Vantaggiosa produzione di idrogel tramite ultrasuoni

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

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 gli elementi costitutivi comuni degli idrogel vi sono l'alcol polivinilico, il polietilenglicole, il poliacrilato di sodio, i polimeri acrilici, i carbomeri, i polisaccaridi o i polipeptidi con un elevato numero di gruppi idrofili e le proteine naturali come il collagene, la gelatina e la fibrina.
I cosiddetti idrogeli ibridi sono costituiti da 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 (CNT, MWCNT, SWCNT), nano-cristalli di cellulosa, nanofibre di chitina, biossido di titanio, nanoparticelle d'argento, proteine e altre micron o nanostrutture nella matrice polimerica degli idrogel. Ciò rende la sonicazione uno strumento fondamentale per produrre idrogeli ad alte prestazioni con qualità straordinarie.

Cosa dimostra la ricerca – Preparazione dell'idrogel a ultrasuoni

In primo luogo, gli ultrasuoni favoriscono la polimerizzazione e le reazioni di reticolazione durante la formazione dell'idrogel.
In secondo luogo, gli ultrasuoni si sono dimostrati una tecnica di dispersione affidabile ed efficace per la produzione di idrogeli e idrogeli nanocompositi.

Reticolazione e polimerizzazione a ultrasuoni degli idrogel

Gli ultrasuoni favoriscono la formazione di reti polimeriche durante la sintesi di idrogel attraverso la generazione di radicali liberi. Le onde ultrasonore intense generano una cavitazione acustica che provoca forze di taglio elevate, taglio molecolare e formazione di radicali liberi.

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

Per saperne di più sulla sintesi a ultrasuoni di idrogeli e nanogel nanocompositi!

L'ultrasonicazione è compatibile con tutti i tipi di polimeri e biopolimeri e consente di rinforzare gli idrogeli ibridi con materiali nano-strutturati come nanoparticelle, nanocristalli o nanofibre. Il rinforzo degli idrogeli con vari nanomateriali consente 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.

Fabbricazione di poli(acrilammide-acido itaconico) – Idrogel di MWCNT mediante sonicazione

Mohammadinezhada et al. (2018) hanno prodotto con successo un composito idrogel superassorbente contenente poli(acrilammide-acido itaconico) e nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT). L'ultrasuonizzazione è stata eseguita con il dispositivo ad ultrasuoni Hielscher UP200SLa stabilità dell'idrogel è aumentata con l'aumentare del rapporto di MWCNT, il che potrebbe essere attribuito alla natura idrofobica dei MWCNT 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 degli ultrasuoni sono stati giudicati superiori per quanto riguarda la distribuzione uniforme dei nanotubi di carbonio sulla superficie del polimero. I MWCNT sono rimasti intatti senza alcuna interruzione nella struttura polimerica. Inoltre, la resistenza del nanocomposito ottenuto, la sua capacità di ritenzione idrica e l'assorbimento di altri materiali solubili come il Pb (II) sono aumentati. La sonicazione ha interrotto l'iniziatore e ha disperso i MWCNT come eccellente riempitivo nelle catene polimeriche a temperature crescenti.
I ricercatori concludono che queste "condizioni di reazione non possono essere raggiunte con i metodi convenzionali e non è possibile ottenere l'omogeneità e la buona dispersione delle particelle nell'ospite". Inoltre, il processo di sonicazione separa le nanoparticelle in particelle singole, mentre l'agitazione non è in grado di farlo. Un altro meccanismo per la riduzione delle dimensioni è l'effetto delle potenti onde acustiche sui legami secondari come il legame a idrogeno: questa irradiazione rompe il legame H delle particelle e, di conseguenza, dissocia le particelle aggregate e aumenta il numero di gruppi adsorbenti liberi come -OH e accessibilità. Pertanto, questo importante avvenimento rende il processo di sonicazione un metodo superiore rispetto ad altri, come l'agitazione magnetica applicata nelle letterature." [Mohammadinezhada et al., 2018].

Ultrasuonatori ad alte prestazioni per la sintesi di idrogel

Hielscher Ultrasonics produce apparecchiature a ultrasuoni ad alte prestazioni per la sintesi di idrogel. Da piccole e medie dimensioni R&Hielscher Ultrasonics è in grado di soddisfare le vostre esigenze di processo, dagli ultrasuonatori D e pilota ai sistemi industriali per la produzione commerciale di idrogel in modalità continua.
Gli ultrasonici di livello industriale possono fornire ampiezze molto elevate, che consentono reazioni di reticolazione e polimerizzazione affidabili e la dispersione uniforme di nano particelle. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7 e 365 giorni all'anno. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.

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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: