Ултразвучна полимеризација хидрогелова: протокол и повећање

Полимеризација изазвана ултразвуком нуди приступ без радикала, без иницијатора за синтезу хидрогелова из водорастворних винил мономера и макромономера. Ова методологија користи сонохемијско стварање радикала путем кавитације и идеално је погодна за биомедицинске примене где се морају избегавати остаци иницијатора.

Hidrogelovi su trodimenzionalne, hidrofilne polimerne mreže sposobne da zadrže značajne količine vode uz održavanje strukturnog integriteta – atribut koji proizilazi iz umreženih polimernih lanaca. Njihova fizičko-hemijska svojstva – ponašanje otoka, mehanička čvrstoća i biokompatibilnost – čine ih veoma atraktivnim za biomedicinske primene, uključujući isporuku lekova, inženjering tkiva i zarastanje rana.

Предност ултразвучне хидрогел полимеризације

Традиционално, синтеза хидрогела се ослања на термичко, фотохемијско или хемијско умрежавање; међутим, ултразвучна синтеза хидрогела добија значајну вучу јер метода соникације нуди једноставан, подесив и еколошки приступ без реагенса. Ултразвучна синтеза хидрогела користи акустичну кавитацију за промовисање полимеризације и физичког или хемијског умрежавања без потребе за спољним иницијаторима. Посебно, ултразвучна обрада такође може олакшати ин ситу дисперзију наночестица или покренути радикалне реакције у воденим медијима, што га чини разноврсним алатом за прављење мултифункционалних или нанокомпозитних хидрогелова у благим условима.

Горњи видео снимак показује ултразвучну синтезу хидрогела користећи соникатор УП50Х и гелатор ниске молекуларне тежине. Резултат је супрамолекуларни хидрогел који се самоизлечи. (Студија и филм: Рутгеертс ет ал., 2019)
 

Биокомпатибилни хидрогелови са соникацијом

У потрази за биокомпатибилним хидрогеловима који се могу формирати чисто, безбедно и на захтев, традиционалне стратегије полимеризације често не успевају. Рад Цасс-а и његових колега представља ефикасно решење за овај проблем: чисту методу без иницијатора за синтезу хидрогела коришћењем ултразвука ниске фреквенције.

Njihova studija istražuje sonohemijsku polimerizaciju različitih monomera rastvorljivih u vodi, ali jedna formulacija se izdvojila kao posebno efikasna i robusna: 5% dekstran metakrilat (Dek-MA) rastvor u 70% glicerol-vodi, polimerizovan pod ultrazvukom na umerenom intenzitetu od 56 V / cm². Izvanredno, ovaj sistem je dao potpuno formirani hidrogel za samo 6,5 minuta, postižući konverziju monomera u polimer od 72% – najvišu među svim testiranim formulacijama.

Акустична кавитација: Princip rada ove metode zasniva se na fenomenu koji je moćan kao što je prolazan: akustična kavitacija. Kada su podvrgnuti ultrazvuku, mikroskopski mehurići se formiraju i nasilno kolabiraju u tečnom medijumu, stvarajući lokalizovane žarišta gde temperature mogu nakratko premašiti 5000 Kelvina. Ovi uslovi izazivaju homolitičko cepanje molekula rastvarača, stvarajući eksploziju reaktivnih radikala. Za razliku od konvencionalne polimerizacije, koja zavisi od spoljnih inicijatora ili toplote, ultrazvuk isporučuje i energiju i radikale potrebne za pokretanje polimerizacije – bez prekoračenja fiziološki relevantnih temperatura.

Ко-растварач: Izbor glicerola kao ko-rastvarača nije bio slučajan. Pored povećanja viskoznosti rastvora – kritičnog faktora za povećanje intenziteta kavitacije – sam glicerol deluje kao radikalni ko-donator. Poznato je da njegove hidroksilne grupe proizvode relativno stabilne sekundarne radikale, čime se povećava životni vek radikala i promoviše širenje lanca. Pored toga, viskozno okruženje bogato glicerolom pomaže u hvatanju polimernih lanaca u nastajanju, smanjujući njihovu rastvorljivost i štiteći ih od ultrazvučne degradacije, koja se može javiti u razblaženijim vodenim sistemima.

Ултразвучна полимеризација: Da bi okarakterisali progresiju polimerizacije, istraživači su koristili infracrvenu spektroskopiju, prateći iscrpljivanje vinilnih grupa na Dek-MA tokom vremena. Karakteristična apsorpcija na 1635 cm⁻¹ – indikativno za C = C dvostruke veze – brzo se smanjila tokom sonikacije, dok je ester karbonil istezanje na 1730 cm⁻¹ ostao konstantan, služeći kao interna referenca. Ovi podaci potvrdili su ne samo brzu konverziju vinila, već i visok stepen umrežavanja, o čemu svedoče niski odnosi otoka i robusne gel strukture.

Анализа: Skenirajuća elektronska mikroskopija dodatno je otkrila evoluciju mikrostrukture gela. U ranim fazama, mreža je imala velike, otvorene pore, ali sa kontinuiranom ultrazvučnom obradom, oni su ispunjeni gušćom sekundarnom strukturom. Do 15 minuta, hidrogel je pokazao homogeno umreženu morfologiju sa čvrsto međusobno povezanim porama - obeležje dobro formiranih biomedicinskih gelova.

резултат: U poređenju sa hidrogelovima proizvedenim sa termalnim inicijatorima slobodnih radikala, razlike su bile upečatljive. Iako se slične konverzije mogu postići termički, dobijene mreže su bile poroznije, manje uniformne i pokazale su veće ostvarivanje otoka - znakove labavije umrežavanja arhitekture. Štaviše, termički proces je zahtevao azotno pročišćavanje, hemijske aditive i više temperature, dok je ultrazvučni pristup funkcionisao na temperaturi okoline od samo 37 ° C.

Možda najintrigantniji aspekt ovog rada je zapažanje da polimerizacija može da se nastavi i nakon što je ultrazvuk zaustavljen. Gel je nastavio da leči i povećava snagu tokom perioda od 30 minuta nakon prestanka ultrazvuka. Ovo sugeriše da uporne radikalne vrste ili intermedijarne strukture formirane tokom sonikacije mogu nastaviti da propagiraju polimerne lance u odsustvu daljeg unosa energije – ponašanje sa potencijalno korisnim implikacijama za in vivo aplikacije.

Сазнајте више о предностима производње ултразвучног хидрогела!

Протокол: Ултразвучна синтеза декстран метакрилата (Дек-МА) хидрогела помоћу соникатора

Da bi se sintetizovao kovalentno umreženi Dek-MA hidrogel, ultrazvuk visokog intenziteta, niske frekvencije je spojen u rastvor glicerol / vode. Temperatura i gustina ultrazvučne energije su precizno kontrolisani.
У наставку вам дајемо упутства за ултразвучну синтезу хидрогела у лабораторијској скали, која се може линеарно повећати на велике количине.

Опрема и материјали

Опрема

• Ултразвучни процесор Хиелсцхер УП200Хт (200 В, 26 кХз)
• Сонотроде С26д2 (пречник врха: 2 мм; препоручује се за мале запремине)
• Реакциони суд са омотачем (50 мЛ), компатибилан са магнетном мешалицом
• Циркулационо водено купатило (термостатски контролисано на 37°Ц)
• Температурна сонда ПТ100 (укључена у обим испоруке УП200Хт)
• Магнетна мешалица
• Аналитичка вага (±0,1 мг)
• Вакумска пећница или лиофилизатор

хемикалије

• Декстран метакрилат (Дек-МА), ~20% метакрилат
• Глицерол, ≥99,5% (безводни)
• Дејонизована вода

Сви реагенси треба да буду аналитичке чистоће. Избегавајте окружења богата кисеоником; дегас растварачи ако је могуће.

Процедура корак по корак: Ултразвучна хидрогел полимеризација

1. Припрема смеше за полимеризацију
   • Одмерити 0,75 г Дек-МА у реакциону посуду од 50 мЛ са омотачем.
   • Додати 10,5 г глицерола и 3,75 г дејонизоване воде.
   • Мешајте смешу магнетно на собној температури (~22 °Ц) 5-10 минута да би се Дек-МА потпуно растворио. Требало би да добијете благо вискозни, хомогени раствор.
   • Загрејте водено купатило на 37 °Ц и повежите га са посудом са омотачем да бисте одржали константну температуру.
2. Подешавање Соницатор-а
   • Монтирајте С26д2 сонотроду на УП200Хт и обезбедите чврсто спајање.
   • Уроните врх сонотроде у реакциону смешу. Избегавајте додиривање зидова или дна посуде.
   • Поставите температурну сонду у раствор близу сонотроде, али не у директном контакту. Ово вам омогућава да користите интегрисану контролу температуре соникатора.
   • Подесите амплитуду на 100%.
3. ултразвучна полимеризација
   • Почните да мешате на 100–200 обртаја у минути да бисте одржали нежну хомогенизацију.
   • Започните соникацију са одговарајућом поставком амплитуде да бисте испоручили ~56 В/цм² током 6,5 минута.
   • Одржавајте температуру раствора на 37°Ц све време. Ако смеша почне да се загрева, повећајте проток расхладне течности или додајте лед у водено купатило.
   • Гелирање обично почиње у року од 5-6 минута. Вискозитет ће се нагло повећати.
   • Ако дође до гелирања пре 6,5 минута, зауставите соникацију да бисте избегли прекомерно умрежавање или деградацију.
4. Накнадна обрада и пречишћавање
   • Гел одмах пренети у 200 мЛ дејонизоване воде уз снажно мешање да се излуже неизреаговани мономер и глицерол.
   • Мешајте 30 минута, а затим декантирајте супернатант или филтрирајте.
   • Поновите прање 3 додатна пута користећи топлу воду (~60 °Ц) за бољу дифузију.
   • Осушите гел под вакуумом на 60°Ц током 8 сати, или лиофилизујте за порозне структуре.

 
Резултат: Биокомпатибилни хидрогел
Требало би да добијете провидан, робустан хидрогел са високом конверзијом (~70–75%), одличним умрежавањем и минималним резидуалним мономером. Хидрогел ће се одупрети растварању у води и показати уједначену структуру након сушења.

 
Напомене за оптималну контролу процеса

Повећање: линеарно и једноставно са соникацијом

У пољу које све више захтева прецизност, чистоћу и скалабилност, овај ултразвучни метод нуди убедљиву алтернативу. Просторно је контролисан, подесив у реалном времену и компатибилан са континуираном обрадом користећи модерне ултразвучне инлине системе.
Sonicators bi Hielscher Ultrasonics isporučuju tačne amplitude i skalu linearno od laboratorije do proizvodne skale - što ih čini idealnim za prevođenje takvih hidrogelnih sistema u stvarne terapeutske i dijagnostičke aplikacije.

Дизајн, производња и консалтинг – Квалитет Маде ин Германи

Хиелсцхер ултрасоникатори су познати по свом највишем квалитету и стандардима дизајна. Робусност и једноставан рад омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних апарата у индустријске објекте. Хиелсцхер ултрасоникатори се лако носе са тешким условима и захтевним окружењима.

Хиелсцхер Ултрасоницс је ИСО сертификована компанија и ставља посебан нагласак на ултрасоникаторе високих перформанси са најсавременијом технологијом и једноставношћу за коришћење. Наравно, Хиелсцхер ултрасоникатори су усаглашени са ЦЕ и испуњавају захтеве УЛ, ЦСА и РоХ.

Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата: