پلیمریزاسیون هیدورژل با التراسونیک، روشی بدون استفاده از رادیکال‌های آزاد و آغازگرها برای سنتز هیدروژل‌ها از مونومرها و ماکرومونومرهای محلول در آب است. این روش از تولید رادیکال‌ها از طریق پدیده کاویتاسیون در فراصوت بهره می‌برد و برای کاربردهای زیست‌پزشکی (که باید از باقی‌مانده‌های آغازگر اجتناب شود)، ایده‌آل است.
هیدروژل‌ها شبکه‌هایی سه‌بعدی از پلیمرهای آب‌دوست هستند که می‌توانند مقدار زیادی آب را در خود نگه دارند و در عین حال یکپارچگی ساختاری خود را حفظ کنند. ویژگی‌ای که ناشی از پیوندهای عرضی بین زنجیره‌های پلیمری است. خواص فیزیکوشیمیایی آن‌ها (مانند رفتار تورمی، استحکام مکانیکی و زیست‌سازگاری) باعث شده برای کاربردهای زیست‌پزشکی مانند رهایش دارو، مهندسی بافت و ترمیم زخم بسیار جذاب باشند.
پلیمریزاسیون هیدروژل به روش التراسونیک: مزایا
سنتز هیدروژل‌ها به‌طور سنتی بر اساس روش‌های گرمایی، فتوشیمیایی یا شیمیایی انجام می‌شود؛ اما سنتز التراسونیک هیدروژل‌ها به دلیل مزایای فراوان آن، به‌سرعت در حال رشد است. روش التراسونیک، روشی ساده، بدون استفاده از مواد شیمیایی اضافی، قابل تنظیم و سازگار با محیط زیست است.
در این روش، از کاویتاسیون آکوستیکی برای تحریک پلیمریزاسیون و ایجاد پیوندهای عرضی فیزیکی یا شیمیایی استفاده می‌شود، بدون نیاز به آغازگرهای خارجی. جالب است که التراسونیک همچنین می‌تواند پراکندگی نانوذرات را در محل (in situ) تسهیل کرده یا واکنش‌های رادیکالی را در محیط‌های آبی آغاز کند. این ویژگی، التراسونیک را به ابزاری چندمنظوره برای ساخت هیدروژل‌های چندکاره یا نانوکامپوزیتی در شرایط ملایم تبدیل کرده است.
در تلاش برای دستیابی به هیدروژل‌های زیست‌سازگار که به‌طور تمیز، ایمن و در صورت نیاز (On-Demand) قابل تولید باشند، استراتژی‌های سنتی پلیمریزاسیون اغلب ناکارآمد هستند. کَس (Cass) و همکارانش در یک پژوهش راه‌حلی مؤثر برای این مسئله ارائه داده‌اند: روشی تمیز و بدون آغازگر برای سنتز هیدروژل با استفاده از فراصوت (ultrasound) با فرکانس پایین.
مطالعه آن‌ها پلیمریزاسیون سونو‌شیمیایی انواع مونومرهای محلول در آب را بررسی کرده، اما یک فرمولاسیون خاص به‌طور ویژه‌ای مؤثر و مقاوم ظاهر شده است: محلول ۵٪ دکستران متاکریلات (Dex-MA) در ترکیب ۷۰٪ گلیسیرین-آب که در شدت متوسط التراسونیک (۵۶ وات بر سانتی‌متر مربع) پلیمریزه شده است. به شکل قابل توجهی، این سیستم توانست تنها در ۶.۵ دقیقه یک هیدروژل کامل تولید کند و به بازده تبدیل مونومر به پلیمر ۷۲٪ برسد. بالاترین بازده در میان تمام فرمول‌های آزمایش‌شده.
کاویتاسیون التراسونیک
اصل عملکرد این روش مبتنی بر پدیده‌ای قدرتمند اما گذرا به نام کاویتاسیون التراسونیک است. زمانی که مایع در معرض امواج فراصوت پرتوان قرار می‌گیرد، حباب‌های میکروسکوپی خلا در آن شکل گرفته و به‌شدت فرو‌می‌پاشند. این پدیده منجر به ایجاد نقاط داغ موضعی (hotspots) می‌شود که در آن دما ممکن است به‌طور لحظه‌ای به بیش از ۵۰۰۰ کلوین برسد. این شرایط باعث شکافت همولیتیک مولکول‌های حلال شده و انفجاری از رادیکال‌های واکنشی تولید می‌کند. برخلاف پلیمریزاسیون سنتی که به گرما یا آغازگرهای خارجی وابسته است، در اینجا فراصوت هم انرژی و هم رادیکال‌های مورد نیاز برای شروع واکنش را فراهم می‌کند، بدون آنکه دمای کلی محیط از محدوده فیزیولوژیکی عبور کند.
هم‌حلال (Co-Solvent)
انتخاب گلیسیرین به عنوان هم‌حلال اتفاقی نبوده است. گلیسیرین نه تنها ویسکوزیته (گرانروی) محلول را افزایش می‌دهد (که عامل مهمی برای تقویت شدت کاویتاسیون است)، بلکه خود نیز به‌عنوان یک هم‌بخشنده‌ی رادیکال عمل می‌کند. گروه‌های هیدروکسیل موجود در گلیسیرین می‌توانند رادیکال‌های ثانویه نسبتاً پایداری ایجاد کنند و بدین ترتیب عمر رادیکال‌ها را افزایش داده و به پیشرفت زنجیره پلیمری کمک کنند.
علاوه بر این، محیط غلیظ و غنی از گلیسیرین به‌خوبی زنجیره‌های پلیمری تازه تشکیل‌شده را در خود نگه می‌دارد، حلالیت آن‌ها را کاهش داده و از تخریب ناشی از فراصوت جلوگیری می‌کند؛ پدیده‌ای که در محیط‌های آبی رقیق‌تر رایج‌تر است.
پلیمریزاسیون التراسونیک:
برای بررسی روند پیشرفت پلیمریزاسیون، پژوهشگران از طیف‌سنجی فروسرخ استفاده کردند و کاهش گروه‌های وینیل موجود در Dex-MA را در طول زمان دنبال نمودند. جذب مشخصه در طول‌موج 1635 سانتی‌متر⁻¹ (که نشان‌دهندهٔ پیوند دوگانه C=C است) در طول فرایند سونیکاسیون (تابش امواج فراصوت) به‌سرعت کاهش یافت، در حالی که کشش کربونیل استری در 1730 سانتی‌متر⁻¹ ثابت باقی ماند و به عنوان مرجع داخلی عمل کرد. این داده‌ها نه تنها تبدیل سریع گروه‌های وینیل را تأیید کردند، بلکه درجه بالای شبکه‌ای شدن (Crosslinking) را نیز نشان دادند؛ شواهد آن نسبت‌های تورم پایین و ساختارهای ژلی مقاوم بودند.
تحلیل:
میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) ساختار ریز ژل را در طول زمان آشکار کرد. در مراحل اولیه، شبکه دارای منافذ باز و بزرگی بود، اما با ادامه فراصوت، این فضاها با ساختار ثانویه‌ای متراکم‌تر پر شدند. پس از ۱۵ دقیقه، هیدروژل، مورفولوژی‌ای یکنواخت با پیوندهای عرضی منظم و منافذ به‌خوبی درهم‌تنیده شده نشان داد که از ویژگی‌های کلیدی هیدروژل‌های با کیفیت زیست‌پزشکی محسوب می‌شود.
نتیجه:
وقتی این روش با هیدروژل‌هایی که با استفاده از آغازگرهای حرارتی رادیکال آزاد تولید شده‌اند مقایسه شد، تفاوت‌ها چشمگیر بود. اگرچه می‌توان بازده مشابهی را با روش حرارتی به‌دست آورد، اما شبکه‌های حاصل بسیار متخلخل‌تر، کم‌یکنواخت‌تر و دارای نسبت تورمی بالاتری بودند، که همگی نشانه‌هایی از ساختاری با پیوند عرضی سست‌تر است.
علاوه بر این، فرآیند حرارتی نیازمند حذف اکسیژن با استفاده از نیتروژن، افزودنی‌های شیمیایی و دمای بالا بود؛ در حالی که روش اولتراسونیک در دمای محیط (تنها ۳۷ درجه سانتی‌گراد) به‌خوبی عمل می‌کرد.
شاید جالب‌ترین نکته این پژوهش، مشاهده ادامه‌ی پلیمریزاسیون حتی پس از توقف فراصوت باشد. ژل پس از توقف فراصوت، به مدت ۳۰ دقیقه به تقویت و سفت شدن خود ادامه داد. این امر نشان می‌دهد که رادیکال‌های پایدار یا ساختارهای میانی تشکیل‌شده در طول فراصوت ممکن است حتی بدون ورودی انرژی بیشتر نیز به رشد زنجیره‌های پلیمری ادامه دهند: رفتاری که می‌تواند برای کاربردهای درون‌بدنی (in vivo) بسیار مفید و امیدبخش باشد.
سنتز التراسونیک هیدروژل دکستران متاکریلات (Dex-MA) با استفاده از سونیکاتور
برای سنتز یک هیدروژل با پیوند عرضی کووالانسی از Dex-MA، امواج اولتراسونیک با فرکانس پایین و شدت بالا به داخل محلول گلیسیرین/آب منتقل می‌شوند. دما و چگالی انرژی فراصوت با دقت کنترل می‌شوند.
در ادامه، دستورالعمل مربوط به سنتز هیدروژل با استفاده از روش اولتراسونیک در مقیاس آزمایشگاهی آمده است. این روش را می‌توان به‌صورت خطی به مقادیر بیشتر (مقیاس صنعتی) توسعه داد.
تجهیزات و مواد مورد نیاز
تجهیزات
- پردازنده التراسونیک 400LUP آواپرداز
- ظرف واکنش ژاکت‌دار (50 میلی‌لیتر، سازگار با همزن مغناطیسی)
- حمام آب با گردش و کنترل دمای ترموستاتیک (37 درجه سانتی‌گراد)
- دماسنج
- همزن مغناطیسی
- ترازوی تحلیلی (با دقت ±0.1 میلی‌گرم)
- آون خلأ یا فریز درایر (lyophilizer)
مواد شیمیایی
- دکستران متاکریلات (Dex-MA) با درجه متاکریلاسیون ~20٪
- گلیسیرین (حداقل 99.5٪، بدون آب)
- آب دی‌یونیزه (Deionized Water)
همه مواد باید دارای گرید تحلیلی (analytical grade) باشند.
از محیط‌های دارای اکسیژن بالا پرهیز شود؛ در صورت امکان حلال‌ها را گاززدایی (degas) کنید.
فرمولاسیون:
ماده | مقدار (گرم) | درصد وزنی (%) |
دکستران متاکریلات | 0.75 g | 5% |
گلیسیرین | 10.5 g | 70% |
آب دی‌یونیزه | 3.75 g | 25% |
جمع کل | 15.0 g | 100% |
پلیمریزاسیون هیدروژل با التراسونیک؛ گام به گام
۱. آماده‌سازی مخلوط پلیمریزاسیون
- 0.75 گرم Dex-MA را در یک ظرف واکنش ژاکت‌دار ۵۰ میلی‌لیتری وزن کنید.
- 10.5 گرم گلیسیرین و 3.75 گرم آب دی‌یونیزه به آن اضافه کنید.
- مخلوط را به مدت ۵ تا ۱۰ دقیقه در دمای اتاق (~۲۲ درجه سانتی‌گراد) با همزن مغناطیسی هم بزنید تا Dex-MA کاملاً حل شود.
در پایان باید یک محلول نسبتاً ویسکوز و یکنواخت حاصل شود.
- حمام آب را تا دمای ۳۷ درجه سانتی‌گراد گرم کرده و آن را به ژاکت حرارتی ظرف واکنش متصل کنید تا دما به‌صورت پایدار حفظ شود.
۲. تنظیم دستگاه فراصوت (سونیکاتور)
- نوک سونوترود را داخل محلول واکنش قرار دهید، به‌طوری که با دیواره یا کف ظرف تماس نداشته باشد.
- پراب دمایی را نزدیک نوک سونوترود (اما بدون تماس مستقیم) داخل محلول قرار دهید تا از کنترل دمای یکپارچه دستگاه استفاده شود.
- توان دستگاه را روی ۱۰۰٪ تنظیم کنید.
۳. پلیمریزاسیون التراسونیک
- همزن مغناطیسی را روی سرعت ملایم (۱۰۰–۲۰۰ دور در دقیقه) تنظیم کنید تا همگن‌سازی آرام حفظ شود.
- فرایند فراصوت را آغاز کرده و به گونه‌ای تنظیم کنید که شدت انرژی حدود ۵۶ وات بر سانتی‌متر مربع برای ۶.۵ دقیقه فراهم شود.
- دمای محلول را در طول فرآیند روی ۳۷ درجه سانتی‌گراد ثابت نگه دارید.
در صورت افزایش دما، جریان خنک‌کننده را بیشتر کرده یا یخ به حمام آب اضافه کنید.
- ژل شدن معمولاً در عرض ۵–۶ دقیقه آغاز می‌شود.
ویسکوزیته به‌طور قابل توجهی افزایش خواهد یافت.
- اگر ژل شدن زودتر از ۶.۵ دقیقه رخ داد، فرایند فراصوت را متوقف کنید تا از پیوند عرضی بیش از حد یا تخریب جلوگیری شود.
۴. خالص‌سازی و پردازش نهایی
- بلافاصله ژل را به داخل ۲۰۰ میلی‌لیتر آب دی‌یونیزه در حال هم زدن شدید منتقل کنید تا مونومر واکنش‌نداده و گلیسیرین از آن شسته شود.
- ۳۰ دقیقه هم بزنید، سپس محلول رویی را جدا کرده یا فیلتر کنید.
- شست‌وشو را سه بار دیگر تکرار کنید، این‌بار با استفاده از آب گرم (~۶۰ درجه سانتی‌گراد) برای بهبود نفوذپذیری و حذف کامل باقی‌مانده‌ها.
- برای خشک‌کردن:
- یا ژل را در دمای ۶۰ درجه سانتی‌گراد در آون خلأ به‌مدت ۸ ساعت خشک کنید
- یا فریز درایر (lyophilizer) را برای به‌دست آوردن ساختارهای متخلخل استفاده کنید.
نتیجه: یک هیدروژل زیست‌سازگار
در پایان، باید یک هیدروژل شفاف، مستحکم و با بازده تبدیل بالا (~۷۰–۷۵٪) به‌دست آورید که:
- دارای پیوندهای عرضی مطلوب است،
- مقدار مونومر باقیمانده آن حداقل است،
- در آب حل نمی‌شود،
- و هنگام خشک شدن، ساختار یکنواختی دارد.
نکات مهم برای بهینه‌سازی فرایند
- کنترل دقیق توان برای تکرارپذیری و مقیاس‌پذیری خطی حیاتی است.
- ویسکوزیته محلول بر شدت کاویتاسیون تأثیرگذار است؛ نسبت گلیسیرین به آب باید دقیق باشد.
- گاززدایی محلول اختیاری ولی توصیه‌شده است تا از خاموش شدن رادیکال‌ها توسط اکسیژن محلول جلوگیری شود.
- برای مقیاس صنعتی، از راکتور التراسونیک و دستگاه های صنعتی و نیمه صنعتی آواپرداز استفاده کنید.
مقیاس‌پذیری: خطی و ساده با استفاده از التراسونیک
در حوزه‌ای که به‌طور فزاینده‌ای به دقت، خلوص و قابلیت مقیاس‌پذیری نیاز دارد، روش اولتراسونیک گزینه‌ای جذاب و کارآمد ارائه می‌دهد. این فناوری:
- قابل کنترل در فضا است (یعنی دقیقاً در محل دلخواه انرژی وارد می‌شود)،
- در زمان واقعی (real-time) قابل تنظیم است،
- و با فرآیندهای پیوسته (inline processing) در سیستم‌های اولتراسونیک مدرن کاملاً سازگار می‌باشد.
سونیکاتورهای شرکت آواپرداز:
- توان دقیق و قابل تنظیم را فراهم می‌کنند،
- و از مقیاس آزمایشگاهی تا تولید صنعتی به‌صورت خطی مقیاس‌پذیر هستند.
این ویژگی‌ها آن‌ها را به ابزاری ایده‌آل برای انتقال سیستم‌های هیدروژل به کاربردهای درمانی و تشخیصی واقعی تبدیل کرده‌اند.
چرا آواپرداز؟
شرکت آواپرداز هوشمند افرا یکی از پیشگامان فناوری فراصوت صنعتی و آزمایشگاهی است که مزایای زیر را ارائه می‌دهد:
- بهره‌وری بالا
طراحی دستگاه‌ها برای انتقال انرژی مؤثر و بهینه به محیط واکنش. - فناوری پیشرفته و به‌روز
استفاده از جدیدترین تکنولوژی‌های اولتراسونیک با کنترل دیجیتال و عملکرد هوشمند. - قابلیت اطمینان و دوام بالا
دستگاه‌هایی مقاوم و قابل‌اعتماد برای استفاده مداوم در شرایط مختلف صنعتی و تحقیقاتی. - کنترل دقیق و قابل تنظیم فرایند
تنظیم دقیق آمپیلی‌تود، دما، زمان و شدت انرژی برای تکرارپذیری بالا. - قابلیت اجرا به‌صورت بچ (Batch) و پیوسته (Inline)
مناسب برای مقادیر کم در مقیاس آزمایشگاهی یا تولید انبوه در صنعت. - نرم‌افزار هوشمند با امکانات پیشرفته
شامل:- برنامه‌پذیری (Programmable operation)
- ثبت خودکار داده‌ها (Data protocolling)
- کنترل از راه دور (Remote control)
- عملکرد آسان و ایمن
طراحی کاربرپسند برای کاهش خطا و افزایش ایمنی اپراتور. - نگهداری کم + قابلیت شست‌وشوی در محل (CIP)
مناسب برای کاربردهای حساس مانند زیست‌پزشکی و دارویی.
سوالات متداول
هیدروژل چیست؟
هیدروژل یک شبکه سه‌بعدی از پلیمرهای آب‌دوست (هیدروفیل) است که می‌تواند مقادیر زیادی آب را جذب و نگهداری کند، در حالی‌که ساختار خود را حفظ می‌کند. این ساختار معمولاً از طریق پیوندهای عرضی فیزیکی یا شیمیایی بین زنجیره‌های پلیمری شکل می‌گیرد و اغلب رطوبت و انعطاف‌پذیری بافت‌های زیستی را تقلید می‌کند.
هیدروژل چه کاربردهایی دارد؟
هیدروژل‌ها کاربردهای بسیار گسترده‌ای دارند، از جمله:
- رهایش کنترل‌شده دارو
- پانسمان زخم
- داربست در مهندسی بافت
- لنزهای تماسی نرم
- حسگرهای زیستی (biosensors)
- و اخیراً در رباتیک نرم و الکترونیک پوشیدنی
زیست‌سازگاری بالا، خواص مکانیکی قابل تنظیم و واکنش‌پذیری نسبت به محرک‌ها (مانند pH، دما، نور) آن‌ها را برای استفاده در پزشکی و صنعت بسیار ارزشمند کرده است.
آیا هیدروژل برای پوست مفید است؟
بله، هیدروژل معمولاً برای پوست مفید است.
این ماده:
- یک محیط مرطوب فراهم می‌کند که ترمیم زخم را تسریع می‌کند،
- به کاهش جای زخم کمک می‌کند،
- و تکثیر سلولی را حمایت می‌کند.
پانسمان‌های مبتنی بر هیدروژل می‌توانند اثر خنک‌کننده، تسکین درد و رهایش کنترل‌شده دارو را فراهم کنند و برای درمان سوختگی‌ها، زخم‌های مزمن (مانند زخم بستر) و مراقبت‌های بعد از عمل بسیار مؤثر هستند.
درباره پانسمان‌های آلوئه‌ورا که با فراصوت تهیه شده‌اندبیشتر بدانید!
چرا هیدروژل خاصیت خودترمیمی دارد؟
هیدروژل‌ها رفتار خودترمیمی از خود نشان می‌دهند، زیرا در شبکه پلیمری آن‌ها برهم‌کنش‌های برگشت‌پذیر وجود دارد، از جمله:
- پیوندهای هیدروژنی
- برهم‌کنش‌های یونی
- نیروهای هیدروفوبیک
- یا پیوندهای کووالانسی دینامیک
وقتی ساختار آن‌ها دچار آسیب می‌شود، این برهم‌کنش‌ها باعث می‌شوند شبکه دوباره بازسازی شود و هیدروژل بتواند خواص مکانیکی و عملکردی خود را بازیابی کند.
