Trùng hợp hydrogel bằng siêu âm: Quy trình và mở rộng quy mô

Trùng hợp cảm ứng bằng siêu âm mang lại một phương pháp không có gốc tự do, không dùng chất khơi mào để tổng hợp hydrogel từ các monome vinyl và macromonome tan trong nước. Phương pháp này khai thác sự tạo thành gốc tự do bằng hóa siêu âm thông qua hiện tượng xâm thực và đặc biệt phù hợp với các ứng dụng y sinh cần tránh dư lượng chất khơi mào.

Hydrogel là các mạng lưới polyme ba chiều, ưa nước, có khả năng giữ lượng nước đáng kể mà vẫn duy trì tính toàn vẹn cấu trúc – một đặc tính bắt nguồn từ các chuỗi polyme liên kết chéo. Các tính chất hóa lý của chúng – đặc tính trương nở, độ bền cơ học và tính tương thích sinh học – khiến chúng rất hấp dẫn đối với các ứng dụng y sinh, bao gồm dẫn truyền thuốc, kỹ thuật mô và chữa lành vết thương.

Ưu điểm của quá trình trùng hợp hydrogel bằng siêu âm

Theo truyền thống, việc tổng hợp hydrogel dựa vào quá trình tạo liên kết chéo bằng nhiệt, quang hóa hoặc hóa học; tuy nhiên, tổng hợp hydrogel bằng siêu âm đang ngày càng được quan tâm vì phương pháp xử lý siêu âm mang lại một cách tiếp cận đơn giản, không dùng thuốc thử, có thể điều chỉnh và thân thiện hơn với môi trường. Tổng hợp hydrogel bằng siêu âm sử dụng hiện tượng xâm thực âm để thúc đẩy quá trình trùng hợp và tạo liên kết chéo vật lý hoặc hóa học mà không cần chất khơi mào bên ngoài. Đáng chú ý, xử lý siêu âm còn có thể hỗ trợ phân tán hạt nano tại chỗ hoặc khơi mào các phản ứng gốc tự do trong môi trường nước, khiến phương pháp này trở thành một công cụ đa năng để chế tạo hydrogel đa chức năng hoặc hydrogel nanocompozit trong điều kiện ôn hòa.

Đoạn video ở trên minh họa quá trình tổng hợp hydrogel bằng siêu âm sử dụng máy siêu âm UP50H và một chất tạo gel có khối lượng phân tử thấp. Kết quả là một hydrogel siêu phân tử có khả năng tự phục hồi. (Nghiên cứu và video: Rutgeerts và cộng sự, 2019)
 

Hydrogel tương thích sinh học nhờ xử lý siêu âm

Trong quá trình tìm kiếm các hydrogel tương thích sinh học có thể được tạo thành một cách sạch, an toàn và theo nhu cầu, các phương pháp trùng hợp truyền thống thường chưa đáp ứng được yêu cầu. Công trình của Cass và cộng sự đưa ra một giải pháp hiệu quả cho vấn đề này: một phương pháp sạch, không dùng chất khơi mào để tổng hợp hydrogel bằng siêu âm tần số thấp.

Nghiên cứu của họ khảo sát quá trình trùng hợp bằng hóa siêu âm của nhiều monome tan trong nước, nhưng một công thức nổi bật nhờ tính hiệu quả và ổn định đặc biệt: dung dịch dextran methacrylate (Dex-MA) 5% trong hỗn hợp glycerol–nước chứa 70% glycerol, được trùng hợp dưới tác động của siêu âm ở cường độ vừa phải là 56 W/cm². Đáng chú ý, hệ này tạo ra hydrogel hoàn chỉnh chỉ trong 6,5 phút, đạt độ chuyển hóa monome thành polyme là 72% – cao nhất trong tất cả các công thức được thử nghiệm.

Xâm thực âm: Nguyên lý hoạt động của phương pháp này dựa trên một hiện tượng vừa mạnh mẽ vừa diễn ra trong thời gian rất ngắn: xâm thực âm. Khi chịu tác động của siêu âm công suất cao, các bọt khí cực nhỏ hình thành và sụp đổ dữ dội trong môi trường lỏng, tạo ra các điểm nóng cục bộ nơi nhiệt độ có thể vượt quá 5000 kelvin trong thời gian ngắn. Những điều kiện này gây ra sự phân cắt đồng ly các phân tử dung môi, tạo ra một đợt bùng phát các gốc tự do có khả năng phản ứng. Khác với quá trình trùng hợp thông thường phụ thuộc vào chất khơi mào bên ngoài hoặc nhiệt, siêu âm cung cấp cả năng lượng lẫn các gốc tự do cần thiết để khơi mào quá trình trùng hợp – mà không làm nhiệt độ toàn khối vượt quá phạm vi phù hợp về mặt sinh lý.

Đồng dung môi: Việc lựa chọn glycerol làm đồng dung môi không phải là ngẫu nhiên. Ngoài việc làm tăng độ nhớt của dung dịch – một yếu tố then chốt để tăng cường độ xâm thực – bản thân glycerol còn đóng vai trò là chất đồng cung cấp gốc tự do. Các nhóm hydroxyl của glycerol được biết là tạo ra các gốc tự do bậc hai tương đối ổn định, nhờ đó kéo dài thời gian tồn tại của gốc tự do và thúc đẩy sự phát triển mạch. Ngoài ra, môi trường nhớt, giàu glycerol giúp giữ lại các mạch polyme mới hình thành, giảm độ tan của chúng và bảo vệ chúng khỏi sự phân hủy do siêu âm, vốn có thể xảy ra trong các hệ nước loãng hơn.

Trùng hợp bằng siêu âm: Để xác định diễn tiến của quá trình trùng hợp, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phổ hồng ngoại, theo dõi sự suy giảm các nhóm vinyl trên Dex-MA theo thời gian. Dải hấp thụ đặc trưng tại 1635 cm⁻¹ – biểu thị các liên kết đôi C=C – giảm nhanh trong quá trình xử lý siêu âm, trong khi dải dao động kéo giãn của nhóm carbonyl este tại 1730 cm⁻¹ vẫn không đổi, đóng vai trò làm chuẩn nội. Những dữ liệu này xác nhận không chỉ sự chuyển hóa nhanh của các nhóm vinyl mà còn cả mức độ liên kết ngang cao, thể hiện qua tỷ lệ trương nở thấp và cấu trúc gel vững chắc.

Phân tích: Kính hiển vi điện tử quét còn cho thấy sự phát triển của cấu trúc vi mô của gel. Ở các giai đoạn đầu, mạng lưới có các lỗ xốp lớn, thông thoáng, nhưng khi tiếp tục xử lý siêu âm, các lỗ này được lấp đầy bằng một cấu trúc thứ cấp đặc hơn. Đến phút thứ 15, hydrogel có hình thái liên kết ngang đồng nhất với các lỗ xốp liên thông chặt chẽ – một đặc trưng của gel y sinh được hình thành tốt.

Kết quả: Khi so sánh với hydrogel được tạo ra bằng các chất khơi mào gốc tự do hoạt hóa bằng nhiệt, những khác biệt rất rõ rệt. Mặc dù có thể đạt được mức chuyển hóa tương tự bằng phương pháp nhiệt, các mạng lưới thu được có độ xốp cao hơn, kém đồng nhất hơn và có tỷ lệ trương nở cao hơn – những dấu hiệu của cấu trúc liên kết ngang lỏng lẻo hơn. Hơn nữa, quy trình nhiệt đòi hỏi sục khí nitơ, các 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 đáng chú ý nhất của công trình này là quan sát cho thấy quá trình trùng hợp có thể tiếp tục ngay cả sau khi dừng siêu âm. Gel tiếp tục đóng rắn và tăng độ bền trong khoảng thời gian 30 phút sau khi ngừng xử lý siêu âm. Điều này gợi ý rằng các dạng gốc tự do tồn tại lâu hoặc các cấu trúc trung gian hình thành trong quá trình xử lý siêu âm có thể tiếp tục phát triển các mạch polyme mà không cần cung cấp thêm năng lượng – một đặc tính có thể mang lại những lợi ích hữu dụng cho các ứng dụng in vivo.

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

Quy trình: Tổng hợp hydrogel dextran methacrylat (Dex-MA) bằng siêu âm sử dụng máy siêu âm

Để tổng hợp hydrogel Dex-MA có liên kết ngang cộng hóa trị, siêu âm cường độ cao, tần số thấp được truyền 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 hướng dẫn tổng hợp hydrogel bằng siêu âm ở quy mô phòng thí nghiệm, có thể được mở rộng tuyến tính để sản xuất với lượng lớn.

Thiết bị và vật liệu

Thiết bị

• Thiết bị xử lý siêu âm Hielscher UP200Ht (200 W, 26 kHz)
• Đầu siêu âm S26d2 (đường kính đầu: 2 mm; được khuyến nghị cho thể tích nhỏ)
• Bình phản ứng có áo điều nhiệt (50 mL), tương thích với máy khuấy từ
• Bể nước tuần hoàn (được kiểm soát bằng bộ điều nhiệt ở 37°C)
• Đầu dò nhiệt độ PT100 (được cung cấp kèm theo UP200Ht)
• Máy khuấy từ
• Cân phân tích (±0,1 mg)
• Tủ sấy chân không hoặc máy sấy đông khô

Hóa chất

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

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

Quy trình từng bước: Trùng hợp hydrogel bằng siêu âm

1. Chuẩn bị hỗn hợp trùng hợp
   • Cân 0,75 g Dex-MA vào bình phản ứng có áo điều nhiệt dung tích 50 mL.
   • Thêm 10,5 g glycerol và 3,75 g nước khử ion.
   • Khuấy hỗn hợp bằng máy khuấy từ ở nhiệt độ phòng (~22 °C) trong 5–10 phút để hòa tan hoàn toàn Dex-MA. Dung dịch thu được phải đồng nhất và hơi nhớt.
   • Gia nhiệt trước bể điều nhiệt đến 37 °C và kết nối với bình phản ứng có áo điều nhiệt để duy trì nhiệt độ không đổi.
2. Thiết lập máy siêu âm
   • Lắp đầu dò siêu âm S26d2 vào UP200Ht và bảo đảm mối ghép chắc chắn.
   • Nhúng mũi đầu dò siêu âm vào hỗn hợp phản ứng. Tránh để đầu dò chạm vào thành hoặc đáy bình.
   • Đặt đầu dò nhiệt độ trong dung dịch, gần đầu dò siêu âm nhưng không tiếp xúc trực tiếp. Cách bố trí này cho phép sử dụng chức năng kiểm soát nhiệt độ tích hợp của máy siêu âm.
   • Đặt biên độ ở mức 100%.
3. Trùng hợp bằng siêu âm
   • Bắt đầu khuấy ở 100–200 rpm để duy trì quá trình đồng nhất hóa nhẹ nhàng.
   • Bắt đầu xử lý siêu âm ở mức biên độ thích hợp để cung cấp cường độ ~56 W/cm² trong 6,5 phút.
   • Duy trì nhiệt độ dung dịch ở 37°C trong suốt quá trình. Nếu hỗn hợp bắt đầu nóng lên, tăng lưu lượng chất làm mát hoặc thêm đá vào bể điều nhiệt.
   • 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 min, dừng xử lý siêu âm để tránh tạo liên kết ngang quá mức hoặc phân hủy.
4. Xử lý sau phản ứng và tinh sạch
   • Chuyển ngay gel vào 200 mL nước khử ion trong khi khuấy mạnh để chiết rửa monome chưa phản ứng và glycerol.
   • Khuấy trong 30 phút, sau đó gạn dịch nổi hoặc lọc.
   • Lặp lại bước rửa thêm 3 lần bằng nước ấm (~60 °C) để tăng cường khuếch tán.
   • Sấy gel trong chân không ở 60°C trong 8 giờ, hoặc đông khô để thu được cấu trúc xốp.

 
Kết quả: Hydrogel tương thích sinh học
Bạn sẽ thu được hydrogel trong suốt, bền chắc với mức chuyển hóa cao (~70–75%), khả năng tạo liên kết ngang vượt trội và lượng monome dư tối thiểu. Hydrogel sẽ chống hòa tan trong nước và có cấu trúc đồng nhất sau khi sấy khô.

 
Lưu ý để kiểm soát quy trình tối ưu

Mở rộng quy mô: Tuyến tính và đơn giản với xử lý siêu âm

Trong một lĩnh vực ngày càng đòi hỏi độ chính xác, độ tinh khiết và khả năng mở rộng quy mô, phương pháp siêu âm này mang đến một giải pháp thay thế đầy sức thuyết phục. Phương pháp này có thể được kiểm soát theo không gian, điều chỉnh theo thời gian thực và tương thích với xử lý liên tục bằng các hệ thống siêu âm hiện đại trên đường ống.
Máy siêu âm của Hielscher Ultrasonics cung cấp biên độ chính xác và cho phép mở rộng tuyến tính từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô sản xuất – nhờ đó trở thành lựa chọn lý tưởng để đưa các hệ hydrogel như vậy vào ứng dụng điều trị và chẩn đoán thực tế.

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

Máy siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn cao nhất về chất lượng và thiết kế. Độ bền cao và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi máy siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Máy siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng các điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các máy siêu âm hiệu suất cao với công nghệ tiên tiến nhất và tính thân thiện với người dùng. Tất nhiên, máy siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi: