Vantaggi della produzione di idrogel mediante sonicazione

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

Polimerizzazione e dispersione a ultrasuoni per la produzione di idrogel

Gli idrogel sono reti polimeriche tridimensionali idrofile in grado di assorbire grandi quantità di acqua o fluidi. Gli idrogel presentano una straordinaria capacità di rigonfiamento. Tra i componenti di base comunemente utilizzati negli idrogel figurano alcol polivinilico, polietilenglicole, poliacrilato di sodio, polimeri acrilati, carbomeri, polisaccaridi o polipeptidi con un elevato numero di gruppi idrofili e proteine naturali come collagene, gelatina e fibrina.
I cosiddetti idrogel ibridi sono costituiti da vari materiali chimicamente, funzionalmente e morfologicamente distinti, come proteine, peptidi o nanostrutture / microstrutture.
La dispersione a ultrasuoni è ampiamente utilizzata come tecnica altamente efficiente e affidabile per distribuire in modo omogeneo nanomateriali quali nanotubi di carbonio (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), nanocristalli di cellulosa, nanofibre di chitina, biossido di titanio, nanoparticelle d’argento, proteine e altre microstrutture o nanostrutture nella matrice polimerica degli idrogel. Ciò rende la sonicazione uno strumento fondamentale per produrre idrogel ad alte prestazioni con qualità straordinarie.

Cosa dimostra la ricerca – Preparazione di idrogel mediante ultrasuoni

In primo luogo, la sonicazione favorisce le reazioni di polimerizzazione e reticolazione durante la formazione degli idrogel.
In secondo luogo, la sonicazione si è dimostrata una tecnica di dispersione affidabile ed efficace per la produzione di idrogel e idrogel nanocompositi.

Reticolazione e polimerizzazione degli idrogel mediante ultrasuoni

La sonicazione facilita la formazione di reti polimeriche durante la sintesi degli idrogel attraverso la generazione di radicali liberi. Onde ultrasoniche intense generano cavitazione acustica, che provoca elevate forze di taglio, taglio molecolare e formazione di radicali liberi.

Cass et al. (2010) hanno preparato diversi idrogel acrilici: «Gli idrogel acrilici sono stati preparati mediante polimerizzazione a ultrasuoni di monomeri e macromonomeri solubili in acqua. Gli ultrasuoni sono stati utilizzati per generare radicali iniziatori in soluzioni acquose viscose di monomeri, impiegando gli additivi glicerolo, sorbitolo o glucosio in un sistema aperto a 37°C. Gli additivi solubili in acqua erano essenziali per la produzione degli idrogel e il glicerolo si è rivelato il più efficace. Gli idrogel sono stati preparati a partire dai monomeri metacrilato di 2-idrossietile, dimetacrilato di poli(etilenglicole), metacrilato di destrano, acido acrilico/dimetacrilato di etilenglicole e acrilammide/bis-acrilammide.» [Cass et al. 2010] L’applicazione degli ultrasuoni mediante un sonicatore a sonda si è rivelata un metodo efficace per la polimerizzazione di monomeri vinilici solubili in acqua e la successiva preparazione di idrogel. La polimerizzazione avviata dagli ultrasuoni avviene rapidamente in assenza di un iniziatore chimico.
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Dispersione a ultrasuoni di silice pirogenica: l’omogeneizzatore a ultrasuoni Hielscher UP400S disperde la polvere di silice in modo rapido ed efficiente, separandola in singole nanoparticelle.

Scopri di più sulla sintesi a ultrasuoni di idrogel nanocompositi e nanogel!

La sonicazione è compatibile con tutti i tipi di polimeri e biopolimeri e consente di rinforzare gli idrogel ibridi con materiali nanostrutturati quali nanoparticelle, nanocristalli o nanofibre. Il rinforzo degli idrogel con vari nanomateriali permette di modificare e controllare le proprietà fisicochimiche e reomeccaniche degli idrogel nanocompositi, poiché le microstrutture sono il fattore chiave che determina le proprietà del materiale ottenuto.

Produzione di un idrogel di poli(acrilammide-co-acido itaconico) – MWCNT mediante sonicazione

Mohammadinezhada et al. (2018) hanno prodotto con successo un idrogel composito superassorbente contenente poli(acrilammide-co-acido itaconico) e nanotubi di carbonio a pareti multiple (MWCNTs). La sonicazione è stata eseguita con il dispositivo a ultrasuoni Hielscher UP200S. La stabilità dell’idrogel è aumentata all’aumentare delle proporzioni di MWCNTs, il che potrebbe essere attribuito alla natura idrofoba dei MWCNTs e all’aumento della densità del reticolante. Anche la capacità di ritenzione idrica (WRC) dell’idrogel P(AAm-co-IA) è aumentata in presenza di MWCNT (10 wt%). In questo studio, gli effetti della sonicazione sono stati giudicati superiori per quanto riguarda la distribuzione uniforme dei nanotubi di carbonio sulla superficie del polimero. I MWCNTs sono rimasti intatti, senza alcuna interruzione nella struttura polimerica. Inoltre, sono aumentate la resistenza del nanocomposito ottenuto, la sua capacità di ritenzione idrica e l’assorbimento di altri materiali solubili come Pb (II). La sonicazione ha scisso l’iniziatore e disperso i MWCNTs come eccellente riempitivo nelle catene polimeriche all’aumentare della temperatura.
I ricercatori concludono che queste «condizioni di reazione non possono essere ottenute mediante metodi convenzionali, né si possono ottenere l’omogeneità e una buona dispersione delle particelle nella matrice ospitante. Inoltre, il processo di sonicazione separa le nanoparticelle in particelle singole, mentre l’agitazione non è in grado di farlo. Un altro meccanismo di riduzione delle dimensioni è l’effetto delle potenti onde acustiche sui legami secondari, come i legami a idrogeno: questa irradiazione rompe i legami a idrogeno delle particelle e, di conseguenza, dissocia le particelle aggregate e aumenta il numero dei gruppi liberi capaci di adsorbimento, come -OH, e la loro accessibilità. Pertanto, questo importante fenomeno rende il processo di sonicazione un metodo superiore ad altri, come l’agitazione magnetica utilizzata in letteratura.» [Mohammadinezhada et al., 2018]

Sonicatori ad alte prestazioni per la sintesi di idrogel

Hielscher Ultrasonics produce apparecchiature a ultrasuoni ad alte prestazioni per la sintesi di idrogel. Dai sonicatori di piccole e medie dimensioni per ricerca e sviluppo e applicazioni pilota ai sistemi industriali per la produzione commerciale di idrogel in modalità continua, Hielscher Ultrasonics soddisfa le vostre esigenze di processo.
I sonicatori di livello industriale possono erogare ampiezze molto elevate, che consentono reazioni affidabili di reticolazione e polimerizzazione e una dispersione uniforme delle nanoparticelle. È possibile operare facilmente e in modo continuo con ampiezze fino a 200µm in funzionamento 24/7/365. Per ampiezze ancora più elevate, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.

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Hielscher SonoStation semplifica la sonicazione di lotti di medie dimensioni mediante un reattore con cella di flusso. La compatta SonoStation combina un serbatoio agitato da 38 litri con una pompa a cavità progressiva regolabile, in grado di alimentare fino a 3 litri al minuto in uno o due reattori con celle di flusso a ultrasuoni.