Ультразвукова полімеризація гідрогелів: протокол і масштабування

Ультразвукова індукована полімеризація пропонує підхід без радикалів і без ініціаторів для синтезу гідрогелів із водорозчинних вінілових мономерів і макромономерів. Ця методологія використовує сонохімічне утворення радикалів через кавітацію та ідеально підходить для біомедичних застосувань, де слід уникати залишків ініціаторів.

Гідрогели – це тривимірні гідрофільні полімерні мережі, здатні утримувати значну кількість води, зберігаючи структурну цілісність – властивість, що виникає завдяки зшитим полімерним ланцюгам. Їхні фізико-хімічні властивості – набухання, механічна міцність і біосумісність – роблять їх надзвичайно привабливими для біомедичних застосувань, включаючи доставку ліків, тканеву інженерію та загоєння ран.

Перевага ультразвукової полімеризації гідрогелів

Традиційно синтез гідрогелів спирається на термічне, фотохімічне або хімічне зшивання; однак ультразвуковий синтез гідрогелів набуває значної популярності, оскільки метод ультразвукової обробки пропонує простий, регульований і більш екологічний підхід без реагентів. Ультразвуковий синтез гідрогелів використовує акустичну кавітацію для сприяння полімеризації та фізичному або хімічному зшиванню без потреби в зовнішніх ініціаторах. Примітно, що ультразвукова обробка також може сприяти дисперсії наночастинок in situ або ініціювати радикальні реакції у водних середовищах, роблячи її універсальним інструментом для створення багатофункціональних або нанокомпозитних гідрогелів у м’яких умовах.

Відеокліп вище демонструє ультразвуковий синтез гідрогелу за допомогою сонікатора UP50H і гелеутворювача з низькою молекулярною масою. Результатом є самовідновлюваний супрамолекулярний гідрогель. (Дослідження та відео: Rutgeerts et al., 2019)
 

Біосумісні гідрогели за допомогою ультразвукової обробки

У пошуках біосумісних гідрогелів, які можна формувати чисто, безпечно та за запитом, традиційні стратегії полімеризації часто виявляються недостатніми. Робота Касса та колег пропонує ефективне рішення цієї проблеми: чистий метод синтезу гідрогелів без ініціаторів із використанням низькочастотного ультразвуку.

Їхнє дослідження вивчає сонохімічну полімеризацію різних водорозчинних мономерів, але одна формуляція виділилася як особливо ефективна та надійна: 5% розчин декстран-метакрилату (Dex-MA) у 70% гліцерин-воді, полімеризований під дією ультразвуку при помірній інтенсивності 56 W/cm². Примітно, що ця система дала повністю сформований гідрогель лише за 6,5 хвилини, досягнувши конверсії мономера в полімер 72% – найвищої серед усіх випробуваних формуляцій.

Акустична кавітація: Принцип дії цього методу базується на явищі, яке є одночасно потужним і тимчасовим: акустичній кавітації. При дії потужного ультразвуку в рідкому середовищі утворюються та бурхливо руйнуються мікроскопічні бульбашки, створюючи локальні гарячі точки, де температура може короткочасно перевищувати 5000 Кельвінів. Ці умови спричиняють гомолітичний розрив молекул розчинника, виробляючи сплеск реакційних радикалів. На відміну від звичайної полімеризації, яка залежить від зовнішніх ініціаторів або тепла, ультразвук забезпечує як енергію, так і радикали, необхідні для ініціювання полімеризації – без перевищення фізіологічно релевантних об’ємних температур.

Співрозчинник: Вибір гліцерину як співрозчинника не був випадковим. Окрім підвищення в’язкості розчину – критичного фактора для посилення інтенсивності кавітації – гліцерин сам діє як кодонор радикалів. Його гідроксильні групи, як відомо, утворюють відносно стабільні вторинні радикали, тим самим збільшуючи час життя радикалів і сприяючи ланцюговій реакції. Крім того, в’язке середовище, багате на гліцерин, допомагає захоплювати зародкові полімерні ланцюги, зменшуючи їхню розчинність і захищаючи їх від ультразвукової деградації, яка може відбуватися в більш розбавлених водних системах.

Ультразвукова полімеризація: Для характеристики прогресу полімеризації дослідники використовували інфрачервону спектроскопію, відстежуючи виснаження вінілових груп у Dex-MA з часом. Характерне поглинання при 1635 cm⁻¹ – що свідчить про подвійні зв’язки C=C – швидко зменшувалося під час ультразвукової обробки, тоді як валентне коливання естерного карбонілу при 1730 cm⁻¹ залишалося постійним, слугуючи внутрішнім референсом. Ці дані підтвердили не лише швидку конверсію вінілу, а й високий ступінь зшивання, про що свідчили низькі коефіцієнти набухання та міцні структури гелю.

Аналіз: Скануюча електронна мікроскопія додатково виявила еволюцію мікроструктури гелю. На ранніх етапах мережа мала великі відкриті пори, але з продовженням ультразвукової обробки вони заповнювалися щільнішою вторинною структурою. До 15 хвилин гідрогель демонстрував однорідно зшитий морфологічний вигляд із щільно взаємопов’язаними порами – ознакою добре сформованих біомедичних гелів.

Результат: У порівнянні з гідрогелями, виробленими за допомогою термічних ініціаторів вільнорадикальної полімеризації, відмінності були вражаючими. Хоча подібні конверсії можна було досягти термічним шляхом, отримані мережі були більш пористими, менш однорідними та демонстрували вищі коефіцієнти набухання – ознаки більш слабкої архітектури зшивання. Крім того, термічний процес вимагав продування азотом, хімічних добавок і вищих температур, тоді як ультразвуковий підхід функціонував при кімнатній температурі всього 37°C.

Мабуть, найцікавішим аспектом цієї роботи є спостереження, що полімеризація може тривати навіть після зупинки ультразвуку. Гель продовжував затвердівати та збільшувати міцність протягом 30-хвилинного періоду після припинення ультразвукової обробки. Це свідчить про те, що стійкі радикальні види або проміжні структури, утворені під час ультразвукової обробки, можуть продовжувати поширювати полімерні ланцюги без подальшого енергетичного входу – поведінка з потенційно корисними наслідками для in vivo застосувань.

Дізнайтеся більше про переваги ультразвукового виробництва гідрогелів!

Протокол: Ультразвуковий синтез гідрогелю метакрилату декстрану (Dex-MA) за допомогою сонікатора

Для синтезу ковалентно зшитого гідрогелю Dex-MA високоефектний низькочастотний ультразвук вводиться у розчин гліцерину/води. Температура та щільність ультразвукової енергії точно контролюються.
Нижче ми наводимо інструкції для ультразвукового синтезу гідрогелів у лабораторних масштабах, які можна лінійно масштабувати до великих обсягів.

Обладнання та матеріали

Обладнання

• Ультразвуковий процесор Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• Сонотрод S26d2 (діаметр наконечника: 2 mm; рекомендований для малих обсягів)
• Реакційна посудина з сорочкою (50 mL), сумісна з магнітною мішалкою
• Циркуляційна водяна ванна (термостатована при 37°C)
• Температурний зонд PT100 (входить до комплекту поставки UP200Ht)
• Магнітна мішалка
• Аналітичні ваги (±0,1 mg)
• Вакуумна піч або ліофілізатор

Хімікати

• Метакрилат декстрану (Dex-MA), ~20% метакрилювання
• Гліцерин, ≥99,5% (безводний)
• Деіонізована вода

Усі реагенти повинні бути аналітичного класу. Уникайте середовищ, багатих на кисень; дегазуйте розчинники, якщо можливо.

Покрокова процедура: Ультразвукова полімеризація гідрогелів

1. Підготовка суміші для полімеризації
   • Зважте 0,75 g Dex-MA у реакційну посудину з сорочкою об’ємом 50 mL.
   • Додайте 10,5 g гліцерину та 3,75 g деіонізованої води.
   • Перемішуйте суміш магнітною мішалкою при кімнатній температурі (~22 °C) протягом 5–10 хвилин, щоб повністю розчинити Dex-MA. Повинен утворитися злегка в’язкий, однорідний розчин.
   • Попередньо нагрійте водяну баню до 37 °C і підключіть її до реактора з сорочкою для підтримання постійної температури.
2. Налаштування ультразвукового гомогенізатора
   • Закріпіть сонотрод S26d2 на UP200Ht і забезпечте щільне з’єднання.
   • Занурте наконечник сонотрода в реакційну суміш. Уникайте контакту зі стінками або дном ємності.
   • Розмістіть температурний зонд у розчині поблизу сонотрода, але не в прямому контакті з ним. Це дозволить використовувати інтегроване температурне регулювання ультразвукового гомогенізатора.
   • Встановіть амплітуду на 100%.
3. Ультразвукова полімеризація
   • Почніть перемішування зі швидкістю 100–200 об/хв для підтримання м’якої гомогенізації.
   • Почніть ультразвукову обробку на відповідному налаштуванні амплітуди, щоб забезпечити ~56 W/cm² протягом 6,5 хвилин.
   • Підтримуйте температуру розчину на рівні 37°C протягом усього процесу. Якщо суміш починає нагріватися, збільшіть потік охолоджувальної рідини або додайте лід у водяну баню.
   • Гелеутворення зазвичай починається протягом 5–6 хвилин. В’язкість різко зросте.
   • Якщо гелеутворення відбувається раніше 6,5 хв, зупиніть ультразвукову обробку, щоб уникнути надмірного зшивання або деградації.
4. Постобробка та очищення
   • Негайно перенесіть гель у 200 mL деіонізованої води при інтенсивному перемішуванні, щоб вимити неперероблений мономер і гліцерин.
   • Перемішуйте протягом 30 хвилин, потім злийте надосадову рідину або відфільтруйте.
   • Повторіть промивання ще 3 рази, використовуючи теплу воду (~60 °C) для покращення дифузії.
   • Висушіть гель під вакуумом при 60°C протягом 8 годин або ліофілізуйте для отримання пористих структур.

 
Результат: біосумісний гідрогель
Ви повинні отримати прозорий, міцний гідрогель з високим ступенем перетворення (~70–75%), чудовим зшиванням і мінімальною кількістю залишкового мономеру. Гідрогель буде стійким до розчинення у воді і демонструватиме однорідну структуру після висушування.

Примітки щодо оптимального контролю процесу

Масштабування: лінійне та просте за допомогою ультразвукової обробки

У галузі, яка дедалі більше вимагає точності, чистоти та масштабованості, цей ультразвуковий метод пропонує переконливу альтернативу. Він є просторово контрольованим, налаштовуваним у реальному часі та сумісним з безперервним обробленням за допомогою сучасних ультразвукових потокових систем.
Ультразвукові гомогенізатори від Hielscher Ultrasonics забезпечують точні амплітуди та масштабуються лінійно від лабораторного до виробничого масштабу–роблячи їх ідеальними для перенесення таких систем гідрогелів у реальні терапевтичні та діагностичні застосування.

Розробка, виробництво та консалтинг – якість, зроблена в Німеччині

Ультразвукові гомогенізатори Hielscher відомі своєю найвищою якістю та стандартами дизайну. Міцність і простота експлуатації дозволяють легко інтегрувати наші ультразвукові гомогенізатори в промислові об’єкти. Жорсткі умови та вимогливі середовища легко витримуються ультразвуковими гомогенізаторами Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є компанією, сертифікованою за ISO, і приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим гомогенізаторам, що мають передову технологію та зручність у використанні. Звичайно, ультразвукові гомогенізатори Hielscher відповідають вимогам CE та задовольняють вимоги UL, CSA та RoHs.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових гомогенізаторів: