อัลตราโซนิกพอลิเมอไรเซชันของไฮโดรเจล: โปรโตคอลและการขยายขนาด

พอลิเมอไรเซชันที่เหนี่ยวนําด้วยอัลตราซาวนด์นําเสนอวิธีการสังเคราะห์ไฮโดรเจลที่ปราศจากอนุมูลและปราศจากตัวเริ่มต้นในการสังเคราะห์ไฮโดรเจลจากไวนิลโมโนเมอร์และมาโครโมโนเมอร์ที่ละลายน้ําได้ วิธีการนี้ใช้ประโยชน์จากการสร้างอนุมูลโซโนเคมีผ่านโพรงอากาศ และเหมาะอย่างยิ่งสําหรับการใช้งานทางชีวการแพทย์ที่ต้องหลีกเลี่ยงสารตกค้างของตัวเริ่มต้น

ไฮโดรเจลเป็นเครือข่ายพอลิเมอร์ที่มีลักษณะเป็นสามมิติและชอบน้ำ ซึ่งสามารถกักเก็บน้ำในปริมาณมากได้ ในขณะที่ยังคงรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้ได้ – คุณสมบัตินี้เกิดจากสายโซ่พอลิเมอร์ที่เชื่อมต่อกันข้ามสาย (crosslinked polymer chains). คุณสมบัติทางฟิสิกส์และเคมีของไฮโดรเจล – พฤติกรรมการบวม, ความแข็งแรงทางกล, และความเข้ากันได้ทางชีวภาพ – ทำให้ไฮโดรเจลน่าสนใจอย่างมากสำหรับการนำไปใช้ในทางการแพทย์และชีวการแพทย์ รวมถึงการส่งยา, วิศวกรรมเนื้อเยื่อ, และการรักษาแผล.

ข้อดีของไฮโดรเจลพอลิเมอไรเซชันอัลตราโซนิก

ตามเนื้อผ้า การสังเคราะห์ไฮโดรเจลอาศัยการเชื่อมขวางทางความร้อน โฟโตเคมี หรือเคมี อย่างไรก็ตามการสังเคราะห์ไฮโดรเจลอัลตราโซนิกกําลังได้รับแรงฉุดอย่างมีนัยสําคัญเนื่องจากวิธีการ sonication มีวิธีการที่ปราศจากรีเอเจนต์ที่ง่ายปรับได้และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม การสังเคราะห์ไฮโดรเจลอัลตราโซนิกใช้โพรงอากาศอะคูสติกเพื่อส่งเสริมพอลิเมอไรเซชันและการเชื่อมขวางทางกายภาพหรือทางเคมีโดยไม่จําเป็นต้องใช้ตัวเริ่มต้นภายนอก โดยเฉพาะอย่างยิ่งอัลตราโซนิกยังสามารถอํานวยความสะดวกในการกระจายตัวของอนุภาคนาโนในแหล่งกําเนิดหรือเริ่มปฏิกิริยาอนุมูลในสื่อที่เป็นน้ําทําให้เป็นเครื่องมืออเนกประสงค์สําหรับการสร้างไฮโดรเจลมัลติฟังก์ชั่นหรือนาโนคอมโพสิตภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรง

คลิปวิดีโอด้านบนสาธิตการสังเคราะห์อัลตราโซนิกของไฮโดรเจล การใช้เครื่องโซนิโคนิก UP50H และเจลเลเตอร์น้ําหนักโมเลกุลต่ํา ผลลัพธ์ที่ได้คือไฮโดรเจลเหนือโมเลกุลที่รักษาตัวเอง (การศึกษาและภาพยนตร์: Rutgeerts et al., 2019)
 

ไฮโดรเจลที่เข้ากันได้ทางชีวภาพกับ Sonication

ในการแสวงหาไฮโดรเจลที่เข้ากันได้ทางชีวภาพซึ่งสามารถสร้างขึ้นได้อย่างสะอาดปลอดภัยและตามความต้องการกลยุทธ์พอลิเมอไรเซชันแบบดั้งเดิมมักจะขาดแคลน งานของ Cass และเพื่อนร่วมงานนําเสนอวิธีแก้ปัญหานี้ที่มีประสิทธิภาพ: วิธีการสังเคราะห์ไฮโดรเจลที่สะอาดและปราศจากตัวเริ่มต้นโดยใช้อัลตราซาวนด์ความถี่ต่ํา

การศึกษาของพวกเขาสำรวจการเกิดพอลิเมอไรเซชันแบบโซโนเคมีของโมโนเมอร์ที่ละลายน้ำได้หลากหลายชนิด แต่สูตรหนึ่งโดดเด่นเป็นพิเศษในด้านประสิทธิภาพและความทนทาน: สารละลายเดกซ์แทรนเมทาคริเลต (Dex-MA) 5% ในกลีเซอรอล-น้ำ 70% ซึ่งเกิดพอลิเมอไรเซชันภายใต้การกระตุ้นด้วยคลื่นเสียงความเข้มปานกลางที่ 56 วัตต์/ตารางเซนติเมตรน่าทึ่งมาก ระบบนี้สามารถผลิตไฮโดรเจลที่สมบูรณ์ได้ในเวลาเพียง 6.5 นาที โดยมีการเปลี่ยนแปลงโมโนเมอร์เป็นโพลีเมอร์ถึง 72% ซึ่งเป็นอัตราที่สูงที่สุดเมื่อเทียบกับสูตรทั้งหมดที่ทดสอบ

โพรงอากาศอะคูสติก: หลักการการทำงานของวิธีนี้ตั้งอยู่บนปรากฏการณ์ที่ทรงพลังและเกิดขึ้นชั่วขณะ: การเกิดโพรงอากาศในของไหลด้วยคลื่นเสียงเมื่อถูกกระตุ้นด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์พลังงานสูง ฟองอากาศขนาดเล็กมากจะก่อตัวและยุบตัวอย่างรุนแรงในตัวกลางของเหลว ก่อให้เกิดจุดร้อนเฉพาะที่ซึ่งอุณหภูมิอาจสูงเกิน 5000 เคลวินในชั่วขณะหนึ่ง สภาวะเหล่านี้ก่อให้เกิดการแตกตัวแบบโฮโมไลติกของโมเลกุลตัวทำละลาย ส่งผลให้เกิดการระเบิดของอนุมูลอิสระที่ไวต่อปฏิกิริยา แตกต่างจากการพอลิเมอไรเซชันแบบดั้งเดิมซึ่งต้องอาศัยตัวเริ่มต้นจากภายนอกหรือความร้อน อัลตราซาวนด์สามารถส่งผ่านทั้งพลังงานและอนุมูลอิสระที่จำเป็นต่อการเริ่มต้นกระบวนการพอลิเมอไรเซชันได้ โดยไม่ทำให้อุณหภูมิของมวลรวมสูงเกินระดับที่มีความเกี่ยวข้องทางสรีรวิทยา

ตัวทําละลายร่วม: การเลือกกลีเซอรอลเป็นสารช่วยละลายร่วมไม่ใช่เรื่องบังเอิญนอกเหนือจากการเพิ่มความหนืดของสารละลาย ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการเพิ่มความเข้มของการเกิดโพรงอากาศแล้ว กลีเซอรอลเองยังทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคคู่ของอนุมูลอิสระอีกด้วย กลุ่มไฮดรอกซิลของมันเป็นที่ทราบกันดีว่าสามารถสร้างอนุมูลอิสระทุติยภูมิที่ค่อนข้างมีเสถียรภาพ ซึ่งช่วยเพิ่มอายุของอนุมูลอิสระและส่งเสริมการแพร่กระจายของสายโซ่ นอกจากนี้ สภาพแวดล้อมที่มีความหนืดและอุดมไปด้วยกลีเซอรอลยังช่วยดักจับสายโซ่โพลีเมอร์ที่เกิดขึ้นใหม่ ลดความละลายของพวกมัน และปกป้องพวกมันจากการเสื่อมสภาพด้วยคลื่นเสียงอัลตราโซนิก ซึ่งอาจเกิดขึ้นในระบบน้ำที่มีความเจือจางมากกว่า

อัลตราโซนิกพอลิเมอไรเซชัน: เพื่ออธิบายลักษณะการเปลี่ยนแปลงของกระบวนการพอลิเมอไรเซชัน นักวิจัยได้ใช้เทคนิคสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดในการติดตามการลดลงของกลุ่มไวนิลบน Dex-MA เมื่อเวลาผ่านไปการดูดกลืนที่เป็นลักษณะเฉพาะที่ 1635 ซม.⁻¹ – ซึ่งบ่งชี้ถึงพันธะคู่ C=C – ลดลงอย่างรวดเร็วระหว่างการโซนิเคชัน ในขณะที่การยืดตัวของคาร์บอนิลเอสเทอร์ที่ 1730 ซม.⁻¹ ยังคงคงที่ ทำหน้าที่เป็นตัวอ้างอิงภายใน ข้อมูลเหล่านี้ยืนยันไม่เพียงแต่การแปลงไวนิลอย่างรวดเร็วเท่านั้น แต่ยังรวมถึงระดับการเชื่อมโยงข้ามสายสูง ซึ่งเห็นได้จากอัตราส่วนการพองตัวต่ำและโครงสร้างเจลที่แข็งแรง

การวิเคราะห์: การส่องกล้องอิเล็กตรอนแบบสแกนเผยให้เห็นวิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาคของเจลเพิ่มเติม ในระยะเริ่มต้น โครงข่ายมีรูพรุนขนาดใหญ่และเปิด แต่เมื่อทำการโซนิเคชันต่อเนื่อง รูพรุนเหล่านี้ถูกเติมเต็มด้วยโครงสร้างทุติยภูมิที่หนาแน่นขึ้น ภายใน 15 นาที ไฮโดรเจลแสดงลักษณะการเชื่อมต่อข้ามสายที่สม่ำเสมอพร้อมรูพรุนที่เชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนา ซึ่งเป็นลักษณะเด่นของเจลทางการแพทย์ที่มีโครงสร้างดี

ผล: เมื่อเปรียบเทียบกับไฮโดรเจลที่ผลิตด้วยตัวเริ่มต้นอนุมูลอิสระแบบความร้อน ความแตกต่างนั้นชัดเจน แม้ว่าจะสามารถบรรลุการเปลี่ยนแปลงที่คล้ายคลึงกันได้ด้วยวิธีความร้อน แต่เครือข่ายที่ได้กลับมีรูพรุนมากกว่า ไม่สม่ำเสมอ และแสดงอัตราการพองตัวที่สูงกว่า ซึ่งเป็นสัญญาณของโครงสร้างการเชื่อมต่อที่หลวมกว่า นอกจากนี้ กระบวนการความร้อนยังต้องใช้การไล่อากาศด้วยไนโตรเจน สารเติมแต่งทางเคมี และอุณหภูมิที่สูงกว่า ในขณะที่วิธีการใช้คลื่นเสียงความถี่สูงสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิห้องเพียง 37°C

แง่มุมที่น่าสนใจที่สุดของงานวิจัยนี้อาจเป็นการสังเกตว่าการเกิดพอลิเมอไรเซชันสามารถดำเนินต่อไปได้แม้หลังจากหยุดใช้คลื่นเสียงอัลตราโซนิกแล้ว เจลยังคงเกิดการบ่มและเพิ่มความแข็งแรงต่อเนื่องเป็นเวลา 30 นาทีหลังจากการหยุดการโซนิเคชัน สิ่งนี้บ่งชี้ว่าอาจมีชนิดของอนุมูลอิสระหรือโครงสร้างระหว่างขั้นที่คงอยู่หรือเกิดขึ้นระหว่างการโซนิเคชัน ซึ่งอาจแพร่กระจายสายโซ่พอลิเมอร์ต่อไปได้แม้ไม่มีพลังงานเพิ่มเติมเข้ามา ซึ่งเป็นพฤติกรรมที่อาจมีประโยชน์สำหรับการประยุกต์ใช้ในร่างกายสิ่งมีชีวิต

เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับข้อดีของการผลิตไฮโดรเจลอัลตราโซนิก!

โปรโตคอล: การสังเคราะห์อัลตราโซนิกของ Dextran Methacrylate (Dex-MA) Hydrogel โดยใช้ Sonicator

ในการสังเคราะห์ไฮโดรเจล Dex-MA แบบเชื่อมขวางแบบโควาเลนต์ อัลตราซาวนด์ความถี่ต่ําที่มีความเข้มสูงจะถูกจับคู่เข้ากับสารละลายกลีเซอรอล/น้ํา อุณหภูมิและความหนาแน่นของพลังงานอัลตราซาวนด์ได้รับการควบคุมอย่างแม่นยํา
ด้านล่างนี้เราให้คําแนะนําสําหรับการสังเคราะห์ไฮโดรเจลอัลตราโซนิกในระดับห้องปฏิบัติการซึ่งสามารถขยายขนาดเป็นเส้นตรงเป็นปริมาณมาก

อุปกรณ์และวัสดุ

อุปกรณ์

• Hielscher UP200Ht โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิก (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (เส้นผ่านศูนย์กลางปลาย: 2 มม. แนะนําสําหรับปริมาตรขนาดเล็ก)
• ภาชนะปฏิกิริยาแบบแจ็คเก็ต (50 มล.) เข้ากันได้กับเครื่องกวนแม่เหล็ก
• อ่างน้ําหมุนเวียน (ควบคุมอุณหภูมิที่อุณหภูมิ 37°C)
• หัววัดอุณหภูมิ PT100 (รวมอยู่ในขอบเขตการส่งมอบ UP200Ht)
• เครื่องกวนแม่เหล็ก
• เครื่องชั่งเชิงวิเคราะห์ (±0.1 มก.)
• เตาอบสูญญากาศหรือไลโอฟิลเซอร์

สารเคมี

• Dextran Methacrylate (Dex-MA), เมทาคริเลชัน ~ 20%
• กลีเซอรอล ≥99.5% (ปราศจากน้ํา)
• น้ําปราศจากไอออน

รีเอเจนต์ทั้งหมดควรเป็นเกรดการวิเคราะห์ หลีกเลี่ยงสภาพแวดล้อมที่อุดมด้วยออกซิเจน ขจัดแก๊สตัวทําละลายถ้าเป็นไปได้

ขั้นตอนทีละขั้นตอน: อัลตราโซนิกไฮโดรเจลพอลิเมอไรเซชัน

1. การเตรียมส่วนผสมพอลิเมอไรเซชัน
   • ชั่งน้ําหนัก Dex-MA 0.75 กรัมลงในภาชนะปฏิกิริยาที่มีแจ็คเก็ตขนาด 50 มล.
   • เติมกลีเซอรอล 10.5 กรัมและน้ําปราศจากไอออน 3.75 กรัม
   • กวนส่วนผสมด้วยแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้อง (~22 °C) เป็นเวลา 5-10 นาทีเพื่อให้ Dex-MA ละลายหมด ควรส่งผลให้เกิดสารละลายที่มีความหนืดเล็กน้อยและเป็นเนื้อเดียวกัน
   • เปิดอ่างน้ําที่ 37 °C และเชื่อมต่อกับภาชนะที่มีแจ็คเก็ตเพื่อรักษาอุณหภูมิให้คงที่
2. การตั้งค่าเครื่องโซนิคเตอร์
   • ติดตั้ง S26d2 sonotrode เข้ากับ UP200Ht และตรวจดูให้แน่ใจว่ามีข้อต่อแน่น
   • จุ่มปลายของ sonotrode ลงในส่วนผสมของปฏิกิริยา หลีกเลี่ยงการสัมผัสผนังหรือก้นภาชนะ
   • วางหัววัดอุณหภูมิในสารละลายใกล้กับ sonotrode แต่ไม่สัมผัสโดยตรง วิธีนี้ช่วยให้คุณใช้การควบคุมอุณหภูมิในตัวของเครื่องสะท้อนเสียง
   • ตั้งค่าแอมพลิจูดเป็น 100%
3. พอลิเมอไรเซชันอัลตราโซนิก
   • เริ่มกวนที่ 100–200 รอบต่อนาทีเพื่อรักษาการทําให้เป็นเนื้อเดียวกันอย่างนุ่มนวล
   • เริ่ม sonication ที่การตั้งค่าแอมพลิจูดที่เหมาะสมเพื่อส่งมอบ ~ 56 W / cm² เป็นเวลา 6.5 นาที
   • รักษาอุณหภูมิของสารละลายไว้ที่ 37°C ตลอด หากส่วนผสมเริ่มร้อนให้เพิ่มการไหลของน้ําหล่อเย็นหรือเติมน้ําแข็งลงในอ่างน้ํา
   • โดยทั่วไปการเจลจะเริ่มภายใน 5-6 นาที ความหนืดจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
   • หากเจลเกิดขึ้นก่อน 6.5 นาทีให้หยุดการ sonication เพื่อหลีกเลี่ยงการเชื่อมขวางหรือการเสื่อมสภาพมากเกินไป
4. หลังการประมวลผลและการทําให้บริสุทธิ์
   • ถ่ายโอนเจลลงในน้ําปราศจากไอออน 200 มล. ทันทีภายใต้การกวนอย่างแรงเพื่อชะล้างโมโนเมอร์และกลีเซอรอลที่ไม่ทําปฏิกิริยาออก
   • คนเป็นเวลา 30 นาที จากนั้นเทส่วนเหนือน้ําหรือตัวกรอง
   • ซักซ้ําอีก 3 ครั้งโดยใช้น้ําอุ่น (~60 °C) เพื่อเพิ่มการแพร่กระจาย
   • เช็ดเจลให้แห้งภายใต้สุญญากาศที่ 60°C เป็นเวลา 8 ชั่วโมง หรือแช่แข็งสําหรับโครงสร้างที่มีรูพรุน

 
ผลลัพธ์: ไฮโดรเจลที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ
คุณควรได้รับไฮโดรเจลที่โปร่งใสและทนทานพร้อมการแปลงสูง (~70–75%) การเชื่อมขวางที่ดีเยี่ยม และโมโนเมอร์ที่ตกค้างน้อยที่สุด ไฮโดรเจลจะต้านทานการละลายในน้ําและแสดงโครงสร้างที่สม่ําเสมอเมื่ออบแห้ง

 
หมายเหตุสําหรับการควบคุมกระบวนการที่เหมาะสมที่สุด

การขยายขนาด: เชิงเส้นและเรียบง่ายด้วย Sonication

ในสาขาที่ต้องการความแม่นยําความบริสุทธิ์และความสามารถในการปรับขนาดมากขึ้นวิธีการอัลตราโซนิกนี้นําเสนอทางเลือกที่น่าสนใจ สามารถควบคุมเชิงพื้นที่ปรับได้แบบเรียลไทม์และเข้ากันได้กับการประมวลผลอย่างต่อเนื่องโดยใช้ระบบอินไลน์อัลตราโซนิกที่ทันสมัย
เครื่องโซนิเคเตอร์โดย Hielscher Ultrasonics ให้ความถี่สั่นสะเทือนที่แม่นยำและสามารถปรับขนาดได้ตั้งแต่ระดับห้องปฏิบัติการไปจนถึงระดับการผลิต ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการแปลงระบบไฮโดรเจลเหล่านี้ไปสู่การใช้งานจริงในด้านการรักษาและการวินิจฉัย

การออกแบบ การผลิต และการให้คําปรึกษา – คุณภาพ ผลิตในประเทศเยอรมนี

เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher เป็นที่รู้จักกันดีในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบสูงสุด ความทนทานและใช้งานง่ายช่วยให้สามารถรวมเครื่องอัลตราโซนิกของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น สภาพที่ขรุขระและสภาพแวดล้อมที่ต้องการสามารถจัดการได้ง่ายโดยเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher

Hielscher Ultrasonics เป็น บริษัท ที่ได้รับการรับรองมาตรฐาน ISO และให้ความสําคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงที่มีเทคโนโลยีล้ําสมัยและเป็นมิตรกับผู้ใช้ แน่นอนว่าเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher เป็นไปตามมาตรฐาน CE และตรงตามข้อกําหนดของ UL, CSA และ RoHs

ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา: