Ultrazvuková polymerizácia hydrogélov: protokol a škálovanie
Ultrazvukom indukovaná polymerizácia ponúka prístup k syntéze hydrogélov z vo vode rozpustných vinylových monomérov a makromonomérov bez radikálov a iniciátorov. Táto metodika využíva sonochemickú tvorbu radikálov prostredníctvom kavitácie a je ideálna pre biomedicínske aplikácie, kde sa treba vyhnúť iniciačným rezíduám.
Hydrogély sú trojrozmerné hydrofilné polymérne siete schopné zadržať značné množstvo vody pri zachovaní štrukturálnej integrity - táto vlastnosť vyplýva zo zosieťovaných polymérnych reťazcov. Ich fyzikálno-chemické vlastnosti - napučiavanie, mechanická pevnosť a biokompatibilita - ich robia veľmi atraktívnymi pre biomedicínske aplikácie vrátane podávania liekov, tkanivového inžinierstva a hojenia rán.
Výhoda ultrazvukovej hydrogélovej polymerizácie
Syntéza hydrogélu sa tradične spolieha na tepelné, fotochemické alebo chemické zosieťovanie; Ultrazvuková hydrogélová syntéza však získava významnú trakciu, pretože metóda sonikácie ponúka jednoduchý, laditeľný a ekologickejší prístup bez činidiel. Ultrazvuková hydrogélová syntéza využíva akustickú kavitáciu na podporu polymerizácie a fyzikálneho alebo chemického zosieťovania bez potreby externých iniciátorov. Ultrazvuk môže tiež uľahčiť disperziu nanočastíc in situ alebo iniciovať radikálne reakcie vo vodnom prostredí, čo z neho robí všestranný nástroj na výrobu multifunkčných alebo nanokompozitných hydrogélov za miernych podmienok.
Sonicator UIP1000hdT so skleneným reaktorom na syntézu hydrogélu
Vyššie uvedený videoklip demonštruje ultrazvukovú syntézu hydrogélu
pomocou sonikátora UP50H
a gélátor s nízkou molekulovou hmotnosťou. Výsledkom je samoliečebný supramolekulárny hydrogél.
(Štúdia a film: Rutgeerts et al., 2019)
Vyššie uvedený videoklip demonštruje ultrazvukovú syntézu hydrogélu pomocou sonikátora UP50H a gélátor s nízkou molekulovou hmotnosťou. Výsledkom je samoliečebný supramolekulárny hydrogél. (Štúdia a film: Rutgeerts et al., 2019)
Biokompatibilné hydrogély so sonikáciou
Pri hľadaní biokompatibilných hydrogélov, ktoré sa dajú vytvárať čisto, bezpečne a na požiadanie, tradičné polymerizačné stratégie často zlyhávajú. Práca Cassa a kolegov predstavuje efektívne riešenie tohto problému: čistú metódu syntézy hydrogélu bez iniciátora pomocou nízkofrekvenčného ultrazvuku.
V ich štúdii sa skúmala sonochemická polymerizácia rôznych vo vode rozpustných monomérov, ale jeden prípravok vynikal ako obzvlášť účinný a robustný: 5 % roztok dextranmetakrylátu (Dex-MA) v 70 % glycerol-voda, polymerizovaný pod ultrazvukom s miernou intenzitou 56 W/cm². Pozoruhodné je, že tento systém poskytol plne vytvorený hydrogél len za 6,5 minúty, pričom dosiahol 72 % konverziu monoméru na polymér - najvyššiu spomedzi všetkých testovaných formulácií.
Akustická kavitácia: Princíp fungovania tejto metódy je založený na jave, ktorý je rovnako silný ako prechodný: akustickej kavitácii. Pri pôsobení silného ultrazvuku sa v kvapalnom prostredí vytvárajú a prudko kolabujú mikroskopické bubliny, ktoré vytvárajú lokalizované horúce miesta, kde teplota môže nakrátko prekročiť 5 000 Kelvinov. Tieto podmienky vyvolávajú homolytické štiepenie molekúl rozpúšťadla, čím vzniká výbuch reaktívnych radikálov. Na rozdiel od bežnej polymerizácie, ktorá závisí od vonkajších iniciátorov alebo tepla, ultrazvuk dodáva energiu aj radikály potrebné na iniciáciu polymerizácie - bez prekročenia fyziologicky relevantných objemových teplôt.
Spolurozpúšťadlo: Výber glycerolu ako ko-rozpúšťadla nebol náhodný. Okrem zvýšenia viskozity roztoku - čo je rozhodujúci faktor pre zvýšenie intenzity kavitácie - glycerol sám o sebe pôsobí ako radikálový ko-donor. Je známe, že jeho hydroxylové skupiny vytvárajú relatívne stabilné sekundárne radikály, čím zvyšujú životnosť radikálov a podporujú šírenie reťazcov. Okrem toho viskózne prostredie bohaté na glycerol pomáha zachytávať vznikajúce polymérne reťazce, znižuje ich rozpustnosť a chráni ich pred ultrazvukovou degradáciou, ku ktorej môže dôjsť v zriedenejších vodných systémoch.
Ultrazvuková polymerizácia: Na charakterizovanie priebehu polymerizácie výskumníci použili infračervenú spektroskopiu, pričom sledovali úbytok vinylových skupín na Dex-MA v priebehu času. Charakteristická absorpcia pri 1635 cm-¹ - indikujúca dvojité väzby C=C - sa počas sonikácie rýchlo zmenšovala, zatiaľ čo esterový karbonylový úsek pri 1730 cm-¹ zostával konštantný a slúžil ako vnútorná referencia. Tieto údaje potvrdili nielen rýchlu konverziu vinylu, ale aj vysoký stupeň zosieťovania, o čom svedčia nízke pomery napúčania a robustné gélové štruktúry.
Analýza: Skenovacia elektrónová mikroskopia ďalej odhalila vývoj mikroštruktúry gélu. V počiatočných štádiách sa v sieti nachádzali veľké otvorené póry, ktoré sa však pri pokračujúcej sonikácii vyplnili hustejšou sekundárnou štruktúrou. Do 15 minút hydrogél vykazoval homogénne zosieťovanú morfológiu s pevne prepojenými pórmi - charakteristický znak dobre vytvorených biomedicínskych gélov.
Výsledok: Pri porovnaní s hydrogélmi vyrobenými pomocou tepelných voľnoradikálových iniciátorov boli rozdiely markantné. Hoci sa termicky dali dosiahnuť podobné konverzie, výsledné siete boli poréznejšie, menej rovnomerné a vykazovali vyššie pomery napúčania - znaky voľnejšej architektúry zosieťovania. Okrem toho si tepelný proces vyžadoval preplachovanie dusíkom, chemické prísady a vyššie teploty, zatiaľ čo ultrazvukový prístup fungoval pri teplote okolia len 37 °C.
Azda najzaujímavejším aspektom tejto práce je pozorovanie, že polymerizácia môže pokračovať aj po zastavení ultrazvuku. Gél pokračoval v tvrdnutí a zvyšovaní pevnosti počas 30 minút po ukončení sonikácie. To naznačuje, že pretrvávajúce radikálové druhy alebo medzistruktúry vytvorené počas sonikácie môžu pokračovať v šírení polymérnych reťazcov bez ďalšieho prísunu energie - správanie s potenciálne užitočnými dôsledkami pre aplikácie in vivo.
Sonikátor UP200Ht na ultrazvukovú hydrogélovú polymerizáciu
Protokol: Ultrazvuková syntéza hydrogélu dextrán metakrylátu (Dex-MA) pomocou sonikátora
Na syntézu kovalentne zosieťovaného hydrogélu Dex-MA sa vysokointenzívny nízkofrekvenčný ultrazvuk spojí do roztoku glycerolu/vody. Teplota a hustota ultrazvukovej energie sú presne riadené.
Nižšie uvádzame pokyny na ultrazvukovú hydrogélovú syntézu v laboratórnom meradle, ktorú je možné lineárne škálovať na veľké množstvá.
Vybavenie a materiály
Zariadenie
- Ultrazvukový procesor Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
- Sonotrode S26d2 (priemer hrotu: 2 mm; odporúča sa pre malé objemy)
- Plášťová reakčná nádoba (50 ml), kompatibilná s magnetickým miešadlom
- Cirkulačný vodný kúpeľ (termostaticky riadený na 37 °C)
- Teplotná sonda PT100 (súčasťou dodávky UP200Ht)
- Magnetické miešadlo
- Analytická váha (±0,1 mg)
- Vákuová rúra alebo lyofilizátor
chemikálie
- Metakrylát dextrán (Dex-MA), ~20% metakrylácia
- Glycerol, ≥99,5 % (bezvodý)
- Deionizovaná voda
Všetky činidlá majú byť analytickej kvality. Vyhýbajte sa prostrediu bohatému na kyslík; odplyniť rozpúšťadlá, ak je to možné.
| Súčasť | Množstvo (g) | Hmotnosť % |
|---|---|---|
| Metakrylát dextránu | 075 gramov | 5% |
| glycerol | 10,5 gramov | 70% |
| Deionizovaná voda | 3,75 gramov | 25% |
| Totálny | 15,0 gramov | 100% |
Postup krok za krokom: Ultrazvuková hydrogélová polymerizácia
- Príprava polymerizačnej zmesi
- Odvážte 0,75 g Dex-MA do 50 ml reakčnej nádoby s plášťom.
- Pridajte 10,5 g glycerolu a 3,75 g deionizovanej vody.
- Zmes sa mieša magneticky pri izbovej teplote (~22 °C) po dobu 5–10 minút, aby sa Dex-MA úplne rozpustil. Výsledkom by mal byť mierne viskózny, homogénny roztok.
- Vodný kúpeľ predhrejte na 37 °C a pripojte ho k opláštenej nádobe, aby ste udržali konštantnú teplotu.
- Nastavenie Sonicatora
- Namontujte sonotrodu S26d2 na UP200Ht a zaistite pevné spojenie.
- Ponorte hrot sonotródy do reakčnej zmesi. Nedotýkajte sa stien alebo dna nádoby.
- Umiestnite teplotnú sondu do roztoku blízko sonotródy, ale nie do priameho kontaktu. To vám umožní používať integrovanú reguláciu teploty sonikátora.
- Nastavte amplitúdu na 100 %.
- ultrazvuková polymerizácia
- Začnite miešať pri 100–200 ot./min., aby ste zachovali jemnú homogenizáciu.
- Začnite sonikaciu pri príslušnom ampnastavení litúdy, aby ste dodali ~56 W/cm² po dobu 6.5 minúty.
- Udržujte teplotu roztoku na 37 °C. Ak sa zmes začne zahrievať, zvýšte prietok chladiacej kvapaliny alebo pridajte ľad do vodného kúpeľa.
- Gélovanie zvyčajne začína do 5–6 minút. Viskozita sa prudko zvýši.
- Ak dôjde k gélovaniu pred 6.5 minútou, zastavte sonikáciu, aby ste predišli nadmernému zosieťovaniu alebo degradácii.
- Následné spracovanie a čistenie
- Gél ihneď preneste do 200 ml deionizovanej vody za intenzívneho miešania, aby sa vylúhoval nezreagovaný monomér a glycerol.
- Miešajte 30 minút, potom dekantujte supernatant alebo filter.
- Opakujte umývanie ešte 3-krát teplou vodou (~60 °C) pre lepšiu difúziu.
- Gél sušte vo vákuu pri 60 °C po dobu 8 hodín alebo lyofilizujte pre porézne štruktúry.
Výsledok: biokompatibilný hydrogél
Mali by ste získať priehľadný, robustný hydrogél s vysokou konverziou (~70–75%), vynikajúcim zosieťovaním a minimálnym zvyškovým monomérom. Hydrogél odoláva rozpúšťaniu vo vode a po vysušení bude vykazovať jednotnú štruktúru.
Poznámky pre optimálne riadenie procesu
Priemyselný ultrazvuk UIP16000hdT s výkonom 16 000 wattov na vysokovýkonnú inline výrobu hydrogélov.
Škálovanie: lineárne a jednoduché so sonikáciou
V oblasti, ktorá čoraz viac vyžaduje presnosť, čistotu a škálovateľnosť, ponúka táto ultrazvuková metóda presvedčivú alternatívu. Je priestorovo ovládateľný, laditeľný v reálnom čase a kompatibilný s kontinuálnym spracovaním pomocou moderných ultrazvukových inline systémov.
Sonikátory od spoločnosti Hielscher Ultrasonics poskytujú presné amplitúdy a lineárne sa škálujú od laboratórneho až po výrobné meradlo, čo z nich robí ideálne zariadenie na transformáciu takýchto hydrogélových systémov do reálnych terapeutických a diagnostických aplikácií.
- vysoká účinnosť
- Najmodernejšia technológia
- spoľahlivosť & odolnosť
- nastaviteľné, presné riadenie procesu
- dávka & Inline
- pre akýkoľvek objem
- inteligentný softvér
- inteligentné funkcie (napr. programovateľné, dátové protokolovanie, diaľkové ovládanie)
- jednoduchá a bezpečná obsluha
- nízka údržba
- CIP (čistenie na mieste)
Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku
Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie ľahko zvládnu ultrazvukové prístroje Hielscher.
Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 05 až 1,5 ml | N.A. | VialTweeter |
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000hdT |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000hdT |
Inline sonikátor UIP2000hdT pre priemyselnú výrobu hydrogélu v kontinuálnom prietoku
Literatúra / Referencie
- Rutgeerts, Laurens A. J.; Soultan, Al Halifa; Subramani, Ramesh; Toprakhisar, Burak; Ramon, Herman; Paderes, Monissa C.; De Borggraeve, Wim M.; Patterson, Jennifer (2019): Robust scalable synthesis of a bis-urea derivative forming thixotropic and cytocompatible supramolecular hydrogels. Chemical Communications Issue 51, 2019.
- Cass, P., Knower, W., Pereeia, E., Holmes, N.P., Hughes, T. (2010): Preparation of hydrogels via ultrasonic polymerization. Ultrasonics Sonochemistry, 17(2), 2010. 326–332.
- Kocen, Rok; Gasik, Michael; Gantar, Ana; Novak, Sasa (2017): Viscoelastic behaviour of hydrogel-based composites for tissue engineering under mechanical load. Biomedical materials (Bristol, England), 2017.
- Willfahrt, A., Steiner, E., Hoetzel, J., Crispin, X. (2019): Printable acid-modified corn starch as non-toxic, disposable hydrogel-polymer electrolyte in supercapacitors. Applied Physics A, 125(7), 474.
často kladené otázky
Čo je hydrogél?
Hydrogél je trojrozmerná hydrofilná polymérna sieť schopná absorbovať a zadržiavať veľké množstvo vody pri zachovaní štrukturálnej integrity. Vzniká fyzikálnym alebo chemickým zosieťovaním polymérnych reťazcov, často napodobňujúcim obsah vody a elasticitu biologických tkanív.
Na čo sa hydrogél používa?
Hydrogély sa používajú v širokej škále aplikácií vrátane podávania liekov, obväzov na rany, lešenia tkanivového inžinierstva, mäkkých kontaktných šošoviek, biosenzorov a v poslednej dobe v mäkkej robotike a nositeľnej elektronike. Ich biokompatibilita, laditeľné mechanické vlastnosti a schopnosť reagovať na podnety ich robia veľmi univerzálnymi v lekárskom aj priemyselnom prostredí.
Je hydrogél dobrý pre pokožku?
Áno, hydrogél je vo všeobecnosti dobrý pre pokožku. Udržuje vlhké prostredie, ktoré podporuje hojenie rán, znižuje zjazvenie a podporuje proliferáciu buniek. Obväzy na rany na báze hydrogélu môžu tiež poskytnúť chladenie, úľavu od bolesti a kontrolované podávanie terapeutických látok, vďaka čomu sú účinné pri popáleninách, vredoch a pooperačnej starostlivosti.
Prečítajte si viac o ultrazvukom pripravených obväzoch na rany Aloe Vera!
Prečo sa hydrogél samolieči?
Hydrogély vykazujú samoliečebné správanie v dôsledku reverzibilných interakcií v rámci ich polymérnej siete. Môžu zahŕňať vodíkové väzby, iónové interakcie, hydrofóbne sily alebo dynamické kovalentné väzby. Keď je sieť narušená, tieto interakcie umožňujú materiálu znovu vytvoriť svoju štruktúru, čo umožňuje hydrogélu obnoviť svoje mechanické a funkčné vlastnosti po poškodení.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.