การพอลิเมอไรเซชันของไฮโดรเจลด้วยอัลตราซาวนด์: วิธีปฏิบัติและการขยายขนาด

การพอลิเมอไรเซชันที่เหนี่ยวนำด้วยอัลตราซาวนด์เป็นแนวทางที่ปราศจากอนุมูลอิสระและสารริเริ่มปฏิกิริยาสำหรับการสังเคราะห์ไฮโดรเจลจากไวนิลมอนอเมอร์และแมโครมอนอเมอร์ที่ละลายน้ำได้ วิธีการนี้อาศัยการเกิดอนุมูลอิสระทางโซโนเคมีผ่านการเกิดคาวิเทชัน และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการประยุกต์ใช้ทางชีวการแพทย์ที่ต้องหลีกเลี่ยงสารริเริ่มปฏิกิริยาตกค้าง

ไฮโดรเจลเป็นโครงข่ายพอลิเมอร์สามมิติที่ชอบน้ำ สามารถกักเก็บน้ำได้ในปริมาณมากโดยยังคงความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้ได้ – คุณสมบัตินี้เกิดจากสายโซ่พอลิเมอร์ที่เชื่อมขวางกัน คุณสมบัติทางเคมีกายภาพของไฮโดรเจล – พฤติกรรมการบวมตัว ความแข็งแรงเชิงกล และความเข้ากันได้ทางชีวภาพ – ทำให้ไฮโดรเจลมีความน่าสนใจอย่างมากสำหรับการประยุกต์ใช้ทางชีวการแพทย์ รวมถึงการนำส่งยา วิศวกรรมเนื้อเยื่อ และการสมานแผล

ข้อได้เปรียบของการพอลิเมอไรเซชันไฮโดรเจลด้วยอัลตราซาวนด์

โดยทั่วไป การสังเคราะห์ไฮโดรเจลอาศัยการเชื่อมขวางด้วยความร้อน ปฏิกิริยาโฟโตเคมี หรือปฏิกิริยาเคมี อย่างไรก็ตาม การสังเคราะห์ไฮโดรเจลด้วยอัลตราซาวนด์กำลังได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นอย่างมาก เนื่องจากวิธีการใช้คลื่นเสียงนี้เป็นแนวทางที่เรียบง่าย ไม่ใช้สารทำปฏิกิริยา ปรับควบคุมได้ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า การสังเคราะห์ไฮโดรเจลด้วยอัลตราซาวนด์ใช้คาวิเทชันจากคลื่นเสียงเพื่อส่งเสริมการพอลิเมอไรเซชันและการเชื่อมขวางทางกายภาพหรือทางเคมีโดยไม่จำเป็นต้องใช้สารริเริ่มปฏิกิริยาจากภายนอก นอกจากนี้ การใช้อัลตราซาวนด์ยังช่วยให้อนุภาคนาโนกระจายตัวในระบบปฏิกิริยา หรือริเริ่มปฏิกิริยาอนุมูลอิสระในตัวกลางที่เป็นน้ำได้ จึงเป็นเครื่องมืออเนกประสงค์สำหรับการสร้างไฮโดรเจลที่มีหลายหน้าที่หรือไฮโดรเจลนาโนคอมโพสิตภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรง

คลิปวิดีโอด้านบนแสดงการสังเคราะห์ไฮโดรเจลด้วยอัลตราซาวนด์ โดยใช้เครื่องอัลตราซาวนด์ UP50H และสารก่อเจลที่มีมวลโมเลกุลต่ำ ผลที่ได้คือไฮโดรเจลซูปราโมเลกุลที่ซ่อมแซมตัวเองได้ (การศึกษาและวิดีโอ: Rutgeerts et al., 2019)
 

ไฮโดรเจลที่เข้ากันได้ทางชีวภาพด้วยการใช้อัลตราซาวนด์

ในการแสวงหาไฮโดรเจลที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ ซึ่งสามารถสร้างได้อย่างสะอาด ปลอดภัย และเมื่อต้องการ กลยุทธ์การพอลิเมอไรเซชันแบบดั้งเดิมมักไม่สามารถตอบโจทย์ได้ งานของ Cass และคณะนำเสนอวิธีแก้ปัญหานี้ที่มีประสิทธิผล นั่นคือวิธีสังเคราะห์ไฮโดรเจลที่สะอาดและไม่ใช้สารริเริ่มปฏิกิริยา โดยใช้อัลตราซาวนด์ความถี่ต่ำ

การศึกษาของพวกเขาสำรวจการพอลิเมอไรเซชันทางโซโนเคมีของมอนอเมอร์ที่ละลายน้ำได้หลายชนิด แต่มีสูตรหนึ่งที่โดดเด่นเป็นพิเศษด้านประสิทธิภาพและความทนทาน ได้แก่ สารละลายเดกซ์แทรนเมทาคริเลต (Dex-MA) 5% ในตัวกลางกลีเซอรอล–น้ำที่มีกลีเซอรอล 70% ซึ่งผ่านการพอลิเมอไรเซชันด้วยอัลตราซาวนด์ที่ความเข้มปานกลาง 56 W/cm² ระบบนี้ให้ไฮโดรเจลที่ก่อตัวอย่างสมบูรณ์ภายในเวลาเพียง 6.5 นาทีอย่างน่าทึ่ง โดยมีอัตราการเปลี่ยนมอนอเมอร์เป็นพอลิเมอร์ 72% – สูงที่สุดในบรรดาสูตรทั้งหมดที่ทดสอบ

คาวิเทชันจากคลื่นเสียง: หลักการทำงานของวิธีนี้อาศัยปรากฏการณ์ที่มีพลังรุนแรงแต่เกิดขึ้นเพียงชั่วครู่ นั่นคือคาวิเทชันจากคลื่นเสียง เมื่อได้รับอัลตราซาวนด์กำลังสูง ฟองขนาดจุลภาคจะก่อตัวและยุบตัวอย่างรุนแรงในตัวกลางของเหลว ทำให้เกิดจุดร้อนเฉพาะที่ซึ่งอุณหภูมิอาจสูงกว่า 5000 เคลวินในช่วงเวลาสั้น ๆ สภาวะเหล่านี้เหนี่ยวนำให้โมเลกุลของตัวทำละลายเกิดการแตกพันธะแบบโฮโมไลติก ซึ่งทำให้เกิดอนุมูลอิสระที่ว่องไวต่อปฏิกิริยาจำนวนมากในช่วงสั้น ๆ ต่างจากการพอลิเมอไรเซชันแบบดั้งเดิมที่อาศัยสารริเริ่มปฏิกิริยาจากภายนอกหรือความร้อน อัลตราซาวนด์ให้ทั้งพลังงานและอนุมูลอิสระที่จำเป็นต่อการริเริ่มการพอลิเมอไรเซชัน – โดยอุณหภูมิของตัวกลางโดยรวมไม่สูงเกินระดับที่สอดคล้องกับสภาวะทางสรีรวิทยา

ตัวทำละลายร่วม: การเลือกกลีเซอรอลเป็นตัวทำละลายร่วมไม่ได้เป็นเรื่องบังเอิญ นอกเหนือจากการเพิ่มความหนืดของสารละลาย – ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญต่อการเพิ่มความเข้มของคาวิเทชัน – กลีเซอรอลเองยังทำหน้าที่เป็นแหล่งร่วมให้อนุมูลอิสระด้วย เป็นที่ทราบกันว่าหมู่ไฮดรอกซิลของกลีเซอรอลก่อให้เกิดอนุมูลอิสระทุติยภูมิที่ค่อนข้างเสถียร จึงเพิ่มอายุของอนุมูลอิสระและส่งเสริมการต่อสายโซ่ นอกจากนี้ สภาพแวดล้อมที่หนืดและมีกลีเซอรอลสูงยังช่วยกักสายโซ่พอลิเมอร์ที่เพิ่งเกิดขึ้น ลดความสามารถในการละลาย และป้องกันสายโซ่เหล่านี้จากการสลายตัวด้วยอัลตราซาวนด์ ซึ่งอาจเกิดขึ้นในระบบน้ำที่เจือจางกว่า

การพอลิเมอไรเซชันด้วยอัลตราซาวนด์: เพื่อศึกษาความคืบหน้าของการพอลิเมอไรเซชัน นักวิจัยใช้สเปกโทรสโกปีอินฟราเรดเพื่อติดตามการลดลงของหมู่ไวนิลบน Dex-MA ตามเวลา การดูดกลืนเฉพาะที่ 1635 cm⁻¹ – ซึ่งบ่งชี้ถึงพันธะคู่ C=C – ลดลงอย่างรวดเร็วระหว่างการใช้อัลตราซาวนด์ ขณะที่การสั่นแบบยืดของหมู่คาร์บอนิลในเอสเทอร์ที่ 1730 cm⁻¹ ยังคงคงที่และทำหน้าที่เป็นค่าอ้างอิงภายใน ข้อมูลเหล่านี้ยืนยันทั้งการเปลี่ยนหมู่ไวนิลอย่างรวดเร็วและการเชื่อมขวางในระดับสูง ดังเห็นได้จากอัตราส่วนการบวมตัวที่ต่ำและโครงสร้างเจลที่แข็งแรง

การวิเคราะห์: กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดยังเผยให้เห็นการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างจุลภาคของเจล ในระยะแรก โครงข่ายมีรูพรุนเปิดขนาดใหญ่ แต่เมื่อใช้อัลตราซาวนด์ต่อไป รูพรุนเหล่านี้จะถูกเติมด้วยโครงสร้างทุติยภูมิที่หนาแน่นกว่า เมื่อถึง 15 นาที ไฮโดรเจลแสดงสัณฐานที่มีการเชื่อมขวางอย่างสม่ำเสมอ พร้อมรูพรุนที่เชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนา – ซึ่งเป็นลักษณะเด่นของเจลทางชีวการแพทย์ที่ก่อตัวได้ดี

ผลลัพธ์: เมื่อเปรียบเทียบกับไฮโดรเจลที่ผลิตด้วยสารริเริ่มปฏิกิริยาอนุมูลอิสระที่กระตุ้นด้วยความร้อน พบความแตกต่างอย่างชัดเจน แม้ว่าวิธีทางความร้อนจะให้อัตราการเปลี่ยนที่ใกล้เคียงกันได้ แต่โครงข่ายที่เกิดขึ้นมีรูพรุนมากกว่า สม่ำเสมอน้อยกว่า และมีอัตราส่วนการบวมตัวสูงกว่า – ซึ่งเป็นสัญญาณของโครงสร้างการเชื่อมขวางที่หลวมกว่า นอกจากนี้ กระบวนการทางความร้อนยังต้องใช้การไล่ก๊าซด้วยไนโตรเจน สารเติมแต่งทางเคมี และอุณหภูมิที่สูงกว่า ขณะที่วิธีอัลตราซาวนด์ทำงานที่อุณหภูมิแวดล้อมเพียง 37°C

ประเด็นที่น่าสนใจที่สุดของงานนี้อาจเป็นข้อสังเกตว่าการพอลิเมอไรเซชันสามารถดำเนินต่อไปได้แม้หลังหยุดอัลตราซาวนด์แล้ว เจลยังคงบ่มตัวและมีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นตลอดช่วงเวลา 30 นาทีหลังยุติการใช้อัลตราซาวนด์ สิ่งนี้บ่งชี้ว่าอนุมูลอิสระที่คงอยู่หรือโครงสร้างสารมัธยันตร์ที่เกิดขึ้นระหว่างการใช้อัลตราซาวนด์อาจยังคงต่อสายโซ่พอลิเมอร์ได้โดยไม่มีการป้อนพลังงานเพิ่มเติม – พฤติกรรมนี้อาจมีนัยที่เป็นประโยชน์ต่อการประยุกต์ใช้ภายในสิ่งมีชีวิต

เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับข้อดีของการผลิตไฮโดรเจลด้วยอัลตราซาวนด์!

วิธีปฏิบัติ: การสังเคราะห์ไฮโดรเจลเดกซ์แทรนเมทาคริเลต (Dex-MA) ด้วยเครื่องอัลตราซาวนด์

ในการสังเคราะห์ไฮโดรเจล Dex-MA ที่เชื่อมขวางด้วยพันธะโคเวเลนต์ จะถ่ายเทพลังงานอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงและความถี่ต่ำเข้าสู่สารละลายกลีเซอรอล/น้ำ โดยควบคุมอุณหภูมิและความหนาแน่นพลังงานอัลตราซาวนด์อย่างแม่นยำ
ด้านล่างนี้เป็นคำแนะนำสำหรับการสังเคราะห์ไฮโดรเจลด้วยอัลตราซาวนด์ในระดับห้องปฏิบัติการ ซึ่งสามารถขยายขนาดเชิงเส้นเพื่อผลิตในปริมาณมากได้

อุปกรณ์และวัสดุ

อุปกรณ์

• เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• โซโนโทรด S26d2 (เส้นผ่านศูนย์กลางปลาย: 2 mm; แนะนำสำหรับปริมาตรขนาดเล็ก)
• ภาชนะปฏิกิริยาแบบมีแจ็กเก็ต (50 mL) ที่ใช้งานร่วมกับเครื่องกวนแม่เหล็กได้
• อ่างน้ำหมุนเวียน (ควบคุมด้วยเทอร์โมสแตตที่ 37°C)
• หัววัดอุณหภูมิ PT100 (รวมอยู่ในชุดอุปกรณ์ที่จัดส่งพร้อม UP200Ht)
• เครื่องกวนแม่เหล็ก
• เครื่องชั่งวิเคราะห์ (±0.1 mg)
• ตู้อบสุญญากาศหรือเครื่องทำแห้งแบบแช่เยือกแข็ง

สารเคมี

• เดกซ์แทรนเมทาคริเลต (Dex-MA) มีระดับการเติมหมู่เมทาคริเลต ~20%
• กลีเซอรอล ≥99.5% (ปราศจากน้ำ)
• น้ำปราศจากไอออน

สารทำปฏิกิริยาทั้งหมดควรเป็นเกรดวิเคราะห์ หลีกเลี่ยงสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนสูง และไล่ก๊าซออกจากตัวทำละลายหากทำได้

วิธีปฏิบัติทีละขั้นตอน: การพอลิเมอไรเซชันไฮโดรเจลด้วยอัลตราซาวนด์

1. การเตรียมส่วนผสมสำหรับการพอลิเมอไรเซชัน
   • ชั่ง Dex-MA 0.75 g ลงในภาชนะปฏิกิริยาแบบมีแจ็กเก็ตขนาด 50 mL
   • เติมกลีเซอรอล 10.5 g และน้ำปราศจากไอออน 3.75 g
   • กวนส่วนผสมด้วยเครื่องกวนแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้อง (~22 °C) เป็นเวลา 5–10 นาที เพื่อให้ Dex-MA ละลายอย่างสมบูรณ์ ควรได้สารละลายที่เป็นเนื้อเดียวกันและหนืดเล็กน้อย
   • อุ่นอ่างน้ำล่วงหน้าให้ถึง 37 °C และเชื่อมต่อกับภาชนะแบบมีแจ็กเก็ตเพื่อรักษาอุณหภูมิให้คงที่
2. การติดตั้งเครื่องอัลตราซาวนด์
   • ติดตั้งโซโนโทรด S26d2 เข้ากับ UP200Ht และตรวจสอบให้แน่ใจว่าจุดต่อแน่นสนิท
   • จุ่มปลายโซโนโทรดลงในส่วนผสมปฏิกิริยา หลีกเลี่ยงการสัมผัสผนังหรือก้นภาชนะ
   • วางหัววัดอุณหภูมิในสารละลายใกล้กับโซโนโทรด แต่ไม่ให้สัมผัสกันโดยตรง การจัดวางนี้ช่วยให้ใช้ระบบควบคุมอุณหภูมิที่รวมอยู่ในเครื่องอัลตราซาวนด์ได้
   • ตั้งค่าแอมพลิจูดเป็น 100%
3. การพอลิเมอไรเซชันด้วยอัลตราซาวนด์
   • เริ่มกวนที่ 100–200 rpm เพื่อรักษาการผสมให้เป็นเนื้อเดียวกันอย่างนุ่มนวล
   • เริ่มใช้อัลตราซาวนด์ที่การตั้งค่าแอมพลิจูดที่เหมาะสมเพื่อให้ความเข้ม ~56 W/cm² เป็นเวลา 6.5 นาที
   • รักษาอุณหภูมิสารละลายที่ 37°C ตลอดกระบวนการ หากส่วนผสมเริ่มร้อนขึ้น ให้เพิ่มการไหลของสารหล่อเย็นหรือเติมน้ำแข็งลงในอ่างน้ำ
   • โดยทั่วไป การเกิดเจลเริ่มขึ้นภายใน 5–6 นาที ความหนืดจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
   • หากเกิดเจลก่อน 6.5 min ให้หยุดใช้อัลตราซาวนด์เพื่อหลีกเลี่ยงการเชื่อมขวางที่มากเกินไปหรือการสลายตัว
4. การดำเนินการหลังกระบวนการและการทำให้บริสุทธิ์
   • ย้ายเจลลงในน้ำปราศจากไอออน 200 mL ทันทีขณะกวนอย่างแรง เพื่อชะมอนอเมอร์ที่ยังไม่ทำปฏิกิริยาและกลีเซอรอลออก
   • กวนเป็นเวลา 30 นาที จากนั้นรินแยกของเหลวส่วนใสด้านบนออกหรือกรอง
   • ล้างซ้ำอีก 3 ครั้งโดยใช้น้ำอุ่น (~60 °C) เพื่อช่วยให้การแพร่ดีขึ้น
   • ทำให้เจลแห้งภายใต้สุญญากาศที่ 60°C เป็นเวลา 8 ชั่วโมง หรือทำแห้งแบบแช่เยือกแข็งเพื่อให้ได้โครงสร้างที่มีรูพรุน

 
ผลลัพธ์: ไฮโดรเจลที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ
ควรได้ไฮโดรเจลที่โปร่งใสและแข็งแรง มีอัตราการเปลี่ยนสูง (~70–75%) มีการเชื่อมขวางที่ดีเยี่ยม และมีมอนอเมอร์ตกค้างน้อยที่สุด ไฮโดรเจลจะต้านทานการละลายในน้ำ และมีโครงสร้างสม่ำเสมอเมื่อทำให้แห้ง

 
ข้อควรทราบเพื่อการควบคุมกระบวนการอย่างเหมาะสมที่สุด

การขยายขนาด: เป็นเชิงเส้นและเรียบง่ายด้วยการใช้อัลตราซาวนด์

ในสาขาที่ต้องการความแม่นยำ ความบริสุทธิ์ และความสามารถในการขยายขนาดเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ วิธีอัลตราซาวนด์นี้เป็นทางเลือกที่น่าสนใจ สามารถควบคุมตำแหน่งที่เกิดกระบวนการ ปรับควบคุมได้แบบเรียลไทม์ และใช้งานร่วมกับกระบวนการต่อเนื่องผ่านระบบอัลตราซาวนด์แบบอินไลน์สมัยใหม่ได้
เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher Ultrasonics ให้แอมพลิจูดที่แม่นยำและขยายขนาดเชิงเส้นได้จากระดับห้องปฏิบัติการสู่ระดับการผลิต – จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการนำระบบไฮโดรเจลดังกล่าวไปใช้จริงในการรักษาและการวินิจฉัย

การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพที่ผลิตในเยอรมนี

เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher เป็นที่รู้จักในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบที่สูงที่สุด ความทนทานและการใช้งานที่ง่ายช่วยให้สามารถผสานเครื่องอัลตราซาวนด์ของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher รับมือกับสภาวะที่รุนแรงและสภาพแวดล้อมที่มีข้อเรียกร้องสูงได้อย่างง่ายดาย

Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่มีเทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานง่าย แน่นอนว่าเครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher เป็นไปตามข้อกำหนด CE และตรงตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs

ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา: