Production avantageuse d’hydrogels par ultrasonication

La sonication est une technique très efficace, fiable et simple pour la préparation d’hydrogels haute performance. Ces hydrogels offrent d’excellentes propriétés matérielles telles que des capacités d’absorption, une viscoélasticité, une résistance mécanique, un module de compression et des fonctionnalités d’auto-réparation.

Polymérisation et dispersion par ultrasons pour la production d’hydrogels

Les hydrogels sont des réseaux polymères hydrophiles tridimensionnels capables d’absorber de grandes quantités d’eau ou de fluides. Les hydrogels présentent une capacité de gonflement extraordinaire. Les éléments constitutifs courants des hydrogels comprennent l’alcool polyvinylique, le polyéthylène glycol, le polyacrylate de sodium, les polymères d’acrylate, les carbomères, les polysaccharides ou polypeptides comportant un grand nombre de groupes hydrophiles, ainsi que des protéines naturelles telles que le collagène, la gélatine et la fibrine.
Les hydrogels dits hybrides sont constitués de divers matériaux distincts sur les plans chimique, fonctionnel et morphologique, tels que des protéines, des peptides ou des nano- / microstructures.
La dispersion par ultrasons est largement utilisée comme technique hautement efficace et fiable pour homogénéiser des nanomatériaux tels que les nanotubes de carbone (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), les nanocristaux de cellulose, les nanofibres de chitine, le dioxyde de titane, les nanoparticules d’argent, les protéines et d’autres micro- ou nanostructures dans la matrice polymère des hydrogels. Cela fait de la sonication un outil essentiel pour produire des hydrogels haute performance aux qualités extraordinaires.

Ce que montre la recherche – préparation d’hydrogels par ultrasons

Premièrement, l’ultrasonication favorise les réactions de polymérisation et de réticulation lors de la formation des hydrogels.
Deuxièmement, l’ultrasonication s’est avérée être une technique de dispersion fiable et efficace pour la production d’hydrogels et d’hydrogels nanocomposites.

Réticulation et polymérisation d’hydrogels par ultrasons

L’ultrasonication favorise la formation de réseaux polymères lors de la synthèse d’hydrogels par la génération de radicaux libres. Des ondes ultrasonores intenses génèrent une cavitation acoustique qui provoque des forces de cisaillement élevées, un cisaillement moléculaire et la formation de radicaux libres.

Cass et al. (2010) ont préparé plusieurs hydrogels acryliques : « des hydrogels acryliques ont été préparés par polymérisation ultrasonique de monomères et de macromonomères hydrosolubles. Les ultrasons ont été utilisés pour créer des radicaux initiateurs dans des solutions aqueuses visqueuses de monomères à l’aide des additifs glycérol, sorbitol ou glucose, dans un système ouvert à 37°C. Les additifs hydrosolubles étaient essentiels à la production des hydrogels, le glycérol étant le plus efficace. Des hydrogels ont été préparés à partir des monomères méthacrylate de 2-hydroxyéthyle, diméthacrylate de poly(éthylène glycol), méthacrylate de dextrane, acide acrylique/diméthacrylate d’éthylène glycol et acrylamide/bis-acrylamide. » [Cass et al. 2010] L’application d’ultrasons au moyen d’un ultrasonicateur à sonde s’est révélée être une méthode efficace pour la polymérisation de monomères vinyliques hydrosolubles et la préparation ultérieure d’hydrogels. La polymérisation initiée par ultrasons se produit rapidement en l’absence d’initiateur chimique.
Retrouvez ici le protocole complet de l’étude !
 

Dispersion de silice pyrogénée par ultrasons : l’homogénéisateur à ultrasons Hielscher UP400S disperse rapidement et efficacement la poudre de silice en nanoparticules individuelles.

En savoir plus sur la synthèse par ultrasons d’hydrogels nanocomposites et de nanogels !

L’ultrasonication est compatible avec tous les types de polymères et de biopolymères et permet de renforcer les hydrogels hybrides avec des matériaux nanostructurés tels que des nanoparticules, des nanocristaux ou des nanofibres. Le renforcement des hydrogels avec divers nanomatériaux permet de modifier et de contrôler les propriétés physico-chimiques et rhéo-mécaniques des hydrogels nanocomposites, car les microstructures sont le facteur clé des propriétés matérielles obtenues.

Fabrication d’un hydrogel poly(acrylamide-co-acide itaconique) – MWCNT par sonication

Mohammadinezhada et al. (2018) ont produit avec succès un composite d’hydrogel superabsorbant contenant du poly(acrylamide-co-acide itaconique) et des nanotubes de carbone multiparois (MWCNTs). L’ultrasonication a été réalisée avec l’appareil à ultrasons Hielscher UP200S. La stabilité de l’hydrogel augmentait avec l’accroissement de la proportion de MWCNTs, ce qui pourrait être attribué à la nature hydrophobe des MWCNTs ainsi qu’à l’augmentation de la densité de l’agent de réticulation. La capacité de rétention d’eau (WRC) de l’hydrogel P(AAm-co-IA) a également augmenté en présence des MWCNT (10 wt%). Dans cette étude, les effets de l’ultrasonication ont été jugés supérieurs en ce qui concerne la répartition uniforme des nanotubes de carbone sur la surface du polymère. Les MWCNTs étaient intacts, sans aucune interruption dans la structure polymère. De plus, la résistance du nanocomposite obtenu ainsi que sa capacité de rétention d’eau et l’absorption d’autres matières solubles comme le Pb (II) ont été accrues. La sonication a rompu l’initiateur et dispersé les MWCNTs en tant qu’excellente charge dans les chaînes polymères sous température croissante.
Les chercheurs concluent que ces « conditions de réaction ne peuvent pas être obtenues par des méthodes conventionnelles, et l’homogénéité et la bonne dispersion des particules dans la matrice hôte ne peuvent pas être obtenues. En outre, le procédé de sonication sépare les nanoparticules en particules individuelles, alors que l’agitation ne le peut pas. Un autre mécanisme de réduction de taille est l’effet des ondes acoustiques puissantes sur les liaisons secondaires telles que les liaisons hydrogène : cette irradiation rompt les liaisons H des particules, puis dissocie les particules agrégées et augmente le nombre de groupes adsorbants libres tels que -OH ainsi que leur accessibilité. Ainsi, ce phénomène important fait du procédé de sonication une méthode supérieure aux autres, comme l’agitation magnétique appliquée dans la littérature. » [Mohammadinezhada et al., 2018]

Ultrasonicateurs haute performance pour la synthèse d’hydrogels

Hielscher Ultrasonics fabrique des équipements à ultrasons haute performance pour la synthèse d’hydrogels. Des ultrasonicateurs de petite et moyenne taille pour la R&D et les essais pilotes jusqu’aux systèmes industriels pour la fabrication commerciale d’hydrogels en mode continu, Hielscher Ultrasonics répond à toutes les exigences de votre procédé.
Les ultrasonicateurs de qualité industrielle peuvent fournir de très hautes amplitudes, qui permettent des réactions de réticulation et de polymérisation fiables ainsi que la dispersion uniforme de nanoparticules. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7/365. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons personnalisées sont disponibles.

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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :

La SonoStation de Hielscher facilite la sonication de lots de taille moyenne à l’aide d’un réacteur à cellule à circulation. La SonoStation compacte associe une cuve agitée de 38 litres à une pompe à cavité progressive réglable, capable d’alimenter un ou deux réacteurs à cellule à circulation ultrasonore à un débit allant jusqu’à 3 litres par minute.