Ventajas de la producción de hidrogeles mediante ultrasonicación

La sonicación es una técnica muy eficaz, fiable y sencilla para preparar hidrogeles de alto rendimiento. Estos hidrogeles ofrecen excelentes propiedades, como capacidad de absorción, viscoelasticidad, resistencia mecánica, módulo de compresión y funciones de autorreparación.

Polimerización y dispersión ultrasónicas para la producción de hidrogeles

Los hidrogeles son redes poliméricas hidrófilas tridimensionales capaces de absorber grandes cantidades de agua o fluidos. Presentan una extraordinaria capacidad de hinchamiento. Entre los componentes habituales 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 proteínas naturales como el colágeno, la gelatina y la fibrina.
Los denominados hidrogeles híbridos están formados por diversos materiales con características químicas, funcionales y morfológicas distintas, como proteínas, péptidos o nanoestructuras y microestructuras.
La dispersión ultrasónica se utiliza ampliamente como técnica muy eficiente y fiable para incorporar de forma homogénea nanomateriales, como nanotubos de carbono (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), 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 convierte la sonicación en una herramienta fundamental para producir hidrogeles de alto rendimiento con cualidades extraordinarias.

Resultados de la investigación – Preparación ultrasónica de hidrogeles

En primer lugar, la ultrasonicación favorece las reacciones de polimerización y reticulación durante la formación de hidrogeles.
En segundo lugar, se ha demostrado que la ultrasonicación es una técnica de dispersión fiable y eficaz para producir hidrogeles e hidrogeles nanocompuestos.

Reticulación y polimerización ultrasónicas de hidrogeles

La ultrasonicación facilita 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 fuertes fuerzas de cizallamiento, cizallamiento molecular y formación de radicales libres.

Cass et al. (2010) prepararon varios hidrogeles acrílicos: «Los hidrogeles acrílicos se prepararon mediante la polimerización ultrasónica de monómeros y macromonómeros solubles en agua. Se utilizaron ultrasonidos para generar radicales iniciadores en soluciones acuosas viscosas de monómeros, empleando 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, y el glicerol fue el más eficaz. Los hidrogeles se prepararon a partir de los monómeros metacrilato de 2-hidroxietilo, dimetacrilato de poli(etilenglicol), metacrilato de dextrano, ácido acrílico/dimetacrilato de etilenglicol y acrilamida/bis-acrilamida». [Cass et al. 2010] Se constató que la aplicación de ultrasonidos mediante un ultrasonicador de sonda era un método eficaz para la polimerización de monómeros vinílicos solubles en agua y la posterior preparación de hidrogeles. La polimerización iniciada por ultrasonidos se produce rápidamente en ausencia de un iniciador químico.
¡Consulte aquí el protocolo completo del estudio!
 

Dispersión ultrasónica de sílice pirogénica: el homogeneizador ultrasónico Hielscher UP400S dispersa el polvo de sílice de forma rápida y eficiente hasta obtener nanopartículas individuales.

¡Más información sobre la síntesis ultrasónica de hidrogeles nanocompuestos y nanogeles!

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 los 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 que determina las propiedades del material obtenido.

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

Mohammadinezhada et al. (2018) produjeron con éxito un material compuesto de hidrogel superabsorbente que contenía poli(acrilamida-co-ácido itacónico) y nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNTs). La ultrasonicación se realizó con el equipo ultrasónico de Hielscher UP200S. La estabilidad del hidrogel aumentó al incrementar la proporción de MWCNTs, lo que podría atribuirse a la naturaleza hidrófoba de los MWCNTs y al aumento de la densidad del agente reticulante. La capacidad de retención de agua (WRC) del hidrogel P(AAm-co-IA) también aumentó en presencia de MWCNT (10 wt%). En este estudio, los efectos de la ultrasonicación se consideraron superiores en cuanto a la distribución uniforme de los nanotubos de carbono sobre la superficie del polímero. Los MWCNTs permanecieron intactos, sin ninguna interrupción en la estructura polimérica. Además, aumentaron la resistencia del nanocompuesto obtenido, su capacidad de retención de agua y la absorción de otros materiales solubles, como Pb (II). La sonicación fragmentó el iniciador y dispersó los MWCNTs como un excelente material de relleno en las cadenas poliméricas a medida que aumentaba la temperatura.
Los investigadores concluyen que estas «condiciones de reacción no pueden alcanzarse mediante métodos convencionales, y tampoco pueden lograrse la homogeneidad y una buena dispersión de las partículas en la matriz. Además, el proceso de sonicación separa las nanopartículas en partículas individuales, mientras que la agitación no puede hacerlo. Otro mecanismo de reducción del tamaño es el efecto de las ondas acústicas de alta potencia sobre los enlaces secundarios, como los puentes de hidrógeno: esta irradiación rompe los puentes de hidrógeno entre las partículas y, posteriormente, disocia las partículas agregadas y aumenta el número de grupos libres con capacidad de adsorción, como -OH, y su accesibilidad. Así, este importante fenómeno hace que el proceso de sonicación sea un método superior a otros, como la agitación magnética utilizada en la bibliografía». [Mohammadinezhada et al., 2018]

Ultrasonicadores de alto rendimiento para la síntesis de hidrogeles

Hielscher Ultrasonics fabrica equipos ultrasónicos de alto rendimiento para la síntesis de hidrogeles. Desde ultrasonicadores pequeños y medianos para I+D y plantas piloto hasta sistemas industriales para la fabricación comercial de hidrogeles en modo continuo, Hielscher Ultrasonics cubre los requisitos de su proceso.
Los ultrasonicadores de grado industrial pueden proporcionar amplitudes muy elevadas, que permiten realizar reacciones de reticulación y polimerización de forma fiable y dispersar uniformemente las nanopartículas. Pueden mantenerse fácilmente amplitudes de hasta 200 µm de forma continua durante el funcionamiento 24/7/365. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados.

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La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros ultrasonicadores:

La SonoStation de Hielscher facilita la sonicación de lotes de tamaño medio mediante un reactor de celda de flujo. La compacta SonoStation combina un tanque de 38 litros con agitación y una bomba de cavidad progresiva regulable que puede suministrar hasta 3 litros por minuto a uno o dos reactores ultrasónicos de celda de flujo.