Výhodná výroba hydrogelu ultrazvukem
Sonikace je vysoce účinná, spolehlivá a jednoduchá technika pro přípravu vysoce účinných hydrogelů. Tyto hydrogely nabízejí vynikající materiálové vlastnosti, jako jsou absorpční kapacity, viskoelasticita, mechanická pevnost, modul komprese a samoregenerační funkce.
Ultrazvuková polymerace a disperze pro výrobu hydrogelu
Hydrogely jsou hydrofilní, trojrozměrné polymerní sítě, které jsou schopny absorbovat velké množství vody nebo tekutin. Hydrogely vykazují mimořádnou bobtnavost. Mezi běžné stavební kameny hydrgelů patří polyvinylalkohol, polyethylenglykol, polyakrylát sodný, akrylátové polymery, karbomery, polysacharidy nebo polypeptidy s vysokým počtem hydrofilních skupin a přírodní proteiny, jako je kolagen, želatina a fibrin.
Takzvané hybridní hydrogely se skládají z různých chemicky, funkčně a morfologicky odlišných materiálů, jako jsou proteiny, peptidy nebo nano- / mikrostruktury.
Ultrazvuková disperze je široce používána jako vysoce účinná a spolehlivá technika pro homogenizaci nanomateriálů, jako jsou uhlíkové nanotrubice (CNT, MWCNTs, SWCNTs), nanokrystaly celulózy, chitinová nanovlákna, oxid titaničitý, nanočástice stříbra, proteiny a další mikronové- nebo nanostruktury, do polymerní matrice hydrogelů. Díky tomu je sonikace hlavním nástrojem pro výrobu vysoce výkonných hydrogelů s mimořádnými vlastnostmi.

Ultrasonicator UIP1000hdT se skleněným reaktorem pro syntézu hydrogelu
Co ukazují výzkumy – Ultrazvuková příprava hydrogelu
Za prvé, ultrazvuku podporuje polymeraci a zesíťovací reakce během tvorby hydrogelu.
Za druhé, ultrazvuku se osvědčilo jako spolehlivá a účinná disperzní technika pro výrobu hydrogelů a nanokompozitních hydrogelů.
Ultrazvukové síťování a polymerace hydrogelů
Ultrazvuku napomáhá tvorbě polymerních sítí během syntézy hydrogelu prostřednictvím tvorby volných radikálů. Intenzivní ultrazvukové vlny generují akustickou kavitaci, která způsobuje vysoké smykové síly, molekulární střih a tvorbu volných radikálů.
Cass et al. (2010) připravili několik "akrylových hydrogelů byly připraveny ultrazvukovou polymerací ve vodě rozpustných monomerů a makromonomerů. Ultrazvuk byl použit k vytvoření iniciačních radikálů ve vazkých vodných roztocích monomerů pomocí přísad glycerolu, sorbitolu nebo glukózy v otevřeném systému při 37 °C. Přísady rozpustné ve vodě byly nezbytné pro výrobu hydrogelu, přičemž glycerol byl nejúčinnější. Hydrogely byly připraveny z monomerů 2-hydroxyethylmethakrylátu, poly(ethylenglykolu) dimethakrylátu, dextranmethakrylátu, kyseliny akrylové/ethylenglykoldimetakrylátu a akrylamidu/bis-akrylamidu. [Cass et al. 2010] Bylo zjištěno, že ultrazvuková aplikace pomocí sondy ultrasonicator je účinnou metodou pro polymeraci ve vodě rozpustných vinylových monomerů a následnou přípravu hydrogelů. Ultrazvukem iniciovaná polymerace probíhá rychle v nepřítomnosti chemického iniciátoru.
Celý protokol studie naleznete zde!
- nanočástice, např. TiO2
- uhlíkové nanotrubice (CNT)
- nanokrystaly celulózy (CNC)
- Celulózové nanofibrily
- gumy, např. xanthan, guma ze šalvějových semínek
- bílkoviny
Přečtěte si více o ultrazvukové syntéze nanokompozitních hydrogelů a nanogelů!

Tvorba hydrogelu pomocí ultrazvukem asistované gelace pomocí ultrasonicator UP100H (Studie a film: Rutgeerts et al., 2019)

SEM hydrogelu kyseliny akrylamid-koitakonové s obsahem MWCNTs. MWCNT byly ultrazvukem dispergovány pomocí ultrazvuku pomocí ultrazvuku UP200S.
studie a obrázek: Mohammadinezhada et al., 2018
Výroba kyseliny poly(akrylamid-ko-itakonové) – MWCNT Hydrogel pomocí ultrazvuku
Mohammadinezhada et al. (2018) úspěšně vyrobili superabsorpční hydrogelový kompozit obsahující poly(kyselinu akrylamid-ko-itakonovou) a vícestěnné uhlíkové nanotrubice (MWCNTs). Ultrazvuku byla provedena pomocí ultrazvukového zařízení Hielscher UP200S. Stabilita hydrogelu se zvyšovala se zvyšujícím se poměrem MWCNTs, což lze přičíst hydrofobní povaze MWCNT a také nárůstu hustoty síťovadla. Schopnost zadržovat vodu (WRC) hydrogelu P(AAm-co-IA) byla také zvýšena v přítomnosti MWCNT (10 hm.). V této studii byly účinky ultrazvuku hodnoceny jako lepší, pokud jde o rovnoměrné rozložení uhlíkových nanotrubic na povrchu polymeru. MWCNT byly neporušené bez jakéhokoli přerušení polymerní struktury. Kromě toho byla zvýšena pevnost získaného nanokompozitu a jeho schopnost zadržovat vodu a absorpce dalších rozpustných materiálů, jako je Pb (II). Sonikace rozbila iniciátor a dispergovala MWCNT jako vynikající plnivo v polymerních řetězcích při zvyšující se teplotě.
Výzkumníci dospěli k závěru, že těchto "reakčních podmínek nelze dosáhnout konvenčními metodami a homogenity a dobré disperze částic do hostitele nelze dosáhnout. Kromě toho proces sonikace odděluje nanočástice na jednu částici, zatímco míchání to nedokáže. Dalším mechanismem zmenšování velikosti je vliv silných akustických vln na sekundární vazby, jako je vodíková vazba, která tímto zářením přerušuje H-vazbu částic a následně disociuje agregované částice a zvyšuje počet volných adsorpčních skupin, jako je -OH a dostupnost. Díky této důležité události je tedy proces sonikace nadřazenou metodou nad ostatními, jako je magnetické míchání používané v literatuře. [Mohammadinezhada et al., 2018]
Vysoce výkonné ultrasonicators pro syntézu hydrogelů
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové zařízení pro syntézu hydrogelů. Od malých a středně velkých R&D a pilotní ultrasonicators pro průmyslové systémy pro komerční výrobu hydrogelů v kontinuálním režimu, Hielscher Ultrasonics má pokryté vaše procesní požadavky.
Průmyslové ultrasonicators mohou poskytovat velmi vysoké amplitudy, které umožňují spolehlivé zesíťovací a polymerační reakce a rovnoměrnou disperzi nanočástic. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7/365. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody.
- Vysoká efektivita
- Nejmodernější technologie
- spolehlivost & Robustnost
- várka & Vložené
- pro libovolný svazek
- Inteligentní software
- Chytré funkce (např. datové protokolování)
- CIP (čištění na místě)
Zeptejte se nás ještě dnes na další technické informace, ceny a nezávaznou cenovou nabídku. Náš dlouholetý zkušený personál vám rád poradí!
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
---|---|---|
1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Fakta, která stojí za to vědět
Na co se hydrogely používají?
Hydrogely se používají v mnoha průmyslových odvětvích, například ve farmacii pro podávání léčiv (např. časově uvolňované, perorální, intravenózní, topické nebo rektální podávání léčiv), v lékařství (např. jako lešení v tkáňovém inženýrství, prsní implantáty, biomechanický materiál, obvazy na rány), kosmetické výrobky, výrobky pro péči (např. kontaktní čočky, pleny, hygienické vložky), zemědělství (např. pro pesticidní přípravky, granule pro zadržování půdní vlhkosti v suchých oblastech), materiálový výzkum jako funkční polymery (např. vodní gelové výbušniny, zapouzdření kvantových teček, termodynamická výroba elektřiny), odvodňování uhlí, umělý sníh, potravinářské přísady a další produkty (např. lepidlo).
Klasifikace hydrogelů
Když se provádí klasifikace hydrogelů v závislosti na jejich fyzikální struktuře, lze klasifikovat takto:
- amorfní (nekrystalické)
- semikrystalický: Složitá směs amorfních a krystalických fází
- krystalický
Pokud se hydrogely zaměřují na polymerní složení, lze je také rozdělit do následujících tří kategorií:
- Homopolymerní hydrogely
- Kopolymerní hydrogely
- multipolymerní hydrogely / IPN hydrogely
Na základě typu zesíťování se hydrogely dělí na:
- Chemicky zesíťované sítě: trvalé křižovatky
- Fyzicky zesíťované sítě: přechodné uzly
Fyzický vzhled vede ke klasifikaci na:
- matice
- filmový
- mikrosféra
Klasifikace na základě elektrického náboje sítě:
- neiontové (neutrální)
- iontové (včetně aniontových nebo kationtových)
- Amfoterní elektrolyt (amfolytický)
- zwitteriontová (polybetainy)
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.