Ultraljudspolymerisation av hydrogeler: protokoll och uppskalning

Ultraljudsinducerad polymerisation erbjuder en radikalfri, initiatorfri metod för att syntetisera hydrogeler från vattenlösliga vinylmonomerer och makromonomerer. Denna metod utnyttjar sonokemisk bildning av radikaler genom kavitation och är idealisk för biomedicinska tillämpningar där initiatorrester måste undvikas.

Hydrogeler är tredimensionella, hydrofila polymernätverk som kan hålla kvar betydande mängder vatten samtidigt som de bibehåller sin strukturella integritet – en egenskap som härrör från tvärbundna polymerkedjor. Deras fysikalisk-kemiska egenskaper – svällningsbeteende, mekanisk hållfasthet och biokompatibilitet – gör dem mycket attraktiva för biomedicinska tillämpningar, däribland läkemedelstillförsel, vävnadsteknik och sårläkning.

Fördelen med ultraljudspolymerisation av hydrogeler

Traditionellt bygger hydrogelsyntes på termisk, fotokemisk eller kemisk tvärbindning; ultraljudsbaserad hydrogelsyntes får dock allt större genomslag eftersom ultraljudsbehandling erbjuder en enkel, reagensfri, justerbar och miljövänligare metod. Ultraljudsbaserad hydrogelsyntes använder akustisk kavitation för att främja polymerisation och fysikalisk eller kemisk tvärbindning utan behov av externa initiatorer. Ultraljudsbehandling kan även underlätta dispergering av nanopartiklar in situ eller initiera radikalreaktioner i vattenbaserade medier, vilket gör den till ett mångsidigt verktyg för att framställa multifunktionella hydrogeler eller nanokomposithydrogeler under milda betingelser.

Videoklippet ovan visar ultraljudsbaserad syntes av en hydrogel med ultraljudsprocessorn UP50H och en lågmolekylär gelbildare. Resultatet är en självläkande supramolekylär hydrogel. (Studie och film: Rutgeerts et al., 2019)
 

Biokompatibla hydrogeler med ultraljudsbehandling

I strävan efter biokompatibla hydrogeler som kan bildas rent, säkert och vid behov räcker traditionella polymerisationsstrategier ofta inte till. Arbetet av Cass och kollegor presenterar en effektiv lösning på detta problem: en ren, initiatorfri metod för hydrogelsyntes med lågfrekvent ultraljud.

Deras studie undersöker sonokemisk polymerisation av olika vattenlösliga monomerer, men en formulering utmärkte sig som särskilt effektiv och robust: en lösning med 5% dextranmetakrylat (Dex-MA) i 70% glycerol-vatten, polymeriserad med ultraljud vid en måttlig intensitet på 56 W/cm². Anmärkningsvärt nog gav detta system en fullständigt bildad hydrogel på bara 6,5 minuter, med en omvandlingsgrad från monomer till polymer på 72% – den högsta bland alla testade formuleringar.

Akustisk kavitation: Denna metod bygger på ett fenomen som är lika kraftfullt som kortvarigt: akustisk kavitation. Vid exponering för högeffektsultraljud bildas mikroskopiska bubblor som kollapsar våldsamt i vätskemediet och skapar lokala heta zoner där temperaturen kortvarigt kan överstiga 5000 kelvin. Dessa betingelser inducerar homolytisk klyvning av lösningsmedelsmolekyler, vilket ger en plötslig frisättning av reaktiva radikaler. Till skillnad från konventionell polymerisation, som är beroende av externa initiatorer eller värme, tillför ultraljud både den energi och de radikaler som behövs för att initiera polymerisation – utan att överskrida fysiologiskt relevanta temperaturer i bulkmediet.

Hjälplösningsmedel: Valet av glycerol som hjälplösningsmedel var ingen tillfällighet. Förutom att öka lösningens viskositet – en avgörande faktor för att förstärka kavitationsintensiteten – fungerar glycerol självt som meddonator av radikaler. Dess hydroxylgrupper är kända för att bilda relativt stabila sekundära radikaler, vilket förlänger radikalernas livslängd och främjar kedjetillväxt. Dessutom hjälper den viskösa, glycerolrika miljön till att fånga upp nybildade polymerkedjor, vilket minskar deras löslighet och skyddar dem mot ultraljudsinducerad nedbrytning, som kan förekomma i mer utspädda vattenbaserade system.

Ultraljudspolymerisation: För att karakterisera polymerisationens förlopp använde forskarna infrarödspektroskopi och följde minskningen av antalet vinylgrupper på Dex-MA över tid. Den karakteristiska absorptionen vid 1635 cm⁻¹ – som indikerar C=C-dubbelbindningar – minskade snabbt under ultraljudsbehandlingen, medan esterkarbonylgruppens sträckningsvibration vid 1730 cm⁻¹ förblev konstant och fungerade som intern referens. Dessa data bekräftade inte bara snabb omsättning av vinylgrupper utan även en hög grad av tvärbindning, vilket framgick av låga svällningsgrader och robusta gelstrukturer.

Analys: Svepelektronmikroskopi visade även hur gelens mikrostruktur utvecklades. I de tidiga stadierna hade nätverket stora, öppna porer, men med fortsatt ultraljudsbehandling fylldes dessa med en tätare sekundärstruktur. Efter 15 minuter uppvisade hydrogelen en homogent tvärbunden morfologi med tätt sammanlänkade porer – ett kännetecken för välbildade biomedicinska geler.

Resultat: Vid jämförelse med hydrogeler framställda med termiska friradikalinitiatorer var skillnaderna slående. Även om liknande omsättningsgrader kunde uppnås termiskt var de resulterande nätverken mer porösa, mindre enhetliga och uppvisade högre svällningsgrader – tecken på en glesare tvärbindningsarkitektur. Dessutom krävde den termiska processen genomspolning med kvävgas, kemiska tillsatser och högre temperaturer, medan ultraljudsmetoden fungerade vid en omgivningstemperatur på endast 37°C.

Den kanske mest fascinerande aspekten av detta arbete är observationen att polymerisationen kan fortsätta även efter att ultraljudet har stängts av. Gelen fortsatte att härda och öka i hållfasthet under en period på 30 minuter efter att ultraljudsbehandlingen avslutats. Detta tyder på att långlivade radikalspecies eller intermediära strukturer som bildats under ultraljudsbehandlingen kan fortsätta att driva polymerkedjornas tillväxt utan ytterligare energitillförsel – ett beteende med potentiellt användbara konsekvenser för tillämpningar in vivo.

Läs mer om fördelarna med ultraljudsbaserad hydrogelproduktion!

Protokoll: ultraljudssyntes av dextranmetakrylathydrogel (Dex-MA) med en ultraljudsapparat

För att syntetisera en kovalent tvärbunden Dex-MA-hydrogel kopplas högintensivt, lågfrekvent ultraljud in i en glycerol/vattenlösning. Temperaturen och ultraljudets energitäthet regleras exakt.
Nedan ger vi instruktioner för ultraljudssyntes av hydrogeler i laboratorieskala, som kan skalas upp linjärt till stora mängder.

Utrustning och material

Utrustning

• Hielscher UP200Ht ultraljudsprocessor (200 W, 26 kHz)
• Sonotrod S26d2 (spetsdiameter: 2 mm; rekommenderas för småskaliga volymer)
• Mantlat reaktionskärl (50 mL), kompatibelt med magnetomrörare
• Cirkulerande vattenbad (termostatreglerat vid 37°C)
• Temperaturgivare PT100 (ingår i leveransomfattningen för UP200Ht)
• Magnetomrörare
• Analysvåg (±0,1 mg)
• Vakuumugn eller frystork

Kemikalier

• Dextranmetakrylat (Dex-MA), ~20% metakrylering
• Glycerol, ≥99,5% (vattenfri)
• Avjoniserat vatten

Alla reagenser bör vara av analyskvalitet. Undvik syrerika miljöer; avgasa lösningsmedlen om möjligt.

Stegvis förfarande: ultraljudspolymerisation av hydrogeler

1. Beredning av polymerisationsblandningen
   • Väg upp 0,75 g Dex-MA i ett mantlat reaktionskärl på 50 mL.
   • Tillsätt 10,5 g glycerol och 3,75 g avjoniserat vatten.
   • Rör om blandningen med magnetomrörare vid rumstemperatur (~22 °C) i 5–10 minuter för att lösa upp Dex-MA fullständigt. Detta bör ge en något viskös, homogen lösning.
   • Förvärm vattenbadet till 37 °C och anslut det till det mantlade kärlet för att hålla temperaturen konstant.
2. Installation av sonikatorn
   • Montera sonotroden S26d2 på UP200Ht och säkerställ en tät koppling.
   • Sänk ned sonotrodens spets i reaktionsblandningen. Undvik att vidröra kärlets väggar eller botten.
   • Placera temperaturgivaren i lösningen nära sonotroden men utan direktkontakt. Detta gör att du kan använda sonikatorns integrerade temperaturreglering.
   • Ställ in amplituden på 100%.
3. Ultraljudspolymerisation
   • Starta omrörningen vid 100–200 rpm för att upprätthålla skonsam homogenisering.
   • Påbörja ultraljudsbehandlingen med lämplig amplitudinställning för att tillföra ~56 W/cm² under 6,5 minuter.
   • Håll lösningens temperatur vid 37°C under hela processen. Om blandningen börjar värmas upp, öka kylvätskeflödet eller tillsätt is i vattenbadet.
   • Gelbildningen börjar vanligtvis inom 5–6 minuter. Viskositeten kommer att öka kraftigt.
   • Om gelbildning sker före 6,5 min, avbryt ultraljudsbehandlingen för att undvika alltför omfattande tvärbindning eller nedbrytning.
4. Efterbearbetning och rening
   • Överför omedelbart gelen till 200 mL avjoniserat vatten under kraftig omrörning för att laka ur oreagerad monomer och glycerol.
   • Rör om i 30 minuter och dekantera sedan supernatanten eller filtrera.
   • Upprepa tvättningen ytterligare 3 gånger med varmt vatten (~60 °C) för förbättrad diffusion.
   • Torka gelen under vakuum vid 60°C i 8 timmar, eller frystorka för att få porösa strukturer.

 
Resultatet: en biokompatibel hydrogel
Du bör få en transparent, robust hydrogel med hög omvandlingsgrad (~70–75%), utmärkt tvärbindning och minimala mängder kvarvarande monomer. Hydrogelen kommer att motstå upplösning i vatten och uppvisa en enhetlig struktur efter torkning.

 
Anmärkningar för optimal processtyrning

Uppskalningen: linjär och enkel med ultraljudsbehandling

Inom ett område som ställer allt högre krav på precision, renhet och skalbarhet erbjuder denna ultraljudsmetod ett övertygande alternativ. Den kan styras rumsligt, justeras i realtid och är kompatibel med kontinuerlig bearbetning med moderna ultraljudssystem för inlineprocesser.
Sonikatorer från Hielscher Ultrasonics levererar exakta amplituder och kan skalas upp linjärt från laboratorie- till produktionsskala – vilket gör dem idealiska för att omsätta sådana hydrogelsystem i praktiska terapeutiska och diagnostiska tillämpningar.

Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sina allra högsta kvalitets- och konstruktionsstandarder. Robusthet och enkel användning möjliggör smidig integrering av våra ultraljudsapparater i industrianläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar enkelt tuffa förhållanden och krävande miljöer.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med toppmodern teknik och användarvänlighet. Självklart är Hielschers ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.

Tabellen nedan ger en indikation på våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: