Prednosti proizvodnje hidrogelova ultrazvučnom obradom
Ultrazvučna obrada (sonikacija) je vrlo djelotvorna, pouzdana i jednostavna tehnika za pripremu visokoučinkovitih hidrogelova. Ovi hidrogelovi imaju odlična svojstva materijala, kao što su apsorpcijski kapaciteti, viskoelastičnost, mehanička čvrstoća, modul kompresije i funkcije samoizlječenja.
Ultrazvučna polimerizacija i disperzija za proizvodnju hidrogelova
Hidrogelovi su hidrofilne, trodimenzionalne polimerne mreže koje mogu apsorbirati velike količine vode ili tekućina. Hidrogelovi imaju izuzetan kapacitet bubrenja. Uobičajeni građevni elementi hidrogelova uključuju polivinil-alkohol, polietilen-glikol, natrijev poliakrilat, akrilatne polimere, karbomere, polisaharide ili polipeptide s velikim brojem hidrofilnih grupa te prirodne proteine kao što su kolagen, želatina i fibrin.
Takozvani hibridni hidrogelovi sastoje se od različitih hemijski, funkcionalno i morfološki različitih materijala, kao što su proteini, peptidi ili nano- / mikrostrukture.
Ultrazvučna disperzija se široko koristi kao vrlo učinkovita i pouzdana tehnika za homogenizaciju nanomaterijala kao što su ugljične nanocijevi (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), celulozni nanokristali, hitinska nanovlakna, titan-dioksid, nanočestice srebra, proteini i druge mikro- ili nanostrukture u polimernu matricu hidrogelova. Zbog toga je ultrazvučna obrada (sonikacija) glavni alat za proizvodnju visokoučinkovitih hidrogelova izuzetnih kvaliteta.
Ultrazvučni uređaj UIP1000hdT sa staklenim reaktorom za sintezu hidrogelova
Šta pokazuju istraživanja – ultrazvučna priprema hidrogelova
Prvo, ultrazvučna obrada potiče reakcije polimerizacije i umrežavanja tokom formiranja hidrogela.
Drugo, dokazano je da je ultrazvučna obrada pouzdana i djelotvorna tehnika disperzije za proizvodnju hidrogelova i nanokompozitnih hidrogelova.
Ultrazvučno umrežavanje i polimerizacija hidrogelova
Ultrazvučna obrada pomaže formiranje polimernih mreža tokom sinteze hidrogelova putem stvaranja slobodnih radikala. Intenzivni ultrazvučni talasi stvaraju akustičnu kavitaciju koja uzrokuje visoke smične sile, molekularno smicanje i stvaranje slobodnih radikala.
Cass et al. (2010) su pripremili nekoliko „akrilnih hidrogelova su pripremljeni ultrazvučnom polimerizacijom u vodi topljivih monomera i makromonomera. Ultrazvuk je korišten za stvaranje inicirajućih radikala u viskoznim vodenim rastvorima monomera uz dodatke glicerola, sorbitola ili glukoze u otvorenom sistemu na 37°C. Dodaci topljivi u vodi bili su ključni za proizvodnju hidrogela, a glicerol je bio najdjelotvorniji. Hidrogelovi su pripremljeni od monomera 2-hidroksietil-metakrilata, poli(etilen-glikol)-dimetakrilata, dekstran-metakrilata, akrilne kiseline/etilen-glikol-dimetakrilata i akrilamida/bis-akrilamida.” [Cass et al. 2010] Primjena ultrazvuka pomoću sondnog ultrazvučnog uređaja pokazala se kao djelotvorna metoda za polimerizaciju u vodi topljivih vinilnih monomera i naknadnu pripremu hidrogelova. Ultrazvučno inicirana polimerizacija odvija se brzo bez hemijskog inicijatora.
Cijeli protokol studije pronađite ovdje!
- nanočestica, npr. TiO2
- ugljičnih nanocijevi (CNTs)
- celuloznih nanokristala (CNCs)
- celuloznih nanofibrila
- guma, npr. ksantan, guma sjemenki kadulje
- proteina
Pročitajte više o ultrazvučnoj sintezi nanokompozitnih hidrogelova i nanogelova!
Formiranje hidrogela ultrazvučno potpomognutom geliranjem pomoću ultrazvučnog uređaja UP100H (Studija i film: Rutgeerts et al., 2019)
SEM snimak poli(akrilamid-ko-itakonske kiseline) hidrogela koji sadrži MWCNTs. MWCNTs su ultrazvučno dispergirane pomoću ultrazvučnog uređaja UP200S.
studija i slika: Mohammadinezhada et al., 2018
Izrada hidrogela poli(akrilamid-ko-itakonska kiselina) – MWCNT ultrazvučnom obradom
Mohammadinezhada et al. (2018) uspješno su proizveli superapsorbirajući kompozit hidrogela koji sadrži poli(akrilamid-ko-itakonsku kiselinu) i višezidne ugljične nanocijevi (MWCNTs). Ultrazvučna obrada je izvedena Hielscher ultrazvučnim uređajem UP200S. Stabilnost hidrogela povećavala se s povećanjem udjela MWCNTs, što se može pripisati hidrofobnoj prirodi MWCNTs kao i povećanju gustoće umreživača. Kapacitet zadržavanja vode (WRC) hidrogela P(AAm-co-IA) također se povećao uz prisustvo MWCNT (10 wt%). U ovoj studiji učinci ultrazvučne obrade ocijenjeni su superiornima s obzirom na ravnomjernu raspodjelu ugljičnih nanocijevi na površini polimera. MWCNTs su bile netaknute, bez ikakvog prekida u polimernoj strukturi. Osim toga, povećani su čvrstoća dobivenog nanokompozita, njegov kapacitet zadržavanja vode i apsorpcija drugih topljivih materijala kao što je Pb (II). Ultrazvučna obrada (sonikacija) razbila je inicijator i dispergirala MWCNTs kao odličan punilac u polimernim lancima pri povećanju temperature.
Istraživači zaključuju da se ovi „reakcijski uvjeti ne mogu postići konvencionalnim metodama, a homogenost i dobra disperzija čestica u matrici ne mogu se postići. Osim toga, proces ultrazvučne obrade razdvaja nanočestice na pojedinačne čestice, dok miješanje to ne može. Drugi mehanizam smanjenja veličine je učinak snažnih akustičnih talasa na sekundarne veze poput vodikovih veza, pri čemu ovo zračenje razbija H-veze čestica i potom razdvaja agregirane čestice te povećava broj slobodnih adsorpcijskih grupa poput -OH i dostupnost. Stoga ovaj važan događaj čini proces ultrazvučne obrade superiornom metodom u odnosu na druge, poput magnetnog miješanja primijenjenog u literaturi.” [Mohammadinezhada et al., 2018]
Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji za sintezu hidrogelova
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovitu ultrazvučnu opremu za sintezu hidrogelova. Od malih i srednje velikih R&D i pilot ultrazvučnih uređaja do industrijskih sistema za komercijalnu proizvodnju hidrogelova u kontinuiranom režimu, Hielscher Ultrasonics pokriva zahtjeve vašeg procesa.
Ultrazvučni uređaji industrijske klase mogu postići vrlo visoke amplitude, što omogućava pouzdane reakcije umrežavanja i polimerizacije te ravnomjernu disperziju nanočestica. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano primjenjivati u radu 24/7/365. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
- visoka učinkovitost
- najsavremenija tehnologija
- pouzdanost & robusnost
- šaržni & inline
- za bilo koju zapreminu
- inteligentni softver
- pametne funkcije (npr. protokolisanje podataka)
- CIP (čišćenje na licu mjesta)
Obratite nam se danas za dodatne tehničke informacije, cijene i neobavezujuću ponudu. Naše dugogodišnje iskusno osoblje rado će vas savjetovati!
Tabela u nastavku daje okvirnu informaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Zapremina šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za primjene miješanja, disperziju, emulgiranje i ekstrakciju u laboratorijskom, pilot i industrijskom mjerilu.
Korisno je znati
Za šta se koriste hidrogelovi?
Hidrogelovi se koriste u mnogim industrijama, kao što su farmacija za isporuku lijekova (npr. isporuka lijekova s vremenski kontroliranim oslobađanjem, oralna, intravenska, topikalna ili rektalna isporuka lijekova), medicina (npr. kao nosači u tkivnom inženjerstvu, silikonski implantati dojki, biomehanički materijal, zavoji za rane), kozmetički proizvodi, proizvodi za njegu (npr. kontaktne leće, pelene, higijenski ulošci), poljoprivreda (npr. za formulacije pesticida, granule za zadržavanje vlage u tlu u sušnim područjima), istraživanje materijala kao funkcionalni polimeri (npr. eksplozivi na bazi vodenog gela, enkapsulacija kvantnih tačaka, termodinamičko stvaranje električne energije), odvodnjavanje uglja, vještački snijeg, aditivi za hranu i drugi proizvodi (npr. ljepilo).
Klasifikacija hidrogelova
Kada se klasifikacija hidrogelova vrši prema njihovoj fizičkoj strukturi, mogu se klasificirati kako slijedi:
- amorfni (nekristalni)
- polukristalni: složena mješavina amorfnih i kristalnih faza
- kristalni
Kada se fokus stavi na polimerni sastav, hidrogelovi se također mogu klasificirati u sljedeće tri kategorije:
- homopolimerni hidrogelovi
- kopolimerni hidrogelovi
- multipolimerni hidrogelovi / IPN hidrogelovi
Prema vrsti umrežavanja, hidrogelovi se klasificiraju na:
- hemijski umrežene mreže: trajne veze
- fizički umrežene mreže: prolazne veze
Fizički izgled dovodi do klasifikacije na:
- matriks
- film
- mikrosfera
Klasifikacija prema električnom naboju mreže:
- nejonski (neutralni)
- jonski (uključujući anionske ili katjonske)
- amfoterni elektrolit (ampholitni)
- zwitterionski (polibetaini)
Literatura / reference
- Mohammadinezhada, Alireza; Marandi, Gholam Bagheri; Farsadrooh, Majid; Javadian, Hamedreza (2018): Synthesis of poly(acrylamide-co-itaconic acid)/MWCNTs superabsorbent hydrogel nanocomposite by ultrasound-assisted technique: Swelling behavior and Pb (II) adsorption capacity. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 49, 2018. 1-12.
- Cass, Peter; Knower, Warren; Pereeia, Eliana; Holmes, Natalie P.; Hughes Tim (2010): Preparation of hydrogels via ultrasonic polymerization. Ultrasonics Sonochemistry Volume 17, Issue 2, February 2010. 326-332.
- 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.
- Butylina, Svetlana; Geng, Shiyu; Laatikainen, Katri; Oksman, Kristiina (2020): Cellulose Nanocomposite Hydrogels: From Formulation to Material Properties. Frontiers in Chemistry, Vol. 8, 655, 2020.
- 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.
- Oleyaei, Seyed Amir; Razavi, Seyed Mohammad Ali; Mikkonen, Kirsi S. (2018): Physicochemical and rheo-mechanical properties of titanium dioxide reinforced sage seed gum nanohybrid hydrogel. International Journal of Biological Macromolecules Vol. 118, Part A, 2018. 661-670.
Visokoučinkovita ultrazvučna tehnika! Asortiman proizvoda kompanije Hielscher pokriva cijeli spektar, od kompaktnog laboratorijskog ultrazvučnog uređaja preko stolnih jedinica do potpuno industrijskih ultrazvučnih sistema.