Hidrojellerin Ultrasonik Polimerizasyonu: Protokol ve Ölçek Büyütme

Ultrason kaynaklı polimerizasyon, suda çözünür vinil monomerlerden ve makromonomerlerden hidrojellerin sentezlenmesi için radikal içermeyen, başlatıcı içermeyen bir yaklaşım sunar. Bu metodoloji, kavitasyon yoluyla radikallerin sonokimyasal oluşumundan yararlanır ve başlatıcı kalıntılarından kaçınılması gereken biyomedikal uygulamalar için idealdir.

Hidrojeller, çapraz bağlı polimer zincirlerinden kaynaklanan bir özellik olan yapısal bütünlüğü korurken önemli miktarda suyu tutabilen üç boyutlu, hidrofilik polimer ağlarıdır. Fizikokimyasal özellikleri - şişme davranışı, mekanik mukavemet ve biyouyumluluk - onları ilaç dağıtımı, doku mühendisliği ve yara iyileşmesi dahil olmak üzere biyomedikal uygulamalar için oldukça çekici kılar.

Ultrasonik Hidrojel Polimerizasyonunun Avantajı

Geleneksel olarak, hidrojel sentezi termal, fotokimyasal veya kimyasal çapraz bağlamaya dayanır; Bununla birlikte, ultrasonik hidrojel sentezi, sonikasyon yöntemi basit bir reaktif içermeyen, ayarlanabilir ve daha yeşil bir yaklaşım sunduğundan önemli bir çekiş kazanmaktadır. Ultrasonik hidrojel sentezi, harici başlatıcılara ihtiyaç duymadan polimerizasyonu ve fiziksel veya kimyasal çapraz bağlamayı teşvik etmek için akustik kavitasyon kullanır. Özellikle, ultrasonikasyon ayrıca yerinde nanopartikül dağılımını kolaylaştırabilir veya sulu ortamda radikal reaksiyonları başlatabilir, bu da onu hafif koşullar altında çok işlevli veya nanokompozit hidrojeller oluşturmak için çok yönlü bir araç haline getirir.

Yukarıdaki video klip, bir hidrojelin ultrasonik sentezini göstermektedir sonikatör UP50H'yi kullanma ve düşük moleküler ağırlıklı bir jelatör. Sonuç, kendi kendini iyileştiren bir supramoleküler hidrojeldir. (Çalışma ve film: Rutgeerts ve ark., 2019)
 

Sonikasyon ile Biyouyumlu Hidrojeller

Temiz, güvenli ve talep üzerine oluşturulabilen biyouyumlu hidrojel arayışında, geleneksel polimerizasyon stratejileri genellikle yetersiz kalmaktadır. Cass ve meslektaşları tarafından yapılan çalışma, bu soruna etkili bir çözüm sunuyor: düşük frekanslı ultrason kullanarak hidrojel sentezi için temiz, başlatıcı içermeyen bir yöntem.

Çalışmaları, çeşitli suda çözünür monomerlerin sonokimyasal polimerizasyonunu araştırıyor, ancak bir formülasyon özellikle verimli ve sağlam olarak göze çarpıyordu: p gliserol-su içinde %5'lik bir dekstran metakrilat (Dex-MA) çözeltisi, ultrason altında 56 W/cm²'lik orta yoğunlukta polimerize edilmiştir. Dikkat çekici bir şekilde, bu sistem sadece 6,5 dakikada tam olarak oluşturulmuş bir hidrojel verdi ve test edilen tüm formülasyonlar arasında en yüksek olan r'lik bir monomerden polimere dönüşüm elde etti.

Akustik Kavitasyon: Bu yöntemin çalışma prensibi, geçici olduğu kadar güçlü bir fenomene dayanmaktadır: akustik kavitasyon. Güç ultrasonuna maruz kaldığında, mikroskobik kabarcıklar sıvı ortamda şiddetli bir şekilde oluşur ve çöker, sıcaklıkların kısa bir süre için 5000 Kelvin'i aşabileceği lokalize sıcak noktalar oluşturur. Bu koşullar, çözücü moleküllerinin homolitik bölünmesini indükleyerek bir reaktif radikal patlaması üretir. Dış başlatıcılara veya ısıya bağlı olan geleneksel polimerizasyonun aksine, ultrason, fizyolojik olarak ilgili yığın sıcaklıklarını aşmadan polimerizasyonu başlatmak için gereken enerjiyi ve radikalleri sağlar.

Yardımcı Çözücü: Yardımcı çözücü olarak gliserol seçimi tesadüfi değildi. Çözeltinin viskozitesini arttırmanın ötesinde - kavitasyon yoğunluğunu arttırmak için kritik bir faktör - gliserolün kendisi radikal bir yardımcı donör görevi görür. Hidroksil gruplarının nispeten kararlı ikincil radikaller ürettiği, böylece radikal ömürlerini arttırdığı ve zincir yayılımını teşvik ettiği bilinmektedir. Ek olarak, viskoz gliserol açısından zengin ortam, yeni ortaya çıkan polimer zincirlerinin yakalanmasına yardımcı olur, çözünürlüklerini azaltır ve onları daha seyreltik sulu sistemlerde meydana gelebilecek ultrasonik bozulmadan korur.

Ultrasonik Polimerizasyon: Polimerizasyonun ilerlemesini karakterize etmek için araştırmacılar, zaman içinde Dex-MA üzerindeki vinil gruplarının tükenmesini izleyen kızılötesi spektroskopi kullandılar. 1635 cm⁻¹'deki karakteristik absorpsiyon - C = C çift bağlarının göstergesi - sonikasyon sırasında hızla azalırken, 1730 cm⁻¹'deki ester karbonil gerilmesi sabit kaldı ve dahili bir referans olarak hizmet etti. Bu veriler, yalnızca hızlı vinil dönüşümünü değil, aynı zamanda düşük şişme oranları ve sağlam jel yapıları ile kanıtlandığı gibi yüksek derecede çapraz bağlamayı da doğruladı.

Analiz: Taramalı elektron mikroskobu, jelin mikro yapısının evrimini daha da ortaya çıkardı. Erken aşamalarda, ağ büyük, açık gözeneklere sahipti, ancak sürekli sonikasyon ile bunlar daha yoğun bir ikincil yapı ile dolduruldu. 15 dakika boyunca, hidrojel, iyi şekillendirilmiş biyomedikal jellerin ayırt edici özelliği olan, sıkıca birbirine bağlı gözeneklere sahip homojen bir şekilde çapraz bağlı bir morfoloji sergiledi.

Sonuç: Termal serbest radikal başlatıcılarla üretilen hidrojellerle karşılaştırıldığında, farklılıklar çarpıcıydı. Benzer dönüşümler termal olarak elde edilebilse de, ortaya çıkan ağlar daha gözenekli, daha az homojendi ve daha yüksek şişme oranları sergiledi - daha gevşek bir çapraz bağlama mimarisinin işaretleri. Ayrıca, termal işlem nitrojen temizleme, kimyasal katkı maddeleri ve daha yüksek sıcaklıklar gerektirirken, ultrasonik yaklaşım sadece 37 ° C'lik ortam sıcaklığında çalıştı.

Belki de bu çalışmanın en ilgi çekici yönü, ultrason durdurulduktan sonra bile polimerizasyonun devam edebileceği gözlemidir. Jel, sonikasyonun kesilmesini takiben 30 dakikalık bir süre boyunca sertleşmeye ve mukavemeti artmaya devam etti. Bu, sonikasyon sırasında oluşan kalıcı radikal türlerin veya ara yapıların, daha fazla enerji girişi olmadığında polimer zincirlerini yaymaya devam edebileceğini düşündürmektedir - in vivo uygulamalar için potansiyel olarak yararlı etkileri olan bir davranış.

Ultrasonik hidrojel üretiminin avantajları hakkında daha fazla bilgi edinin!

Protokol: Bir Sonikatör kullanarak Dekstran Metakrilat (Dex-MA) Hidrojelin Ultrasonik Sentezi

Kovalent olarak çapraz bağlı bir Dex-MA hidrojeli sentezlemek için, yüksek yoğunluklu, düşük frekanslı ultrason bir gliserol/su çözeltisine bağlanır. Sıcaklık ve ultrason enerji yoğunluğu hassas bir şekilde kontrol edilir.
Aşağıda, size laboratuvar ölçeğinde ultrasonik hidrojel sentezi için talimatlar veriyoruz, bu da doğrusal olarak büyük miktarlara ölçeklendirilebilir.

Ekipman ve Malzemeler

Ekipman

• Hielscher UP200Ht Ultrasonik İşlemci (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (uç çapı: 2 mm; küçük ölçekli hacimler için önerilir)
• Ceketli reaksiyon kabı (50 mL), manyetik karıştırıcı ile uyumlu
• Sirkülasyonlu su banyosu (37°C'de termostatik olarak kontrol edilir)
• Sıcaklık probu PT100 (UP200Ht'nin teslimat kapsamına dahildir)
• Manyetik karıştırıcı
• Analitik terazi (±0,1 mg)
• Vakumlu fırın veya liyofilizatör

kimyasal

• Dekstran Metakrilat (Dex-MA), ~ metakrilasyon
• Gliserol, %≥99,5 (susuz)
• Deiyonize su

Tüm reaktifler analitik kalitede olmalıdır. Oksijen açısından zengin ortamlardan kaçının; mümkünse çözücülerin gazını alın.

Adım adım prosedür: ultrasonik hidrojel polimerizasyonu

1. Polimerizasyon Karışımının Hazırlanması
   • 0.75 g Dex-MA'yı 50 mL ceketli bir reaksiyon kabına tartın.
   • 10.5 g gliserol ve 3.75 g deiyonize su ekleyin.
   • Dex-MA'yı tamamen çözmek için karışımı oda sıcaklığında (~ 22 ° C) 5-10 dakika manyetik olarak karıştırın. Hafif viskoz, homojen bir çözelti elde edilmelidir.
   • Su banyosunu önceden 37 °C'ye ısıtın ve sabit sıcaklığı korumak için ceketli kaba bağlayın.
2. Sonicator Kurulumu
   • S26d2 sonotrotunu UP200Ht'ye monte edin ve sıkı bir bağlantı sağlayın.
   • Sonotrotun ucunu reaksiyon karışımına daldırın. Kap duvarlarına veya tabanına dokunmaktan kaçının.
   • Sıcaklık probunu, sonotrota yakın, ancak doğrudan temas etmeyecek şekilde çözeltiye yerleştirin. Bu, sonikatörün entegre sıcaklık kontrolünü kullanmanıza izin verir.
   • Genliği 0 olarak ayarlayın.
3. ultrasonik polimerizasyon
   • Nazik homojenizasyonu sağlamak için 100–200 rpm'de karıştırmaya başlayın.
   • 6,5 dakika boyunca ~ 56 W / cm² sağlamak için uygun genlik ayarında sonikasyona başlayın.
   • Çözelti sıcaklığını baştan sona 37°C'de tutun. Karışım ısınmaya başlarsa, soğutucu akışını artırın veya su banyosuna buz ekleyin.
   • Jelleşme tipik olarak 5-6 dakika içinde başlar. Viskozite keskin bir şekilde artacaktır.
   • Jelleşme 6,5 dakikadan önce meydana gelirse, aşırı çapraz bağlanmayı veya bozulmayı önlemek için sonikasyonu durdurun.
4. İşlem Sonrası ve Saflaştırma
   • Reaksiyona girmemiş monomer ve gliserolün dışarı sızması için jeli hemen 200 mL deiyonize suya kuvvetlice karıştırarak aktarın.
   • 30 dakika karıştırın, ardından süpernatanı veya filtreyi boşaltın.
   • Daha iyi difüzyon için ılık su (~ 60 ° C) kullanarak 3 kez daha yıkayın.
   • Jeli 8 saat boyunca 60 ° C'de vakum altında kurutun veya gözenekli yapılar için liyofilize edin.

 
Sonuç: Biyouyumlu Bir Hidrojel
Yüksek dönüşüm (~p-75), mükemmel çapraz bağlama ve minimum kalıntı monomer ile şeffaf, sağlam bir hidrojel elde etmelisiniz. Hidrojel suda çözünmeye direnecek ve kuruduktan sonra homojen bir yapı sergileyecektir.

 
Optimum proses kontrolü için notlar

Scale-Up: Sonication ile Doğrusal ve Basit

Giderek daha fazla hassasiyet, saflık ve ölçeklenebilirlik gerektiren bir alanda, bu ultrasonik yöntem zorlayıcı bir alternatif sunuyor. Mekansal olarak kontrol edilebilir, gerçek zamanlı olarak ayarlanabilir ve modern ultrasonik satır içi sistemler kullanılarak sürekli işleme ile uyumludur.
Hielscher Ultrasonics'in sonikatörleri, laboratuvardan üretim ölçeğine doğrusal olarak kesin genlikler ve ölçekler sunar - bu da onları bu tür hidrojel sistemlerini gerçek dünyadaki terapötik ve teşhis uygulamalarına çevirmek için ideal hale getirir.

Tasarım, İmalat ve Danışmanlık – Almanya'da Üretilen Kalite

Hielscher ultrasonicators en yüksek kalite ve tasarım standartları için iyi bilinir. Sağlamlık ve kolay kullanım, ultrasonicators'ımızın endüstriyel tesislere sorunsuz bir şekilde entegre edilmesini sağlar. Zorlu koşullar ve zorlu ortamlar Hielscher ultrasonicators tarafından kolayca ele alınır.

Hielscher Ultrasonics, ISO sertifikalı bir şirkettir ve en son teknoloji ve kullanıcı dostu özelliklere sahip yüksek performanslı ultrasonicators'a özel önem vermektedir. Tabii ki, Hielscher ultrasonicators CE uyumludur ve UL, CSA ve RoHs gereksinimlerini karşılar.

Aşağıdaki tablo size ultrasonicators'ımızın yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesini verir: