ייצור הידרוג'לים בעל יתרונות באמצעות אולטרסאונד

סוניקציה היא טכניקה יעילה ביותר, אמינה ופשוטה להכנת הידרוג'לים בעלי ביצועים גבוהים. הידרוג'לים אלה מציעים תכונות חומר מצוינות כגון כושר ספיגה, ויסקואלסטיות, חוזק מכני, מודול לחיצה ויכולות ריפוי עצמי.

פילמור ופיזור אולטרסוניים לייצור הידרוג'לים

הידרוג'לים הם רשתות פולימריות הידרופיליות ותלת־ממדיות המסוגלות לספוג כמויות גדולות של מים או נוזלים. הידרוג'לים מפגינים כושר תפיחה יוצא דופן. אבני בניין נפוצות של הידרוג'לים כוללות פוליוויניל אלכוהול, פוליאתילן גליקול, נתרן פוליאקרילט, פולימרים אקרילטיים, קרבומרים, פוליסכרידים או פוליפפטידים בעלי מספר רב של קבוצות הידרופיליות, וחלבונים טבעיים כגון קולגן, ג'לטין ופיברין.
הידרוג'לים המכונים היברידיים מורכבים ממגוון חומרים הנבדלים זה מזה מבחינה כימית, תפקודית ומורפולוגית, כגון חלבונים, פפטידים או מבנים ננומטריים / מיקרומטריים.
פיזור אולטרסוני נמצא בשימוש נרחב כטכניקה יעילה ביותר ואמינה לפיזור הומוגני של ננו־חומרים כגון ננו־צינוריות פחמן (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), ננו־גבישי תאית, ננו־סיבי כיטין, טיטניום דו־חמצני, ננו־חלקיקי כסף, חלבונים ומבנים מיקרומטריים או ננומטריים אחרים בתוך המטריצה הפולימרית של הידרוג'לים. משום כך, סוניקציה היא כלי מרכזי לייצור הידרוג'לים בעלי ביצועים גבוהים ואיכויות יוצאות דופן.

מה מראים המחקרים – הכנת הידרוג'לים באמצעות אולטרסאונד

ראשית, טיפול באולטרסאונד מקדם תגובות פילמור וצילוב במהלך היווצרות הידרוג'לים.
שנית, טיפול באולטרסאונד הוכח כטכניקת פיזור אמינה ויעילה לייצור הידרוג'לים והידרוג'לים ננו־מרוכבים.

צילוב ופילמור אולטרסוניים של הידרוג'לים

טיפול באולטרסאונד מסייע להיווצרות רשתות פולימריות במהלך סינתזת הידרוג'לים באמצעות יצירת רדיקלים חופשיים. גלי אולטרסאונד עזים יוצרים קוויטציה אקוסטית, הגורמת לכוחות גזירה חזקים, לגזירה מולקולרית ולהיווצרות רדיקלים חופשיים.

Cass ועמיתיו (2010) הכינו כמה הידרוג'לים אקריליים: ״הידרוג'לים אקריליים הוכנו באמצעות פילמור אולטרסוני של מונומרים ומקרומונומרים מסיסים במים. אולטרסאונד שימש ליצירת רדיקלים יוזמי פילמור בתמיסות מימיות צמיגות של מונומרים, תוך שימוש בתוספים גליצרול, סורביטול או גלוקוז במערכת פתוחה בטמפרטורה של 37°C. התוספים המסיסים במים היו חיוניים לייצור ההידרוג'לים, וגליצרול היה היעיל ביותר. הידרוג'לים הוכנו מהמונומרים 2-הידרוקסיאתיל מתאקרילט, פולי(אתילן גליקול) דימתאקרילט, דקסטרן מתאקרילט, חומצה אקרילית/אתילן גליקול דימתאקרילט ואקרילאמיד/ביס־אקרילאמיד.״ [Cass et al. 2010] נמצא כי יישום אולטרסאונד באמצעות מכשיר אולטרסוני בעל גשוש הוא שיטה יעילה לפילמור מונומרים ויניליים מסיסים במים ולהכנת הידרוג'לים לאחר מכן. הפילמור המאותחל באמצעות אולטרסאונד מתרחש במהירות בהיעדר יוזם פילמור כימי.
לפרוטוקול המלא של המחקר לחצו כאן!
 

פיזור אולטרסוני של סיליקה פירוגנית: ההומוגנייזר האולטרסוני UP400S של Hielscher מפזר אבקת סיליקה במהירות וביעילות לחלקיקי ננו בודדים.

קראו עוד על סינתזה אולטרסונית של הידרוג'לים ננו־מרוכבים וננו־ג'לים!

טיפול באולטרסאונד מתאים לכל סוגי הפולימרים והביופולימרים ומאפשר לחזק הידרוג'לים היברידיים בחומרים בעלי מבנה ננומטרי כגון ננו־חלקיקים, ננו־גבישים או ננו־סיבים. חיזוק הידרוג'לים במגוון ננו־חומרים מאפשר לשנות את התכונות הפיזיקוכימיות והריאולוגיות־מכניות של הידרוג'לים ננו־מרוכבים ולשלוט בהן, שכן המבנים המיקרוסקופיים הם הגורם המרכזי הקובע את תכונות החומר המתקבל.

ייצור הידרוג'ל Poly(acrylamide-co-itaconic acid) – MWCNT באמצעות סוניקציה

Mohammadinezhada ועמיתיו (2018) ייצרו בהצלחה חומר מרוכב של הידרוג'ל בעל כושר ספיגה גבוה במיוחד, המכיל poly(acrylamide-co-itaconic acid) וננו-צינוריות פחמן מרובות דפנות (MWCNTs). הטיפול באולטרסאונד בוצע באמצעות המכשיר האולטרסוני של Hielscher UP200S. יציבות ההידרוג'ל עלתה עם העלייה בשיעורי ה-MWCNTs, וייתכן שהדבר נובע מאופיין ההידרופובי של ה-MWCNTs וכן מהעלייה בצפיפות חומר ההצלבה. גם יכולת החזקת המים (WRC) של ההידרוג'ל P(AAm-co-IA) עלתה בנוכחות MWCNT (10 wt%). במחקר זה הוערכה השפעת הטיפול באולטרסאונד כעדיפה בכל הנוגע לפיזור האחיד של ננו-צינוריות הפחמן על פני הפולימר. ה-MWCNTs נותרו שלמות ללא כל פגיעה במבנה הפולימרי. נוסף על כך, עלו החוזק של הננו-מרוכב שהתקבל, יכולת החזקת המים שלו וספיגת חומרים מסיסים אחרים כגון Pb (II). הסוניקציה פירקה את היזם ופיזרה את ה-MWCNTs כחומר מילוי מצוין בשרשראות הפולימר תוך עלייה בטמפרטורה.
החוקרים מסיקים כי “לא ניתן להשיג תנאי תגובה אלה בשיטות קונבנציונליות, ולא ניתן להשיג הומוגניות ופיזור טוב של החלקיקים בתוך המטריצה המארחת. נוסף על כך, תהליך הסוניקציה מפריד ננו-חלקיקים לחלקיקים בודדים, בעוד שערבול אינו יכול לעשות זאת. מנגנון נוסף להקטנת הגודל הוא השפעתם של גלים אקוסטיים עוצמתיים על הקשרים המשניים, כגון קשרי מימן: הקרנה זו שוברת את קשרי המימן בין החלקיקים, ובעקבות זאת מפרידה את צברי החלקיקים ומגדילה את מספר הקבוצות החופשיות המסוגלות לספוח, כגון -OH, ואת נגישותן. לפיכך, תופעה חשובה זו הופכת את תהליך הסוניקציה לשיטה עדיפה על שיטות אחרות, כגון ערבול מגנטי, המשמשות בספרות.” [Mohammadinezhada et al., 2018]

מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לסינתזת הידרוג'לים

Hielscher Ultrasonics מייצרת ציוד אולטרסוני בעל ביצועים גבוהים לסינתזת הידרוג'לים. ממכשירים אולטרסוניים קטנים ובינוניים למחקר ופיתוח ולניסויי פיילוט ועד למערכות תעשייתיות לייצור מסחרי של הידרוג'לים במצב רציף, Hielscher Ultrasonics מספקת מענה לדרישות התהליך שלכם.
מכשירים אולטרסוניים בדרגה תעשייתית יכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד, המאפשרות תגובות הצלבה ופילמור אמינות ופיזור אחיד של ננו-חלקיקים. ניתן להפעיל בקלות וברציפות אמפליטודות של עד 200µm במתכונת פעולה של 24/7/365. לאמפליטודות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות המותאמות לדרישות הלקוח.

פנו אלינו עוד היום לקבלת מידע טכני נוסף, מחירים והצעת מחיר ללא התחייבות. הצוות שלנו, בעל הניסיון רב השנים, ישמח לייעץ לכם!
הטבלה שלהלן נותנת מושג על כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

SonoStation של Hielscher מקלה על הטיפול האולטרסוני באצוות בגודל בינוני באמצעות כור תא זרימה. SonoStation הקומפקטית משלבת מכל בנפח 38 ליטר עם בוחש ומשאבת חלל מתקדם מתכווננת, המסוגלת להזרים עד 3 ליטרים בדקה לכור תא זרימה אולטרסוני אחד או לשניים.