Ультразвукова полімеризація гідрогелів: протокол і масштабування

Полімеризація, індукована ультразвуком, забезпечує підхід до синтезу гідрогелів без радикалів і макромономерів з водорозчинних вінілових мономерів і макромономерів. Ця методологія використовує сонохімічну генерацію радикалів шляхом кавітації та ідеально підходить для біомедичних застосувань, де необхідно уникати залишків ініціаторів.

Гідрогелі - це тривимірні гідрофільні полімерні мережі, здатні утримувати значну кількість води, зберігаючи при цьому структурну цілісність - властивість, що виникає завдяки зшитим полімерним ланцюгам. Їх фізико-хімічні властивості - набухання, механічна міцність і біосумісність - роблять їх дуже привабливими для біомедичних застосувань, включаючи доставку ліків, тканинну інженерію і загоєння ран.

Перевага ультразвукової гідрогелевої полімеризації

Традиційно синтез гідрогелю ґрунтується на термічному, фотохімічному або хімічному зшиванні; Однак синтез ультразвукового гідрогелю набуває значної популярності, оскільки метод ультразвуку пропонує простий підхід без реагентів, що налаштовується, і більш екологічний. Синтез ультразвукового гідрогелю використовує акустичну кавітацію для сприяння полімеризації та фізичному або хімічному зшиванню без необхідності використання зовнішніх ініціаторів. Примітно, що ультразвук також може полегшити диспергування наночастинок in situ або ініціювати радикальні реакції у водному середовищі, що робить його універсальним інструментом для створення багатофункціональних або нанокомпозитних гідрогелів у помірних умовах.

У відеоролику вище показаний ультразвуковий синтез гідрогелю за допомогою сонікатора UP50H і низькомолекулярний гелятор. В результаті виходить супрамолекулярний гідрогель, що самовідновлюється. (Етюд і фільм: Рутгертс та ін., 2019)
 

Біосумісні гідрогелі з ультразвуковим випромінюванням

У пошуках біосумісних гідрогелів, які можна формувати чисто, безпечно та на вимогу, традиційні стратегії полімеризації часто не вдається. У роботі Касса і його колег представлено ефективне рішення цієї проблеми: чистий, безініціаторний метод синтезу гідрогелю за допомогою низькочастотного ультразвуку.

У їхньому дослідженні вивчається сонохімічна полімеризація різних водорозчинних мономерів, але один склад виявився особливо ефективним і міцним: 5% розчин декстранметакрилату (Dex-MA) у 70% гліцерин-вода, полімеризований під дією ультразвуку при помірній інтенсивності 56 Вт/см². Примітно, що ця система дала повністю сформований гідрогель всього за 6,5 хвилин, досягнувши перетворення мономеру в полімер на 72% - найвищий показник серед усіх протестованих складів.

Акустична кавітація: Принцип роботи цього методу ґрунтується на явищі, настільки ж потужному, як і швидкоплинному: акустичній кавітації. Під впливом потужного ультразвуку в рідкому середовищі утворюються мікроскопічні бульбашки, які бурхливо руйнуються, створюючи локальні гарячі точки, де температура може ненадовго перевищувати 5000 Кельвінів. Ці умови індукують гомолітичне розщеплення молекул розчинника, що призводить до вивільнення активних радикалів. На відміну від звичайної полімеризації, яка залежить від зовнішніх ініціаторів або тепла, ультразвук забезпечує як енергію, так і радикали, необхідні для ініціювання полімеризації, не перевищуючи фізіологічно релевантних об'ємних температур.

Співсольвент: Вибір гліцерину як співрозчинника не був випадковим. Крім збільшення в'язкості розчину - критичного фактора для підвищення інтенсивності кавітації - гліцерин сам виступає в ролі ко-донора радикалів. Відомо, що його гідроксильні групи утворюють відносно стабільні вторинні радикали, тим самим збільшуючи час життя радикалів і сприяючи поширенню ланцюгів. Крім того, в'язке середовище, багате на гліцерин, допомагає утримувати полімерні ланцюги, що зароджуються, зменшуючи їхню розчинність і захищаючи їх від ультразвукової деструкції, яка може відбуватися в більш розбавлених водних системах.

Ультразвукова полімеризація: Для характеристики перебігу полімеризації дослідники використовували інфрачервону спектроскопію, відстежуючи виснаження вінільних груп на Dex-MA з плином часу. Характерне поглинання при 1635 см-¹, що вказує на подвійні зв'язки C=C, швидко зменшувалося під час ультразвукової обробки, в той час як карбонільне розтягнення естеру при 1730 см-¹ залишалося постійним, слугуючи внутрішнім еталоном. Ці дані підтвердили не тільки швидку конверсію вінілу, але й високий ступінь зшивання, про що свідчать низькі коефіцієнти набрякання та міцні гелеві структури.

Аналіз: Скануюча електронна мікроскопія надалі виявила еволюцію мікроструктури гелю. На ранніх стадіях мережа мала великі відкриті пори, але з продовженням ультразвукової обробки вони заповнювалися більш щільною вторинною структурою. Через 15 хвилин гідрогель мав однорідну зшиту морфологію з тісно пов'язаними між собою порами - ознака добре сформованих біомедичних гелів.

Результат: У порівнянні з гідрогелями, отриманими з використанням термічних вільнорадикальних ініціаторів, відмінності були вражаючими. Хоча подібних перетворень можна було досягти термічним способом, отримані мережі були більш пористими, менш однорідними і демонстрували вищі коефіцієнти набухання - ознаки більш слабкої архітектури зшивання. Крім того, термічний процес вимагав продувки азотом, хімічних добавок і більш високих температур, тоді як ультразвуковий підхід функціонував при температурі навколишнього середовища всього 37°C.

Мабуть, найбільш інтригуючим аспектом цієї роботи є спостереження, що полімеризація може продовжуватися навіть після припинення дії ультразвуку. Гель продовжував затвердівати і збільшуватися в міцності протягом 30-хвилинного періоду після припинення обробки ультразвуком. Це свідчить про те, що стійкі радикальні види або проміжні структури, утворені під час ультразвукової обробки, можуть продовжувати поширювати полімерні ланцюги за відсутності подальшого введення енергії - поведінка з потенційно корисними наслідками для застосування in vivo.

Дізнайтеся більше про переваги виробництва ультразвукового гідрогелю!

Протокол: Ультразвуковий синтез гідрогелю декстран-метакрилату (Dex-MA) за допомогою звукового апарату

Для синтезу ковалентно зшитого гідрогелю Dex-MA високоінтенсивний низькочастотний ультразвук з'єднують з розчином гліцерин/вода. Точно контролюється температура і щільність енергії ультразвуку.
Нижче ми даємо вам інструкції щодо синтезу ультразвукового гідрогелю в лабораторних масштабах, який може бути лінійно масштабований до великих кількостей.

Обладнання та матеріали

Обладнання

• Ультразвуковий процесор Hielscher UP200Ht (200 Вт, 26 кГц)
• Sonotrode S26d2 (діаметр наконечника: 2 мм; рекомендується для невеликих обсягів)
• Реакційна посудина з сорочкою (50 мл), сумісна з магнітною мішалкою
• Циркулююча водяна баня (термостатичне регулювання при 37°C)
• Датчик температури PT100 (входить в комплект поставки UP200Ht)
• Магнітна мішалка
• Аналітичний баланс (±0,1 мг)
• Вакуумна піч або ліофілізатор

Хімічних речовин

• Декстранметакрилат (Dex-MA), ~20% метакрилування
• Гліцерин, ≥99,5% (безводний)
• Деіонізована вода

Всі реактиви повинні бути аналітичного класу. Уникайте середовища, багатого киснем; по можливості дегазувати розчинники.

Покрокова процедура: ультразвукова гідрогелева полімеризація

1. Приготування полімеризаційної суміші
   • Зважте 0,75 г Dex-MA в реакційну посудину з сорочкою об'ємом 50 мл.
   • Додайте 10,5 г гліцерину та 3,75 г деіонізованої води.
   • Перемішайте суміш магнітно при кімнатній температурі (~22 °C) протягом 5–10 хвилин до повного розчинення Dex-MA. В результаті повинен вийти злегка в'язкий, однорідний розчин.
   • Розігрійте водяну баню до 37 °C і підключіть її до посудини з сорочкою для підтримки постійної температури.
2. Налаштування Sonicator
   • Встановіть сонотрод S26d2 на UP200Ht і забезпечте щільне зчеплення.
   • Занурте кінчик сонотроду в реакційну суміш. Уникайте торкання стінок або дна посудини.
   • Помістіть температурний зонд у розчин близько до сонотроду, але не в безпосередньому контакті. Це дозволяє використовувати вбудований регулятор температури звукорежисера.
   • Встановіть амплітуду 100%.
3. ультразвукова полімеризація
   • Починайте перемішувати зі швидкістю 100–200 об/хв, щоб підтримувати м'яку гомогенізацію.
   • Почніть ультразвукове дослідження з відповідним налаштуванням амплітуди, щоб забезпечити ~56 Вт/см² протягом 6,5 хвилин.
   • Підтримуйте температуру розчину на рівні 37 ° C. Якщо суміш почне нагріватися, збільште подачу охолоджуючої рідини або додайте на водяну баню лід.
   • Студнеобразование зазвичай починається протягом 5-6 хвилин. В'язкість різко збільшиться.
   • Якщо гелеутворення відбулося до 6,5 хв, припиніть ультразвукову діагностику, щоб уникнути надмірного зшивання або деградації.
4. Постобробка та очищення
   • Негайно перенесіть гель у 200 мл деіонізованої води під енергійним перемішуванням для вимивання мономера та гліцерину, що не прореагували.
   • Перемішують протягом 30 хвилин, потім зціджують супернатант або проціджують.
   • Повторіть прання ще 3 рази з використанням теплої води (~60 °C) для кращої дифузії.
   • Висушіть гель під вакуумом при температурі 60°C протягом 8 годин, або ліофілізуйте для пористих структур.

 
Результат: біосумісний гідрогель
Ви повинні отримати прозорий, міцний гідрогель з високою конверсією (~70–75%), відмінним зшиванням і мінімальним залишковим мономером. Гідрогель буде чинити опір розчиненню у воді і проявляти однорідну структуру при висиханні.

 
Примітки щодо оптимального керування процесом

Масштабування: лінійне та просте з ультразвуковим звуком

У галузі, яка все більше вимагає точності, чистоти та масштабованості, цей ультразвуковий метод пропонує переконливу альтернативу. Він просторово керований, налаштовується в режимі реального часу і сумісний з безперервною обробкою за допомогою сучасних ультразвукових вбудованих систем.
Ультразвукові прилади Hielscher Ultrasonics забезпечують точну амплітуду і масштаб лінійно від лабораторного до виробничого масштабу, що робить їх ідеальними для перекладу таких гідрогелевих систем в реальні терапевтичні та діагностичні програми.

Проектування, виробництво та консалтинг – Якість зроблено в Німеччині

Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. З важкими умовами та вимогливими умовами легко справляються ультразвукові апарати Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є сертифікованою компанією ISO і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, які відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для використання. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: