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

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.

Lo que demuestra la investigación – Preparación ultrasónica de hidrogeles

En 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.

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

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.

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.

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