Siêu âm trùng hợp hydrogel: giao thức và mở rộng quy mô

Quá trình trùng hợp do siêu âm gây ra cung cấp một cách tiếp cận không có gốc, không có chất khởi tạo để tổng hợp hydrogel từ monome vinyl hòa tan trong nước và macromonome. Phương pháp này khai thác quá trình tạo ra các gốc siêu âm thông qua xâm thực và lý tưởng cho các ứng dụng y sinh, nơi phải tránh dư lượng chất khởi tạo.

Hydrogel là các mạng polymer ba chiều, có tính hút nước, có khả năng giữ lại lượng nước lớn đồng thời duy trì tính toàn vẹn cấu trúc – một đặc tính phát sinh từ các chuỗi polymer liên kết chéo. Các tính chất vật lý và hóa học của hydrogel – khả năng trương nở, độ bền cơ học và tính tương thích sinh học – khiến chúng trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng y sinh, bao gồm vận chuyển thuốc, công nghệ mô và chữa lành vết thương.

Ưu điểm của quá trình trùng hợp hydrogel siêu âm

Theo truyền thống, tổng hợp hydrogel dựa vào liên kết ngang nhiệt, quang hóa hoặc hóa học; Tuy nhiên, tổng hợp hydrogel siêu âm đang đạt được sức hút đáng kể vì phương pháp siêu âm cung cấp một cách tiếp cận đơn giản không cần thuốc thử, có thể điều chỉnh và xanh hơn. Tổng hợp hydrogel siêu âm sử dụng xâm thực âm thanh để thúc đẩy quá trình trùng hợp và liên kết ngang vật lý hoặc hóa học mà không cần chất khởi tạo bên ngoài. Đáng chú ý, siêu âm cũng có thể tạo điều kiện thuận lợi cho sự phân tán hạt nano tại chỗ hoặc bắt đầu các phản ứng gốc trong môi trường nước, làm cho nó trở thành một công cụ linh hoạt để chế tạo hydrogel đa chức năng hoặc nanocomposite trong điều kiện nhẹ.

Video clip trên minh họa quá trình siêu âm tổng hợp hydrogel sử dụng máy siêu âm UP50H và một gelator trọng lượng phân tử thấp. Kết quả là một hydrogel siêu phân tử tự phục hồi. (Nghiên cứu và phim: Rutgeerts et al., 2019)
 

Hydrogel tương thích sinh học với Sonication

Trong quá trình tìm kiếm các hydrogel tương thích sinh học có thể được hình thành sạch, an toàn và theo yêu cầu, các chiến lược trùng hợp truyền thống thường thất bại. Công trình của Cass và các đồng nghiệp đưa ra một giải pháp hiệu quả cho vấn đề này: một phương pháp sạch, không khởi tạo để tổng hợp hydrogel bằng cách sử dụng siêu âm tần số thấp.

Nghiên cứu của họ khám phá quá trình trùng hợp sonochemical của các monome hòa tan trong nước khác nhau, nhưng một công thức nổi bật với hiệu quả và độ bền cao: dung dịch 5% dextran methacrylate (Dex-MA) trong 70% glycerol-nước, được trùng hợp dưới tác động của sóng siêu âm với cường độ vừa phải 56 W/cm². Đáng chú ý, hệ thống này cho ra hydrogel hoàn chỉnh chỉ trong 6,5 phút, đạt tỷ lệ chuyển đổi monome sang polymer là 72% – cao nhất trong tất cả các công thức được thử nghiệm.

Cavitation âm thanh: Nguyên lý hoạt động của phương pháp này dựa trên một hiện tượng vừa mạnh mẽ vừa tạm thời: hiện tượng cavitation âm thanh. Khi được tác động bởi sóng siêu âm có công suất cao, các bong bóng vi mô hình thành và sụp đổ một cách dữ dội trong môi trường lỏng, tạo ra các điểm nóng cục bộ nơi nhiệt độ có thể tạm thời vượt quá 5000 Kelvin. Điều kiện này gây ra sự phân tách đồng phân của các phân tử dung môi, tạo ra một lượng lớn các gốc tự do phản ứng. Khác với quá trình trùng hợp truyền thống, phụ thuộc vào các chất khởi động bên ngoài hoặc nhiệt độ, sóng siêu âm cung cấp cả năng lượng và các gốc tự do cần thiết để khởi động quá trình trùng hợp – mà không vượt quá nhiệt độ khối lượng có ý nghĩa sinh lý.

Đồng dung môi: Việc lựa chọn glycerol làm dung môi phụ không phải là ngẫu nhiên. Ngoài việc tăng độ nhớt của dung dịch – một yếu tố quan trọng để tăng cường cường độ cavitation – glycerol còn hoạt động như một đồng chất cho gốc tự do. Các nhóm hydroxyl của nó được biết đến là tạo ra các gốc tự do thứ cấp tương đối ổn định, từ đó kéo dài thời gian tồn tại của gốc tự do và thúc đẩy quá trình lan truyền chuỗi. Ngoài ra, môi trường giàu glycerol có độ nhớt cao giúp giữ lại các chuỗi polymer mới hình thành, giảm độ hòa tan của chúng và bảo vệ chúng khỏi sự phân hủy do siêu âm, hiện tượng có thể xảy ra trong các hệ thống nước loãng hơn.

Trùng hợp siêu âm: Để đặc trưng hóa quá trình polymer hóa, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phổ hồng ngoại, theo dõi sự suy giảm của các nhóm vinyl trên Dex-MA theo thời gian. Đỉnh hấp thụ đặc trưng tại 1635 cm⁻¹ – chỉ ra sự hiện diện của liên kết đôi C=C – giảm nhanh chóng trong quá trình siêu âm, trong khi đỉnh hấp thụ của nhóm este carbonyl tại 1730 cm⁻¹ giữ nguyên, đóng vai trò là tham chiếu nội bộ. Các dữ liệu này không chỉ xác nhận sự chuyển đổi vinyl nhanh chóng mà còn cho thấy mức độ liên kết chéo cao, được thể hiện qua tỷ lệ trương nở thấp và cấu trúc gel bền vững.

Phân tích: Kỹ thuật quét điện tử (SEM) đã cho thấy sự phát triển của cấu trúc vi mô của gel. Ở giai đoạn ban đầu, mạng lưới gel có các lỗ rỗng lớn và mở, nhưng sau khi tiếp tục siêu âm, các lỗ này được lấp đầy bởi một cấu trúc thứ cấp dày đặc hơn. Đến phút thứ 15, hydrogel thể hiện một cấu trúc liên kết chéo đồng nhất với các lỗ rỗng được kết nối chặt chẽ – một đặc điểm đặc trưng của các gel y sinh được hình thành tốt.

Kết quả: Khi so sánh với hydrogel được sản xuất bằng các chất khởi động gốc tự do nhiệt, sự khác biệt là rất rõ rệt. Mặc dù có thể đạt được tỷ lệ chuyển đổi tương tự bằng phương pháp nhiệt, nhưng mạng lưới thu được có độ xốp cao hơn, độ đồng nhất thấp hơn và tỷ lệ trương nở cao hơn – những dấu hiệu của cấu trúc liên kết chéo lỏng lẻo hơn. Hơn nữa, quá trình nhiệt yêu cầu loại bỏ nitơ, chất phụ gia hóa học và nhiệt độ cao hơn, trong khi phương pháp siêu âm hoạt động ở nhiệt độ môi trường chỉ 37°C.

Có lẽ khía cạnh thú vị nhất của công trình này là quan sát thấy quá trình trùng hợp có thể tiếp tục ngay cả sau khi siêu âm được ngừng lại. Gel tiếp tục đông cứng và tăng độ bền trong khoảng 30 phút sau khi ngừng siêu âm. Điều này cho thấy các gốc tự do tồn tại hoặc các cấu trúc trung gian hình thành trong quá trình siêu âm có thể tiếp tục lan truyền chuỗi polymer ngay cả khi không có thêm năng lượng đầu vào – một hiện tượng có tiềm năng ứng dụng hữu ích trong các ứng dụng trong cơ thể sống.

Tìm hiểu thêm về những ưu điểm của sản xuất hydrogel siêu âm!

Giao thức: Tổng hợp siêu âm Hydrogel Dextran Methacrylate (Dex-MA) bằng máy siêu âm

Để tổng hợp hydrogel Dex-MA liên kết ngang cộng hóa trị, siêu âm cường độ cao, tần số thấp được ghép vào dung dịch glycerol / nước. Nhiệt độ và mật độ năng lượng siêu âm được kiểm soát chính xác.
Dưới đây, chúng tôi cung cấp cho bạn hướng dẫn tổng hợp hydrogel siêu âm ở quy mô phòng thí nghiệm, có thể được mở rộng tuyến tính lên số lượng lớn.

Thiết bị và vật liệu

Thiết bị

• Bộ xử lý siêu âm Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• Sonotrode S26d2 (đường kính đầu: 2 mm; được khuyến nghị cho khối lượng quy mô nhỏ)
• Bình phản ứng có vỏ bọc (50 mL), tương thích với máy khuấy từ
• Nồi cách thủy tuần hoàn (điều khiển nhiệt ở 37 ° C)
• Đầu dò nhiệt độ PT100 (bao gồm trong phạm vi giao hàng của UP200Ht)
• Máy khuấy từ
• Cân phân tích (±0,1 mg)
• Lò nướng chân không hoặc máy đông khô

Hóa chất

• Dextran Methacrylate (Dex-MA), ~ 20% methacryl hóa
• Glycerol, ≥99,5% (khan)
• Nước khử ion

Tất cả các thuốc thử phải ở cấp phân tích. Tránh môi trường giàu oxy; khử khí dung môi nếu có thể.

Quy trình từng bước: Trùng hợp hydrogel siêu âm

1. Chuẩn bị hỗn hợp trùng hợp
   • Cân 0,75 g Dex-MA vào bình phản ứng có vỏ bọc 50 mL.
   • Thêm 10,5 g glycerol và 3,75 g nước khử ion.
   • Khuấy hỗn hợp từ tính ở nhiệt độ phòng (~ 22 °C) trong 5–10 phút để Dex-MA hòa tan hoàn toàn. Một dung dịch hơi nhớt, đồng nhất sẽ dẫn được.
   • Làm nóng nồi cách thủy ở 37 ° C và kết nối nó với bình có áo khoác để duy trì nhiệt độ ổn định.
2. Thiết lập Bộ siêu âm
   • Gắn sonotrode S26d2 vào UP200Ht và đảm bảo khớp nối chặt chẽ.
   • Nhúng đầu sonotrode vào hỗn hợp phản ứng. Tránh chạm vào thành hoặc đáy tàu.
   • Đặt đầu dò nhiệt độ trong dung dịch gần sonotrode nhưng không tiếp xúc trực tiếp. Điều này cho phép bạn sử dụng điều khiển nhiệt độ tích hợp của máy siêu âm.
   • Đặt biên độ thành 100%.
3. trùng hợp siêu âm
   • Bắt đầu khuấy ở tốc độ 100–200 vòng / phút để duy trì sự đồng nhất nhẹ nhàng.
   • Bắt đầu siêu âm ở mức thích hợp ampcài đặt litude để cung cấp ~ 56 W / cm² trong 6.5 phút.
   • Duy trì nhiệt độ dung dịch ở 37 ° C trong suốt. Nếu hỗn hợp bắt đầu nóng, hãy tăng lưu lượng chất làm mát hoặc thêm đá vào nồi cách thủy.
   • Quá trình tạo gel thường bắt đầu trong vòng 5–6 phút. Độ nhớt sẽ tăng mạnh.
   • Nếu quá trình tạo gel xảy ra trước 6,5 phút, hãy ngừng siêu âm để tránh liên kết ngang hoặc xuống cấp quá mức.
4. Xử lý hậu kỳ và tinh chế
   • Ngay lập tức chuyển gel vào nước khử ion 200 mL dưới khuấy mạnh để rửa trôi monome và glycerol chưa phản ứng.
   • Khuấy trong 30 phút, sau đó gạn phần nổi hoặc bộ lọc.
   • Lặp lại giặt thêm 3 lần bằng nước ấm (~ 60 ° C) để cải thiện khả năng khuếch tán.
   • Làm khô gel trong chân không ở 60 ° C trong 8 giờ hoặc đông khô để có cấu trúc xốp.

 
Kết quả: Hydrogel tương thích sinh học
Bạn sẽ thu được một hydrogel trong suốt, mạnh mẽ với khả năng chuyển đổi cao (~ 70–75%), liên kết ngang tuyệt vời và monome dư tối thiểu. Hydrogel sẽ chống hòa tan trong nước và thể hiện cấu trúc đồng nhất khi khô.

 
Lưu ý để kiểm soát quy trình tối ưu

Mở rộng quy mô: tuyến tính và đơn giản với siêu âm

Trong một lĩnh vực ngày càng đòi hỏi độ chính xác, độ tinh khiết và khả năng mở rộng, phương pháp siêu âm này cung cấp một giải pháp thay thế hấp dẫn. Nó có thể điều khiển không gian, có thể điều chỉnh trong thời gian thực và tương thích với quá trình xử lý liên tục bằng cách sử dụng các hệ thống nội tuyến siêu âm hiện đại.
Các thiết bị siêu âm của Hielscher Ultrasonics cung cấp độ dao động chính xác và có khả năng mở rộng tuyến tính từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô sản xuất – khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng để chuyển đổi các hệ thống hydrogel này thành các ứng dụng điều trị và chẩn đoán thực tế.

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng Sản xuất tại Đức

Hielscher ultrasonicators nổi tiếng với chất lượng cao nhất và tiêu chuẩn thiết kế của họ. Mạnh mẽ và hoạt động dễ dàng cho phép tích hợp trơn tru của ultrasonicators của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi dễ dàng được xử lý bởi Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics là một công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt nhấn mạnh vào ultrasonicators hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, Hielscher ultrasonicators là CE tuân thủ và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: