Gidrojellarning ultratovushli polimerizatsiyasi: protokol va masshtabni oshirish
Ultratovushli polimerizatsiya suvda eruvchan vinil monomerlar va makromonomerlardan gidrogellarni sintez qilish uchun radikalsiz, tashabbuskorsiz yondashuvni taklif qiladi. Ushbu metodologiya kavitatsiya orqali radikallarning sonokimyoviy avlodidan foydalanadi va tashabbuskor qoldiqlaridan qochish kerak bo'lgan biomedikal ilovalar uchun juda mos keladi.
Gidrojellar uch o'lchovli, gidrofil polimer tarmoqlari bo'lib, strukturaviy yaxlitlikni saqlagan holda katta miqdorda suvni ushlab turishga qodir - bu o'zaro bog'langan polimer zanjirlaridan kelib chiqadigan xususiyat. Ularning fizik-kimyoviy xususiyatlari - shishish harakati, mexanik kuch va biomoslashuv - ularni dori vositalarini etkazib berish, to'qimalarni muhandislik qilish va yaralarni davolashni o'z ichiga olgan biomedikal ilovalar uchun juda jozibador qiladi.
Ultrasonik gidrogel polimerizatsiyasining afzalligi
An'anaviy ravishda gidrogel sintezi termal, fotokimyoviy yoki kimyoviy o'zaro bog'lanishga tayanadi; ammo, ultratovushli gidrogel sintezi sezilarli tortishuvga erishmoqda, chunki sonication usuli oddiy reagentsiz, sozlanishi va yashilroq yondashuvni taklif qiladi. Ultrasonik gidrogel sintezi tashqi tashabbuskorlarga ehtiyoj sezmasdan polimerizatsiya va fizik yoki kimyoviy o'zaro bog'lanishni rag'batlantirish uchun akustik kavitatsiyadan foydalanadi. Shunisi e'tiborga loyiqki, ultrasonikatsiya shuningdek, in situ nanopartikulyar dispersiyani osonlashtirishi yoki suvli muhitda radikal reaktsiyalarni boshlashi mumkin, bu uni yumshoq sharoitlarda ko'p funktsiyali yoki nanokompozit gidrogellarni yaratish uchun ko'p qirrali vositaga aylantiradi.
Sonicator UIP1000hdT gidrogel sintezi uchun shisha reaktor bilan
Yuqoridagi videoklip gidrogelning ultratovush sintezini namoyish etadi
sonikator UP50H yordamida
va past molekulyar og'irlikdagi gelator. Natijada o'z-o'zidan davolovchi supramolekulyar gidrogel hosil bo'ladi.
(O'qish va film: Rutgeerts va boshqalar, 2019)
Yuqoridagi videoklip gidrogelning ultratovush sintezini namoyish etadi sonikator UP50H yordamida va past molekulyar og'irlikdagi gelator. Natijada o'z-o'zidan davolovchi supramolekulyar gidrogel hosil bo'ladi. (O'qish va film: Rutgeerts va boshqalar, 2019)
Sonication bilan biologik mos keladigan gidrogellar
Toza, xavfsiz va talab bo'yicha hosil bo'lishi mumkin bo'lgan biomoslashuvchan gidrogellarni izlashda an'anaviy polimerizatsiya strategiyalari ko'pincha muvaffaqiyatsizlikka uchraydi. Kass va uning hamkasblari tomonidan olib borilgan ishlar ushbu muammoning samarali yechimini taqdim etadi: past chastotali ultratovush yordamida gidrogel sintezi uchun toza, tashabbuskorsiz usul.
Ularning tadqiqoti turli xil suvda eriydigan monomerlarning sonokimyoviy polimerizatsiyasini o'rganadi, ammo bitta formulasi ayniqsa samarali va mustahkam bo'lib chiqdi: 70% glitserinli suvdagi 5% dekstran metakrilat (Dex-MA) eritmasi, ultratovush ostida 56 Vt / sm² o'rtacha intensivlikda polimerizatsiya qilindi. Shunisi e'tiborga loyiqki, ushbu tizim atigi 6,5 daqiqada to'liq hosil bo'lgan gidrogelni berdi va monomerdan polimerga 72% konversiyaga erishdi - bu sinovdan o'tgan barcha formulalar orasida eng yuqori ko'rsatkich.
Akustik kavitasyon: Ushbu usulning ishlash printsipi o'tkinchi bo'lgani kabi kuchli hodisaga asoslanadi: akustik kavitatsiya. Quvvatli ultratovush ta'sirida mikroskopik pufakchalar suyuq muhitda kuchli tarzda hosil bo'ladi va yiqilib, harorat qisqa vaqt ichida 5000 Kelvindan oshishi mumkin bo'lgan mahalliy nuqtalarni hosil qiladi. Bu sharoitlar erituvchi molekulalarining gomolitik bo'linishini keltirib chiqaradi, bu esa reaktiv radikallarning portlashini keltirib chiqaradi. Tashqi qo'zg'atuvchilarga yoki issiqlikka bog'liq bo'lgan an'anaviy polimerizatsiyadan farqli o'laroq, ultratovush polimerizatsiyani boshlash uchun zarur bo'lgan energiyani ham, radikallarni ham fiziologik jihatdan mos keladigan massa haroratidan oshmasdan etkazib beradi.
Birgalikda erituvchi: Birgalikda erituvchi sifatida glitserinni tanlash tasodifiy emas. Eritmaning viskozitesini oshirishdan tashqari - kavitatsiya intensivligini oshirishning muhim omili - glitserinning o'zi radikal yordamchi donor sifatida ishlaydi. Uning gidroksil guruhlari nisbatan barqaror ikkilamchi radikallarni ishlab chiqarishi ma'lum, bu esa radikallarning ishlash muddatini oshiradi va zanjirning tarqalishini rag'batlantiradi. Bundan tashqari, yopishqoq glitseringa boy muhit yangi paydo bo'lgan polimer zanjirlarini ushlab turishga yordam beradi, ularning eruvchanligini kamaytiradi va ularni yanada suyultirilgan suvli tizimlarda yuzaga kelishi mumkin bo'lgan ultratovush degradatsiyasidan himoya qiladi.
Ultrasonik polimerizatsiya: Polimerizatsiya jarayonini tavsiflash uchun tadqiqotchilar infraqizil spektroskopiyadan foydalanganlar, vaqt o'tishi bilan Dex-MA-da vinil guruhlarining kamayishini kuzatishgan. 1635 sm⁻¹ da xarakterli so'rilish - C=C qo'sh aloqalarini ko'rsatuvchi - sonikatsiya paytida tez pasayib ketdi, 1730 sm⁻¹ ester karbonil cho'zilishi esa doimiy bo'lib, ichki mos yozuvlar bo'lib xizmat qildi. Ushbu ma'lumotlar nafaqat tez vinil konversiyasini, balki yuqori darajadagi o'zaro bog'lanishni ham tasdiqladi, bu past shishish nisbati va mustahkam jel tuzilmalaridan dalolat beradi.
Tahlil: Elektron mikroskopning skanerlashi jelning mikro tuzilishining evolyutsiyasini yanada aniqladi. Dastlabki bosqichlarda tarmoq katta, ochiq gözeneklere ega edi, lekin davomli sonikatsiya bilan ular zichroq ikkinchi darajali tuzilish bilan to'ldiriladi. 15 daqiqaga kelib, gidrogel bir-biriga mahkam bog'langan gözenekleri bilan bir hil o'zaro bog'langan morfologiyani ko'rsatdi - bu yaxshi shakllangan biomedikal jellarning o'ziga xos belgisi.
Natija: Termal erkin radikal tashabbuskorlari bilan ishlab chiqarilgan gidrogellar bilan solishtirganda, farqlar ajoyib edi. Shunga o'xshash konversiyalarni termal yo'l bilan amalga oshirish mumkin bo'lsa-da, natijada paydo bo'lgan tarmoqlar ko'proq gözenekli, kamroq bir xil edi va yuqori shishish nisbatlarini ko'rsatdi - bo'shashtirilgan o'zaro bog'liqlik arxitekturasining belgilari. Bundan tashqari, termal jarayon azotni tozalash, kimyoviy qo'shimchalar va yuqori haroratni talab qildi, ultratovushli yondashuv esa atigi 37 ° C atrof-muhit haroratida ishladi.
Ehtimol, bu ishning eng qiziq jihati, ultratovush to'xtatilgandan keyin ham polimerizatsiya davom etishi mumkinligini kuzatishdir. Jel sonikatsiya to'xtatilgandan so'ng 30 daqiqa davomida shifo berishda va kuchini oshirishda davom etdi. Bu shuni ko'rsatadiki, sonikatsiya paytida hosil bo'lgan doimiy radikal turlar yoki oraliq tuzilmalar qo'shimcha energiya kiritilmaganda polimer zanjirlarini ko'paytirishni davom ettirishi mumkin - bu in vivo ilovalar uchun potentsial foydali ta'sir ko'rsatadigan xatti-harakatlar.
Ultrasonik gidrogel ishlab chiqarishning afzalliklari haqida ko'proq bilib oling!
Sonicator UP200Ht ultratovushli gidrogel polimerizatsiyasi uchun
Protokol: Sonikator yordamida dekstran metakrilat (Dex-MA) gidrogelining ultratovushli sintezi
Kovalent o'zaro bog'langan Dex-MA gidrogelini sintez qilish uchun yuqori intensivlikdagi, past chastotali ultratovush glitserin/suv eritmasiga birlashtiriladi. Harorat va ultratovush energiya zichligi aniq nazorat qilinadi.
Quyida biz sizga laboratoriya miqyosida ultratovushli gidrogel sintezi bo'yicha ko'rsatmalar beramiz, uni chiziqli ravishda katta miqdorga oshirish mumkin.
Uskunalar va materiallar
Uskunalar
- Hielscher UP200Ht ultratovushli protsessor (200 Vt, 26 kHz)
- Sonotrode S26d2 (uchning diametri: 2 mm; kichik hajmdagi hajmlar uchun tavsiya etiladi)
- Magnit aralashtirgich bilan mos keladigan, ko'ylagi bilan qoplangan reaksiya idishi (50 ml).
- Aylanma suv hammomi (termostatik nazorat ostida 37 ° C)
- PT100 harorat probi (UP200Ht yetkazib berish doirasiga kiritilgan)
- Magnit aralashtirgich
- Analitik balans (±0,1 mg)
- Vakuumli pech yoki liyofilizator
kimyoviy moddalar
- Dekstran metakrilat (Dex-MA), ~20% metakrilatsiya
- Glitserin, ≥99,5% (suvsiz)
- Deionlashtirilgan suv
Barcha reaktivlar analitik darajada bo'lishi kerak. Kislorodga boy muhitlardan saqlaning; iloji bo'lsa, erituvchilarni gazsizlantirish.
| Komponent | Miqdori (g) | Og'irligi % |
|---|---|---|
| Dekstran metakrilat | 0.75 g | 5% |
| glitserin | 10,5 g | 70% |
| Deionlashtirilgan suv | 3,75 g | 25% |
| Jami | 15,0 g | 100% |
Bosqichma-bosqich protsedura: Ultrasonik gidrogel polimerizatsiyasi
- Polimerizatsiya aralashmasini tayyorlash
- 0,75 g Dex-MA ni 50 ml ko'ylagi bilan qoplangan reaksiya idishiga torting.
- 10,5 g glitserin va 3,75 g deionlangan suv qo'shing.
- Dex-MA ni to'liq eritish uchun aralashmani xona haroratida (~ 22 °C) magnit bilan 5-10 daqiqa davomida aralashtiring. Bir oz yopishqoq, bir hil eritma paydo bo'lishi kerak.
- Suv hammomini 37 ° C ga oldindan qizdiring va doimiy haroratni saqlab turish uchun uni ko'ylagi bilan qoplangan idishga ulang.
- Sonicatorni sozlash
- S26d2 sonotrodini UP200Ht ga o'rnating va mahkam bog'langanligiga ishonch hosil qiling.
- Sonotrodning uchini reaktsiya aralashmasiga botiring. Tomirning devorlariga yoki pastki qismiga tegmang.
- Harorat probini sonotrodga yaqin eritma ichiga joylashtiring, lekin to'g'ridan-to'g'ri aloqada emas. Bu sonikatorning o'rnatilgan harorat nazoratidan foydalanish imkonini beradi.
- Amplitudani 100% ga o'rnating.
- ultratovushli polimerizatsiya
- Yumshoq gomogenizatsiyani saqlab qolish uchun 100-200 aylanish tezligida aralashtirishni boshlang.
- 6,5 daqiqa davomida ~56 Vt/sm² yetkazib berish uchun tegishli amplituda sozlamalarida sonikatsiyani boshlang.
- Eritma haroratini 37 ° C darajasida saqlang. Agar aralashma qiziy boshlasa, sovutish suvi oqimini oshiring yoki suv hammomiga muz qo'shing.
- Jellanish odatda 5-6 daqiqada boshlanadi. Yopishqoqlik keskin oshadi.
- Agar jelleşme 6,5 daqiqadan oldin sodir bo'lsa, ortiqcha o'zaro bog'lanish yoki buzilishning oldini olish uchun sonikatsiyani to'xtating.
- Qayta ishlashdan keyingi va tozalash
- Jelni zudlik bilan 200 ml deionlangan suvga kuchli aralashtirish ostida o'tkazing, bu reaksiyaga kirmagan monomer va glitserinni chiqarib yuborishi kerak.
- 30 daqiqa aralashtiramiz, so'ngra supernatant yoki filtrni to'kib tashlang.
- Diffuziyani yaxshilash uchun iliq suv (~60 °C) yordamida yana 3 marta yuvishni takrorlang.
- Jelni vakuum ostida 60 ° C da 8 soat davomida quriting yoki gözenekli tuzilmalar uchun liyofilizatsiya qiling.
Natija: Biomoslashuvchan gidrogel
Yuqori konversiyaga (~ 70-75%), mukammal o'zaro bog'lanishga va minimal qoldiq monomerga ega shaffof, mustahkam gidrogelni olishingiz kerak. Gidrojel suvda erishga qarshilik ko'rsatadi va quritish paytida bir xil tuzilishga ega bo'ladi.
Jarayonni optimal boshqarish uchun eslatmalar
16000 vatt quvvatga ega UIP16000hdT sanoat ultratovush apparati gidrogellarni yuqori o'tkazuvchanlikdagi inline ishlab chiqarish uchun.
Masshtabni oshirish: sonikatsiya bilan chiziqli va oddiy
Aniqlik, tozalik va o'lchovlilikni talab qiladigan sohada ushbu ultratovush usuli jozibali alternativani taklif qiladi. U fazoviy ravishda boshqariladi, real vaqtda sozlanishi va zamonaviy ultratovushli inline tizimlari yordamida uzluksiz ishlov berish bilan mos keladi.
Hielscher Ultrasonics tomonidan ishlab chiqarilgan sonikatorlar aniq amplitudalar va miqyosni laboratoriyadan ishlab chiqarish miqyosigacha etkazib beradi - bu ularni bunday gidrojel tizimlarini haqiqiy terapevtik va diagnostika dasturlariga aylantirish uchun ideal qiladi.
- yuqori samaradorlik
- eng zamonaviy texnologiya
- ishonchlilik & mustahkamlik
- sozlanishi, aniq jarayon nazorati
- partiya & mos ravishda
- har qanday hajm uchun
- aqlli dasturiy ta'minot
- aqlli xususiyatlar (masalan, dasturlashtiriladigan, ma'lumotlarni protokollash, masofadan boshqarish)
- oson va xavfsiz ishlash
- past texnik xizmat ko'rsatish
- CIP (joyida toza)
Dizayn, ishlab chiqarish va konsalting – Germaniyada ishlab chiqarilgan sifat
Hielscher ultrasonikatorlari eng yuqori sifat va dizayn standartlari bilan mashhur. Mustahkamlik va qulay foydalanish ultratovush qurilmalarimizni sanoat ob'ektlariga silliq integratsiya qilish imkonini beradi. Qo'pol sharoitlar va talabchan muhit Hielscher ultrasonikatorlari tomonidan osonlik bilan hal qilinadi.
Hielscher Ultrasonics ISO sertifikatiga ega kompaniya bo'lib, eng zamonaviy texnologiya va foydalanuvchilarga qulaylik bilan ajralib turadigan yuqori samarali ultratovush apparatlariga alohida e'tibor beradi. Albatta, Hielscher ultrasonikatorlari Idoralar talablariga javob beradi va UL, CSA va RoHs talablariga javob beradi.
Quyidagi jadvalda ultrasonikatorlarimizning taxminiy qayta ishlash quvvati ko'rsatilgan:
| To'plam hajmi | Oqim darajasi | Tavsiya etilgan qurilmalar |
|---|---|---|
| 0,5 dan 1,5 ml gacha | na | VialTweeter |
| 1 dan 500 ml gacha | 10 dan 200 ml / min | UP100H |
| 10 dan 2000 ml gacha | 20 dan 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 dan 20 L gacha | 0.2 dan 4L/min gacha | UIP2000hdT |
| 10 dan 100 l gacha | 2 dan 10 l / min | UIP4000hdT |
| 15 dan 150 litrgacha | 3 dan 15 l / min | UIP6000hdT |
| na | 10 dan 100 l / min | UIP16000hdT |
| na | kattaroq | ning klasteri UIP16000hdT |
Inline sonikator UIP2000hdT doimiy oqimda sanoat gidrogel ishlab chiqarish uchun
Adabiyot / Adabiyotlar
- Rutgeerts, Laurens A. J.; Soultan, Al Halifa; Subramani, Ramesh; Toprakhisar, Burak; Ramon, Herman; Paderes, Monissa C.; De Borggraeve, Wim M.; Patterson, Jennifer (2019): Robust scalable synthesis of a bis-urea derivative forming thixotropic and cytocompatible supramolecular hydrogels. Chemical Communications Issue 51, 2019.
- Cass, P., Knower, W., Pereeia, E., Holmes, N.P., Hughes, T. (2010): Preparation of hydrogels via ultrasonic polymerization. Ultrasonics Sonochemistry, 17(2), 2010. 326–332.
- Kocen, Rok; Gasik, Michael; Gantar, Ana; Novak, Sasa (2017): Viscoelastic behaviour of hydrogel-based composites for tissue engineering under mechanical load. Biomedical materials (Bristol, England), 2017.
- Willfahrt, A., Steiner, E., Hoetzel, J., Crispin, X. (2019): Printable acid-modified corn starch as non-toxic, disposable hydrogel-polymer electrolyte in supercapacitors. Applied Physics A, 125(7), 474.
tez-tez so'raladigan savollar
Hydrogel nima?
Gidrojel - strukturaviy yaxlitlikni saqlagan holda ko'p miqdorda suvni singdirish va ushlab turish qobiliyatiga ega bo'lgan uch o'lchovli, hidrofilik polimer tarmog'i. U polimer zanjirlarining fizik yoki kimyoviy o'zaro bog'lanishi natijasida hosil bo'ladi, ko'pincha biologik to'qimalarning suv tarkibi va elastikligini taqlid qiladi.
Hydrogel nima uchun ishlatiladi?
Gidrojellar keng ko'lamli dasturlarda, shu jumladan dori vositalarini etkazib berishda, yaralarni bog'lashda, to'qima muhandislik iskalalarida, yumshoq kontaktli linzalarda, biosensorlarda va yaqinda yumshoq robototexnika va taqiladigan elektronikada qo'llaniladi. Ularning biologik mosligi, sozlanishi mexanik xususiyatlari va ogohlantirishlarga ta'sirchanligi ularni tibbiy va sanoat sharoitida juda ko'p qirrali qiladi.
Gidrogel teri uchun yaxshimi?
Ha, gidrogel odatda teri uchun yaxshi. U yaraning bitishini ta'minlovchi, chandiqlarni kamaytiradigan va hujayra ko'payishini qo'llab-quvvatlovchi nam muhitni saqlaydi. Gidrojel asosidagi yara qoplamalari, shuningdek, sovutish, og'riqni yo'qotish va terapevtik vositalarni nazorat ostida etkazib berishni ta'minlaydi, bu ularni kuyishlar, yaralar va operatsiyadan keyingi parvarishlash uchun samarali qiladi.
Ultrasonik usulda tayyorlangan Aloe Vera yara-bo'yoqlari haqida ko'proq o'qing!
Nima uchun Hydrogel o'z-o'zini davolash?
Gidrojellar polimer tarmog'idagi qaytariladigan o'zaro ta'sirlar tufayli o'z-o'zini davolash xatti-harakatlarini namoyish etadi. Bularga vodorod bog'lanishi, ionli o'zaro ta'sirlar, hidrofobik kuchlar yoki dinamik kovalent bog'lanishlar kiradi. Tarmoq buzilganda, bu o'zaro ta'sirlar materialning strukturasini qayta shakllantirishga imkon beradi, bu esa gidrogelning shikastlanishdan keyin mexanik va funktsional xususiyatlarini tiklashga imkon beradi.
Hielscher Ultrasonics kompaniyasi yuqori samarali ultratovushli homogenizatorlarni ishlab chiqaradi laboratoriya uchun sanoat hajmi.