Ultraljudspolymerisation av hydrogeler: Protokoll och uppskalning

Ultraljudsinducerad polymerisation erbjuder ett radikalfritt, initiatorfritt tillvägagångssätt för att syntetisera hydrogeler från vattenlösliga vinylmonomerer och makromonomerer. Denna metod utnyttjar den sonokemiska genereringen av radikaler via kavitation och är idealisk för biomedicinska tillämpningar där initiatorrester måste undvikas.

Hydrogeler är tredimensionella, hydrofila polymernätverk som kan hålla kvar stora mängder vatten samtidigt som de bibehåller sin strukturella integritet - en egenskap som beror på tvärbundna polymerkedjor. Deras fysikalisk-kemiska egenskaper - svällningsbeteende, mekanisk styrka och biokompatibilitet - gör dem mycket attraktiva för biomedicinska tillämpningar, inklusive läkemedelstillförsel, vävnadsteknik och sårläkning.

Fördelen med ultraljudshydrogelpolymerisation

Traditionellt är hydrogelsyntesen beroende av termisk, fotokemisk eller kemisk tvärbindning; Emellertid, ultraljud hydrogel syntes får betydande dragkraft eftersom ultraljudsbehandling metoden erbjuder en enkel reagensfri, avstämbar, och grönare tillvägagångssätt. Ultraljud hydrogel syntes använder akustisk kavitation för att främja polymerisation och fysikalisk eller kemisk tvärbindning utan behov av externa initiatorer. Noterbart, ultraljud kan också underlätta in situ nanopartikeldispersion eller initiera radikala reaktioner i vattenhaltiga medier, vilket gör det till ett mångsidigt verktyg för att tillverka multifunktionella eller nanokomposithydrogeler under milda förhållanden.

Videoklippet ovan visar ultraljudssyntesen av en hydrogel använda sonicator UP50H och en gelator med låg molekylvikt. Resultatet är en självläkande supramolekylär hydrogel. (Studie och film: Rutgeerts et al., 2019)
 

Biokompatibla hydrogeler med ultraljudsbehandling

I jakten på biokompatibla hydrogeler som kan formas rent, säkert och på begäran, kommer traditionella polymerisationsstrategier ofta till korta. Cass och hans kollegor har nu presenterat en effektiv lösning på detta problem: en ren, initiatorfri metod för hydrogelsyntes med hjälp av lågfrekvent ultraljud.

Deras studie utforskar den sonokemiska polymerisationen av olika vattenlösliga monomerer, men en formulering stod ut som särskilt effektiv och robust: en 5% dextranmetakrylat (Dex-MA) lösning i 70% glycerol-vatten, polymeriserad under ultraljud med en måttlig intensitet på 56 W / cm². Anmärkningsvärt gav detta system en helt formad hydrogel på bara 6,5 minuter och uppnådde en monomer-till-polymeromvandling på 72% - den högsta bland alla testade formuleringar.

Akustisk kavitation: Arbetsprincipen för denna metod bygger på ett fenomen som är lika kraftfullt som det är övergående: akustisk kavitation. När mikroskopiska bubblor utsätts för kraftfullt ultraljud bildas och kollapsar de våldsamt i det flytande mediet, vilket genererar lokala hotspots där temperaturen kortvarigt kan överstiga 5000 Kelvin. Dessa förhållanden framkallar homolytisk klyvning av lösningsmedelsmolekyler, vilket ger en explosion av reaktiva radikaler. Till skillnad från konventionell polymerisation, som är beroende av externa initiatorer eller värme, levererar ultraljud både den energi och de radikaler som behövs för att initiera polymerisation - utan att överskrida fysiologiskt relevanta bulktemperaturer.

Lösningsmedel: Valet av glycerol som samlösningsmedel var inte en tillfällighet. Förutom att öka lösningens viskositet - en kritisk faktor för att öka kavitationsintensiteten - fungerar glycerol i sig som en radikal co-donor. Dess hydroxylgrupper är kända för att producera relativt stabila sekundära radikaler, vilket ökar radikalernas livslängd och främjar kedjeutbredningen. Dessutom hjälper den viskösa glycerolrika miljön till att fånga upp begynnande polymerkedjor, vilket minskar deras löslighet och skyddar dem från ultraljudsnedbrytning, vilket kan inträffa i mer utspädda vattensystem.

Ultraljud polymerisation: För att karakterisera polymerisationens progression använde forskarna infraröd spektroskopi och spårade uttömningen av vinylgrupper på Dex-MA över tiden. Den karakteristiska absorptionen vid 1635 cm-¹ - som indikerar C=C dubbelbindningar - minskade snabbt under ultraljudsbehandling, medan esterkarbonylsträckan vid 1730 cm-¹ förblev konstant och fungerade som en intern referens. Dessa data bekräftade inte bara snabb vinylomvandling utan också en hög grad av tvärbindning, vilket framgår av låga svällningsförhållanden och robusta gelstrukturer.

Analys: Skanningselektronmikroskopi avslöjade vidare utvecklingen av gelens mikrostruktur. I ett tidigt skede 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 sammankopplade porer - ett kännetecken för välformade biomedicinska geler.

Resultat: Jämfört med hydrogeler som framställts med termiska friradikalinitiatorer var skillnaderna slående. Även om liknande omvandlingar kunde uppnås termiskt, var de resulterande nätverken mer porösa, mindre enhetliga och uppvisade högre svällningsförhållanden - tecken på en lösare tvärbindningsarkitektur. Dessutom krävde den termiska processen kväveutrensning, kemiska tillsatser och högre temperaturer, medan ultraljudsmetoden fungerade vid omgivningstemperatur på bara 37 ° C.

Den kanske mest spännande aspekten av detta arbete är observationen att polymeriseringen kan fortsätta även efter att ultraljudet har stoppats. Gelen fortsatte att härda och öka i styrka under en 30-minutersperiod efter att sonikering upphörde. Detta tyder på att ihållande radikala arter eller mellanliggande strukturer som bildas under ultraljudsbehandling kan fortsätta att sprida polymerkedjor i avsaknad av ytterligare energitillförsel - ett beteende med potentiellt användbara konsekvenser för in vivo-applikationer.

Lär dig mer om fördelarna med ultraljudshydrogelproduktion!

Protokoll: Ultraljud syntes av Dextran metakrylat (Dex-MA) hydrogel med hjälp av en sonikator

För att syntetisera en kovalent tvärbunden Dex-MA-hydrogel kopplas högintensivt, lågfrekvent ultraljud till en glycerol/vattenlösning. Temperatur och ultraljudets energitäthet kontrolleras exakt.
Nedan ger vi dig instruktionerna för ultraljudshydrogelsyntesen i labbskala, som kan skalas upp linjärt till stora mängder.

Utrustning och material

Utrustning

• Hielscher UP200Ht ultraljudsprocessor (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (spetsdiameter: 2 mm; rekommenderas för små volymer)
• Mantlat reaktionskärl (50 ml), kompatibelt med magnetomrörare
• Cirkulerande vattenbad (termostatstyrt vid 37 °C)
• Temperaturgivare PT100 (ingår i leveransen av UP200Ht)
• Magnetisk omrörare
• Analysvåg (±0,1 mg)
• Vakuumugn eller frystorkare

kemikalier

• Dextran metakrylat (Dex-MA), ~20 % metakrylation
• Glycerol, ≥99,5 % (vattenfri)
• Avjoniserat vatten

Alla reagenser ska vara av analytisk kvalitet. Undvik syrerika miljöer; avgasa lösningsmedel om möjligt.

Steg-för-steg-procedur: Ultraljudshydrogelpolymerisation

1. Beredning av polymerisationsblandning
   • Väg upp 0,75 g Dex-MA i ett 50 ml mantlat reaktionskärler.
   • Tillsätt 10,5 g glycerol och 3,75 g avjoniserat vatten.
   • Rör om blandningen magnetiskt i rumstemperatur (~22 °C) i 5–10 minuter för att lösa upp Dex-MA helt. En lätt trögflytande, homogen lösning bör resultera.
   • Förvärm vattenbadet till 37 °C och anslut det till det mantlade kärlet för att hålla en konstant temperatur.
2. Inställning av Sonicator
   • Montera S26d2 sonotrode på UP200Ht och se till att kopplingen är tät.
   • Sänk ner spetsen på sonotroden i reaktionsblandningen. Undvik att röra vid kärlets väggar eller botten.
   • Placera temperatursonden i lösningen nära sonotroden men inte i direkt kontakt. Detta gör att du kan använda den integrerade temperaturkontrollen av ultraljudssonackan.
   • Ställ in amplitud till 100 %.
3. ultraljud polymerisation
   • Börja röra om vid 100–200 rpm för att bibehålla en skonsam homogenisering.
   • Börja ultraljudsbehandling vid lämplig amplitudinställning för att leverera ~ 56 W / cm² i 6.5 minuter.
   • Håll lösningens temperatur på 37 °C hela tiden. 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 gelning inträffar före 6,5 min, stoppa ultraljudsbehandling för att undvika överdriven tvärbindning eller nedbrytning.
4. Efterbehandling och rening
   • Överför omedelbart gelen till 200 ml avjoniserat vatten under kraftig omrörning för att laka ut oreagerad monomer och glycerol.
   • Rör om i 30 minuter och dekantera sedan supernatanten eller filtret.
   • Upprepa tvätten ytterligare 3 gånger med varmt vatten (~60 °C) för förbättrad spridning.
   • Torka gelen under vakuum vid 60 °C i 8 timmar, eller frys in för porösa strukturer.

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

 
Anmärkningar för optimal processtyrning

Uppskalningen: Linjär och enkel med ultraljudsbehandling

Inom ett område som i allt högre grad kräver precision, renhet och skalbarhet erbjuder denna ultraljudsmetod ett övertygande alternativ. Den är rumsligt styrbar, justerbar i realtid och kompatibel med kontinuerlig bearbetning med hjälp av moderna ultraljudssystem.
Sonicators av Hielscher Ultrasonics levererar exakta amplituder och skala linjärt från laboratorie- till produktionsskala vilket gör dem idealiska för att översätta sådana hydrogel-system till verkliga terapeutiska och diagnostiska applikationer.

Design, tillverkning och rådgivning – Kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielscher ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel drift möjliggör en smidig integration av våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras enkelt av Hielscher ultraljudsapparater.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och användarvänligheten. Naturligtvis är Hielscher ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: