Produzione vantaggiosa di idrogel tramite ultrasuoni

La sonicazione è una tecnica altamente efficace, affidabile e semplice per la preparazione di idrogeli ad alte prestazioni. Questi idrogeli offrono eccellenti proprietà del materiale come capacità di assorbimento, viscoelasticità, resistenza meccanica, modulo di compressione e funzionalità di auto-riparazione.

Polimerizzazione e dispersione a ultrasuoni per la produzione di idrogel

L'ultrasuonazione è usata per avviare la reticolazione e la polimerizzazione durante la produzione di idrogel. La dispersione ultrasonica è usata per distribuire le nanoparticelle negli idrogel.Gli idrogeli sono reti polimeriche idrofile e tridimensionali che sono in grado di assorbire grandi quantità di acqua o fluidi. Gli idrogeli mostrano una straordinaria capacità di rigonfiamento. Gli elementi costitutivi comuni degli idrogeli includono alcool polivinilico, polietilenglicole, poliacrilato di sodio, polimeri acrilati, carbomeri, polisaccaridi o polipeptidi con un alto numero di gruppi idrofili, e proteine naturali come collagene, gelatina e fibrina.
I cosiddetti idrogeli ibridi consistono di vari materiali chimicamente, funzionalmente e morfologicamente distinti, come proteine, peptidi o nano/microstrutture.
La dispersione ultrasonica è ampiamente utilizzata come tecnica altamente efficiente e affidabile per omogeneizzare nano-materiali come nanotubi di carbonio (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), nano-cristalli di cellulosa, nanofibre di chitina, biossido di titanio, nanoparticelle di argento, proteine e altre micron- o nanostrutture nella matrice polimerica degli idrogel. Questo rende la sonicazione uno strumento principale per produrre idrogeli ad alte prestazioni con qualità straordinarie.

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La cavitazione ultrasonica promuove la reticolazione e la polimerizzazione durante la sintesi dell'idrogel. La dispersione ultrasonica facilita la distribuzione uniforme dei nanomateriali per la fabbricazione di idrogel ibridi.

ultrasonoro UIP1000hdT con reattore in vetro per la sintesi di idrogel

Cosa mostra la ricerca – Preparazione dell'idrogel a ultrasuoni

Capsule di idrogel sintetizzate ad ultrasuoniIn primo luogo, l'ultrasuoni promuove la polimerizzazione e le reazioni di reticolazione durante la formazione dell'idrogel.
In secondo luogo, l'ultrasonicazione si è dimostrata una tecnica di dispersione affidabile ed efficace per la produzione di idrogeli e nanocompositi.

Reticolazione e polimerizzazione ultrasonica degli idrogeli

L'ultrasuonazione assiste la formazione di reti polimeriche durante la sintesi di idrogel attraverso la generazione di radicali liberi. Intense onde ultrasonore generano cavitazione acustica che causa forze di taglio elevate, taglio molecolare e formazione di radicali liberi.

Cass et al. (2010) hanno preparato diversi "idrogeli acrilici sono stati preparati tramite polimerizzazione ad ultrasuoni di monomeri e macromonomeri solubili in acqua. Gli ultrasuoni sono stati usati per creare radicali iniziatori in soluioni acquose viscose di monomero usando gli additivi glicerolo, sorbitolo o glucosio in un sistema aperto a 37°C. Gli additivi solubili in acqua erano essenziali per la produzione di idrogel, il glicerolo era il più efficace. Gli idrogel sono stati preparati dai monomeri 2-idrossietil metacrilato, poli(etilenglicole) dimetacrilato, destrano metacrilato, acido acrilico/metilenglicole dimetacrilato e acrilammide/bis-acrilammide." [Cass et al. 2010] L'applicazione degli ultrasuoni utilizzando un ultrasuonatore a sonda è stato trovato un metodo efficace per la polimerizzazione di monomeri vinilici solubili in acqua e la successiva preparazione di idrogeli. La polimerizzazione avviata dagli ultrasuoni avviene rapidamente in assenza di un iniziatore chimico.

Dispersione ad ultrasuoni di silice fumata: L'omogeneizzatore ad ultrasuoni Hielscher UP400S disperde la polvere di silice in modo rapido ed efficiente in singole nano particelle.

Disperdere la silicia fumata in acqua con l'UP400S

Dispersione ultrasonica di

  • nanoparticelle, ad esempio TiO2
  • nanotubi di carbonio (CNT)
  • nanocristalli di cellulosa (CNC)
  • nanofibrille di cellulosa
  • gomme, ad esempio xantano, gomma di semi di salvia
  • proteine
Il video mostra il dispersore ultrasonico UP400ST per la produzione di idrogeli. La sonicazione è una tecnica efficiente per produrre nano-dispersioni e per promuovere la sintesi di idrogeli ad alte prestazioni.

Nano-dispersione a ultrasuoni con l'ultrasuonatore UP400ST

 

Formazione di idrogel tramite gelificazione assistita da ultrasuoni utilizzando l'ultrasuonatore UP100H

Formazione di idrogel tramite gelificazione assistita da ultrasuoni utilizzando il ultrasuoni UP100H

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L'ultrasuoni è compatibile con tutti i tipi di polimeri e biopolimeri e permette di rinforzare gli idrogeli ibridi con materiali nano-strutturati come nanoparticelle, nanocristalli o nanofibre. Rinforzare gli idrogeli con vari nanomateriali permette di modificare e controllare le proprietà fisico-chimiche e reo-meccaniche degli idrogeli nanocompositi, poiché le microstrutture sono il fattore chiave per le proprietà del materiale ottenuto.

L'ultrasuonazione è applicata per produrre idrogeli ad alte prestazioni contenenti nano-materiali

SEM dell'idrogel di poli (acrilammide-co-itaconico) contenente MWCNTs. I MWCNT sono stati dispersi ad ultrasuoni utilizzando l'ultrasuonatore UP200S.
studio e immagine: Mohammadinezhada et al., 2018

Fabbricazione di Poly(acrylamide-co-itaconic acid) – Idrogel MWCNT utilizzando la sonicazione

Mohammadinezhada et al. (2018) hanno prodotto con successo un composito idrogel superassorbente contenente poli (acrilamide-co acido itaconico) e nanotubi di carbonio a più pareti (MWCNT). L'ultrasuonazione è stata eseguita con il dispositivo ultrasonico Hielscher UP200SLa stabilità dell'idrogel è aumentata con l'aumento del rapporto MWCNTs, che potrebbe essere attribuito alla natura idrofoba del MWCNTs così come l'aumento della densità del reticolante. La capacità di ritenzione idrica (WRC) dell'idrogel P(AAm-co-IA) è stata anche aumentata in presenza dei MWCNT (10 wt%). In questo studio, gli effetti dell'ultrasuoni sono stati valutati superiori per quanto riguarda la distribuzione uniforme dei nanotubi di carbonio sulla superficie del polimero. I MWCNT erano intatti senza alcuna interruzione nella struttura polimerica. Inoltre, la forza del nanocomposito ottenuto e la sua capacità di ritenzione dell'acqua e l'assorbimento di altri materiali solubili come il Pb (II) sono stati aumentati. La sonicazione ha rotto l'iniziatore e ha disperso i MWCNT come un eccellente riempitivo nelle catene polimeriche sotto una temperatura crescente.
I ricercatori concludono che queste "condizioni di reazione non possono essere raggiunte attraverso metodi convenzionali, e l'omogeneità e la buona dispersione delle particelle nell'ospite non possono essere raggiunte. Inoltre, il processo di sonicazione separa le nanoparticelle in particelle singole, mentre l'agitazione non può farlo. Un altro meccanismo per la riduzione delle dimensioni è l'effetto delle potenti onde acustiche sui legami secondari come il legame idrogeno che questa irradiazione rompe il legame H delle particelle e, successivamente, dissocia le particelle aggregate e aumenta il numero di gruppi adsorbitivi liberi come -OH e accessibilità. Quindi, questo importante avvenimento rende il processo di sonicazione un metodo superiore agli altri come l'agitazione magnetica applicata nella letteratura." [Mohammadinezhada et al., 2018]

Ultrasuoni ad alte prestazioni per la sintesi di idrogel

Hielscher Ultrasonics produce apparecchiature a ultrasuoni ad alte prestazioni per la sintesi di idrogeli. Dalle piccole e medie dimensioni R&D e gli ultrasuonatori pilota ai sistemi industriali per la produzione commerciale di idrogel in modalità continua, Hielscher Ultrasonics ha coperto le vostre esigenze di processo.
Gli ultrasuoni di livello industriale possono fornire ampiezze molto elevate, che permettono reazioni di reticolazione e polimerizzazione affidabili e la dispersione uniforme di nano particelle. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente eseguite in modo continuo in un funzionamento 24/7/365. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi ultrasonici personalizzati.

Perché Hielscher Ultrasonics?

  • alta efficienza
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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
1 - 500mL 10 - 200mL/min UP100H
10 - 2000mL 20 - 400mL/min UP200Ht, UP400St
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000hdT
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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Hielscher SonoStation per l'ultrasuonizzazione di lotti di medie dimensioni utilizzando uno o due reattori a cella di flusso.
La SonoStation compatta combina un serbatoio agitato da 38 litri con una pompa a cavità progressiva regolabile che può alimentare fino a 3 litri al minuto in uno o due reattori a celle a flusso ultrasonico.

Stazione di miscelazione a ultrasuoni - SonoStation con 2 omogeneizzatori da 2000 watt

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni ad alto potere di taglio sono utilizzati in laboratorio, su banco, in processi pilota e industriali.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione in laboratorio, pilota e su scala industriale.



Particolarità / Cose da sapere

Per cosa sono usati gli idrogeli?

Gli idrogeli sono usati in molte industrie come nel settore farmaceutico per la somministrazione di farmaci (ad esempio a rilascio graduale, per via orale, endovenosa, topica o rettale), nella medicina (ad esempio come impalcature nell'ingegneria dei tessuti, protesi mammarie, materiale biomeccanico, medicazioni per ferite), nei prodotti cosmetici, nei prodotti per la cura (ad esempio lenti a contatto, pannolini, assorbenti igienici), nell'agricoltura (ad esempio per le formulazioni di pesticidi, granuli per trattenere l'umidità del suolo nelle zone aride), nella ricerca sui materiali come polimeri funzionali (ad esempio per la produzione di idrogeli). lenti a contatto, pannolini, assorbenti igienici), agricoltura (ad esempio per formulazioni di pesticidi, granuli per trattenere l'umidità del suolo in zone aride), ricerca sui materiali come polimeri funzionali (ad esempio esplosivi in gel d'acqua, incapsulamento di punti quantici, generazione termodinamica di elettricità), drenaggio del carbone, neve artificiale, additivi alimentari e altri prodotti (ad esempio colla).

Classificazione degli idrogeli

Quando la classificazione degli idrogeli è fatta a seconda della loro struttura fisica può essere classificata come segue:

  • amorfo (non cristallino)
  • semicristallino: Una miscela complessa di fasi amorfe e cristalline
  • cristallina

Quando ci si concentra sulla composizione polimerica, gli idrogeli possono anche essere classificati nelle seguenti tre categorie:

  • idrogeli omopolimerici
  • idrogeli copolimerici
  • idrogeli multipolimerici / idrogeli IPN

In base al tipo di reticolazione, gli idrogeli sono classificati in:

  • reti reticolate chimicamente: giunzioni permanenti
  • reti fisicamente reticolate: giunzioni transitorie

L'aspetto fisico porta alla classificazione in:

  • matrice
  • film
  • microsfera

Classificazione basata sulla carica elettrica della rete:

  • non ionico (neutro)
  • ionico (incluso anionico o cationico)
  • elettrolita anfotero (anfolitico)
  • zwitterionico (polibetani)

Letteratura / Referenze</2>


Hielscher Ultrasonics fornisce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni dal laboratorio alle dimensioni industriali.

Ultrasuoni ad alte prestazioni! La gamma di prodotti Hielscher copre l'intero spettro, dal compatto ecografo da laboratorio alle unità da banco fino ai sistemi ad ultrasuoni completamente industriali.