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 de los materiales, como la capacidad de absorción, la viscoelasticidad, la resistencia mecánica, el módulo de compresión y las funcionalidades de autocuración.

Polimerización y dispersión por ultrasonidos para la producción de hidrogeles

Ultrasonication is used to initiate cross-linking and polymerization during hydrogel production. Ultrasonic dispersion is used to distribute nanoparticles in hydrogels.Los hidrogeles son redes poliméricas tridimensionales e hidrofílicas capaces de absorber grandes cantidades de agua o fluidos. Los hidrogeles presentan una extraordinaria capacidad de hinchamiento. Entre los componentes más comunes de los hidrogeles se encuentran el alcohol polivinílico, el polietilenglicol, el poliacrilato de sodio, los polímeros de acrilato, los carbómeros, los polisacáridos o los polipéptidos con un elevado número de grupos hidrofílicos, y las proteínas naturales como el colágeno, la gelatina y la fibrina.
Los llamados hidrogeles híbridos están formados por varios materiales química, funcional y morfológicamente distintos, como proteínas, péptidos o nano/microestructuras.
La dispersión ultrasónica se utiliza ampliamente como una técnica altamente eficaz y fiable para homogeneizar nanomateriales como nanotubos de carbono (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), nanocristales de celulosa, nanofibras de quitina, dióxido de titanio, nanopartículas de plata, proteínas y otras micro 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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Ultrasonic cavitation promotes the cross-linking and polymerization during hydrogel synthesis. Ultrasonic dispersion facilitates the uniform distribution of nanomaterials for hybrid hydrogel fabrication.

Ultrasonicador UIP1000hdT con reactor de vidrio para la síntesis de hidrogeles

Lo que muestra la investigación – Preparación de hidrogeles por ultrasonidos

En primer lugar, la ultrasonicación promueve 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 y nanocompuestos.

Reticulación y polimerización de hidrogeles por ultrasonidos

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

Cass et al. (2010) prepararon varios "hidrogeles acrílicos mediante la polimerización por ultrasonidos de monómeros y macromonómeros solubles en agua. Se utilizó el ultrasonido 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. Los hidrogeles se prepararon 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 ultrasonador 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 ahumada: El homogeneizador ultrasónico de Hielscher UP400S dispersa el polvo de sílice rápida y eficientemente en nanopartículas individuales.

Dispersión de Silicio Emplumado en el agua usando el UP400S

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
El vídeo muestra el dispersor ultrasónico UP400ST para la producción de hidrogeles. La sonicación es una técnica eficaz para producir nano-dispersiones y promover la síntesis de hidrogeles de alto rendimiento.

Nanodispersión ultrasónica con el ultrasonicador UP400ST

 

Hydrogel formation via ultrasonically-assisted gelation using the ultrasonicator UP100H

Formación de hidrogeles mediante gelificación asistida por ultrasonidos utilizando el ultrasonidos UP100H

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La ultrasonicación es compatible con todo tipo de polímeros y biopolímeros y permite reforzar los 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 reomecánicas de los hidrogeles nanocompuestos, ya que las microestructuras son el factor clave para las propiedades del material obtenido.

Ultrasonication is applied to produce high-performance hydrogels containing nano-materials

MEB del hidrogel de poli(acrilamida-co-ácido itacónico que contiene MWCNT. Los MWCNTs se dispersaron por ultrasonidos utilizando el ultrasonador UP200S.
estudio y foto: Mohammadinezhada et al., 2018

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

Mohammadinezhada et al. (2018) produjeron con éxito un compuesto de hidrogel superabsorbente que contenía poli(acrilamida-ácido coitacónico) y nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT). La ultrasonificación se realizó con el dispositivo de ultrasonidos Hielscher UP200SLa estabilidad del hidrogel aumentó con el incremento de la proporción de MWCNTs, lo que podría atribuirse a la naturaleza hidrofóbica de los MWCNTs así como al incremento de la densidad del reticulante. La capacidad de retención de agua (WRC) del hidrogel P(AAm-co-IA) también aumentó en presencia de los MWCNT (10 wt%). En este estudio, los efectos de la ultrasonicación fueron calificados como superiores en cuanto a la distribución uniforme de los nanotubos de carbono en la superficie del polímero. Los MWCNT estaban intactos sin ninguna interrupción en la estructura polimérica. Además, se incrementó la resistencia del nanocompuesto obtenido y 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 bajo una temperatura creciente.
Los investigadores concluyen que estas "condiciones de reacción no pueden lograrse con los métodos convencionales, y no se puede conseguir la homogeneidad y la 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 del tamaño es el efecto de las potentes ondas acústicas sobre los enlaces secundarios como el enlace de hidrógeno, que esta irradiación rompe el enlace H de las partículas y, posteriormente, disocia las partículas agregadas y aumenta el número de grupos adsorbentes libres como el -OH y la 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 las literaturas". [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&Desde los ultrasonidos de tipo D y piloto hasta los sistemas industriales para la fabricación de hidrogeles comerciales en modo continuo, Hielscher Ultrasonics tiene cubiertos sus requisitos de proceso.
Los ultrasonidos de calidad industrial pueden ofrecer amplitudes muy elevadas, que permiten reacciones de reticulación y polimerización fiables y la dispersión uniforme de nano partículas. Las amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7/365. Para amplitudes aún mayores, hay disponibles sonotrodos ultrasónicos personalizados.

¿Por Hielscher Ultrasonidos?

  • elevada eficiencia
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  • características 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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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

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

Literatura / Referencias



Información interesante

¿Para qué se utilizan los hidrogeles?

Los hidrogeles se utilizan en muchas industrias, como en la farmacéutica para la administración de fármacos (por ejemplo, de liberación prolongada, oral, intravenosa, tópica o rectal), la medicina (por ejemplo, como andamios en la ingeniería de tejidos, implantes mamarios, material biomecánico, apósitos para heridas), los productos cosméticos, los productos de cuidado (por ejemplo lentes de contacto, pañales, toallas sanitarias), 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 de gel de agua, encapsulación de puntos cuánticos, generación de electricidad termodinámica), 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: Una 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 lleva a la clasificación en:

  • matriz
  • película
  • microesfera

Clasificación basada en la carga eléctrica de la red:

  • no iónico (neutro)
  • iónicos (incluyendo aniónicos o catiónicos)
  • electrolito anfótero (anfolítico)
  • zwitteriónicos (polibeínas)

Hielscher Ultrasonics supplies high-performance ultrasonic homogenizers from lab to industrial size.

¡Ultrasonidos de alto rendimiento! La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonido compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonido completamente industriales.