem como fármacos e alimentos. As áreas de aplicação vão da separação e purificação aos sensores químicos, reações catalíticas, administração de fármacos, anticorpos biológicos e sistemas de recetores. (cf. Vasapollo et al. 2011)
Por exemplo, a tecnologia MIP é utilizada como técnica de microextração em fase sólida para processar e purificar moléculas derivadas da canábis, como o CBD ou o THC, a partir do extrato de espetro completo, a fim de obter isolados e destilados de canabinoides.

Síntese ultrassónica de moléculas molecularmente impressas

Dependendo do tipo de alvo (molde) e da aplicação final do MIP, os MIPs podem ser sintetizados em diferentes formatos, como partículas esféricas de dimensão nanométrica e micrométrica, nanofios, nanobastões, nanofilamentos ou filmes finos. Para produzir uma forma específica de MIP, podem ser aplicadas diferentes técnicas de polimerização, como impressão em massa, precipitação, polimerização em emulsão, suspensão, dispersão, gelificação e polimerização por inchamento em várias etapas.
A aplicação de ultrassons de baixa frequência e alta intensidade oferece uma técnica altamente eficiente, versátil e simples para sintetizar nanoestruturas poliméricas.
A sonicação proporciona várias vantagens na síntese de MIPs em comparação com os processos tradicionais de polimerização, porque promove velocidades de reação mais elevadas, um crescimento mais homogéneo das cadeias poliméricas, rendimentos superiores e condições mais suaves (por exemplo, baixa temperatura de reação). Além disso, pode alterar a distribuição da população de locais de ligação e, consequentemente, a morfologia do polímero final. (Svenson 2011)
A aplicação de energia sonoquímica à polimerização de MIPs inicia as reações de polimerização e influencia-as positivamente. Simultaneamente, a sonicação promove uma desgaseificação eficaz da mistura polimérica sem comprometer a capacidade de ligação ou a rigidez.
A homogeneização, dispersão e emulsificação ultrassónicas proporcionam uma mistura e agitação superiores para formar suspensões homogéneas e fornecer energia de iniciação aos processos de polimerização. Viveiros et al. (2019) investigaram o potencial da síntese ultrassónica de MIPs e afirmam que «os MIPs preparados por ultrassons apresentaram propriedades de ligação semelhantes ou superiores às obtidas pelos métodos convencionais».
Os MIPs em formato nanométrico abrem possibilidades promissoras para melhorar a homogeneidade dos locais de ligação. A ultrassonicação é bem conhecida pelos seus resultados excecionais na preparação de nanodispersões e nanoemulsões.

Polimerização ultrassónica em nanoemulsão

Os MIPs podem ser sintetizados por polimerização em emulsão. A polimerização em emulsão é geralmente realizada através da formação de uma emulsão de óleo em água com a adição de um tensioativo. Para formar uma emulsão estável de dimensão nanométrica, é necessária uma técnica de emulsificação de elevado desempenho. A emulsificação ultrassónica é uma técnica bem estabelecida para preparar nanoemulsões e miniemulsões.
Saiba mais sobre a nanoemulsificação ultrassónica!

Os ultrassons podem melhorar as seguintes vias de síntese para a produção de nanoMIPs: polimerização por precipitação, polimerização em emulsão e polimerização núcleo-casca.
Estudo e imagem de: Refaat et al. 2019

Extração ultrassónica do molde

Após a síntese dos polímeros molecularmente impressos, o molde deve ser removido do local de ligação para obter um polímero molecularmente impresso ativo. As intensas forças de mistura da sonicação promovem a solubilidade, a difusividade, a penetração e o transporte das moléculas de solvente e de molde. Deste modo, os moldes são rapidamente removidos dos locais de ligação.
A extração ultrassónica também pode ser combinada com a extração Soxhlet para remover o molde do polímero impresso.

Estudos de caso: aplicações ultrassónicas para polímeros molecularmente impressos

Síntese ultrassónica de polímeros molecularmente impressos

O encapsulamento de nanopartículas magnéticas por polímeros impressos com 17β-estradiol através de uma via de síntese ultrassónica permite a remoção rápida de 17β-estradiol de meios aquosos. Para a síntese ultrassónica dos nanoMIPs, foi utilizado ácido metacrílico (MAA) como monómero, dimetacrilato de etilenoglicol (EGDMA) como agente de reticulação e azobisisobutironitrilo (AIBN) como iniciador. O procedimento de síntese ultrassónica foi realizado durante 2h a 65ºC. Os diâmetros médios das partículas dos NIPs magnéticos e dos MIPs magnéticos foram de 200 e 300 nm, respetivamente. A utilização de ultrassons não só melhorou a velocidade de polimerização e a morfologia das nanopartículas, como também levou a um aumento do número de radicais livres, facilitando assim o crescimento dos MIPs em torno das nanopartículas magnéticas. A capacidade de adsorção de 17β-estradiol foi comparável à das abordagens tradicionais. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultrassons para sensores molecularmente impressos

Yu et al. conceberam um sensor eletroquímico molecularmente impresso baseado em elétrodos modificados com nanopartículas de níquel para a determinação de fenobarbital. O sensor eletroquímico descrito foi desenvolvido por polimerização térmica utilizando ácido metacrílico (MAA) como monómero funcional, 2,2-azobisisobutironitrilo (AIBN) e acrilato de rosinato maleico de etilenoglicol (EGMRA) como agente de reticulação, fenobarbitais (PBs) como molécula-molde e dimetilsulfóxido (DMSO) como solvente orgânico. No processo de fabrico do sensor, misturaram-se 0,0464g de PB e 0,0688g de MAA em 3 mL de DMSO e submeteu-se a mistura a sonicação durante 10 min. Após 5 h, adicionaram-se 1,0244g de EGMRA e 0,0074g de AIBN à mistura, que foi submetida a sonicação durante 30 min para obter soluções de polímeros impressos com PB. Em seguida, depositaram-se 10 μL de solução de nanopartículas de Ni a 2,0 mg mL^-1 na superfície do GCE e o sensor foi depois seco à temperatura ambiente. Aplicaram-se então aproximadamente 5 μL da solução preparada de polímero impresso com PB sobre o GCE modificado com nanopartículas de Ni, seguindo-se uma secagem sob vácuo a 75◦C durante 6 h. Após a polimerização térmica, o sensor impresso foi lavado com (ácido acético) HAc/metanol (proporção volumétrica, 3:7) durante 7 min para remover as moléculas-molde. (cf. Uygun et al. 2015)

Microextração ultrassónica utilizando MIPs

Para recuperar analitos de nicotinamida de amostras, aplica-se uma microextração dispersiva em fase sólida assistida por ultrassons, seguida de medição com um espectrofotómetro UV-vis (UA-DSPME-UV-vis). Para a extração e pré-concentração de nicotinamida (vitamina B3), têm sido utilizados polímeros molecularmente impressos baseados na estrutura metalorgânica (MOF) HKUST-1. (Asfaram et al. 2017)

Sonicadores de elevado desempenho para aplicações com polímeros

Do laboratório à produção com escalabilidade linear: Os polímeros molecularmente impressos especificamente concebidos são inicialmente desenvolvidos e testados em pequena escala laboratorial e de bancada, para investigar a viabilidade da síntese do polímero. Uma vez alcançadas a viabilidade e a otimização dos MIPs, a produção de MIPs é ampliada para volumes maiores. Todas as vias de síntese ultrassónica podem ser ampliadas linearmente da escala de bancada à produção plenamente comercial. A Hielscher Ultrasonics disponibiliza equipamento sonoquímico para a síntese de polímeros em pequenas instalações laboratoriais e de bancada, até sistemas ultrassónicos em linha totalmente industriais para produção 24/7 em plena carga. Os ultrassons podem ser ampliados linearmente da escala de um tubo de ensaio até grandes capacidades de produção de cargas de camião por hora. O vasto portefólio de produtos da Hielscher Ultrasonics, desde sistemas sonoquímicos laboratoriais até industriais, inclui o sonicador mais adequado à capacidade de processamento que pretende. A nossa equipa com muitos anos de experiência irá apoiá-lo desde os testes de viabilidade e a otimização do processo até à instalação do seu sistema ultrassónico à escala de produção final.

Hielscher Ultrasonics – Equipamento sonoquímico sofisticado

O portefólio de produtos da Hielscher Ultrasonics abrange toda a gama de extratores ultrassónicos de elevado desempenho, da pequena à grande escala. Os acessórios adicionais permitem montar facilmente a configuração de dispositivo ultrassónico mais adequada ao seu processo. A configuração ultrassónica ideal depende da capacidade pretendida, do volume, do material, do processo por lotes ou em linha e do calendário. A Hielscher ajuda-o a configurar o processo sonoquímico ideal.

Por lotes e em linha

Os sonicadores Hielscher podem ser utilizados para processamento por lotes e em fluxo contínuo. Os volumes pequenos e médios podem ser convenientemente submetidos a sonicação num processo por lotes (por exemplo, em frascos, tubos de ensaio, copos de precipitação, tanques ou bidões). Para o processamento de grandes volumes, a sonicação em linha poderá ser mais eficaz. Enquanto o processamento por lotes exige mais tempo e mão de obra, um processo de mistura contínua em linha é mais eficiente, mais rápido e requer significativamente menos mão de obra. A Hielscher Ultrasonics dispõe da configuração de extração mais adequada à sua reação de polimerização e ao volume do seu processo.

Sondas ultrassónicas para todas as capacidades de produção

A gama de produtos da Hielscher Ultrasonics abrange todo o espetro de processadores ultrassónicos, desde sonicadores laboratoriais compactos, passando por sistemas de bancada e piloto, até processadores ultrassónicos totalmente industriais com capacidade para processar cargas de camião por hora. A gama completa de produtos permite-nos oferecer-lhe o equipamento ultrassónico mais adequado aos seus polímeros, à capacidade de processamento e aos objetivos de produção.
Os sistemas ultrassónicos de bancada são ideais para testes de viabilidade e otimização de processos. A ampliação linear de escala baseada em parâmetros de processo estabelecidos torna muito fácil aumentar as capacidades de processamento de lotes mais pequenos até à produção plenamente comercial. A ampliação de escala pode ser realizada instalando uma unidade de extração ultrassónica mais potente ou agrupando vários sonicadores em paralelo. Com o UIP16000, a Hielscher oferece a unidade ultrassónica mais potente do mundo.

Amplitudes controláveis com precisão para resultados ideais

Todos os sonicadores Hielscher são controláveis com precisão, sendo assim equipamentos fiáveis para trabalho intensivo na produção. A amplitude é um dos parâmetros de processo cruciais que influenciam a eficiência e a eficácia das reações sonoquímicas, incluindo reações de polimerização e vias de síntese.
Todos os processadores da Hielscher Ultrasonics permitem ajustar a amplitude com precisão. Os sonotrodos e os amplificadores de amplitude são acessórios que permitem modificar a amplitude numa gama ainda mais ampla. Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher podem fornecer amplitudes muito elevadas e a intensidade ultrassónica necessária para aplicações exigentes. É possível operar facilmente e de forma contínua com amplitudes até 200µm em funcionamento 24/7.
Os ajustes precisos da amplitude e a monitorização permanente dos parâmetros do processo ultrassónico através de software inteligente permitem-lhe sintetizar os seus polímeros molecularmente impressos nas condições ultrassónicas mais eficazes. Sonicação ideal para os melhores resultados de polimerização!
A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em serviço intensivo e em ambientes exigentes. Isto torna o equipamento ultrassónico da Hielscher uma ferramenta de trabalho fiável que satisfaz os requisitos do seu processo sonoquímico.

Testes fáceis e sem risco

Os processos ultrassónicos podem ser ampliados de forma totalmente linear. Isto significa que qualquer resultado obtido utilizando um sonicador laboratorial ou de bancada pode ser ampliado para obter exatamente o mesmo resultado utilizando exatamente os mesmos parâmetros de processo. Isto torna a ultrassonicação ideal para testes de viabilidade sem risco, otimização de processos e posterior implementação no fabrico comercial. Contacte-nos para saber como a sonicação pode aumentar o rendimento e a qualidade dos seus MIPs.

A mais elevada qualidade – Concebidos e fabricados na Alemanha

Enquanto empresa de propriedade e gestão familiar, a Hielscher dá prioridade aos mais elevados padrões de qualidade para os seus processadores ultrassónicos. Todos os sonicadores são concebidos, fabricados e rigorosamente testados na nossa sede em Teltow, perto de Berlim, na Alemanha. A robustez e a fiabilidade do equipamento ultrassónico da Hielscher fazem dele um equipamento para trabalho intensivo na sua produção. O funcionamento 24/7 em plena carga e em ambientes exigentes é uma característica natural dos misturadores de elevado desempenho da Hielscher.

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores:

Pode adquirir um processador ultrassónico Hielscher em diferentes tamanhos e configurado exatamente de acordo com os requisitos do seu processo. Desde o tratamento de reagentes num pequeno tubo de laboratório até à mistura em fluxo contínuo de suspensões de polímeros à escala industrial, a Hielscher Ultrasonics oferece-lhe um sonicador adequado! Contacte-nos – teremos todo o gosto em recomendar-lhe a configuração ultrassónica ideal!