Ультразвуковая полимеризация гидрогелей: протокол и масштабирование

Полимеризация, индуцированная ультразвуком, предлагает безрадикальный и безинициативный подход к синтезу гидрогелей из водорастворимых виниловых мономеров и макромономеров. Эта методология использует сонохимическое образование радикалов посредством кавитации и идеально подходит для биомедицинских применений, где необходимо избегать образования остатков инициаторов.

Гидрогели - это трехмерные гидрофильные полимерные сети, способные удерживать значительное количество воды, сохраняя при этом структурную целостность, что обусловлено наличием сшитых полимерных цепей. Их физико-химические свойства - набухание, механическая прочность и биосовместимость - делают их весьма привлекательными для применения в биомедицине, включая доставку лекарств, тканевую инженерию и заживление ран.

Преимущество ультразвуковой гидрогелевой полимеризации

Традиционно синтез гидрогеля основан на термическом, фотохимическом или химическом сшивании; Тем не менее, ультразвуковой синтез гидрогеля набирает все большую популярность, поскольку метод ультразвуковой обработки предлагает простой безреагентный, настраиваемый и более экологичный подход. Ультразвуковой синтез гидрогеля использует акустическую кавитацию для стимулирования полимеризации и физического или химического сшивания без необходимости использования внешних инициаторов. Примечательно, что ультразвук также может способствовать диспергированию наночастиц in situ или инициированию радикальных реакций в водных средах, что делает его универсальным инструментом для создания многофункциональных или нанокомпозитных гидрогелей в мягких условиях.

В приведенном выше видеоклипе демонстрируется ультразвуковой синтез гидрогеля с помощью ультразвуковой аппарата UP50H и низкомолекулярный гелеобразователь. В результате получается самовосстанавливающийся супрамолекулярный гидрогель. (Исследование и фильм: Рутгертс и др., 2019)
 

Биосовместимые гидрогели с ультразвуком

В поисках биосовместимых гидрогелей, которые могут быть сформированы чисто, безопасно и по требованию, традиционные стратегии полимеризации часто терпят неудачу. Работа Касса и его коллег представляет собой эффективное решение этой проблемы: чистый, свободный от инициаторов метод синтеза гидрогеля с использованием низкочастотного ультразвука.

В их исследовании изучалась сонохимическая полимеризация различных водорастворимых мономеров, но один состав выделялся особой эффективностью и прочностью: 5% раствор декстран-метакрилата (Dex-MA) в 70% глицерин-вода, полимеризованный под действием ультразвука с умеренной интенсивностью 56 Вт/см². Примечательно, что эта система позволила получить полностью сформированный гидрогель всего за 6,5 минут, достигнув конверсии мономера в полимер 72 % - самой высокой среди всех протестированных составов.

Акустическая кавитация: Принцип работы этого метода основан на мощном и быстротечном явлении - акустической кавитации. Под воздействием мощного ультразвука в жидкой среде образуются и разрушаются микроскопические пузырьки, создавая локальные горячие точки, температура которых может кратковременно превышать 5000 Кельвинов. Эти условия вызывают гомолитическое расщепление молекул растворителя с образованием всплеска реактивных радикалов. В отличие от обычной полимеризации, которая зависит от внешних инициаторов или тепла, ультразвук обеспечивает как энергию, так и радикалы, необходимые для начала полимеризации - без превышения физиологически значимых температур сыпучих материалов.

Сорастворитель: Выбор глицерина в качестве сорастворителя был неслучаен. Помимо увеличения вязкости раствора - критического фактора для повышения интенсивности кавитации - глицерин сам выступает в качестве со-донора радикалов. Известно, что его гидроксильные группы образуют относительно стабильные вторичные радикалы, тем самым увеличивая время жизни радикалов и способствуя распространению цепи. Кроме того, вязкая среда, богатая глицерином, помогает удерживать зарождающиеся полимерные цепи, снижая их растворимость и защищая от ультразвуковой деструкции, которая может происходить в более разбавленных водных системах.

Ультразвуковая полимеризация: Чтобы охарактеризовать процесс полимеризации, исследователи использовали инфракрасную спектроскопию, отслеживая истощение виниловых групп на Dex-MA с течением времени. Характерное поглощение при 1635 см-¹, свидетельствующее о двойных связях C=C, быстро уменьшалось во время соникации, в то время как эфирное карбонильное растяжение при 1730 см-¹ оставалось постоянным, служа внутренним эталоном. Эти данные подтверждают не только быструю конверсию винила, но и высокую степень сшивки, о чем свидетельствуют низкие коэффициенты набухания и прочные гелевые структуры.

Анализ: Сканирующая электронная микроскопия показала эволюцию микроструктуры геля. На ранних стадиях в сети присутствовали крупные открытые поры, но при продолжении соникации они заполнялись более плотной вторичной структурой. Через 15 минут гидрогель приобрел однородную сшитую морфологию с плотно соединенными порами - отличительная черта хорошо сформированных биомедицинских гелей.

Результат: При сравнении с гидрогелями, полученными с помощью термических свободнорадикальных инициаторов, различия оказались разительными. Несмотря на то что термическим способом можно было достичь аналогичных конверсий, полученные сети были более пористыми, менее однородными и имели более высокие коэффициенты набухания - признаки более слабой архитектуры сшивки. Кроме того, термический процесс требовал продувки азотом, химических добавок и более высоких температур, в то время как ультразвуковой метод работал при температуре окружающей среды всего 37°C.

