Ультразвуковий синтез молекулярно-імпринтованих полімерів (MIP)

Молекулярно-імпринтовані полімери (MIP) – це штучно спроектовані рецептори з передвизначеною селективністю та специфічністю щодо заданої структури біологічної або хімічної молекули. Ультразвукова обробка може покращити різні шляхи синтезу молекулярно-імпринтованих полімерів, роблячи полімеризацію більш ефективною та надійною.

Що таке молекулярно-імпринтовані полімери?

Молекулярно-імпринтований полімер (MIP) – це полімерний матеріал з характеристиками розпізнавання, подібними до антитіл, який був вироблений за допомогою техніки молекулярного імпринтингу. Техніка молекулярного імпринтингу виробляє молекулярно-імпринтований полімер відносно специфічної цільової молекули. Молекулярно-імпринтований полімер має порожнини у своїй полімерній матриці зі спорідненістю до специфічної молекули-«шаблону». Процес зазвичай включає ініціювання полімеризації мономерів у присутності молекули-шаблону, яка вилучається після цього, залишаючи комплементарні порожнини. Ці полімери мають спорідненість до оригінальної молекули та використовувалися у таких застосуваннях, як хімічне розділення, каталіз або молекулярні сенсори. Молекулярно-імпринтовані молекули можна порівняти з молекулярним замком, який відповідає молекулярному ключу (так званій молекулі-шаблону). Молекулярно-імпринтовані полімери (MIP) характеризуються спеціально підібраними сайтами зв’язування, які відповідають молекулам-шаблонам за формою, розміром та функціональними групами. Особливість «замок – ключ» дозволяє використовувати молекулярно-імпринтовані полімери для різноманітних застосувань, де специфічний тип молекули розпізнається та прикріплюється до молекулярного замка, тобто молекулярно-імпринтованого полімеру.

Схематичне зображення показує шлях молекулярного імпринтингу циклодекстринів для підготовки адаптованих рецепторів.
Дослідження та зображення: Hishiya et al. 2003

Молекулярно-імпринтовані полімери (MIP) мають широке поле застосувань і використовуються для розділення та очищення специфічних біологічних або хімічних молекул, включаючи амінокислоти та білки, похідні нуклеотидів, забруднювачі, а також ліки та продукти харчування. Сфери застосування охоплюють розділення та очищення, хімічні сенсори, каталітичні реакції, доставку ліків, системи біологічних антитіл та рецепторів. (пор. Vasapollo et al. 2011)
Наприклад, технологія MIP використовується як метод твердофазної мікроектракції для роботи та очищення молекул, отриманих з канабісу, таких як CBD або THC, від повного спектру екстракту з метою отримання ізолятів та дистилатів каннабіноїдів.

Ультразвуковий синтез молекулярно-імпринтованих молекул

Залежно від типу цілі (шаблону) та кінцевого застосування MIP, MIP можуть бути синтезовані в різних форматах, таких як сферичні частинки нано- та мікро-розміру, нанопроводи, нанострижні, нановолокна або тонкі плівки. Для отримання певної форми MIP можна застосовувати різні техніки полімеризації, такі як об’ємне друкування, осадження, емульсійна полімеризація, суспензійна, дисперсійна, гелеутворення та багатоетапна полімеризація з набуханням.
Застосування низькочастотних, високоінтенсивних ультразвукових хвиль пропонує високоефективну, універсальну та просту техніку для синтезу полімерних наноструктур.
Ультразвукова обробка надає кілька переваг у синтезі MIP порівняно з традиційними процесами полімеризації, оскільки вона сприяє більш високим швидкостям реакції, більш однорідному росту полімерних ланцюгів, більш високим виходам та м’якшим умовам (наприклад, низькій температурі реакції). Крім того, вона може змінювати розподіл популяції сайтів зв’язування, а отже, і морфологію кінцевого полімеру. (Svenson 2011)
Застосовуючи сонохімічну енергію до полімеризації MIP, реакції полімеризації ініціюються та позитивно впливаються. Одночасно ультразвукова обробка сприяє ефективному дегазуванню полімерної суміші без втрати ємності зв’язування або жорсткості.
Ультразвукова гомогенізація, диспергування та емульгування пропонують superior змішування та перемішування для утворення однорідних суспензій та надання енергії ініціювання для процесів полімеризації. Viveiros et al. (2019) досліджували потенціал ультразвукового синтезу MIP і стверджують, що “MIP, підготовлені ультразвуком, продемонстрували властивості зв’язування, подібні або кращі за традиційні методи”.
MIP у нанорозмірі відкривають перспективні можливості для покращення однорідності сайтів зв’язування. Ультразвукова обробка відома своїми винятковими результатами при підготовці нанодисперсій та наноемульсій.

Ультразвукова нано-емульсійна полімеризація

MIP можна синтезувати методом емульсійної полімеризації. Емульсійна полімеризація зазвичай досягається шляхом утворення емульсії «олія у воді» при додаванні поверхнево-активної речовини. Для утворення стабільної нано-розмірної високопродуктивної емульсії потрібна високопродуктивна техніка емульгування. Ультразвукове емульгування є добре встановленою технікою для підготовки нано- та міні-емульсій.
Докладніше про ультразвукове нано-емульгування!

Ультразвук може покращити наступні маршрути синтезу для виробництва наноMIP: осаджувальна полімеризація, емульсійна полімеризація та полімеризація з утворенням структури «ядро-оболонка».
Дослідження та зображення: Refaat et al. 2019

Ультразвукова екстракція шаблону

Після синтезу молекулярно-імпринтованих полімерів шаблон повинен бути видалений з сайту зв’язування, щоб отримати активний молекулярно-імпринтований полімер. Інтенсивні сили змішування при ультразвуковій обробці сприяють розчинності, дифузії, проникненню та транспорту молекул розчинника та шаблону. Таким чином, шаблони швидко видаляються з сайтів зв’язування.
Ультразвукову екстракцію також можна поєднувати з екстракцією за Сокслетом для видалення шаблону з імпринтованого полімеру.

Кейс-стаді: Ультразвукові застосування для молекулярно-імпринтованих полімерів

Ультразвуковий синтез молекулярно-імпринтованих полімерів (MIP)

Інкапсуляція магнітних наночастинок полімерами, імпринтованими за 17β-естрадіолом, за допомогою ультразвукового синтезу забезпечує швидке видалення 17β-естрадіолу з водних середовищ. Для ультразвукового синтезу наноMIP використовували метакрилову кислоту (MAA) як мономер, етиленглікольдиметилметакрилат (EGDMA) як зшиваючий агент та азобісізобутиронітрил (AIBN) як ініціатор. Процес ультразвукового синтезу проводили протягом 2h при 65ºC. Середні діаметри частинок магнітних NIP та магнітних MIP становили 200 та 300 nm відповідно. Використання ультразвуку не лише підвищило швидкість полімеризації та морфологію наночастинок, а й призвело до збільшення кількості вільних радикалів, і, таким чином, сприяло росту MIP навколо магнітних наночастинок. Адсорбційна ємність щодо 17β-естрадіолу була порівнянною з традиційними підходами. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ультразвук для молекулярно-імпринтованих сенсорів

Ю та співавт. розробили молекулярно-імпринтований електрохімічний сенсор на основі електродів, модифікованих нікельовими наночастинками, для визначення фенобарбіталу. Повідомлений електрохімічний сенсор було розроблено методом термічної полімеризації з використанням метакрилової кислоти (MAA) як функціонального мономера, 2,2-азобісізобутиронітрилу (AIBN) та етиленглікольмалеїнової смоли (EGMRA) акрилату як зшиваючого агента, фенобарбіталів (PBs) як молекули-шаблону та диметилсульфоксиду (DMSO) як органічного розчинника. У процесі виготовлення сенсора 0,0464g PB та 0,0688g MAA змішували в 3 mL DMSO та обробляли ультразвуком протягом 10 min. Після 5 h 1,0244g EGMRA та 0,0074g AIBN додавали до суміші та обробляли ультразвуком протягом 30 min для отримання розчинів полімеру, імпринтованого за PB. Після цього 10 μL 2,0 mg mL^-1 розчину наночастинок Ni наносили на поверхню GCE, а потім сенсор висушували при кімнатній температурі. Приблизно 5 μL приготованого розчину полімеру, імпринтованого за PB, потім наносили на GCE, модифікований наночастинками Ni, та висушували у вакуумі при 75◦C протягом 6 h. Після термічної полімеризації імпринтований сенсор промивали (оцтовою кислотою) HAc/метанолом (об’ємне співвідношення 3:7) протягом 7 min для видалення молекул-шаблонів. (пор. Uygun et al. 2015)

Ультразвукова мікроекстракція з використанням MIP

Для відновлення аналітів нікотинаміду зі зразків застосовують ультразвуково-асистовану дисперсійну твердофазну мікроекстракцію з подальшою УФ-віз спектрофотометрією (UA-DSPME-UV-vis). Для екстракції та попереднього концентрування нікотинаміду (вітаміну B3) використовували молекулярно-імпринтовані полімери на основі метал-органічного каркасу HKUST-1 (MOF). (Asfaram et al. 2017)

Високоефективні ультразвукові реактори для полімерних застосувань

Від лабораторії до виробництва з лінійною масштабованістю: Спеціально розроблені молекулярно-імпринтовані полімери спочатку розробляються та тестуються в малих лабораторних та настільних масштабах для дослідження можливості синтезу полімерів. Якщо можливість та оптимізація MIP були досягнуті, виробництво MIP масштабується до більших об’ємів. Ультразвукові маршрути синтезу можуть бути лінійно масштабовані від настільного до повністю комерційного виробництва. Hielscher Ultrasonics пропонує сонохімічне обладнання для синтезу полімерів у малих лабораторних та настільних умовах, аж до повністю промислових інлайн-ультразвукових систем для виробництва 24/7 під повним навантаженням. Ультразвук можна лінійно масштабувати від розміру пробірки до великих виробничих потужностей вантажівок на годину. Широке портфоліо продукції Hielscher Ultrasonics від лабораторних до промислових сонохімічних систем має найбільш підходящий ультразвуковий реактор для вашої передбачуваної виробничої потужності. Наш досвідчений персонал допоможе вам від тестів на можливість та оптимізації процесу до встановлення вашої ультразвукової системи на фінальному виробничому рівні.

Hielscher Ultrasonics – Складне сонохімічне обладнання

Портфель продукції Hielscher Ultrasonics охоплює весь спектр високоефективних ультразвукових екстракторів від малих до великих масштабів. Додаткові аксесуари дозволяють легко зібрати найбільш підходящу конфігурацію ультразвукового пристрою для вашого процесу. Оптимальна ультразвукова установка залежить від передбаченої потужності, об’єму, матеріалу, періодичного або потокового процесу та часових рамок. Hielscher допомагає налаштувати ідеальний сонохімічний процес.

Періодичний і потоковий

Ультразвукові обробники Hielscher можна використовувати для періодичної та безперервної потокової обробки. Малі та середні об’єми можна зручно обробляти ультразвуком у періодичному процесі (наприклад, у флаконах, пробірках, трубках, хімічних стаканах, резервуарах або бочках). Для обробки великих об’ємів потокова ультразвукова обробка може бути більш ефективною. Хоча періодичний процес є більш трудомістким і тривалим у часі, безперервний потоковий процес змішування є більш ефективним, швидшим і вимагає значно менше праці. Hielscher Ultrasonics має найбільш підходящу установку для екстракції для вашої реакції полімеризації та об’єму процесу.

