Ультразвуковая полимеризация гидрогелей: протокол и масштабирование

Полимеризация, индуцированная ультразвуком, предлагает подход к синтезу гидрогелей из водорастворимых виниловых мономеров и макромономеров без радикалов и инициаторов. Эта методика использует сонохимическое образование радикалов посредством кавитации и идеально подходит для биомедицинских применений, в которых необходимо избегать остатков инициаторов.

Гидрогели представляют собой трёхмерные гидрофильные полимерные сетки, способные удерживать значительные количества воды, сохраняя структурную целостность – свойство, обусловленное сшитыми полимерными цепями. Их физико-химические свойства – характер набухания, механическая прочность и биосовместимость – делают их весьма привлекательными для биомедицинских применений, включая доставку лекарственных средств, тканевую инженерию и заживление ран.

Преимущество ультразвуковой полимеризации гидрогелей

Традиционно синтез гидрогелей основан на термическом, фотохимическом или химическом сшивании; однако ультразвуковой синтез гидрогелей приобретает всё большую популярность, поскольку метод обработки ультразвуком предлагает простой, не требующий реагентов, регулируемый и более экологичный подход. Ультразвуковой синтез гидрогелей использует акустическую кавитацию для стимулирования полимеризации и физического или химического сшивания без необходимости применения внешних инициаторов. Примечательно, что обработка ультразвуком также может способствовать диспергированию наночастиц in situ или инициировать радикальные реакции в водных средах, что делает её универсальным инструментом для создания многофункциональных или нанокомпозитных гидрогелей в мягких условиях.

В приведённом выше видеоролике показан ультразвуковой синтез гидрогеля с использованием ультразвукового аппарата UP50H и низкомолекулярного гелеобразователя. В результате получается самовосстанавливающийся супрамолекулярный гидрогель. (Исследование и видеоролик: Rutgeerts et al., 2019)
 

Биосовместимые гидрогели с помощью обработки ультразвуком

При поиске биосовместимых гидрогелей, которые можно получать чистым и безопасным способом по мере необходимости, традиционные стратегии полимеризации часто оказываются недостаточно эффективными. Работа Cass и его коллег предлагает эффективное решение этой проблемы: чистый метод синтеза гидрогелей без инициаторов с использованием низкочастотного ультразвука.

В их исследовании рассматривается сонохимическая полимеризация различных водорастворимых мономеров, однако одна рецептура оказалась особенно эффективной и надёжной: 5% раствор метакрилата декстрана (Dex-MA) в глицериново-водной среде с содержанием глицерина 70%, полимеризованный под действием ультразвука при умеренной интенсивности 56 W/cm². Примечательно, что эта система позволила получить полностью сформированный гидрогель всего за 6,5 минут, достигнув конверсии мономера в полимер 72% – самой высокой среди всех испытанных рецептур.

Акустическая кавитация: Принцип действия этого метода основан на явлении, столь же мощном, сколь и кратковременном: акустической кавитации. Под воздействием мощного ультразвука в жидкой среде образуются микроскопические пузырьки, которые резко схлопываются, создавая локальные горячие зоны, где температура может кратковременно превышать 5000 кельвинов. Эти условия вызывают гомолитическое расщепление молекул растворителя, приводя к всплеску образования реакционноспособных радикалов. В отличие от обычной полимеризации, которая зависит от внешних инициаторов или нагрева, ультразвук обеспечивает как энергию, так и радикалы, необходимые для инициирования полимеризации – без превышения физиологически значимых температур в основном объёме среды.

Сорастворитель: Выбор глицерина в качестве сорастворителя не был случайным. Помимо повышения вязкости раствора – важнейшего фактора усиления интенсивности кавитации – сам глицерин выступает дополнительным донором радикалов. Известно, что его гидроксильные группы образуют относительно стабильные вторичные радикалы, тем самым увеличивая время жизни радикалов и способствуя росту цепей. Кроме того, вязкая среда с высоким содержанием глицерина помогает удерживать формирующиеся полимерные цепи, снижая их растворимость и защищая их от ультразвуковой деструкции, которая может происходить в более разбавленных водных системах.

Ультразвуковая полимеризация: Для характеристики хода полимеризации исследователи использовали инфракрасную спектроскопию, отслеживая уменьшение количества виниловых групп Dex-MA с течением времени. Характерное поглощение при 1635 cm⁻¹ – указывающее на наличие двойных связей C=C – быстро уменьшалось во время обработки ультразвуком, тогда как полоса валентных колебаний карбонильной группы сложного эфира при 1730 cm⁻¹ оставалась неизменной, служа внутренним эталоном. Эти данные подтвердили не только быструю конверсию виниловых групп, но и высокую степень сшивания, о чём свидетельствовали низкие степени набухания и прочные структуры геля.

Анализ: Сканирующая электронная микроскопия также выявила развитие микроструктуры геля. На ранних стадиях сетка содержала крупные открытые поры, но по мере продолжения обработки ультразвуком они заполнялись более плотной вторичной структурой. К 15 минутам гидрогель демонстрировал однородно сшитую морфологию с тесно взаимосвязанными порами – характерный признак хорошо сформированных биомедицинских гелей.

Результат: При сравнении с гидрогелями, полученными с использованием термических свободнорадикальных инициаторов, различия были разительными. Хотя термическим способом можно было достичь сходной конверсии, полученные сетки были более пористыми, менее однородными и имели более высокие степени набухания – признаки более рыхлой сшитой структуры. Кроме того, термический процесс требовал продувки азотом, химических добавок и более высоких температур, тогда как ультразвуковой подход работал при температуре окружающей среды всего 37°C.

Возможно, наиболее интригующим аспектом этой работы является наблюдение, что полимеризация может продолжаться даже после прекращения воздействия ультразвука. Гель продолжал отверждаться и набирать прочность в течение 30 минут после прекращения обработки ультразвуком. Это позволяет предположить, что долгоживущие радикальные частицы или промежуточные структуры, образовавшиеся во время обработки ультразвуком, могут продолжать рост полимерных цепей без дальнейшего подвода энергии – поведение, потенциально полезное для применений in vivo.

Узнайте больше о преимуществах ультразвукового производства гидрогелей!

Протокол: ультразвуковой синтез гидрогеля из метакрилата декстрана (Dex-MA) с использованием ультразвукового аппарата

Для синтеза ковалентно сшитого гидрогеля Dex-MA в раствор глицерина и воды вводят низкочастотный ультразвук высокой интенсивности. Температуру и плотность ультразвуковой энергии точно контролируют.
Ниже приведены инструкции по ультразвуковому синтезу гидрогелей в лабораторном масштабе, который можно линейно масштабировать до больших количеств.

Оборудование и материалы

Оборудование

• Ультразвуковой процессор Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• Сонотрод S26d2 (диаметр наконечника: 2 mm; рекомендуется для малых объёмов)
• Реакционный сосуд с рубашкой (50 mL), совместимый с магнитной мешалкой
• Циркуляционная водяная баня (с термостатическим поддержанием температуры 37°C)
• Температурный датчик PT100 (входит в комплект поставки UP200Ht)
• Магнитная мешалка
• Аналитические весы (±0,1 mg)
• Вакуумный сушильный шкаф или лиофилизатор

Химические вещества

• Метакрилат декстрана (Dex-MA), степень метакрилирования ~20%
• Глицерин, ≥99,5% (безводный)
• Деионизированная вода

Все реагенты должны иметь аналитическую степень чистоты. Избегайте сред с высоким содержанием кислорода; по возможности дегазируйте растворители.

Пошаговая процедура: ультразвуковая полимеризация гидрогелей

1. Приготовление полимеризационной смеси
   • Отвесьте 0,75 g Dex-MA в реакционный сосуд с рубашкой объёмом 50 mL.
   • Добавьте 10,5 g глицерина и 3,75 g деионизированной воды.
   • Перемешивайте смесь магнитной мешалкой при комнатной температуре (~22 °C) в течение 5–10 минут до полного растворения Dex-MA. Должен получиться слегка вязкий однородный раствор.
   • Предварительно нагрейте водяную баню до 37 °C и подключите её к сосуду с рубашкой для поддержания постоянной температуры.
2. Подготовка ультразвукового аппарата
   • Установите сонотрод S26d2 на UP200Ht и обеспечьте плотное соединение.
   • Погрузите наконечник сонотрода в реакционную смесь. Избегайте касания стенок или дна сосуда.
   • Поместите температурный датчик в раствор рядом с сонотродом, но без непосредственного контакта с ним. Это позволяет использовать встроенную систему контроля температуры ультразвукового аппарата.
   • Установите амплитуду 100%.
3. Ультразвуковая полимеризация
   • Начните перемешивание со скоростью 100–200 rpm для поддержания мягкой гомогенизации.
   • Начните обработку ультразвуком при соответствующей настройке амплитуды, обеспечивающей ~56 W/cm², в течение 6,5 минут.
   • На протяжении всего процесса поддерживайте температуру раствора 37°C. Если смесь начинает нагреваться, увеличьте расход охлаждающей жидкости или добавьте лёд в водяную баню.
   • Гелеобразование обычно начинается в течение 5–6 минут. Вязкость резко возрастёт.
   • Если гелеобразование происходит раньше 6,5 min, прекратите обработку ультразвуком, чтобы избежать чрезмерного сшивания или деструкции.
4. Последующая обработка и очистка
   • Немедленно перенесите гель в 200 mL деионизированной воды при интенсивном перемешивании для вымывания непрореагировавшего мономера и глицерина.
   • Перемешивайте в течение 30 минут, затем декантируйте надосадочную жидкость или выполните фильтрацию.
   • Повторите промывку ещё 3 раза, используя тёплую воду (~60 °C) для улучшения диффузии.
   • Высушите гель под вакуумом при 60°C в течение 8 часов или лиофилизируйте его для получения пористых структур.

 
Результат: биосовместимый гидрогель
Вы должны получить прозрачный прочный гидрогель с высокой конверсией (~70–75%), превосходным сшиванием и минимальным содержанием остаточного мономера. Гидрогель будет устойчив к растворению в воде и после высушивания будет иметь однородную структуру.

 
Примечания для оптимального управления процессом

Масштабирование: линейно и просто с помощью обработки ультразвуком

В области, где всё более востребованы точность, чистота и масштабируемость, этот ультразвуковой метод предлагает привлекательную альтернативу. Он позволяет пространственно контролировать воздействие, регулировать параметры в реальном времени и совместим с непрерывной обработкой с использованием современных ультразвуковых поточных систем.
Ультразвуковые аппараты Hielscher Ultrasonics обеспечивают точные амплитуды и линейное масштабирование от лабораторного до производственного масштаба – что делает их идеальными для внедрения таких гидрогелевых систем в реальные терапевтические и диагностические применения.

Проектирование, производство и консультирование – качество из Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher широко известны высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные предприятия. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и сложными эксплуатационными средами.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и отвечают требованиям UL, CSA и RoHs.

Таблица ниже даёт представление о приблизительной производительности обработки наших ультразвуковых аппаратов: