Polimerizimi tejzanor i hidrogeleve: Protokolli dhe shkalla e rritjes

Polimerizimi i nxitur nga ultrazëri ofron një qasje pa radikale, pa iniciatorë për sintetizimin e hidrogeleve nga monomerët dhe makromonomeret vinil të tretshëm në ujë. Kjo metodologji shfrytëzon gjenerimin sonokimik të radikalëve nëpërmjet kavitacionit dhe është ideale për aplikime biomjekësore ku duhet të shmangen mbetjet iniciatore.

Hidrogelët janë rrjete polimerësh tre-dimensionale, hidrofilë, të aftë të mbajnë sasi të konsiderueshme uji duke ruajtur integritetin strukturor - një atribut që rrjedh nga zinxhirët polimerikë të ndërlidhur. Vetitë e tyre fiziko-kimike - sjellja ndaj ënjtjes, forca mekanike dhe biokompatibiliteti - i bëjnë ato shumë tërheqëse për aplikimet biomjekësore, duke përfshirë administrimin e barnave, inxhinierinë e indeve dhe shërimin e plagëve.

Avantazhi i polimerizimit me hidrogel me ultratinguj

Tradicionalisht, sinteza e hidrogelit mbështetet në ndërlidhjen termike, fotokimike ose kimike; megjithatë, sinteza e hidrogelit tejzanor po fiton tërheqje të konsiderueshme pasi metoda e sonikimit ofron një qasje të thjeshtë pa reagjentë, të sintonizueshëm dhe më të gjelbër. Sinteza e hidrogelit tejzanor përdor kavitacionin akustik për të nxitur polimerizimin dhe ndërlidhjen fizike ose kimike pa pasur nevojë për iniciatorë të jashtëm. Veçanërisht, ultratingulli mund të lehtësojë gjithashtu shpërndarjen e nanogrimcave në vend ose të inicojë reaksione radikale në mjediset ujore, duke e bërë atë një mjet të gjithanshëm për krijimin e hidrogeleve multifunksionale ose nanokompozite në kushte të buta.

Videoklipi i mësipërm tregon sintezën tejzanor të një hidrogeli duke përdorur sonikatorin UP50H dhe një xhelator me peshë të ulët molekulare. Rezultati është një hidrogel supramolekular vetë-shërues. (Studimi dhe filmi: Rutgeerts et al., 2019)
 

Hidrogele biokompatibile me sonication

Në kërkimin e hidrogeleve biokompatibile që mund të formohen në mënyrë të pastër, të sigurt dhe sipas kërkesës, strategjitë tradicionale të polimerizimit shpesh dështojnë. Puna e Cass dhe kolegëve paraqet një zgjidhje efektive për këtë problem: një metodë e pastër, pa iniciatorë për sintezën e hidrogelit duke përdorur ultratinguj me frekuencë të ulët.

Studimi i tyre eksploron polimerizimin sonokimik të monomerëve të ndryshëm të tretshëm në ujë, por një formulë u dallua si veçanërisht efikase dhe e fuqishme: një tretësirë 5% dekstran metakrilat (Dex-MA) në 70% glicerol-ujë, e polimerizuar nën ultratinguj me një intensitet të moderuar prej 56 W/cm². Çuditërisht, ky sistem dha një hidrogel të formuar plotësisht në vetëm 6.5 minuta, duke arritur një konvertim monomer-në-polimer prej 72% - më i larti midis të gjitha formulimeve të testuara.

Kavitacioni akustik: Parimi i funksionimit të kësaj metode bazohet në një fenomen po aq të fuqishëm sa edhe kalimtar: kavitacionin akustik. Kur i nënshtrohen ultratingujve të fuqishëm, flluskat mikroskopike formohen dhe shemben me dhunë në mjedisin e lëngshëm, duke gjeneruar pika të nxehta të lokalizuara ku temperaturat mund të kalojnë shkurtimisht 5000 Kelvin. Këto kushte shkaktojnë copëtim homolitik të molekulave të tretësit, duke prodhuar një shpërthim radikalësh reaktivë. Ndryshe nga polimerizimi konvencional, i cili varet nga iniciatorët e jashtëm ose nxehtësia, ultratingujt japin si energjinë ashtu edhe radikalet e nevojshme për të filluar polimerizimin - pa tejkaluar temperaturat fiziologjikisht të rëndësishme në masë.

Bashkë-tretës: Zgjedhja e glicerolit si bashkë-tretës nuk ishte e rastësishme. Përtej rritjes së viskozitetit të tretësirës - një faktor kritik për rritjen e intensitetit të kavitacionit - vetë gliceroli vepron si një bashkë-donor radikal. Grupet e tij hidroksil dihet se prodhojnë radikale sekondare relativisht të qëndrueshme, duke rritur kështu jetëgjatësinë e radikaleve dhe duke nxitur përhapjen e zinxhirit. Përveç kësaj, mjedisi viskoz i pasur me glicerol ndihmon në bllokimin e zinxhirëve polimerë të sapolindur, duke zvogëluar tretshmërinë e tyre dhe duke i mbrojtur ato nga degradimi tejzanor, i cili mund të ndodhë në sisteme ujore më të holluara.

Polimerizimi me ultratinguj: Për të karakterizuar përparimin e polimerizimit, studiuesit përdorën spektroskopinë infra të kuqe, duke ndjekur pakësimin e grupeve vinil në Dex-MA me kalimin e kohës. Thithja karakteristike në 1635 cm⁻¹ - tregues i lidhjeve të dyfishta C=C - u zvogëlua me shpejtësi gjatë sonifikimit, ndërsa shtrirja e karbonilit të esterit në 1730 cm⁻¹ mbeti konstante, duke shërbyer si një referencë e brendshme. Këto të dhëna konfirmuan jo vetëm konvertimin e shpejtë të vinilit, por edhe një shkallë të lartë të lidhjes kryq, siç dëshmohet nga raportet e ulëta të ënjtjes dhe strukturat e forta të xhelit.

Analiza: Mikroskopia elektronike skanuese zbuloi më tej evolucionin e mikrostrukturës së xhelit. Në fazat e hershme, rrjeti paraqiste pore të mëdha e të hapura, por me sonifikim të vazhdueshëm, këto u mbushën me një strukturë sekondare më të dendur. Brenda 15 minutash, hidrogeli shfaqi një morfologji homogjene të kryqëzuar me pore të ndërlidhura fort - një shenjë dalluese e xhelave biomjekësorë të formuar mirë.

Rezultati: Kur krahasohen me hidrogelët e prodhuar me iniciatorë termikë të radikaleve të lira, ndryshimet ishin të habitshme. Edhe pse konvertime të ngjashme mund të arriheshin termikisht, rrjetet që rezultuan ishin më poroze, më pak uniforme dhe shfaqnin raporte më të larta ënjtjeje - shenja të një arkitekture më të lirshme të ndërlidhjes. Për më tepër, procesi termik kërkonte pastrim me azot, aditivë kimikë dhe temperatura më të larta, ndërsa qasja tejzanore funksiononte në temperaturë ambienti prej vetëm 37°C.

Ndoshta aspekti më intrigues i kësaj pune është vëzhgimi se polimerizimi mund të vazhdojë edhe pasi të ndërpritet ultratingulli. Xheli vazhdoi të thahej dhe të rritej në forcë gjatë një periudhe 30-minutëshe pas ndërprerjes së sonifikimit. Kjo sugjeron që speciet radikale të vazhdueshme ose strukturat e ndërmjetme të formuara gjatë sonifikimit mund të vazhdojnë të përhapin zinxhirët polimerë në mungesë të inputit të mëtejshëm të energjisë - një sjellje me implikime potencialisht të dobishme për aplikimet in vivo.

Mësoni më shumë për avantazhet e prodhimit të hidrogelit tejzanor!

Protokolli: Sinteza tejzanor e hidrogelit metakrilat dekstran (Dex-MA) duke përdorur një aparat zanor

Për të sintetizuar një hidrogel Dex-MA të lidhur në mënyrë kovalente, ekografia me intensitet të lartë dhe me frekuencë të ulët bashkohet në një zgjidhje glicerinë/ujë. Temperatura dhe dendësia e energjisë me ultratinguj kontrollohen saktësisht.
Më poshtë, ne ju japim udhëzimet për sintezën ultrasonike të hidrogelit në shkallë laboratorike, e cila mund të shkallëzohet në mënyrë lineare në sasi të mëdha.

Pajisjet dhe Materialet

Pajisjet

• Procesor tejzanor Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (diametri i majës: 2 mm; rekomandohet për vëllime në shkallë të vogël)
• Enë reaksioni me xhaketë (50 mL), e pajtueshme me përzierës magnetik
• Banjë uji qarkullues (i kontrolluar në mënyrë termostatike në 37°C)
• Sonda e temperaturës PT100 (përfshirë në objektin e dorëzimit të UP200Ht)
• Përzierëse magnetike
• Bilanci analitik (±0,1 mg)
• Furrë me vakum ose liofilizer

kimikatet

• Metakrilat dekstran (Dex-MA), ~20% metakrilim
• Glicerinë, ≥99,5% (anhidër)
• Ujë i dejonizuar

Të gjithë reagentët duhet të jenë të shkallës analitike. Shmangni mjediset e pasura me oksigjen; degazojini tretësit nëse është e mundur.

Procedura hap pas hapi: Polimerizimi me hidrogel me ultratinguj

1. Përgatitja e përzierjes së polimerizimit
   • Peshoni 0,75 g Dex-MA në një enë reagimi të veshur me xhaketë 50 mL.
   • Shtoni 10,5 g glicerinë dhe 3,75 g ujë të deionizuar.
   • Përziejeni përzierjen në mënyrë magnetike në temperaturën e dhomës (~22 °C) për 5–10 minuta për të tretur plotësisht Dex-MA. Duhet të rezultojë një zgjidhje pak viskoze, homogjene.
   • Ngrohni paraprakisht banjën me ujë në 37 °C dhe lidheni me enën me xhaketë për të mbajtur temperaturën konstante.
2. Vendosja e Sonicator
   • Montoni sonotrode S26d2 në UP200Ht dhe siguroni një bashkim të ngushtë.
   • Zhyt majën e sonotrodës në përzierjen e reaksionit. Shmangni prekjen e mureve ose të poshtme të anijes.
   • Vendoseni sondën e temperaturës në tretësirë afër sonotrodës, por jo në kontakt të drejtpërdrejtë. Kjo ju lejon të përdorni kontrollin e integruar të temperaturës së sonikatorit.
   • Vendosni amplituda në 100%.
3. polimerizimi me ultratinguj
   • Filloni të përzieni me 100–200 rpm për të ruajtur homogjenizimin e butë.
   • Filloni sonikacionin në cilësimin e duhur të amplitudës për të dhënë ~56 W/cm² për 6,5 minuta.
   • Mbajeni temperaturën e tretësirës në 37°C gjatë gjithë kohës. Nëse përzierja fillon të nxehet, rrisni rrjedhën e ftohësit ose shtoni akull në banjën me ujë.
   • Xhelimi zakonisht fillon brenda 5-6 minutave. Viskoziteti do të rritet ndjeshëm.
   • Nëse xhelatimi ndodh para 6,5 minutash, ndaloni sonikacionin për të shmangur ndërlidhjen ose degradimin e tepërt.
4. Pas-përpunimi dhe pastrimi
   • Transferoni menjëherë xhelin në 200 mL ujë të dejonizuar nën nxitje të fuqishme për të nxjerrë jashtë monomerin dhe glicerinën e pa reaguar.
   • Përziejeni për 30 minuta, më pas dekantoni supernatantin ose filtroni.
   • Përsëriteni larjen 3 herë të tjera duke përdorur ujë të ngrohtë (~60 °C) për difuzion të përmirësuar.
   • Thajeni xhelin nën vakum në 60°C për 8 orë, ose liofilizoni për struktura poroze.

 
Rezultati: Një hidroxhel biokompatibël
Ju duhet të merrni një hidrogel transparent, të fortë me konvertim të lartë (~70-75%), lidhje të shkëlqyera të kryqëzuara dhe monomer minimal të mbetur. Hidrogeli do t'i rezistojë tretjes në ujë dhe do të shfaqë një strukturë uniforme pas tharjes.

 
Shënime për kontrollin optimal të procesit

Scale-Up: Linear dhe i thjeshtë me sonication

Në një fushë që kërkon gjithnjë e më shumë saktësi, pastërti dhe shkallëzim, kjo metodë tejzanor ofron një alternativë bindëse. Është i kontrollueshëm hapësinor, i sintonizueshëm në kohë reale dhe i pajtueshëm me përpunimin e vazhdueshëm duke përdorur sisteme moderne inline ultrasonike.
Sonicatorët nga Hielscher Ultrasonics ofrojnë amplituda dhe shkallë të sakta në mënyrë lineare nga laboratori në shkallën e prodhimit - duke i bërë ato ideale për përkthimin e sistemeve të tilla hidrogeli në aplikime terapeutike dhe diagnostikuese në botën reale.

Dizajn, Prodhim dhe Konsulencë – Cilësi e prodhuar në Gjermani

Ultrasonikët Hielscher janë të njohur për cilësinë e tyre më të lartë dhe standardet e dizajnit. Qëndrueshmëria dhe funksionimi i lehtë lejojnë integrimin e qetë të ultrasonikëve tanë në objektet industriale. Kushtet e vështira dhe mjediset kërkuese trajtohen lehtësisht nga ultrasonikët Hielscher.

Hielscher Ultrasonics është një kompani e certifikuar ISO dhe i kushton theks të veçantë ultratingujve me performancë të lartë që paraqesin teknologjinë më të fundit dhe lehtësinë ndaj përdorimit. Sigurisht, ultrasonikët Hielscher janë në përputhje me CE dhe plotësojnë kërkesat e UL, CSA dhe RoHs.

Tabela e mëposhtme ju jep një tregues të kapacitetit të përafërt të përpunimit të ultrasonikëve tanë: