Polimerizimi i hidrogeleve me ultratinguj: protokolli dhe kalimi në shkallë më të madhe

Polimerizimi i nxitur nga ultratingujt ofron një qasje pa radikale dhe pa iniciatorë për sintetizimin e hidrogeleve nga monomerë vinilikë dhe makromonomerë të tretshëm në ujë. Kjo metodologji shfrytëzon gjenerimin sonokimik të radikaleve përmes kavitacionit dhe është e përshtatshme në mënyrë ideale për aplikime biomjekësore ku duhen shmangur mbetjet e iniciatorëve.

Hidrogelet janë rrjete polimerike tridimensionale, hidrofile, të afta të mbajnë sasi të konsiderueshme uji duke ruajtur integritetin strukturor – një veti që rrjedh nga zinxhirët polimerikë të lidhur në mënyrë tërthore. Vetitë e tyre fizikokimike – sjellja gjatë fryrjes, rezistenca mekanike dhe biopërputhshmëria – i bëjnë shumë tërheqëse për aplikime biomjekësore, përfshirë shpërndarjen e barnave, inxhinierinë e indeve dhe shërimin e plagëve.

Përparësia e polimerizimit të hidrogeleve me ultratinguj

Tradicionalisht, sinteza e hidrogeleve mbështetet në lidhjen tërthore termike, fotokimike ose kimike; megjithatë, sinteza e hidrogeleve me ultratinguj po përhapet ndjeshëm, pasi metoda e sonikimit ofron një qasje të thjeshtë, pa reagentë, të rregullueshme dhe më ekologjike. Sinteza e hidrogeleve me ultratinguj përdor kavitacionin akustik për të nxitur polimerizimin dhe lidhjen tërthore fizike ose kimike pa pasur nevojë për iniciatorë të jashtëm. Vlen të theksohet se trajtimi me ultratinguj mund të lehtësojë edhe dispergimin in situ të nanogrimcave ose të nisë reaksione radikalore në mjedise ujore, duke e bërë atë një mjet të gjithanshëm për krijimin e hidrogeleve shumëfunksionale ose nanokompozite në kushte të buta.

Videoklipi i mësipërm demonstron sintezën e një hidrogeli me ultratinguj duke përdorur sonikatorin UP50H dhe një agjent xhelifikues me masë molekulare të ulët. Rezultati është një hidrogel supramolekular vetëriparues. (Studimi dhe videoja: Rutgeerts et al., 2019)
 

Hidrogele biokompatibile me sonikim

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

Studimi i tyre shqyrton polimerizimin sonokimik të monomerëve të ndryshëm të tretshëm në ujë, por një formulim u dallua si veçanërisht efikas dhe i qëndrueshëm: një tretësirë 5% e metakrilatit të dekstranit (Dex-MA) në përzierje glicerol–ujë me 70% glicerol, e polimerizuar nën veprimin e ultratingujve me një intensitet të moderuar prej 56 W/cm². Në mënyrë të jashtëzakonshme, ky sistem prodhoi një hidrogel plotësisht të formuar në vetëm 6,5 minuta, duke arritur një shndërrim të monomerit në polimer prej 72% – më i larti ndër të gjitha formulimet e testuara.

Kavitacioni akustik: Parimi i funksionimit të kësaj metode bazohet në një dukuri sa të fuqishme, aq edhe kalimtare: kavitacionin akustik. Nën veprimin e ultratingujve me fuqi të lartë, në mjedisin e lëngshëm formohen dhe shemben vrullshëm flluska mikroskopike, duke krijuar zona të lokalizuara të nxehta ku temperaturat mund të tejkalojnë për pak kohë 5000 kelvin. Këto kushte nxisin çarjen homolitike të molekulave të tretësit, duke prodhuar një shpërthim radikalesh reaktive. Ndryshe nga polimerizimi konvencional, i cili varet nga iniciatorë të jashtëm ose nga nxehtësia, ultratingujt sigurojnë si energjinë, ashtu edhe radikalet e nevojshme për të nisur polimerizimin – pa tejkaluar temperaturat e masës së përgjithshme që janë të përshtatshme nga pikëpamja fiziologjike.

Bashkëtretësi: Zgjedhja e glicerolit si bashkëtretës nuk ishte rastësore. Përveç rritjes së viskozitetit të tretësirës – një faktor kritik për rritjen e intensitetit të kavitacionit – vetë gliceroli vepron si bashkëdhurues radikalesh. Grupet e tij hidroksile dihet se prodhojnë radikale dytësore relativisht të qëndrueshme, duke rritur kështu jetëgjatësinë e radikaleve dhe duke nxitur rritjen e zinxhirëve. Gjithashtu, mjedisi viskoz i pasur me glicerol ndihmon në kapjen e zinxhirëve polimerikë që sapo formohen, duke ulur tretshmërinë e tyre dhe duke i mbrojtur nga degradimi tejzanor, i cili mund të ndodhë në sisteme ujore më të holluara.

Polimerizimi tejzanor: Për të karakterizuar ecurinë e polimerizimit, studiuesit përdorën spektroskopinë infra të kuqe, duke ndjekur pakësimin e grupeve vinilike në Dex-MA me kalimin e kohës. Përthithja karakteristike në 1635 cm⁻¹ – treguese e lidhjeve dyfishe C=C – u zvogëlua shpejt gjatë sonikimit, ndërsa vibrimi i zgjatjes së grupit karbonil të esterit në 1730 cm⁻¹ mbeti konstant, duke shërbyer si referencë e brendshme. Këto të dhëna konfirmuan jo vetëm shndërrimin e shpejtë të grupeve vinilike, por edhe një shkallë të lartë të ndërlidhjes, siç dëshmohet nga raportet e ulëta të fryrjes dhe strukturat e forta të xhelit.

Analiza: Mikroskopia elektronike me skanim zbuloi më tej evolucionin e mikrostrukturës së xhelit. Në fazat e hershme, rrjeti kishte pore të mëdha dhe të hapura, por me vazhdimin e sonikimit, ato u mbushën me një strukturë dytësore më të dendur. Në minutën e 15-të, hidroxheli shfaqte një morfologji me ndërlidhje homogjene dhe pore të lidhura ngushtë me njëra-tjetrën – një tipar karakteristik i xheleve biomjekësore të formuara mirë.

Rezultati: Në krahasim me hidroxhelet e prodhuara me iniciues termikë të radikaleve të lira, dallimet ishin të dukshme. Megjithëse shndërrime të ngjashme mund të arriheshin termikisht, rrjetet e përftuara ishin më poroze, më pak uniforme dhe shfaqnin raporte më të larta të fryrjes – shenja të një arkitekture me ndërlidhje më të lirshme. Për më tepër, procesi termik kërkonte pastrim me rrjedhje azoti, aditivë kimikë dhe temperatura më të larta, ndërsa metoda 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 ndalet ultratingulli. Xheli vazhdoi të ngurtësohej dhe të fitonte qëndrueshmëri mekanike gjatë një periudhe 30-minutëshe pas ndërprerjes së sonikimit. Kjo sugjeron se speciet radikalore jetëgjata ose strukturat e ndërmjetme të formuara gjatë sonikimit mund të vazhdojnë rritjen e zinxhirëve polimerikë pa furnizim të mëtejshëm me energji – një sjellje me pasoja potencialisht të dobishme për aplikimet in vivo.

Mësoni më shumë për avantazhet e prodhimit tejzanor të hidroxheleve!

Protokolli: Sinteza tejzanore e hidroxhelit të metakrilatit të dekstranit (Dex-MA) duke përdorur një sonikator

Për të sintetizuar një hidroxhel Dex-MA me ndërlidhje kovalente, ultratingulli me intensitet të lartë dhe frekuencë të ulët transmetohet në një tretësirë gliceroli/uji. Temperatura dhe dendësia e energjisë tejzanore kontrollohen me saktësi.
Më poshtë ju japim udhëzimet për sintezën tejzanore të hidroxheleve në shkallë laboratorike, e cila mund të zmadhohet në mënyrë lineare për sasi të mëdha.

Pajisjet dhe materialet

Pajisjet

• Procesori tejzanor Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• Sonotroda S26d2 (diametri i majës: 2 mm; rekomandohet për vëllime në shkallë të vogël)
• Enë reaksioni me këmishë (50 mL), e përshtatshme për përdorim me përzierës magnetik
• Banjë uji me qarkullim (e kontrolluar me termostat në 37°C)
• Sondë temperature PT100 (e përfshirë në pajisjet që dorëzohen me UP200Ht)
• Përzierës magnetik
• Peshore analitike (±0,1 mg)
• Furrë me vakum ose liofilizues

Kimikatet

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

Të gjithë reagentët duhet të jenë të pastërtisë analitike. Shmangni mjediset e pasura me oksigjen; largoni gazrat nga tretësit nëse është e mundur.

Procedura hap pas hapi: Polimerizimi tejzanor i hidroxheleve

1. Përgatitja e përzierjes së polimerizimit
   • Peshoni 0,75 g Dex-MA në një enë reaksioni me këmishë me vëllim 50 mL.
   • Shtoni 10,5 g glicerol dhe 3,75 g ujë të dejonizuar.
   • Përziejeni përzierjen me përzierës magnetik në temperaturën e dhomës (~22 °C) për 5–10 minuta për ta tretur plotësisht Dex-MA. Duhet të përftohet një tretësirë homogjene, pak viskoze.
   • Ngroheni paraprakisht banjën ujore në 37 °C dhe lidheni me enën me këmishë për të ruajtur një temperaturë konstante.
2. Konfigurimi i sonikatorit
   • Montojeni sonotrodën S26d2 në UP200Ht dhe sigurohuni që lidhja të jetë e shtrënguar.
   • Zhyteni majën e sonotrodës në përzierjen e reaksionit. Shmangni prekjen e mureve ose të fundit të enës.
   • Vendoseni sondën e temperaturës në tretësirë pranë sonotrodës, por pa kontakt të drejtpërdrejtë me të. Kjo ju lejon të përdorni kontrollin e integruar të temperaturës të sonikatorit.
   • Vendoseni amplitudën në 100%.
3. Polimerizimi me ultratinguj
   • Filloni përzierjen në 100–200 rpm për të ruajtur homogjenizimin e butë.
   • Filloni sonikimin me cilësimin e përshtatshëm të amplitudës për të dhënë ~56 W/cm² për 6,5 minuta.
   • Mbajeni temperaturën e tretësirës në 37°C gjatë gjithë procesit. Nëse përzierja fillon të nxehet, rritni rrjedhën e lëngut ftohës ose shtoni akull në banjën ujore.
   • Xhelifikimi zakonisht fillon brenda 5–6 minutash. Viskoziteti do të rritet ndjeshëm.
   • Nëse xhelifikimi ndodh para 6,5 min, ndaloni sonikimin për të shmangur lidhjen e tepërt tërthore ose degradimin.
4. Paspërpunimi dhe pastrimi
   • Transferojeni menjëherë xhelin në 200 mL ujë të dejonizuar, duke e përzier fuqishëm, për të nxjerrë monomerin e pareaguar dhe glicerolin.
   • Përziejeni për 30 minuta, pastaj dekantoni lëngun mbinatant ose filtrojeni.
   • Përsëriteni larjen edhe 3 herë duke përdorur ujë të ngrohtë (~60 °C) për të përmirësuar difuzionin.
   • Thajeni xhelin nën vakum në 60°C për 8 orë, ose liofilizojeni për të përftuar struktura poroze.

 
Rezultati: Një hidrogel biokompatibël
Duhet të përftoni një hidrogel transparent e të qëndrueshëm, me shkallë të lartë shndërrimi (~70–75%), lidhje të shkëlqyer tërthore dhe sasi minimale monomeri 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

Rritja e shkallës së prodhimit: Lineare dhe e thjeshtë me sonikim

Në një fushë që kërkon gjithnjë e më shumë saktësi, pastërti dhe mundësi rritjeje të shkallës së prodhimit, kjo metodë me ultratinguj ofron një alternativë bindëse. Ajo mund të kontrollohet në hapësirë, të rregullohet në kohë reale dhe është e pajtueshme me përpunimin e vazhdueshëm duke përdorur sisteme moderne me ultratinguj në linjë.
Sonikatorët e Hielscher Ultrasonics japin amplituda të sakta dhe mundësojnë rritjen lineare nga shkalla laboratorike në atë të prodhimit – duke i bërë idealë për zbatimin e sistemeve të tilla të hidrogeleve në aplikime praktike terapeutike dhe diagnostikuese.

Projektim, prodhim dhe konsulencë – Cilësi e prodhuar në Gjermani

Ultrasonikatorët Hielscher njihen për standardet e tyre më të larta të cilësisë dhe projektimit. Qëndrueshmëria dhe përdorimi i lehtë mundësojnë integrimin pa vështirësi të ultrasonikatorëve tanë në impiantet industriale. Ultrasonikatorët Hielscher përballojnë lehtësisht kushte të vështira dhe mjedise kërkuese.

Hielscher Ultrasonics është një kompani e certifikuar sipas ISO dhe i kushton rëndësi të veçantë ultrasonikatorëve me performancë të lartë, që ofrojnë teknologji të fjalës së fundit dhe lehtësi përdorimi. Sigurisht, ultrasonikatorët Hielscher janë në përputhje me CE dhe përmbushin kërkesat e UL, CSA dhe RoHs.

Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të ultrasonikatorëve tanë: