Ultrazvočna polimerizacija hidrogelov: protokol in povečanje

Ultrazvočno povzročena polimerizacija ponuja pristop brez radikalov in brez iniciatorjev za sintezo hidrogelov iz vodotopnih vinil monomerov in makromonomerov. Ta metodologija izkorišča sonokemično nastajanje radikalov s kavitacijo in je idealna za biomedicinske aplikacije, kjer se je treba izogibati iniciacijskim ostankom.

Hidrogeli so tridimenzionalne hidrofilne polimerne mreže, ki lahko zadržijo velike količine vode, hkrati pa ohranijo strukturno celovitost, kar je posledica zamreženih polimernih verig. Zaradi svojih fizikalno-kemijskih lastnosti - nabrekanja, mehanske trdnosti in biokompatibilnosti - so zelo privlačni za biomedicinske aplikacije, vključno z dostavo zdravil, tkivnim inženiringom in celjenjem ran.

Prednost ultrazvočne hidrogelne polimerizacije

Tradicionalno se sinteza hidrogela opira na toplotno, fotokemično ali kemično navzkrižno povezovanje; Vendar pa ultrazvočna sinteza hidrogela pridobiva pomemben oprijem, saj metoda ultrazvočnega razbijanja ponuja preprost pristop brez reagentov, prilagodljiv in bolj zelen. Ultrazvočna sinteza hidrogela uporablja akustično kavitacijo za spodbujanje polimerizacije in fizikalnega ali kemičnega povezovanja brez potrebe po zunanjih iniciatorjih. Predvsem lahko ultrasonication olajša in situ disperzijo nanodelcev ali sproži radikalne reakcije v vodnih medijih, zaradi česar je vsestransko orodje za izdelavo večnamenskih ali nanokompozitnih hidrogelov v blagih pogojih.

Zgornji video posnetek prikazuje ultrazvočno sintezo hidrogela z uporabo sonicatorja UP50H in gelator z nizko molekulsko maso. Rezultat je samozdravilni supramolekularni hidrogel. (Študija in film: Rutgeerts et al., 2019)
 

Biokompatibilni hidrogeli z ultrazvočnim razbijanjem

V iskanju biokompatibilnih hidrogelov, ki jih je mogoče oblikovati čisto, varno in na zahtevo, tradicionalne strategije polimerizacije pogosto ne uspejo. Delo Cassa in sodelavcev predstavlja učinkovito rešitev tega problema: čisto metodo sinteze hidrogela brez iniciatorja z uporabo nizkofrekvenčnega ultrazvoka.

V svoji študiji so raziskovali sonokemično polimerizacijo različnih v vodi topnih monomerov, vendar je ena formulacija izstopala kot posebej učinkovita in robustna: 5-odstotna raztopina dekstranmetakrilata (Dex-MA) v 70-odstotnem glicerolu in vodi, polimerizirana pod ultrazvokom pri zmerni jakosti 56 W/cm². Izjemno je bilo, da je ta sistem dal popolnoma oblikovan hidrogel v samo 6,5 minutah in dosegel 72-odstotno pretvorbo monomera v polimer - najvišjo med vsemi preizkušenimi formulacijami.

Akustična kavitacija: Načelo delovanja te metode temelji na pojavu, ki je tako močan kot prehoden: akustični kavitaciji. Pod vplivom močnega ultrazvoka se v tekočem mediju tvorijo in močno razpadajo mikroskopski mehurčki, ki ustvarjajo lokalizirane vroče točke, kjer lahko temperatura za kratek čas preseže 5000 kelvinov. Ti pogoji povzročijo homolitično cepitev molekul topila, pri čemer nastanejo reaktivni radikali. Za razliko od običajne polimerizacije, ki je odvisna od zunanjih iniciatorjev ali toplote, ultrazvok zagotavlja energijo in radikale, potrebne za začetek polimerizacije - brez preseganja fiziološko pomembnih temperatur v prostoru.

