Ултразвучна полимеризација хидрогелова: протокол и повећање размера производње

Полимеризација изазвана ултразвуком нуди приступ синтези хидрогелова из винилних мономера и макромономера растворљивих у води, без радикала и без иницијатора. Ова метода користи сонохемијско стварање радикала путем кавитације и идеално је погодна за биомедицинске примене у којима се морају избећи остаци иницијатора.

Хидрогелови су тродимензионалне, хидрофилне полимерне мреже које могу да задрже знатне количине воде уз очување структурног интегритета – својство које произлази из умрежених полимерних ланаца. Њихова физичко-хемијска својства – понашање при бубрењу, механичка чврстоћа и биокомпатибилност – чине их веома привлачним за биомедицинске примене, укључујући испоруку лекова, инжењерство ткива и зарастање рана.

Предност ултразвучне полимеризације хидрогелова

Традиционално, синтеза хидрогелова ослања се на термичко, фотохемијско или хемијско умрежавање; међутим, ултразвучна синтеза хидрогелова све више добија на значају јер метода соникације нуди једноставан, подесив и еколошки прихватљивији приступ без реагенаса. Ултразвучна синтеза хидрогелова користи акустичну кавитацију за подстицање полимеризације и физичког или хемијског умрежавања без потребе за спољним иницијаторима. Посебно је значајно да ултразвучна обрада може и да олакша дисперговање наночестица in situ или да покрене радикалске реакције у воденим срединама, што је чини свестраним алатом за израду мултифункционалних или нанокомпозитних хидрогелова у благим условима.

Видео-снимак изнад приказује ултразвучну синтезу хидрогела помоћу соникатора UP50H и гелатора мале молекулске масе. Резултат је самообнављајући супрамолекулски хидрогел. (Студија и видео-снимак: Rutgeerts et al., 2019)
 

Биокомпатибилни хидрогелови добијени соникацијом

У настојању да се добију биокомпатибилни хидрогелови који се могу формирати чисто, безбедно и по потреби, традиционалне стратегије полимеризације често не дају задовољавајуће резултате. Рад Каса и сарадника представља ефикасно решење овог проблема: чисту методу синтезе хидрогелова без иницијатора, уз употребу нискофреквентног ултразвука.

Њихова студија истражује сонохемијску полимеризацију различитих мономера растворљивих у води, али се једна формулација издвојила као нарочито ефикасна и поуздана: 5% раствор декстран-метакрилата (Dex-MA) у смеши глицерола и воде са 70% глицерола, полимеризован под дејством ултразвука при умереном интензитету од 56 W/cm². Изузетно је то што је овај систем дао потпуно формиран хидрогел за само 6,5 минута, уз конверзију мономера у полимер од 72% – највишу међу свим испитаним формулацијама.

Акустична кавитација: Принцип рада ове методе заснива се на појави која је подједнако снажна колико и краткотрајна: акустичној кавитацији. Под дејством ултразвука велике снаге, у течној средини настају микроскопски мехурићи који се затим насилно урушавају, стварајући локализоване вруће тачке у којима температуре могу накратко премашити 5000 келвина. Ови услови изазивају хомолитичко цепање молекула растварача, при чему нагло настају реактивни радикали. За разлику од конвенционалне полимеризације, која зависи од спољних иницијатора или топлоте, ултразвук обезбеђује и енергију и радикале потребне за покретање полимеризације – без прекорачења физиолошки релевантних температура у укупној запремини средине.

Корастварач: Избор глицерола као корастварача није био случајан. Поред тога што повећава вискозност раствора – што је кључни фактор за повећање интензитета кавитације – сам глицерол делује и као додатни донор радикала. Познато је да његове хидроксилне групе стварају релативно стабилне секундарне радикале, чиме продужавају животни век радикала и подстичу раст ланаца. Поред тога, вискозна средина богата глицеролом помаже у заробљавању новонасталих полимерних ланаца, смањујући њихову растворљивост и штитећи их од ултразвучне разградње, до које може доћи у разблаженијим воденим системима.

Ултразвучна полимеризација: Да би окарактерисали напредовање полимеризације, истраживачи су користили инфрацрвену спектроскопију, пратећи смањење броја винилних група на Dex-MA током времена. Карактеристична апсорпција на 1635 cm⁻¹ – која указује на двоструке везе C=C – брзо се смањивала током соникације, док је апсорпција услед валентних вибрација естарске карбонилне групе на 1730 cm⁻¹ остала константна и служила као унутрашња референца. Ови подаци потврдили су не само брзу конверзију винилних група већ и висок степен умрежавања, о чему сведоче ниски степени бубрења и чврсте структуре гела.

Анализа: Скенирајућа електронска микроскопија додатно је открила развој микроструктуре гела. У раним фазама мрежа је имала велике, отворене поре, али су се оне током даље соникације испуњавале гушћом секундарном структуром. До 15. минута хидрогел је показивао хомогено умрежену морфологију са тесно међусобно повезаним порама – обележје добро формираних биомедицинских гелова.

Резултат: У поређењу са хидрогеловима произведеним помоћу термичких слободнорадикалских иницијатора, разлике су биле упадљиве. Иако су се сличне конверзије могле постићи термичким путем, добијене мреже биле су порозније, мање уједначене и показивале су веће степене бубрења – знаке растреситије структуре умрежавања. Поред тога, термички процес захтевао је продувавање азотом, хемијске додатке и више температуре, док се ултразвучни поступак одвијао на температури околине од свега 37°C.

Можда је најзанимљивији аспект овог рада запажање да се полимеризација може наставити чак и након престанка деловања ултразвука. Гел је наставио да очвршћава и повећава чврстоћу током периода од 30 минута након престанка соникације. То указује на то да дугоживеће радикалске врсте или међуструктуре настале током соникације могу наставити да подстичу раст полимерних ланаца без даљег уноса енергије – понашање које може имати корисне импликације за примене ин виво.

Сазнајте више о предностима ултразвучне производње хидрогелова!

Протокол: Ултразвучна синтеза хидрогела декстран метакрилата (Dex-MA) помоћу соникатора

За синтезу ковалентно умреженог хидрогела Dex-MA, ултразвук високог интензитета и ниске фреквенције уводи се у раствор глицерола и воде. Температура и густина ултразвучне енергије прецизно се контролишу.
У наставку дајемо упутства за ултразвучну синтезу хидрогелова у лабораторијским размерама, која се може линеарно пренети на производњу великих количина.

Опрема и материјали

Опрема

• Ултразвучни процесор Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• Сонотрода S26d2 (пречник врха: 2 mm; препоручује се за мале запремине)
• Реакциона посуда са плаштом (50 mL), погодна за употребу са магнетном мешалицом
• Циркулационо водено купатило (термостатски регулисано на 37°C)
• Температурна сонда PT100 (укључена у обим испоруке уређаја UP200Ht)
• Магнетна мешалица
• Аналитичка вага (±0,1 mg)
• Вакуумска сушница или лиофилизатор

Хемикалије

• Декстран метакрилат (Dex-MA), ~20% метакрилације
• Глицерол, ≥99,5% (безводни)
• Дејонизована вода

Сви реагенси треба да буду аналитичког степена чистоће. Избегавајте средине богате кисеоником; дегазирајте раствараче ако је могуће.

Поступак корак по корак: Ултразвучна полимеризација хидрогелова

1. Припрема смеше за полимеризацију
   • Одмерите 0,75 g Dex-MA у реакционој посуди са плаштом запремине 50 mL.
   • Додајте 10,5 g глицерола и 3,75 g дејонизоване воде.
   • Мешајте смешу магнетном мешалицом на собној температури (~22 °C) током 5–10 минута да би се Dex-MA потпуно растворио. Требало би да се добије благо вискозан, хомоген раствор.
   • Претходно загрејте водено купатило на 37 °C и повежите га са посудом са плаштом да бисте одржавали константну температуру.
2. Постављање соникатора
   • Монтирајте сонотроду S26d2 на UP200Ht и обезбедите чврст спој.
   • Уроните врх сонотроде у реакциону смешу. Избегавајте додиривање зидова или дна посуде.
   • Поставите температурну сонду у раствор близу сонотроде, али без директног контакта са њом. То вам омогућава да користите уграђену контролу температуре соникатора.
   • Подесите амплитуду на 100%.
3. Ултразвучна полимеризација
   • Започните мешање при 100–200 rpm да бисте одржавали благу хомогенизацију.
   • Започните соникацију са одговарајућим подешавањем амплитуде да бисте обезбедили интензитет од ~56 W/cm² током 6,5 минута.
   • Одржавајте температуру раствора на 37°C током целог поступка. 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. Вискозност ће нагло порасти.
   • Ако до гелирања дође пре истека 6,5 min, прекините соникацију да бисте избегли прекомерно умрежавање или разградњу.
4. Накнадна обрада и пречишћавање
   • Одмах пренесите гел у 200 mL дејонизоване воде уз снажно мешање да бисте испрали неизреаговани мономер и глицерол.
   • Мешајте 30 минута, затим декантујте супернатант или филтрирајте.
   • Поновите испирање још 3 пута топлом водом (~60 °C) ради побољшања дифузије.
   • Сушите гел под вакуумом на 60°C током 8 сати или га лиофилизујте да бисте добили порозне структуре.

 
Резултат: биокомпатибилан хидрогел
Требало би да добијете провидан, чврст хидрогел са високом конверзијом (~70–75%), одличним умрежавањем и минималном количином заосталог мономера. Хидрогел ће бити отпоран на растварање у води и након сушења имаће уједначену структуру.

 
Напомене за оптималну контролу процеса

Повећање обима производње: линеарно и једноставно уз соникацију

У области у којој се све више захтевају прецизност, чистоћа и могућност повећања обима производње, ова ултразвучна метода нуди привлачну алтернативу. Омогућава просторну контролу и подешавање у реалном времену, а компатибилна је са континуалном обрадом помоћу савремених ултразвучних проточних система.
Соникатори компаније Hielscher Ultrasonics обезбеђују тачне амплитуде и омогућавају линеарно повећање обима од лабораторијског до производног нивоа – што их чини идеалним за увођење таквих хидрогелних система у практичне терапијске и дијагностичке примене.

Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

Hielscher ултразвучни уређаји познати су по највишим стандардима квалитета и пројектовања. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Hielscher ултразвучни уређаји лако савладавају тешке услове и захтевна окружења.

Hielscher Ultrasonics је компанија са ISO сертификатом и посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и једноставним коришћењем. Наравно, Hielscher ултразвучни уређаји су усаглашени са CE и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.

Табела у наставку даје увид у приближан капацитет обраде наших ултразвучних уређаја: