Polimerizarea cu ultrasunete a hidrogelurilor: protocol și scalare

Polimerizarea indusă de ultrasunete oferă o abordare fără radicali și fără inițiatori pentru sintetizarea hidrogelurilor din monomeri de vinil solubili în apă și macromonomeri. Această metodologie exploatează generarea sonochimică a radicalilor prin cavitație și este ideală pentru aplicații biomedicale în care trebuie evitate reziduurile inițiatoarelor.

Hidrogelii sunt rețele tridimensionale de polimeri hidrofili capabili să rețină cantități substanțiale de apă, păstrând în același timp integritatea structurală - un atribut care rezultă din lanțurile polimerice reticulate. Proprietățile lor fizico-chimice - comportamentul de umflare, rezistența mecanică și biocompatibilitatea - le fac extrem de atractive pentru aplicații biomedicale, inclusiv administrarea de medicamente, ingineria țesuturilor și vindecarea rănilor.

Avantajul polimerizării cu hidrogel cu ultrasunete

În mod tradițional, sinteza hidrogelului se bazează pe reticulare termică, fotochimică sau chimică; Cu toate acestea, sinteza hidrogelului cu ultrasunete câștigă o tracțiune semnificativă, deoarece metoda de sonicare oferă o abordare simplă, fără reactivi, reglabilă și mai ecologică. Sinteza hidrogelului cu ultrasunete folosește cavitația acustică pentru a promova polimerizarea și reticularizarea fizică sau chimică fără a fi nevoie de inițiatori externi. În special, ultrasunetele pot facilita, de asemenea, dispersia nanoparticulelor in situ sau poate iniția reacții radicale în medii apoase, făcându-l un instrument versatil pentru fabricarea hidrogelurilor multifuncționale sau nanocompozite în condiții blânde.

Videoclipul de mai sus demonstrează sinteza cu ultrasunete a unui hidrogel folosind sonicatorul UP50H și un înghețat cu greutate moleculară mică. Rezultatul este un hidrogel supramolecular autovindecător. (Studiu și film: Rutgeerts et al., 2019)
 

Hidrogeluri biocompatibile cu sonicare

În căutarea hidrogelurilor biocompatibile care pot fi formate curat, sigur și la cerere, strategiile tradiționale de polimerizare sunt adesea insuficiente. Munca lui Cass și a colegilor prezintă o soluție eficientă la această problemă: o metodă curată, fără inițiator, pentru sinteza hidrogelului folosind ultrasunete de joasă frecvență.

Studiul lor explorează polimerizarea sonochimică a diferiților monomeri solubili în apă, dar o formulă s-a evidențiat ca fiind deosebit de eficientă și robustă: o soluție de 5% metacrilat de dextran (Dex-MA) în 70% glicerol-apă, polimerizată sub ultrasunete la o intensitate moderată de 56 W/cm². În mod remarcabil, acest sistem a produs un hidrogel complet format în doar 6,5 minute, obținând o conversie monomer-polimer de 72% - cea mai mare dintre toate formulările testate.

Cavitație acustică: Principiul de funcționare al acestei metode se bazează pe un fenomen pe cât de puternic, pe atât de tranzitoriu: cavitarea acustică. Atunci când sunt supuse ultrasunetelor puternice, bulele microscopice se formează și se prăbușesc violent în mediul lichid, generând puncte fierbinți localizate în care temperaturile pot depăși pentru scurt timp 5 000 Kelvin. Aceste condiții induc scindarea homolitică a moleculelor de solvent, producând o explozie de radicali reactivi. Spre deosebire de polimerizarea convențională, care depinde de inițiatori externi sau de căldură, ultrasunetele furnizează atât energia, cât și radicalii necesari pentru inițierea polimerizării, fără a depăși temperaturile fiziologice relevante.

Co-solvent: Alegerea glicerolului ca și co-solvent nu a fost întâmplătoare. Pe lângă creșterea vâscozității soluției - un factor critic pentru creșterea intensității cavitației - glicerolul în sine acționează ca un co-donator de radicali. Se știe că grupele sale hidroxil produc radicali secundari relativ stabili, crescând astfel durata de viață a radicalilor și promovând propagarea lanțului. În plus, mediul vâscos bogat în glicerol ajută la prinderea lanțurilor polimerice emergente, reducând solubilitatea acestora și protejându-le de degradarea ultrasonică, care poate apărea în sisteme apoase mai diluate.

Polimerizare cu ultrasunete: Pentru a caracteriza progresia polimerizării, cercetătorii au utilizat spectroscopia în infraroșu, urmărind scăderea în timp a grupărilor vinilice pe Dex-MA. Absorbția caracteristică la 1635 cm-¹ - indicativă pentru legăturile duble C=C - a scăzut rapid în timpul sonicării, în timp ce întinderea carbonil ester la 1730 cm-¹ a rămas constantă, servind drept referință internă. Aceste date au confirmat nu numai conversia rapidă a vinilului, ci și un grad ridicat de reticulare, evidențiat de raporturile de umflare scăzute și de structurile de gel robuste.

Analiză: Microscopia electronică cu scanare a dezvăluit în continuare evoluția microstructurii gelului. În stadiile inițiale, rețeaua prezenta pori mari și deschiși, dar odată cu sonicarea continuă, aceștia s-au umplut cu o structură secundară mai densă. La 15 minute, hidrogelul prezenta o morfologie reticulată omogenă cu pori strâns interconectați - o caracteristică a gelurilor biomedicale bine formate.

Rezultat: În comparație cu hidrogelurile produse cu inițiatori termici cu radiații libere, diferențele au fost izbitoare. Deși conversii similare au putut fi obținute termic, rețelele rezultate au fost mai poroase, mai puțin uniforme și au prezentat rate de umflare mai mari - semne ale unei arhitecturi de reticulare mai lejere. În plus, procesul termic a necesitat purjare cu azot, aditivi chimici și temperaturi mai ridicate, în timp ce abordarea cu ultrasunete a funcționat la temperatura ambiantă de doar 37°C.

Poate cel mai intrigant aspect al acestei lucrări este observația că polimerizarea poate continua chiar și după oprirea ultrasunetelor. Gelul a continuat să se întărească și să crească în rezistență pe o perioadă de 30 de minute după încetarea sonicării. Acest lucru sugerează că speciile radicale persistente sau structurile intermediare formate în timpul sonicării pot continua să propage lanțurile polimerice în absența unui aport suplimentar de energie - un comportament cu implicații potențial utile pentru aplicațiile in vivo.

Aflați mai multe despre avantajele producției de hidrogel cu ultrasunete!

Protocol: Sinteza cu ultrasunete a hidrogelului de metacrilat de dextran (Dex-MA) folosind un sonicator

Pentru a sintetiza un hidrogel Dex-MA reticulat covalent, ultrasunetele de înaltă intensitate, de joasă frecvență, sunt cuplate într-o soluție de glicerol / apă. Temperatura și densitatea energiei ultrasunetelor sunt controlate cu precizie.
Mai jos, vă oferim instrucțiunile pentru sinteza hidrogelului cu ultrasunete la scară de laborator, care poate fi extinsă liniar la cantități mari.

Echipamente și materiale

Echipament

• Procesor cu ultrasunete Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• Sonotrod S26d2 (diametru vârf: 2 mm; recomandat pentru volume mici)
• Vas de reacție cu manta (50 ml), compatibil cu agitatorul magnetic
• Baie de apă circulantă (controlată termostatic la 37°C)
• Sondă de temperatură PT100 (inclusă în pachetul de livrare al UP200Ht)
• Agitator magnetic
• Balanță analitică (±0,1 mg)
• Cuptor cu vid sau liofilizator

Produse chimice

• Metacrilat de dextran (Dex-MA), ~20% metacrilare
• Glicerol, ≥99,5% (anhidru)
• Apă deionizată

Toți reactivii trebuie să fie de calitate analitică. Evitați mediile bogate în oxigen; degazează solvenții, dacă este posibil.

Procedură pas cu pas: polimerizarea cu hidrogel cu ultrasunete

1. Pregătirea amestecului de polimerizare
   • Cântăriți 0,75 g de Dex-MA într-un vas de reacție cu manta de 50 ml.
   • Adăugați 10,5 g glicerol și 3,75 g apă deionizată.
   • Se amestecă amestecul magnetic la temperatura camerei (~22 °C) timp de 5-10 minute pentru a dizolva complet Dex-MA. Ar trebui să rezulte o soluție ușor vâscoasă, omogenă.
   • Preîncălziți baia de apă la 37 °C și conectați-o la vasul învelit pentru a menține temperatura constantă.
2. Configurarea Sonicator
   • Montați sonotrodul S26d2 pe UP200Ht și asigurați o cuplare strânsă.
   • Scufundați vârful sonotrodului în amestecul de reacție. Evitați să atingeți pereții sau fundul vasului.
   • Așezați sonda de temperatură în soluție aproape de sonotrod, dar nu în contact direct. Acest lucru vă permite să utilizați controlul integrat al temperaturii sonicatorului.
   • Setați amplitudinea la 100%.
3. polimerizare cu ultrasunete
   • Începeți să amestecați la 100-200 rpm pentru a menține o omogenizare ușoară.
   • Începeți sonicarea la setarea de amplitudine adecvată pentru a furniza ~56 W/cm² timp de 6,5 minute.
   • Mențineți temperatura soluției la 37°C pe tot parcursul. Dacă amestecul începe să se încălzească, creșteți debitul de lichid de răcire sau adăugați gheață în baia de apă.
   • Gelificarea începe de obicei în 5-6 minute. Vâscozitatea va crește brusc.
   • Dacă gelificarea are loc înainte de 6,5 minute, opriți sonicarea pentru a evita reticularea sau degradarea excesivă.
4. Post-procesare și purificare
   • Transferați imediat gelul în 200 ml de apă deionizată sub agitare viguroasă pentru a scurge monomerul și glicerolul nereacționați.
   • Se amestecă timp de 30 de minute, apoi se decantează supernatantul sau se filtrează.
   • Repetați spălarea de 3 ori cu apă caldă (~60 °C) pentru o difuzie îmbunătățită.
   • Uscați gelul sub vid la 60°C timp de 8 ore sau liofilizați pentru structuri poroase.

 
Rezultatul: un hidrogel biocompatibil
Ar trebui să obțineți un hidrogel transparent, robust, cu conversie ridicată (~70-75%), reticulare excelentă și monomer rezidual minim. Hidrogelul va rezista la dizolvarea în apă și va prezenta o structură uniformă la uscare.

 
Note pentru controlul optim al procesului

Scalarea: liniară și simplă cu sonicare

Într-un domeniu care necesită din ce în ce mai multă precizie, puritate și scalabilitate, această metodă cu ultrasunete oferă o alternativă convingătoare. Este controlabil spațial, reglabil în timp real și compatibil cu procesarea continuă folosind sisteme moderne cu ultrasunete în linie.
Sonicatoarele de la Hielscher Ultrasonics oferă amplitudini exacte și se măresc liniar de la scară de laborator la scară de producție, ceea ce le face ideale pentru transpunerea acestor sisteme de hidrogel în aplicații terapeutice și de diagnosticare din lumea reală.

Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt ușor de manipulat de ultrasonicators Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicators de înaltă performanță cu tehnologie de ultimă oră și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicators Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: