Ultrazvuková polymerizácia hydrogélov: protokol a zväčšovanie mierky

Polymerizácia vyvolaná ultrazvukom ponúka prístup k syntéze hydrogélov z vinylových monomérov a makromonomérov rozpustných vo vode bez použitia radikálov a iniciátorov. Táto metodika využíva sonochemickú tvorbu radikálov prostredníctvom kavitácie a je ideálne vhodná na biomedicínske aplikácie, pri ktorých sa musí zabrániť prítomnosti zvyškov iniciátorov.

Hydrogély sú trojrozmerné hydrofilné polymérne siete schopné zadržiavať značné množstvo vody pri zachovaní štruktúrnej integrity – vlastnosti vyplývajúcej zo zosieťovaných polymérnych reťazcov. Ich fyzikálno-chemické vlastnosti – správanie pri napučiavaní, mechanická pevnosť a biokompatibilita – ich robia veľmi atraktívnymi pre biomedicínske aplikácie vrátane podávania liečiv, tkanivového inžinierstva a hojenia rán.

Výhoda ultrazvukovej polymerizácie hydrogélov

Syntéza hydrogélov sa tradične opiera o tepelné, fotochemické alebo chemické zosieťovanie; ultrazvuková syntéza hydrogélov však získava značnú popularitu, pretože sonikácia ponúka jednoduchý, nastaviteľný a ekologickejší prístup bez použitia činidiel. Ultrazvuková syntéza hydrogélov využíva akustickú kavitáciu na podporu polymerizácie a fyzikálneho alebo chemického zosieťovania bez potreby externých iniciátorov. Ultrazvukové pôsobenie môže tiež uľahčovať dispergovanie nanočastíc in situ alebo iniciovať radikálové reakcie vo vodnom prostredí, čo z neho robí všestranný nástroj na prípravu multifunkčných alebo nanokompozitných hydrogélov za miernych podmienok.

Videoklip vyššie ukazuje ultrazvukovú syntézu hydrogélu pomocou sonikátora UP50H a nízkomolekulového gelátora. Výsledkom je samoregeneračný supramolekulový hydrogél. (Štúdia a video: Rutgeerts et al., 2019)
 

Biokompatibilné hydrogély pomocou sonikácie

Pri hľadaní biokompatibilných hydrogélov, ktoré možno vytvárať čisto, bezpečne a podľa potreby, tradičné polymerizačné postupy často nestačia. Práca Cassa a jeho kolegov predstavuje účinné riešenie tohto problému: čistú metódu syntézy hydrogélov bez iniciátorov s využitím nízkofrekvenčného ultrazvuku.

Ich štúdia skúma sonochemickú polymerizáciu rôznych monomérov rozpustných vo vode, no jedno zloženie vynikalo mimoriadnou účinnosťou a spoľahlivosťou: 5% roztok dextránmetakrylátu (Dex-MA) v 70% zmesi glycerolu a vody, polymerizovaný pôsobením ultrazvuku pri strednej intenzite 56 W/cm². Pozoruhodné je, že tento systém poskytol plne vytvorený hydrogél už za 6,5 minúty, pričom dosiahol 72% konverziu monoméru na polymér – najvyššiu spomedzi všetkých testovaných zložení.

Akustická kavitácia: Princíp fungovania tejto metódy je založený na jave, ktorý je rovnako intenzívny ako krátkodobý: akustickej kavitácii. Pri pôsobení výkonového ultrazvuku sa v kvapalnom prostredí tvoria mikroskopické bubliny a prudko kolabujú, čím vytvárajú lokálne horúce miesta, kde teploty môžu krátkodobo prekročiť 5000 kelvinov. Tieto podmienky vyvolávajú homolytické štiepenie molekúl rozpúšťadla, pri ktorom náhle vzniká veľké množstvo reaktívnych radikálov. Na rozdiel od konvenčnej polymerizácie, ktorá závisí od externých iniciátorov alebo tepla, ultrazvuk dodáva energiu aj radikály potrebné na iniciáciu polymerizácie – bez prekročenia fyziologicky relevantných teplôt v celom objeme média.

Pomocné rozpúšťadlo: Výber glycerolu ako spolurozpúšťadla nebol náhodný. Okrem toho, že zvyšuje viskozitu roztoku – čo je kľúčový faktor zvyšovania intenzity kavitácie – pôsobí samotný glycerol aj ako spoludonor radikálov. Je známe, že jeho hydroxylové skupiny vytvárajú relatívne stabilné sekundárne radikály, čím predlžujú životnosť radikálov a podporujú propagáciu reťazcov. Viskózne prostredie bohaté na glycerol navyše pomáha zachytávať vznikajúce polymérne reťazce, znižuje ich rozpustnosť a chráni ich pred ultrazvukovou degradáciou, ku ktorej môže dochádzať v zriedenejších vodných systémoch.

Ultrazvuková polymerizácia: Na charakterizáciu priebehu polymerizácie výskumníci použili infračervenú spektroskopiu, pomocou ktorej sledovali úbytok vinylových skupín na Dex-MA v čase. Charakteristická absorpcia pri 1635 cm⁻¹ – indikujúca dvojité väzby C=C – počas sonikácie rýchlo klesala, zatiaľ čo pás valenčnej vibrácie esterovej karbonylovej skupiny pri 1730 cm⁻¹ zostával konštantný a slúžil ako vnútorná referencia. Tieto údaje potvrdili nielen rýchlu konverziu vinylových skupín, ale aj vysoký stupeň zosieťovania, o čom svedčili nízke pomery napučania a pevné gélové štruktúry.

Analýza: Skenovacia elektrónová mikroskopia ďalej odhalila vývoj mikroštruktúry gélu. V počiatočných štádiách sa sieť vyznačovala veľkými otvorenými pórmi, no pri pokračujúcej sonikácii sa tieto póry vypĺňali hustejšou sekundárnou štruktúrou. Po 15 minútach vykazoval hydrogél homogénne zosieťovanú morfológiu s tesne prepojenými pórmi – charakteristický znak dobre vytvorených biomedicínskych gélov.

Výsledok: Pri porovnaní s hydrogélmi vyrobenými pomocou tepelných voľnoradikálových iniciátorov boli rozdiely výrazné. Hoci sa tepelnou cestou dali dosiahnuť podobné konverzie, výsledné siete boli pórovitejšie, menej rovnomerné a vykazovali vyššie pomery napučania – znaky voľnejšej architektúry zosieťovania. Tepelný proces navyše vyžadoval preplachovanie dusíkom, chemické prísady a vyššie teploty, zatiaľ čo ultrazvukový postup fungoval pri teplote okolia iba 37°C.

Azda najzaujímavejším aspektom tejto práce je pozorovanie, že polymerizácia môže pokračovať aj po vypnutí ultrazvuku. Gél počas 30 minút po ukončení sonikácie ďalej vytvrdzoval a zvyšovala sa jeho pevnosť. To naznačuje, že pretrvávajúce radikálové častice alebo intermediárne štruktúry vytvorené počas sonikácie môžu naďalej predlžovať polymérne reťazce aj bez ďalšieho prívodu energie – správanie s potenciálne užitočnými dôsledkami pre aplikácie in vivo.

Zistite viac o výhodách ultrazvukovej výroby hydrogélov!

Protokol: Ultrazvuková syntéza hydrogélu z metakrylátu dextránu (Dex-MA) pomocou sonikátora

Na syntézu kovalentne zosieťovaného hydrogélu Dex-MA sa do roztoku glycerolu a vody prenáša ultrazvuk s vysokou intenzitou a nízkou frekvenciou. Teplota a hustota ultrazvukovej energie sa presne regulujú.
Nižšie uvádzame pokyny na ultrazvukovú syntézu hydrogélov v laboratórnom meradle, ktorú možno lineárne škálovať na veľké množstvá.

Vybavenie a materiály

Vybavenie

• Ultrazvukový procesor Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• Sonotróda S26d2 (priemer hrotu: 2 mm; odporúčaná pre malé objemy)
• Reakčná nádoba s plášťom (50 mL), kompatibilná s magnetickým miešadlom
• Cirkulačný vodný kúpeľ (termostaticky regulovaný na 37°C)
• Teplotná sonda PT100 (súčasť dodávky UP200Ht)
• Magnetické miešadlo
• Analytické váhy (±0,1 mg)
• Vákuová sušiareň alebo lyofilizátor

Chemikálie

• Metakrylát dextránu (Dex-MA), ~20% metakrylácia
• Glycerol, ≥99,5% (bezvodý)
• Deionizovaná voda

Všetky reagencie by mali mať analytickú čistotu. Vyhnite sa prostrediu bohatému na kyslík; ak je to možné, rozpúšťadlá odplynite.

Postup krok za krokom: Ultrazvuková polymerizácia hydrogélov

1. Príprava polymerizačnej zmesi
   • Do reakčnej nádoby s plášťom s objemom 50 mL navážte 0,75 g Dex-MA.
   • Pridajte 10,5 g glycerolu a 3,75 g deionizovanej vody.
   • Zmes miešajte magnetickým miešadlom pri izbovej teplote (~22 °C) počas 5–10 minút, aby sa Dex-MA úplne rozpustil. Mal by vzniknúť mierne viskózny, homogénny roztok.
   • Vodný kúpeľ predhrejte na 37 °C a pripojte ho k nádobe s plášťom, aby sa udržiavala konštantná teplota.
2. Príprava sonikátora
   • Namontujte sonotródu S26d2 na UP200Ht a zabezpečte pevné spojenie.
   • Ponorte hrot sonotródy do reakčnej zmesi. Zabráňte kontaktu so stenami alebo dnom nádoby.
   • Umiestnite teplotnú sondu do roztoku blízko sonotródy, ale bez priameho kontaktu s ňou. To vám umožní využívať integrovanú reguláciu teploty sonikátora.
   • Nastavte amplitúdu na 100%.
3. Ultrazvuková polymerizácia
   • Začnite miešať pri 100–200 rpm, aby ste zabezpečili šetrnú homogenizáciu.
   • Spustite sonikáciu s vhodným nastavením amplitúdy tak, aby sa dosiahla intenzita ~56 W/cm² počas 6,5 minúty.
   • Počas celého procesu udržiavajte teplotu roztoku na 37°C. Ak sa zmes začne zahrievať, zvýšte prietok chladiacej kvapaliny alebo pridajte ľad do vodného kúpeľa.
   • Gélovatenie sa zvyčajne začína v priebehu 5–6 minút. Viskozita prudko vzrastie.
   • Ak dôjde ku gélovateniu pred uplynutím 6,5 min, zastavte sonikáciu, aby ste zabránili nadmernému zosieťovaniu alebo degradácii.
4. Následné spracovanie a čistenie
   • Gél okamžite preneste do 200 mL deionizovanej vody za intenzívneho miešania, aby sa vylúhoval nezreagovaný monomér a glycerol.
   • Miešajte 30 minút, potom zlejte supernatant alebo prefiltrujte.
   • Premývanie zopakujte ešte 3-krát s použitím teplej vody (~60 °C) na zlepšenie difúzie.
   • Gél sušte vo vákuu pri 60°C počas 8 hodín alebo ho lyofilizujte, aby ste získali porézne štruktúry.

 
Výsledok: Biokompatibilný hydrogél
Mali by ste získať priehľadný, pevný hydrogél s vysokou konverziou (~70–75%), vynikajúcim zosieťovaním a minimálnym obsahom zvyškového monoméru. Hydrogél bude odolávať rozpúšťaniu vo vode a po vysušení bude vykazovať rovnomernú štruktúru.

 
Poznámky k optimálnemu riadeniu procesu

Zväčšovanie výrobnej mierky: Lineárne a jednoduché so sonikáciou

V oblasti, ktorá čoraz viac vyžaduje presnosť, čistotu a možnosť zväčšovania výrobnej mierky, ponúka táto ultrazvuková metóda presvedčivú alternatívu. Dá sa priestorovo riadiť, nastavovať v reálnom čase a je kompatibilná s kontinuálnym spracovaním pomocou moderných prietokových ultrazvukových systémov.
Sonikátory od Hielscher Ultrasonics poskytujú presné amplitúdy a umožňujú lineárne zväčšovanie mierky z laboratórnej na výrobnú – vďaka čomu sú ideálne na zavádzanie takýchto hydrogélových systémov do reálnych terapeutických a diagnostických aplikácií.

Návrh, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové procesory Hielscher sú známe svojimi najvyššími štandardmi kvality a konštrukčného riešenia. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémové začlenenie našich ultrazvukových procesorov do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové procesory Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové procesory s najmodernejšou technológiou a jednoduchou obsluhou. Ultrazvukové procesory Hielscher samozrejme spĺňajú požiadavky CE a požiadavky UL, CSA a RoHs.

Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových procesorov: