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

Ultrasonication is used to initiate cross-linking and polymerization during hydrogel production. Ultrasonic dispersion is used to distribute nanoparticles in hydrogels.Hydrogels are hydrophilic, three-dimensional polymeric networks that are able to absorb large quantities of water or fluids. Hydrogels exhibit an extraordinary swelling capacity. Common building blocks of hydrgels include polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, sodium polyacrylate, acrylate polymers, carbomers, polysaccharides or polypeptides with a high number of hydrophilic groups, and natural proteins such as collagen, gelatine and fibrin.
So-called hybrid hydrogels consist of various chemically, functionally, and morphologically distinct materials, such as proteins, peptides, or nano- / microstructures.
Ultrasonic dispersion is widely used as an highly efficient and reliable technique to homogenize nano-materials such as carbon nanotubes (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), cellulose nano-crystals, chitin nanofibres, titanium dioxide, silver nanoparticles, proteins and other micron- or nanostructures into the polymeric matrix of hydrogels. This makes sonication a main tool to produce high-performance hydrogels with extraordinary qualities.

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Ultrasonic cavitation promotes the cross-linking and polymerization during hydrogel synthesis. Ultrasonic dispersion facilitates the uniform distribution of nanomaterials for hybrid hydrogel fabrication.

ultrasonoro UIP1000hdT with glass reactor for hydrogel synthesis

What Research ShowsUltrasonic Hydrogel Preparation

First, ultrasonication promotes polymerization and cross-linking reactions during hydrogel formation.
Secondly, ultrasonication has been proven as reliable and effective dispersion technique for the production of hydrogels and nanocomposite hydrogels.

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) prepared several “acrylic hydrogels were prepared via ultrasonic polymerization of water soluble monomers and macromonomers. Ultrasound was used to create initiating radicals in viscous aqueous monomer soluions using the additives glycerol, sorbitol or glucose in an open system at 37°C. The water soluble additives were essential for the hydrogel production, glycerol being the most effective. Hydrogels were prepared from the monomers 2-hydroxyethyl methacrylate, poly(ethylene glycol) dimethacrylate, dextran methacrylate, acrylic acid/ethylene glycol dimethacrylate and acrylamide/bis-acrylamide.” [Cass et al. 2010] Ultrasound application using a probe ultrasonicator was found to be an effective method for the polymerization of water soluble vinyl monomers and the subsequent preparation of hydrogels. The ultrasonically initiated polymerization occurs rapidly in the absence of a chemical initiator.

Ultrasonic Dispersion of Nano-Silica

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
Ultrasonic nano-dispersion with the ultrasuonatore UP400St


Hydrogel formation via ultrasonically-assisted gelation using the ultrasonicator 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.

Ultrasonication is applied to produce high-performance hydrogels containing nano-materials

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
  • Tecnologia all'avanguardia
  • attendibilità & robustezza
  • lotto & in linea
  • per qualsiasi volume
  • software intelligente
  • caratteristiche intelligenti (per esempio, protocollatura dei dati)
  • CIP (clean-in-place)

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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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Si prega di utilizzare il modulo sottostante per richiedere ulteriori informazioni sui processori ad ultrasuoni, le applicazioni e il prezzo. Saremo lieti di discutere il vostro processo con voi e di offrirvi un sistema ad ultrasuoni che soddisfi le vostre esigenze!









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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

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

Letteratura / Referenze



Particolarità / Cose da sapere

Per cosa sono usati gli idrogeli?

Hydrogels are used in many industries such as in pharma for drug delivery (e.g. time-released, oral, intravenous, topical or rectal drug delivery), medicine (e.g. as scaffolds in tissue engineering, breast implants, biomechanical material, wound dressings), cosmetic products, care products (e.g. contact lenses, diapers, sanitary napkins), agriculture (e.g. for pesticide formulations, granules for holding soil moisture in arid areas), material research as functional polymers (e.g. water gel explosives, encapsulation of quantum dots, thermodynamic electricity generation), coal dewatering, artificial snow, food additives, and other products (e.g., glue).

Classification of Hydrogels

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)

Hielscher Ultrasonics supplies high-performance ultrasonic homogenizers from lab to industrial size.

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.