Ультразвукові зонди для будь-якої потужності продукту

Асортимент продукції Hielscher Ultrasonics охоплює весь спектр ультразвукових процесорів від компактних лабораторних ультразвукових обробників через настільні та пілотні системи до повністю промислових ультразвукових процесорів із потужністю обробки вантажівок на годину. Повний асортимент продукції дозволяє нам запропонувати вам найбільш підходяще ультразвукове обладнання для ваших полімерів, потужності процесу та виробничих цілей.
Настільні ультразвукові системи ідеально підходять для перевірки можливості та оптимізації процесу. Лінійне масштабування на основі встановлених параметрів процесу робить дуже простим збільшення потужностей обробки від менших партій до повністю комерційного виробництва. Масштабування вгору можна здійснити, встановивши більш потужний блок ультразвукового екстрактора або об’єднавши кілька ультразвукових обробників паралельно. З моделлю UIP16000 Hielscher пропонує найпотужніший ультразвуковий пристрій у світі.

Точно контрольовані амплітуди для оптимальних результатів

Усі ультразвукові обробники Hielscher точно контролюються і, таким чином, є надійними робочими конячками у виробництві. Амплітуда є одним із ключових параметрів процесу, які впливають на ефективність та результативність сонохімічних реакцій, включаючи реакції полімеризації та шляхи синтезу.
Усі процесори Hielscher Ultrasonics дозволяють точно встановлювати амплітуду. Сонотроди та підсилювальні роги є аксесуарами, які дозволяють змінювати амплітуду в ще ширшому діапазоні. Промислові ультразвукові процесори Hielscher можуть забезпечувати дуже високі амплітуди та подавати необхідну ультразвукову інтенсивність для складних застосувань. Амплітуди до 200µm можна легко підтримувати в режимі безперервної роботи 24/7.
Точні налаштування амплітуди та постійний моніторинг параметрів ультразвукового процесу за допомогою розумного програмного забезпечення дають вам можливість синтезувати ваші молекулярно-імпринтовані полімери за найбільш ефективних ультразвукових умов. Оптимальна ультразвукова обробка для найкращих результатів полімеризації!
Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати в режимі 24/7 при важких навантаженнях та у складних середовищах. Це робить ультразвукове обладнання Hielscher надійним робочим інструментом, який задовольняє ваші вимоги до сонохімічного процесу.

Легке, безризикове тестування

Ультразвукові процеси можна повністю лінійно масштабувати. Це означає, що будь-який результат, якого ви досягли, використовуючи лабораторний або настільний ультразвуковий обробник, можна масштабувати до точно такого ж виходу, використовуючи ті самі параметри процесу. Це робить ультразвукову обробку ідеальною для безризикової перевірки можливості, оптимізації процесу та подальшої імплементації у комерційне виробництво. Зв’яжіться з нами, щоб дізнатися, як ультразвукова обробка може підвищити ваш вихід і якість MIP.

Найвища якість – розроблено та виготовлено в Німеччині

Як сімейний бізнес, Hielscher надає пріоритет найвищим стандартам якості для своїх ультразвукових процесорів. Усі ультразвукові гомогенізатори розробляються, виготовляються та ретельно тестуються на нашій штаб-квартирі в Тельтові поблизу Берліна, Німеччина. Надійність та безвідмовність ультразвукового обладнання Hielscher роблять його «робочою конячкою» у вашому виробництві. 24/7 робота під повним навантаженням та у складних умовах є природною характеристикою високопродуктивних змішувачів Hielscher.

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

Ви можете придбати ультразвуковий процесор Hielscher будь-якого розміру та точно налаштований під вимоги вашого процесу. Від обробки реагентів у невеликій лабораторній пробірці до безперервного потокового змішування полімерних суспензій на промисловому рівні – Hielscher Ultrasonics пропонує відповідний ультразвуковий гомогенізатор для вас! Будь ласка, зв’яжіться з нами – ми будемо раді порекомендувати вам ідеальну ультразвукову установку!