Sotopilo: Izbira glicerola kot so-raztopila ni bila naključna. Poleg tega, da poveča viskoznost raztopine, kar je ključni dejavnik za povečanje intenzivnosti kavitacije, glicerol sam deluje kot radikalski ko-donor. Znano je, da njegove hidroksilne skupine proizvajajo relativno stabilne sekundarne radikale, s čimer podaljšujejo življenjsko dobo radikalov in pospešujejo širjenje verige. Poleg tega viskozno okolje, bogato z glicerolom, pomaga zadržati nastajajoče polimerne verige, zmanjšuje njihovo topnost in jih ščiti pred ultrazvočno razgradnjo, ki se lahko pojavi v bolj razredčenih vodnih sistemih.

Ultrazvočna polimerizacija: Za opis poteka polimerizacije so raziskovalci uporabili infrardečo spektroskopijo, s katero so sledili izčrpavanju vinilnih skupin na Dex-MA skozi čas. Značilna absorpcija pri 1635 cm-¹, ki kaže na dvojne vezi C=C, se je med sonikacijo hitro zmanjšala, medtem ko je esterski karbonilni odsek pri 1730 cm-¹ ostal konstanten in je služil kot notranja referenca. Ti podatki so potrdili ne le hitro pretvorbo vinila, temveč tudi visoko stopnjo zamreženja, kar dokazujejo nizka razmerja nabrekanja in trdne strukture gela.

Analiza: Skenirna elektronska mikroskopija je nadalje razkrila razvoj mikrostrukture gela. V zgodnjih fazah je imela mreža velike, odprte pore, ki pa so se z nadaljnjim soničenjem zapolnile z gostejšo sekundarno strukturo. V 15 minutah je hidrogel pokazal homogeno zamreženo morfologijo s tesno povezanimi porami - značilnost dobro oblikovanih biomedicinskih gelov.

Rezultat: V primerjavi s hidrogeli, izdelanimi s termičnimi prostoradikalnimi iniciatorji, so bile razlike presenetljive. Čeprav je bilo mogoče s termično pretvorbo doseči podobne pretvorbe, so bile nastale mreže bolj porozne, manj enakomerne in so imele višja razmerja nabrekanja - znaki ohlapnejše arhitekture zamreženja. Poleg tega je termični postopek zahteval čiščenje z dušikom, kemične dodatke in višje temperature, medtem ko je ultrazvočni pristop deloval pri temperaturi okolja le 37 °C.

Morda je najbolj zanimiv vidik tega dela ugotovitev, da se polimerizacija lahko nadaljuje tudi po prenehanju delovanja ultrazvoka. Gel se je strjeval in povečeval svojo trdnost še 30 minut po prenehanju soniciranja. To nakazuje, da lahko obstojne radikalne vrste ali vmesne strukture, nastale med sonikacijo, še naprej širijo polimerne verige brez nadaljnjega vnosa energije - obnašanje s potencialno koristnimi posledicami za uporabo in vivo.

Preberite več o prednostih ultrazvočne proizvodnje hidrogela!

Protokol: Ultrazvočna sinteza hidrogela dekstran metakrilata (Dex-MA) z uporabo sonikatorja

Za sintezo kovalentno premreženega hidrogela Dex-MA se visokointenzivni, nizkofrekvenčni ultrazvok poveže v raztopino glicerola / vode. Temperatura in gostota ultrazvočne energije sta natančno nadzorovani.
Spodaj vam podajamo navodila za ultrazvočno sintezo hidrogela na laboratorijski ravni, ki jo je mogoče linearno povečati na velike količine.

Oprema in materiali

Oprema

• Ultrazvočni procesor Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (premer konice: 2 mm; priporočljivo za majhne prostornine)
• Reakcijska posoda z plaščem (50 ml), združljiva z magnetnim mešalnikom
• Krožna vodna kopel (termostatsko nadzorovana pri 37 °C)
• Temperaturna sonda PT100 (vključena v obseg dobave UP200Ht)
• Magnetno mešalo
• Analitska tehtnica (±0,1 mg)
• Vakuumska pečica ali liofilizator

Kemikalij

• Dekstran metakrilat (Dex-MA), ~ 20% metakrilacija
• glicerol, ≥99,5 % (brezvoden)
• Deionizirana voda

Vsi reagenti morajo biti analitske učinkovitosti. Izogibajte se okoljem, bogatim s kisikom; razplinite topila, če je mogoče.

Postopek po korakih: ultrazvočna hidrogelna polimerizacija

1. Priprava polimerizacijske zmesi
   • Odtehtajte 0,75 g zdravila Dex-MA v 50 ml reakcijsko posodo z plaščem.
   • Dodamo 10,5 g glicerola in 3,75 g deionizirane vode.
   • Zmes mešamo magnetno pri sobni temperaturi (~22 °C) 5–10 minut, da se Dex-MA popolnoma raztopi. Rezultat je rahlo viskozna, homogena raztopina.
   • Vodno kopel segrejte na 37 °C in jo priključite na posodo z plaščem, da ohranite konstantno temperaturo.
2. Nastavitev Sonicatorja
   • Namestite sonotrodo S26d2 na UP200Ht in zagotovite tesno sklopko.
   • Konico sonotrode potopite v reakcijsko zmes. Izogibajte se dotikanju sten ali dna posode.
   • Temperaturno sondo postavimo v raztopino blizu sonotrode, vendar ne v neposrednem stiku. To vam omogoča uporabo integriranega nadzora temperature zvočnega zvočnika.
   • Amplitudo nastavite na 100 %.
3. ultrazvočna polimerizacija
   • Začnite mešati pri 100–200 vrtljajih na minuto, da ohranite nežno homogenizacijo.
   • Začnite ultrazvočno razbijanje pri ustrezni nastavitvi amplitude, da zagotovite ~ 56 W / cm² za 6.5 minute.
   • Ves čas vzdržujte temperaturo raztopine na 37 °C. Če se mešanica začne segrevati, povečajte pretok hladilne tekočine ali dodajte led v vodno kopel.
   • Geliranje se običajno začne v 5-6 minutah. Viskoznost se bo močno povečala.
   • Če se gelacija pojavi pred 6,5 minuto, ustavite ultrazvočno razbijanje, da se izognete pretiranemu premreženju ali degradaciji.
4. Naknadna obdelava in čiščenje
   • Gel takoj prenesemo v 200 ml deionizirane vode pod močnim mešanjem, da se izluži nereagirani monomer in glicerol.
   • Mešajte 30 minut, nato dekantirajte supernatant ali filtrirajte.
   • Pranje ponovite še 3-krat s toplo vodo (~60 °C) za boljšo difuzijo.
   • Gel sušite v vakuumu pri 60 °C 8 ur ali liofilizirajte za porozne strukture.

 
Rezultat: biokompatibilen hidrogel
Pridobiti morate prozoren, robusten hidrogel z visoko pretvorbo (~ 70–75%), odličnim navzkrižnim povezovanjem in minimalnim ostankom monomera. Hidrogel se bo uprl raztapljanju v vodi in bo po sušenju pokazal enakomerno strukturo.

 
Opombe za optimalno krmiljenje procesa

Povečanje: linearno in preprosto z ultrazvočno razbijanjem

Na področju, ki vse bolj zahteva natančnost, čistost in razširljivost, ta ultrazvočna metoda ponuja prepričljivo alternativo. Je prostorsko nadzorovan, nastavljiv v realnem času in združljiv z neprekinjeno obdelavo z uporabo sodobnih ultrazvočnih inline sistemov.
Sonikatorji podjetja Hielscher Ultrasonics zagotavljajo natančne amplitude in linearno merijo od laboratorijskega do proizvodnega obsega, zato so idealni za prenos takšnih hidrogelnih sistemov v resnične terapevtske in diagnostične aplikacije.

Projektiranje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji

Hielscher ultrazvočni aparati so znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno integracijo naših ultrazvočnih aparatov v industrijske objekte. Težke pogoje in zahtevna okolja zlahka obvladajo Hielscher ultrasonicatorji.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim aparatom z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so Hielscher ultrazvočni aparati skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov: