Ультразвуковой синтез молекулярно-импринтированных полимеров (MIPs)

Молекулярно-импринтированные полимеры (MIPs) – это искусственно созданные рецепторы с заранее заданной селективностью и специфичностью к определённой структуре биологической или химической молекулы. Обработка ультразвуком может улучшить различные пути синтеза молекулярно-импринтированных полимеров, повышая эффективность и надёжность полимеризации.

Что такое молекулярно-импринтированные полимеры?

Молекулярно-импринтированный полимер (MIP) – это полимерный материал со свойствами распознавания, подобными свойствам антител, полученный методом молекулярного импринтинга. Метод молекулярного импринтинга позволяет получать молекулярно-импринтированный полимер для конкретной целевой молекулы. В полимерной матрице молекулярно-импринтированного полимера имеются полости, обладающие сродством к определённой молекуле-«шаблону». Процесс обычно включает инициирование полимеризации мономеров в присутствии молекулы-шаблона, которую впоследствии извлекают, оставляя комплементарные полости. Эти полимеры обладают сродством к исходной молекуле и используются, например, для химического разделения, катализа или в молекулярных сенсорах. Молекулярно-импринтированные молекулы можно сравнить с молекулярным замком, соответствующим молекулярному ключу (так называемой молекуле-шаблону). Молекулярно-импринтированные полимеры (MIPs) характеризуются специально сформированными участками связывания, соответствующими молекулам-шаблонам по форме, размеру и функциональным группам. Принцип «замок – ключ» позволяет использовать молекулярно-импринтированные полимеры в различных областях, где определённый тип молекул распознаётся и связывается с молекулярным замком, то есть с молекулярно-импринтированным полимером.

На схеме показан путь молекулярного импринтинга циклодекстринов для получения специально разработанных рецепторов.
Исследование и иллюстрация: Hishiya et al. 2003

Молекулярно-импринтированные полимеры (MIPs) имеют широкую область применения и используются для разделения и очистки определённых биологических или химических молекул, включая аминокислоты и белки, производные нуклеотидов, загрязняющие вещества, а также лекарственные средства и пищевые продукты. Области применения охватывают разделение и очистку, химические сенсоры, каталитические реакции, доставку лекарственных средств, биологические антитела и рецепторные системы. (см. Vasapollo et al. 2011)
Например, технология MIP используется как метод твердофазной микроэкстракции для обработки и очистки молекул, полученных из каннабиса, таких как CBD или THC, из экстракта полного спектра с целью получения изолятов и дистиллятов каннабиноидов.

Ультразвуковой синтез молекулярно-импринтированных молекул

В зависимости от типа целевой молекулы (шаблона) и конечного применения MIP молекулярно-импринтированные полимеры могут быть синтезированы в различных формах, таких как сферические частицы нано- и микронного размера, нанопроволоки, наностержни, нанонити или тонкие плёнки. Для получения определённой формы MIP могут применяться различные методы полимеризации, такие как импринтинг в массе, осаждение, эмульсионная, суспензионная и дисперсионная полимеризация, гелеобразование и многостадийная полимеризация с набуханием.
Применение низкочастотного ультразвука высокой интенсивности обеспечивает высокоэффективный, универсальный и простой метод синтеза полимерных наноструктур.
Обработка ультразвуком имеет ряд преимуществ при синтезе MIP по сравнению с традиционными процессами полимеризации, поскольку способствует повышению скорости реакций, более однородному росту полимерных цепей, увеличению выхода и более мягким условиям (например, низкой температуре реакции). Кроме того, она может изменять распределение совокупности участков связывания и, следовательно, морфологию конечного полимера. (Svenson 2011)
Воздействие сонохимической энергии при полимеризации MIP инициирует реакции полимеризации и положительно влияет на них. Одновременно обработка ультразвуком способствует эффективной дегазации полимерной смеси без снижения связывающей способности или жёсткости.
Ультразвуковые гомогенизация, диспергирование и эмульгирование обеспечивают превосходное смешивание и перемешивание для формирования однородных суспензий и подачи энергии инициирования процессов полимеризации. Viveiros et al. (2019) исследовали потенциал ультразвукового синтеза MIP и утверждают, что «MIP, полученные с помощью ультразвука, демонстрировали свойства связывания, аналогичные свойствам материалов, полученных традиционными методами, или превосходящие их».
MIP в наноформате открывают многообещающие возможности для повышения однородности участков связывания. Обработка ультразвуком хорошо известна своими исключительными результатами при получении нанодисперсий и наноэмульсий.

Ультразвуковая наноэмульсионная полимеризация

MIP можно синтезировать методом эмульсионной полимеризации. Эмульсионная полимеризация обычно осуществляется путём формирования эмульсии типа «масло в воде» с добавлением поверхностно-активного вещества. Для получения стабильной наноразмерной эмульсии требуется высокоэффективный метод эмульгирования. Ультразвуковое эмульгирование – хорошо зарекомендовавший себя метод получения нано- и миниэмульсий.
Узнайте больше об ультразвуковом наноэмульгировании!

Ультразвук может улучшить следующие пути синтеза для производства nanoMIP: полимеризацию с осаждением, эмульсионную полимеризацию и полимеризацию структур типа «ядро – оболочка».
Исследование и иллюстрация: Refaat et al. 2019

Ультразвуковая экстракция шаблона

После синтеза молекулярно-импринтированных полимеров шаблон необходимо удалить из участка связывания, чтобы получить активный молекулярно-импринтированный полимер. Интенсивные силы перемешивания при обработке ультразвуком способствуют растворимости, диффузии, проникновению и переносу молекул растворителя и шаблона. Благодаря этому шаблоны быстро удаляются из участков связывания.
Ультразвуковую экстракцию также можно сочетать с экстракцией по Сокслету для удаления шаблона из импринтированного полимера.

Примеры исследований: применение ультразвука для молекулярно-импринтированных полимеров

Ультразвуковой синтез молекулярно-импринтированных полимеров

Инкапсулирование магнитных наночастиц полимерами, импринтированными по 17β-estradiol, с использованием ультразвукового пути синтеза обеспечивает быстрое удаление 17β-estradiol из водных сред. Для ультразвукового синтеза nanoMIP в качестве мономера использовали метакриловую кислоту (MAA), в качестве сшивающего агента – диметилакрилат этиленгликоля (EGDMA), а в качестве инициатора – азобисизобутиронитрил (AIBN). Ультразвуковой синтез проводили в течение 2h при 65ºC. Средние диаметры частиц магнитных NIP и магнитных MIP составляли 200 и 300 nm соответственно. Применение ультразвука не только повышало скорость полимеризации и улучшало морфологию наночастиц, но и приводило к увеличению числа свободных радикалов, тем самым способствуя росту MIP вокруг магнитных наночастиц. Адсорбционная ёмкость по отношению к 17β-estradiol была сопоставима с результатами традиционных подходов. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ультразвук для молекулярно-импринтированных сенсоров

Yu et al. разработали молекулярно-импринтированный электрохимический сенсор на основе электродов, модифицированных наночастицами никеля, для определения фенобарбитала. Описанный электрохимический сенсор был получен методом термической полимеризации с использованием метакриловой кислоты (MAA) в качестве функционального мономера, 2,2-azobisisobutyronitrile (AIBN) и акрилата этиленгликольмалеинового розината (EGMRA) в качестве сшивающего агента, фенобарбиталов (PBs) в качестве молекулы-шаблона и диметилсульфоксида (DMSO) в качестве органического растворителя. В процессе изготовления сенсора 0,0464g PB и 0,0688g MAA смешивали в 3 mL DMSO и обрабатывали ультразвуком в течение 10 min. Через 5 h в смесь добавляли 1,0244g EGMRA и 0,0074g AIBN и обрабатывали ультразвуком в течение 30 min для получения растворов полимера, импринтированного по PB. После этого 10 μL раствора наночастиц Ni с концентрацией 2,0 mg mL^-1 наносили каплями на поверхность GCE, затем сенсор сушили при комнатной температуре. Далее примерно 5 μL приготовленного раствора полимера, импринтированного по PB, наносили на GCE, модифицированный наночастицами Ni, и сушили в вакууме при 75◦C в течение 6 h. После термической полимеризации импринтированный сенсор промывали смесью HAc (уксусной кислоты)/метанола (объёмное соотношение 3:7) в течение 7 min для удаления молекул-шаблонов. (см. Uygun et al. 2015)

Ультразвуковая микроэкстракция с использованием MIP

Для извлечения аналита никотинамида из образцов применяется дисперсионная твердофазная микроэкстракция с применением ультразвука с последующим измерением на УФ-видимом спектрофотометре (UA-DSPME-UV-vis). Для экстракции и предварительного концентрирования никотинамида (витамина B3) использовали молекулярно-импринтированные полимеры на основе металлоорганического каркаса (MOF) HKUST-1. (Asfaram et al. 2017)

Высокоэффективные ультразвуковые аппараты для работы с полимерами

От лаборатории к производству с линейным масштабированием: Специально разработанные молекулярно-импринтированные полимеры сначала создают и испытывают в небольшом лабораторном масштабе и на настольных установках для исследования осуществимости синтеза полимеров. После подтверждения осуществимости и оптимизации MIP их производство масштабируют на более крупные объёмы. Все ультразвуковые пути синтеза можно линейно масштабировать от настольных установок до полноценного промышленного производства. Hielscher Ultrasonics предлагает сонохимическое оборудование для синтеза полимеров – от небольших лабораторных и настольных установок до полностью промышленных ультразвуковых систем для обработки в потоке и круглосуточного производства в режиме 24/7 под полной нагрузкой. Ультразвуковые процессы можно линейно масштабировать от объёма пробирки до крупного производства с производительностью, измеряемой грузовыми партиями в час. В обширном ассортименте Hielscher Ultrasonics, включающем лабораторные и промышленные сонохимические системы, найдётся ультразвуковой аппарат, наиболее подходящий для планируемой производительности вашего процесса. Наши сотрудники с многолетним опытом помогут вам на всех этапах – от испытаний осуществимости и оптимизации процесса до установки вашей ультразвуковой системы на конечном производственном уровне.

Hielscher Ultrasonics – передовое сонохимическое оборудование

Ассортимент Hielscher Ultrasonics охватывает полный спектр высокоэффективных ультразвуковых экстракторов для работы в малом и крупном масштабе. Дополнительные принадлежности позволяют легко собрать конфигурацию ультразвукового устройства, наиболее подходящую для вашего процесса. Оптимальная ультразвуковая установка зависит от планируемой производительности, объёма, материала, периодического или поточного режима процесса и сроков. Hielscher поможет вам организовать идеальный сонохимический процесс.

Периодическая обработка и обработка в потоке

Ультразвуковые аппараты Hielscher можно использовать для периодической и непрерывной проточной обработки. Малые и средние объёмы удобно обрабатывать ультразвуком в периодическом режиме (например, во флаконах, пробирках, лабораторных стаканах, резервуарах или бочках). Для обработки больших объёмов обработка ультразвуком в потоке может быть эффективнее. Периодическая обработка требует больше времени и труда, тогда как непрерывное смешивание в потоке эффективнее, быстрее и требует значительно меньше труда. Hielscher Ultrasonics предлагает наиболее подходящую экстракционную установку для вашей реакции полимеризации и объёма процесса.

Ультразвуковые зонды для любой производительности

Ассортимент Hielscher Ultrasonics охватывает полный спектр ультразвуковых процессоров – от компактных лабораторных ультразвуковых аппаратов, настольных и опытно-промышленных систем до полностью промышленных ультразвуковых процессоров, способных обрабатывать грузовые партии в час. Полный ассортимент позволяет нам предложить вам ультразвуковое оборудование, наиболее подходящее для ваших полимеров, производительности процесса и производственных целей.
Настольные ультразвуковые системы идеально подходят для испытаний осуществимости и оптимизации процессов. Линейное масштабирование на основе установленных параметров процесса позволяет очень легко увеличить производительность обработки от небольших партий до полноценного промышленного производства. Масштабирование можно осуществить либо установкой более мощного ультразвукового экстрактора, либо объединением нескольких ультразвуковых аппаратов в параллельный кластер. С моделью UIP16000 компания Hielscher предлагает самый мощный ультразвуковой аппарат в мире.

Точно регулируемые амплитуды для оптимальных результатов

Все ультразвуковые аппараты Hielscher допускают точное управление и поэтому являются надёжными рабочими инструментами на производстве. Амплитуда – один из важнейших параметров процесса, влияющих на эффективность и результативность сонохимических реакций, включая реакции полимеризации и пути синтеза.
Все процессоры Hielscher Ultrasonics позволяют точно задавать амплитуду. Сонотроды и усиливающие волноводы – это принадлежности, позволяющие изменять амплитуду в ещё более широком диапазоне. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher могут обеспечивать очень высокие амплитуды и необходимую интенсивность ультразвука для сложных применений. Амплитуды до 200µm легко поддерживаются непрерывно в режиме 24/7.
Точная настройка амплитуды и постоянный мониторинг параметров ультразвукового процесса с помощью интеллектуального программного обеспечения позволяют синтезировать молекулярно-импринтированные полимеры в наиболее эффективных условиях ультразвуковой обработки. Оптимальная обработка ультразвуком для наилучших результатов полимеризации!
Прочность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 при высоких нагрузках и в сложных условиях. Благодаря этому ультразвуковое оборудование Hielscher является надёжным рабочим инструментом, отвечающим требованиям вашего сонохимического процесса.

Простые испытания без риска

Ультразвуковые процессы допускают полностью линейное масштабирование. Это означает, что каждый результат, полученный с использованием лабораторного или настольного ультразвукового аппарата, можно масштабировать с получением точно такого же результата при использовании точно тех же параметров процесса. Поэтому обработка ультразвуком идеально подходит для испытаний осуществимости без риска, оптимизации процесса и последующего внедрения в промышленное производство. Свяжитесь с нами, чтобы узнать, как обработка ультразвуком может повысить выход и качество ваших MIP.

Высочайшее качество – разработано и изготовлено в Германии

Будучи семейным предприятием, находящимся в семейном управлении, Hielscher отдаёт приоритет высочайшим стандартам качества своих ультразвуковых процессоров. Все ультразвуковые аппараты разрабатываются, производятся и тщательно испытываются в нашей штаб-квартире в Тельтове недалеко от Берлина, Германия. Прочность и надёжность ультразвукового оборудования Hielscher делают его надёжным рабочим инструментом на вашем производстве. Работа в режиме 24/7 под полной нагрузкой и в сложных условиях является естественной характеристикой высокоэффективных смесителей Hielscher.

В таблице ниже приведена ориентировочная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Вы можете приобрести ультразвуковой процессор Hielscher любого размера, точно сконфигурированный в соответствии с требованиями вашего процесса. От обработки реагентов в небольшой лабораторной пробирке до непрерывного проточного смешивания полимерных суспензий в промышленном масштабе – Hielscher Ultrasonics предлагает подходящий для вас ультразвуковой аппарат! Свяжитесь с нами – мы будем рады порекомендовать вам идеальную ультразвуковую установку!