Producción ventajosa de hidrogeles mediante ultrasonidos

La sonicación es una técnica muy eficaz, fiable y sencilla para la preparación de hidrogeles de alto rendimiento. Estos hidrogeles ofrecen excelentes propiedades materiales, como capacidad de absorción, viscoelasticidad, resistencia mecánica, módulo de compresión y funcionalidades de autocuración.

Polimerización y dispersión por ultrasonidos para la producción de hidrogeles

La ultrasonicación se utiliza para iniciar la reticulación y la polimerización durante la producción de hidrogeles. La dispersión ultrasónica se utiliza para distribuir nanopartículas en hidrogeles.Los hidrogeles son redes poliméricas tridimensionales hidrófilas capaces de absorber grandes cantidades de agua o fluidos. Los hidrogeles presentan una extraordinaria capacidad de hinchamiento. Entre los componentes básicos de los hidrogeles se encuentran el alcohol polivinílico, el polietilenglicol, el poliacrilato de sodio, los polímeros de acrilato, los carbómeros, los polisacáridos o polipéptidos con un elevado número de grupos hidrófilos y las proteínas naturales como el colágeno, la gelatina y la fibrina.
Los llamados hidrogeles híbridos están formados por diversos materiales química, funcional y morfológicamente distintos, como proteínas, péptidos o nano o microestructuras.
La dispersión ultrasónica se utiliza ampliamente como técnica altamente eficaz y fiable para homogeneizar nanomateriales como nanotubos de carbono (CNT, MWCNT, SWCNT), nanocristales de celulosa, nanofibras de quitina, dióxido de titanio, nanopartículas de plata, proteínas y otras microestructuras o nanoestructuras en la matriz polimérica de los hidrogeles. Esto hace de la sonicación una herramienta principal para producir hidrogeles de alto rendimiento con cualidades extraordinarias.

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La cavitación ultrasónica favorece la reticulación y la polimerización durante la síntesis de hidrogeles. La dispersión ultrasónica facilita la distribución uniforme de nanomateriales para la fabricación de hidrogeles híbridos.

Ultrasonicador UIP1000hdT con reactor de vidrio para la síntesis de hidrogeles

Lo que demuestra la investigación – Preparación ultrasónica de hidrogeles

Cápsulas de hidrogel sintetizadas por ultrasonidosEn primer lugar, la ultrasonicación favorece la polimerización y las reacciones de reticulación durante la formación del hidrogel.
En segundo lugar, se ha demostrado que la ultrasonicación es una técnica de dispersión fiable y eficaz para la producción de hidrogeles e hidrogeles nanocompuestos.

Reticulación ultrasónica y polimerización de hidrogeles

La ultrasonicación contribuye a la formación de redes poliméricas durante la síntesis de hidrogeles mediante la generación de radicales libres. Las ondas ultrasónicas intensas generan cavitación acústica que provoca fuerzas de cizallamiento elevadas, cizallamiento molecular y formación de radicales libres.

Cass et al. (2010) prepararon varios "hidrogeles acrílicos mediante polimerización ultrasónica de monómeros y macromonómeros solubles en agua. Se utilizaron ultrasonidos para crear radicales iniciadores en soluciones acuosas viscosas de monómeros utilizando los aditivos glicerol, sorbitol o glucosa en un sistema abierto a 37°C. Los aditivos solubles en agua fueron esenciales para la producción de hidrogeles, siendo el glicerol el más eficaz. Se prepararon hidrogeles a partir de los monómeros metacrilato de 2-hidroxietilo, dimetacrilato de poli(etilenglicol), metacrilato de dextrano, dimetacrilato de ácido acrílico/etilenglicol y acrilamida/bis-acrilamida." [Cass et al. 2010] La aplicación de ultrasonidos mediante un ultrasonicador de sonda resultó ser un método eficaz para la polimerización de monómeros de vinilo solubles en agua y la posterior preparación de hidrogeles. La polimerización iniciada por ultrasonidos se produce rápidamente en ausencia de un iniciador químico.

Dispersión ultrasónica de sílice pirógena: El homogeneizador ultrasónico UP400S de Hielscher dispersa el polvo de sílice de forma rápida y eficiente en nano partículas individuales.

Dispersión de sílice pirogénica en agua con el UP400S

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Dispersión ultrasónica de

  • nanopartículas, por ejemplo TiO2
  • nanotubos de carbono (CNT)
  • nanocristales de celulosa (CNC)
  • nanofibrilas de celulosa
  • gomas, por ejemplo xantana, goma de semillas de salvia
  • proteínas

Más información sobre la síntesis ultrasónica de hidrogeles y nanogeles nanocompuestos.

Dispersión ultrasónica de nano-sílice: El homogeneizador ultrasónico UP400St de Hielscher dispersa nanopartículas de sílice de forma rápida y eficiente en una nano-dispersión uniforme.

Dispersión ultrasónica de nanosílice con el ultrasonicador UP400St

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Formación de hidrogeles mediante gelificación asistida por ultrasonidos con el ultrasonicador UP100H

Formación de hidrogeles mediante gelificación asistida por ultrasonidos utilizando la ultrasonicador UP100H
(Estudio y película: Rutgeerts et al., 2019)

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La ultrasonicación es compatible con todo tipo de polímeros y biopolímeros y permite reforzar hidrogeles híbridos con materiales nanoestructurados como nanopartículas, nanocristales o nanofibras. El refuerzo de hidrogeles con diversos nanomateriales permite modificar y controlar las propiedades fisicoquímicas y reo-mecánicas de los hidrogeles nanocompuestos, ya que las microestructuras son el factor clave de las propiedades materiales obtenidas.

La ultrasonicación se aplica para producir hidrogeles de alto rendimiento que contienen nanomateriales

SEM del hidrogel de poli(acrilamida-ácido co-itacónico que contiene MWCNT. Los MWCNT se dispersaron por ultrasonidos utilizando el ultrasonicador UP200S.
estudio e imagen: Mohammadinezhada et al., 2018

Fabricación de poli(acrilamida-ácido co-itacónico) – Hidrogel de MWCNT mediante sonicación

Mohammadinezhada et al. (2018) produjeron con éxito un compuesto de hidrogel superabsorbente que contenía poli(acrilamida-ácido co-itacónico) y nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT). La ultrasonicación se llevó a cabo con el dispositivo ultrasónico Hielscher UP200SLa estabilidad del hidrogel aumentó al aumentar la proporción de MWCNT, lo que podría atribuirse a la naturaleza hidrófoba de los MWCNT, así como al aumento de la densidad del reticulante. La capacidad de retención de agua (WRC) del hidrogel P(AAm-co-IA) también aumentó en presencia de MWCNT (10% en peso). En este estudio, los efectos de la ultrasonicación se calificaron de superiores en lo que respecta a la distribución uniforme de los nanotubos de carbono en la superficie del polímero. Los MWCNT quedaron intactos sin interrupción alguna en la estructura polimérica. Además, se incrementó la resistencia del nanocompuesto obtenido, así como su capacidad de retención de agua y la absorción de otros materiales solubles como el Pb (II). La sonicación rompió el iniciador y dispersó los MWCNT como un excelente relleno en las cadenas poliméricas al aumentar la temperatura.
Los investigadores concluyen que estas "condiciones de reacción no pueden conseguirse con los métodos convencionales, ni tampoco la homogeneidad y buena dispersión de las partículas en el huésped. Además, el proceso de sonicación separa las nanopartículas en una sola partícula, mientras que la agitación no puede hacerlo. Otro mecanismo para la reducción de tamaño es el efecto de las potentes ondas acústicas sobre los enlaces secundarios, como los enlaces de hidrógeno, ya que esta irradiación rompe los enlaces H de las partículas y, posteriormente, disocia las partículas agregadas y aumenta el número de grupos adsorbentes libres, como -OH y accesibilidad. Por lo tanto, este importante acontecimiento hace que el proceso de sonicación sea un método superior a otros como la agitación magnética aplicada en la literatura". [Mohammadinezhada et al., 2018]

Ultrasonidos de alto rendimiento para la síntesis de hidrogeles

Hielscher Ultrasonics fabrica equipos de ultrasonidos de alto rendimiento para la síntesis de hidrogeles. Desde pequeñas y medianas R&Hielscher Ultrasonics cubre todas las necesidades de su proceso, desde ultrasonidos D y piloto hasta sistemas industriales para la fabricación comercial de hidrogeles en modo continuo.
Los ultrasonidos industriales pueden proporcionar amplitudes muy altas, lo que permite reacciones de reticulación y polimerización fiables y la dispersión uniforme de nanopartículas. Las amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua las 24 horas del día, los 7 días de la semana y los 365 días del año. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados.

¿Por qué Hielscher Ultrasonics?

  • elevada eficiencia
  • tecnología punta
  • fiabilidad & robustez
  • lote & en línea
  • para cualquier volumen
  • software inteligente
  • funciones inteligentes (por ejemplo, protocolling de datos)
  • CIP (limpieza in situ)

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En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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La SonoStation de Hielscher facilita la sonicación de lotes de tamaño medio utilizando un reactor de celda de flujo.
La compacta SonoStation combina un tanque agitado de 38 litros con una bomba de cavidad progresiva ajustable que puede alimentar hasta 3 litros por minuto a uno o dos reactores de celda de flujo ultrasónico.

Estación de mezcla por ultrasonidos - SonoStation con 2 homogeneizadores de 2000 vatios

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Los homogeneizadores ultrasónicos de alto cizallamiento se utilizan en procesos de laboratorio, de sobremesa, piloto e industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.



Información interesante

¿Para qué se utilizan los hidrogeles?

Los hidrogeles se utilizan en muchas industrias, como la farmacéutica para la administración de fármacos (liberados en el tiempo, por vía oral, intravenosa, tópica o rectal), la medicina (como andamios en ingeniería de tejidos, implantes mamarios, material biomecánico, apósitos para heridas), los productos cosméticos, los productos para el cuidado de la salud (lentes de contacto, pañales, compresas, etc.), la agricultura (formulaciones de pesticidas, gránulos para mantener la humedad del suelo en zonas áridas, etc.), la investigación de materiales como polímeros funcionales lentes de contacto, pañales, compresas), agricultura (por ejemplo, para formulaciones de pesticidas, gránulos para retener la humedad del suelo en zonas áridas), investigación de materiales como polímeros funcionales (por ejemplo, explosivos en gel de agua, encapsulación de puntos cuánticos, generación termodinámica de electricidad), deshidratación del carbón, nieve artificial, aditivos alimentarios y otros productos (por ejemplo, pegamento).

Clasificación de los hidrogeles

Cuando se realiza la clasificación de los hidrogeles en función de su estructura física se pueden clasificar de la siguiente manera:

  • amorfo (no cristalino)
  • semicristalino: Mezcla compleja de fases amorfas y cristalinas.
  • cristalino

Si nos centramos en la composición polimérica, los hidrogeles también pueden clasificarse en las tres categorías siguientes:

  • hidrogeles homopoliméricos
  • hidrogeles copoliméricos
  • hidrogeles multipoliméricos / hidrogeles IPN

Según el tipo de reticulación, los hidrogeles se clasifican en:

  • redes reticuladas químicamente: uniones permanentes
  • redes físicamente reticuladas: uniones transitorias

El aspecto físico conduce a la clasificación en:

  • matriz
  • película
  • microesfera

Clasificación basada en la carga eléctrica de la red:

  • no iónico (neutro)
  • iónicos (incluidos los aniónicos o catiónicos)
  • electrolito anfótero (anfolítico)
  • zwitteriónicos (polibetainas)

Literatura / Referencias


Hielscher Ultrasonics suministra homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde tamaño de laboratorio hasta industrial.

Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonicador compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonidos totalmente industriales.


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