Síntese ultra-sônica de polímeros molecularmente impressos (MIPs)

Os polímeros molecularmente impressos (MIPs) são receptores artificialmente concebidos com uma seletividade e especificidade predeterminadas para uma determinada estrutura de molécula biológica ou química. Ultrasonication pode melhorar várias vias de síntese de polímeros molecularmente impressos tornando a polimerização mais eficiente e confiável.

O que são polímeros com impressão molecular?

Um polímero com impressão molecular (MIP) é um material polimérico com caraterísticas de reconhecimento semelhantes às de um anticorpo que foi produzido utilizando a técnica de impressão molecular. A técnica de impressão molecular produz polímeros com impressão molecular em relação a uma molécula alvo específica. O polímero com impressão molecular tem cavidades na sua matriz polimérica com uma afinidade para a molécula alvo específica. “modelo” molécula. O processo envolve normalmente o início da polimerização de monómeros na presença de uma molécula modelo que é extraída posteriormente, deixando para trás cavidades complementares. Estes polímeros têm afinidade com a molécula original e têm sido utilizados em aplicações como a separação química, a catálise ou os sensores moleculares. As moléculas com impressão molecular podem ser comparadas a uma fechadura molecular, que corresponde a uma chave molecular (a chamada molécula modelo). Os polímeros com impressão molecular (MIP) caracterizam-se por sítios de ligação especificamente adaptados que correspondem às moléculas modelo em termos de forma, tamanho e grupos funcionais. A "fechadura – A caraterística "chave" permite a utilização de polímeros com impressão molecular para várias aplicações, em que um tipo específico de molécula é reconhecido e ligado ao fecho molecular, ou seja, o polímero com impressão molecular.

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

Os polímeros com impressão molecular (MIP) 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 medicamentos e alimentos. As áreas de aplicação vão desde a separação e purificação até aos sensores químicos, reacções catalíticas, administração de medicamentos, anticorpos biológicos e sistemas receptores. (cf. Vasapollo et al. 2011)
Por exemplo, a tecnologia MIP é utilizada como técnica de microextracção em fase sólida para operar e purificar moléculas derivadas da canábis, como o CBD ou o THC, a partir do extrato de espetro total, a fim de obter isolados e destilados de canabinóides.

Síntese ultra-sônica de moléculas molecularmente impressas

Dependendo do tipo de alvo (modelo) e da aplicação final do MIP, os MIPs podem ser sintetizados em diferentes formatos, tais como partículas esféricas de tamanho nanométrico e micrométrico, nanofios, nano-hastes, nano-filamentos ou películas finas. A fim de 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 ultra-sons de baixa frequência e alta intensidade oferece uma técnica altamente eficiente, versátil e simples para sintetizar nanoestruturas poliméricas.
A sonicação traz várias vantagens na síntese de MIP quando comparada com os processos de polimerização tradicionais, porque promove taxas de reação mais elevadas, um crescimento mais homogéneo da cadeia polimérica, rendimentos mais elevados e condições mais suaves (por exemplo, baixa temperatura de reação). Além disso, pode alterar a distribuição da população de sítios de ligação e, assim, a morfologia do polímero final. (Svenson 2011)
Ao aplicar energia sonoquímica à polimerização de MIPs, as reacções de polimerização são iniciadas e têm um impacto positivo. Simultaneamente, a sonicação promove a desgaseificação eficaz da mistura de polímeros sem sacrificar a capacidade de ligação ou a rigidez.
A homogeneização ultra-sônica, a dispersão e a emulsificação oferecem mistura e agitação superiores para formar suspensões homogêneas e fornecer energia de iniciação para processos de polimerização. Viveiros et al. (2019) investigaram o potencial da síntese ultrassônica de MIP e afirmam que "os MIPs preparados ultrassonicamente apresentaram propriedades de ligação semelhantes ou superiores aos métodos convencionais".
Os MIP em nano-formato abrem possibilidades promissoras para melhorar a homogeneidade dos locais de ligação. A ultrassonografia é bem conhecida pelos seus resultados excepcionais na preparação de nanodispersões e nanoemulsões.

Polimerização por nano-emulsão ultra-sónica

Os MIPs podem ser sintetizados por polimerização em emulsão. A polimerização em emulsão é normalmente conseguida através da formação de uma emulsão de óleo em água com a adição de um surfactante. Para formar uma emulsão estável e de tamanho nanométrico, é necessária uma técnica de emulsificação de alto desempenho. A emulsificação ultra-sónica é uma técnica bem estabelecida para preparar nano- e mini-emulsões.
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Ultrassom pode melhorar as seguintes rotas de síntese para a produção de nanoMIP: polimerização por precipitação, polimerização em emulsão, e polimerização core-shell.
Estudo e imagem por: Refaat et al. 2019

Extração ultra-sónica do modelo

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

Estudos de casos: Aplicações ultra-sónicas para polímeros com impressão molecular

Síntese ultra-sônica de polímeros molecularmente impressos

O encapsulamento de nanopartículas magnéticas por polímeros impressos com 17β-estradiol usando uma rota de síntese ultra-sônica atinge a remoção rápida de 17β-estradiol de ambientes aquosos. Para a síntese ultra-sónica dos nanoMIPs, o ácido metacrílico (MAA) foi utilizado como monómero, etileno glicol dimetilacrilato (EGDMA) como crosslinker, e azobisisobutyronitrile (AIBN) como iniciador. O procedimento de síntese por ultra-sons foi realizado durante 2h a 65ºC. Os diâmetros médios de tamanho de partícula de NIPs magnéticos e MIPs magnéticos foram 200 e 300 nm, respetivamente. A utilização de ultra-sons não só aumentou a taxa de polimerização e a morfologia das nanopartículas, como também levou a um aumento do número de radicais livres, facilitando assim o crescimento de MIPs em torno das nanopartículas magnéticas. A capacidade de adsorção em relação ao 17β-estradiol foi comparável às abordagens tradicionais. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultra-sons para sensores com impressão molecular

Yu et al. conceberam um sensor eletroquímico com impressão molecular baseado em eléctrodos modificados com nanopartículas de níquel para a determinação do fenobarbital. O sensor eletroquímico descrito foi desenvolvido por polimerização térmica com a utilização de ácido metacrílico (MAA) como monómero funcional, 2,2-azobisisobutironitrilo (AIBN) e acrilato de etilenoglicol maleico rosinato (EGMRA) como agente de reticulação, fenobarbital (PB) como molécula modelo e dimetilsulfóxido (DMSO) como solvente orgânico. No processo de fabrico do sensor, 0,0464g PB e 0,0688g MAA foram misturados em 3 mL de DMSO e sonicados durante 10 min. Após 5 h, 1,0244g EGMRA e 0,0074g AIBN foram adicionados à mistura e sonicados durante 30 min para obter soluções de polímero impressas com PB. Depois disso, 10 μL de 2,0 mg mL^-1A solução de nanopartículas de Ni caiu na superfície do GCE e, em seguida, o sensor foi seco à temperatura ambiente. Aproximadamente 5 μL da solução de polímero impresso com PB preparada foi então revestida no GCE modificado com nanopartículas de Ni e seca a vácuo a 75◦C por 6 h. Após a polimerização térmica, o sensor impresso foi lavado com (ácido acético) HAc / metanol (proporção de volume, 3: 7) por 7 min para remover as moléculas do modelo. (cf. Uygun et al. 2015)

Micro-extração ultra-sónica utilizando MIPs

Para recuperar as análises de nicotinamida das amostras, é aplicada uma microextracção dispersiva em fase sólida assistida por ultra-sons seguida de espetrofotómetro UV-vis (UA-DSPME-UV-vis). Para a extração e pré-concentração de nicotinamida (vitamina B3), foram utilizados polímeros de impressão molecular baseados em estrutura orgânica metálica HKUST-1 (MOF). (Asfaram et al. 2017)

Ultrassons de alto desempenho para aplicações em polímeros

Do laboratório à produção com escalabilidade linear: Os polímeros com impressão molecular especificamente concebidos são, em primeiro lugar, desenvolvidos e testados em pequena escala de laboratório e de bancada, para investigar a viabilidade da síntese do polímero. Se a viabilidade e a otimização dos MIPs tiverem sido alcançadas, a produção de MIPs é escalada para volumes maiores. As rotas de síntese ultra-sónica podem ser todas escalonadas linearmente desde a escala de bancada até à produção totalmente comercial. A Hielscher Ultrasonics oferece equipamento sonoquímico para a síntese de polímeros em pequenos laboratórios e configurações de bancada até sistemas ultra-sónicos em linha totalmente industriais para a produção 24/7 sob carga total. Ultrasonic pode ser escalado linearmente a partir do tamanho do tubo de ensaio para grandes capacidades de produção de cargas de camião por hora. Hielscher Ultrasonics extensa carteira de produtos de laboratório para sistemas sonoquímicos industriais tem o ultrasonicator mais adequado para a sua capacidade de processo previsto. Nossa equipe de longa data experiente irá ajudá-lo a partir de testes de viabilidade e otimização de processos para a instalação do seu sistema de ultrassom no nível de produção final.

Hielscher Ultrasonics – Equipamento sonoquímico sofisticado

A gama de produtos Hielscher Ultrasonics abrange toda a gama de extractores ultra-sónicos de elevado desempenho, desde a pequena à grande escala. Os acessórios adicionais permitem a fácil montagem da configuração do dispositivo ultrassónico mais adequado para o seu processo. A configuração ultra-sónica ideal depende da capacidade, volume, material, lote ou processo em linha e cronograma previstos. A Hielscher ajuda-o a configurar o processo sonoquímico ideal.

Em lote e em linha

Os ultrassons Hielscher podem ser utilizados para processamento em lote e em fluxo contínuo. Pequenos e médios volumes podem ser convenientemente sonicados em um processo de lote (por exemplo, frascos, teste, tubos, béqueres, tanques ou barris). Para o processamento de grandes volumes, a sonicação em linha pode ser mais eficaz. Embora a dosagem seja mais intensiva em termos de tempo e de mão de obra, um processo de mistura contínuo em linha é mais eficiente, mais rápido e requer muito menos mão de obra. Hielscher Ultrasonics tem a configuração de extração mais adequado para a sua reação de polimerização e volume de processo.

Sondas ultra-sónicas para cada capacidade de produto

A gama de produtos da Hielscher Ultrasonics abrange todo o espetro de processadores de ultra-sons, desde ultra-sons compactos de laboratório, passando por sistemas de bancada e sistemas-piloto, até processadores de ultra-sons totalmente industriais com capacidade para processar cargas de camiões por hora. A gama completa de produtos permite-nos oferecer-lhe o equipamento de ultra-sons mais adequado para os seus polímeros, capacidade de processamento e objectivos de produção.
Os sistemas ultra-sónicos de bancada são ideais para testes de viabilidade e otimização de processos. O aumento de escala linear baseado em parâmetros de processo estabelecidos torna muito fácil aumentar as capacidades de processamento de lotes mais pequenos para uma produção totalmente comercial. O aumento de escala pode ser feito através da instalação de uma unidade de extração ultra-sônica mais potente ou agrupando vários ultrasonicators em paralelo. Com o UIP16000, a Hielscher oferece a unidade de ultra-sons mais potente do mundo.

Amplitudes controláveis com precisão para resultados óptimos

Todos os ultrassons da Hielscher são controláveis com precisão e, por isso, cavalos de batalha fiáveis na produção. A amplitude é um dos parâmetros cruciais do processo que influenciam a eficiência e a eficácia das reações sonoquímicas, incluindo reações de polimerização e rotas de síntese.
Todos os Hielscher Ultrasonics’ Os processadores de ultra-sons permitem a regulação exacta da amplitude. Os sonotrodos e as buzinas de reforço são acessórios que permitem modificar a amplitude numa gama ainda mais ampla. Os processadores ultra-sónicos industriais da Hielscher podem fornecer amplitudes muito elevadas e fornecer a intensidade ultra-sónica necessária para aplicações exigentes. Amplitudes até 200 µm podem ser facilmente executadas de forma contínua em funcionamento 24/7.
Ajustes precisos de amplitude e a monitorização permanente dos parâmetros do processo ultrassónico através de software inteligente dão-lhe a possibilidade de sintetizar os seus polímeros molecularmente impressos com as condições ultra-sónicas mais eficazes. Sonicação ideal para melhores resultados de polimerização!
A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite a operação 24/7 em serviço pesado e em ambientes exigentes. Isto faz com que o equipamento ultrassónico da Hielscher seja uma ferramenta de trabalho fiável que satisfaz os requisitos do seu processo sonoquímico.

Testes fáceis e sem riscos

Os processos ultra-sónicos podem ser escalonados de forma completamente linear. Isto significa que todos os resultados alcançados com a utilização de um ultrassonicador de laboratório ou de bancada podem ser escalados para o mesmo resultado, utilizando exatamente os mesmos parâmetros de processo. Isto torna a ultra-sons ideal para testes de viabilidade sem riscos, otimização de processos e subsequente implementação no fabrico comercial. Contacte-nos para saber como sonicação pode aumentar o seu rendimento MIP e qualidade.

Qualidade mais elevada – Concebido e fabricado na Alemanha

Sendo uma empresa familiar, a Hielscher dá prioridade aos mais elevados padrões de qualidade para os seus processadores ultra-sónicos. Todos os ultrassons são concebidos, fabricados e exaustivamente testados na nossa sede em Teltow, perto de Berlim, na Alemanha. A robustez e a fiabilidade do equipamento ultrassónico da Hielscher fazem dele um cavalo de batalha na sua produção. A operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, sob carga total e em ambientes exigentes é uma caraterística natural dos misturadores de alto desempenho da Hielscher.

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:

Pode comprar o processador ultrassónico Hielscher em qualquer tamanho diferente e configurado exatamente de acordo com os requisitos do seu processo. Desde o tratamento de reagentes em um pequeno tubo de laboratório para a mistura de fluxo contínuo de polpas de polímero a nível industrial, Hielscher Ultrasonics oferece um ultrasonicator adequado para você! Por favor contacte-nos – temos todo o prazer em recomendar-lhe a configuração ultra-sónica ideal!