Возможно, самым интригующим аспектом этой работы является наблюдение за тем, что полимеризация может продолжаться даже после прекращения воздействия ультразвука. Гель продолжал полимеризоваться и увеличивать прочность в течение 30 минут после прекращения ультразвукового воздействия. Это говорит о том, что устойчивые радикалы или промежуточные структуры, образовавшиеся во время соникации, могут продолжать распространять полимерные цепи в отсутствие дальнейшего поступления энергии - поведение с потенциально полезными последствиями для применения in vivo.

Узнайте больше о преимуществах производства ультразвукового гидрогеля!

Протокол: Ультразвуковой синтез гидрогеля метакрилата декстрана (Dex-MA) с помощью ультразвукового аппарата

Для синтеза ковалентно сшитого гидрогеля Dex-MA высокоинтенсивный низкочастотный ультразвук соединяют с раствором глицерина/воды. Температура и плотность ультразвуковой энергии точно контролируются.
Ниже приведены инструкции по синтезу ультразвукового гидрогеля в лабораторных масштабах, который может быть линейно увеличен до больших количеств.

Оборудование и материалы

Оборудование

• Ультразвуковой процессор Hielscher UP200Ht (200 Вт, 26 кГц)
• Sonotrode S26d2 (диаметр наконечника: 2 мм; рекомендуется для небольших объемов)
• Реакционный сосуд с рубашкой (50 мл), совместимый с магнитной мешалкой
• Циркуляционная водяная баня (термостатическая регулировка при 37°C)
• Датчик температуры PT100 (входит в комплект поставки UP200Ht)
• Магнитная мешалка
• Аналитические весы (±0,1 мг)
• Вакуумная печь или лиофилизатор

химикалии

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

Все реактивы должны быть аналитического класса. Избегайте среды, богатой кислородом; По возможности дегазируйте растворители.

Пошаговая процедура: ультразвуковая полимеризация гидрогелем

1. Приготовление полимеризационной смеси
   • Взвесьте 0,75 г Dex-MA в реакционный сосуд с рубашкой объемом 50 мл.
   • Добавьте 10,5 г глицерина и 3,75 г деионизированной воды.
   • Перемешайте смесь с помощью магнитов при комнатной температуре (~22 °C) в течение 5–10 минут, чтобы Dex-MA полностью растворился. В результате должен получиться слегка вязкий, однородный раствор.
   • Разогрейте водяную баню до 37 °C и подключите ее к сосуду с рубашкой для поддержания постоянной температуры.
2. Настройка ультразвукового аппарата
   • Установите сонотрод S26d2 на UP200Ht и обеспечьте плотное соединение.
   • Погрузите кончик сонотрода в реакционную смесь. Избегайте прикосновения к стенкам или днищу судна.
   • Поместите температурный зонд в раствор близко к сонотроду, но не в прямом контакте. Это позволяет использовать встроенный контроль температуры ультразвукового аппарата.
   • Установите амплитуду на 100%.
3. ультразвуковая полимеризация
   • Начинайте перемешивать со скоростью 100–200 об/мин, чтобы обеспечить мягкую гомогенизацию.
   • Начните ультразвуковую обработку с соответствующей амплитудой, чтобы обеспечить ~56 Вт/см² в течение 6,5 минут.
   • Поддерживайте температуру раствора на уровне 37°C на протяжении всего процесса. Если смесь начинает нагреваться, увеличьте расход охлаждающей жидкости или добавьте лед на водяную баню.
   • Гелеобразование обычно начинается в течение 5–6 минут. Вязкость резко возрастет.
   • Если гелеобразование происходит раньше, чем через 6,5 минут, прекратите ультразвуковую обработку, чтобы избежать чрезмерного сшивания или деградации.
4. Постобработка и очистка
   • Немедленно перенесите гель в 200 мл деионизированной воды при энергичном перемешивании, чтобы выщелачивать непрореагировавший мономер и глицерин.
   • Помешиваем в течение 30 минут, затем сцеживаем надосадочную жидкость или процеживаем.
   • Повторите стирку еще 3 раза, используя теплую воду (~60 °C) для улучшения диффузии.
   • Высушите гель под вакуумом при температуре 60°C в течение 8 часов, или лиофилизируйте для пористых структур.

 
Результат: биосовместимый гидрогель
Вы должны получить прозрачный, прочный гидрогель с высокой конверсией (~70–75%), отличной сшивкой и минимальным остаточным мономером. Гидрогель устойчив к растворению в воде и имеет однородную структуру при высыхании.

 
Примечания для оптимального управления технологическим процессом

Масштабирование: линейное и простое с помощью ультразвука

В области, которая все больше требует точности, чистоты и масштабируемости, этот ультразвуковой метод предлагает привлекательную альтернативу. Он пространственно управляется, настраивается в режиме реального времени и совместим с непрерывной обработкой с использованием современных ультразвуковых встроенных систем.
Соникаторы Hielscher Ultrasonics обеспечивают точную амплитуду и линейно масштабируются от лабораторных до производственных масштабов, что делает их идеальными для воплощения таких гидрогелевых систем в реальных терапевтических и диагностических приложениях.

Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: