超音波処理による有利なハイドロゲル製造

ソニケーションは、高性能ハイドロゲルの調製に非常に有効で、信頼性が高く、簡便な技術である。これらのハイドロゲルは、吸収能、粘弾性、機械的強度、圧縮弾性率、自己修復機能などの優れた材料特性を提供する。

ハイドロゲル製造のための超音波重合と分散

ハイドロゲルは親水性の三次元高分子ネットワークで、大量の水や液体を吸収することができる。ハイドロゲルは並外れた膨潤能を示す。ハイドロゲルの一般的な構成要素には、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリアクリル酸ナトリウム、アクリレートポリマー、カルボマー、親水性基を多く持つ多糖類やポリペプチド、コラーゲン、ゼラチン、フィブリンなどの天然タンパク質などがある。
いわゆるハイブリッドハイドロゲルは、タンパク質、ペプチド、ナノ／マイクロ構造体など、化学的、機能的、形態的に異なる様々な材料から構成されている。
超音波分散は、カーボンナノチューブ（CNTs、MWCNTs、SWCNTs）、セルロースナノクリスタル、キチンナノファイバー、二酸化チタン、銀ナノ粒子、タンパク質、その他のミクロンまたはナノ構造体などのナノ材料を、ハイドロゲルのポリマーマトリックス中に均質化するための非常に効率的で信頼性の高い技術として広く使用されている。このため超音波処理は、並外れた品質を持つ高性能ハイドロゲルを製造するための主要なツールとなっている。

研究が示すもの – 超音波ハイドロゲル調製

第一に、超音波照射はハイドロゲル形成時の重合と架橋反応を促進する。
第二に、超音波処理はハイドロゲルやナノコンポジット・ハイドロゲルの製造において、信頼性が高く効果的な分散技術であることが証明されている。

ハイドロゲルの超音波架橋と重合

超音波照射は、フリーラジカルの発生を介して、ハイドロゲル合成時のポリマーネットワークの形成を補助する。強力な超音波は音響キャビテーションを発生させ、高剪断力、分子の剪断、フリーラジカルの形成を引き起こす。

Cassら（2010）は、「水溶性モノマーとマクロモノマーの超音波重合によってアクリル系ハイドロゲルを調製した。超音波は、グリセロール、ソルビトール、グルコースなどの添加剤を用いて、37℃の開放系で粘性のあるモノマー水溶液中に開始ラジカルを発生させるために用いられた。水溶性添加剤はハイドロゲル製造に不可欠であり、グリセロールが最も効果的であった。ハイドロゲルは、モノマーである2-ヒドロキシエチルメタクリレート、ポリ（エチレングリコール）ジメタクリレート、デキストランメタクリレート、アクリル酸／エチレングリコールジメタクリレート、アクリルアミド／ビスアクリルアミドから調製された。[Cass et al.2010]プローブ超音波発生装置を用いた超音波印加は、水溶性ビニルモノマーの重合とそれに続くハイドロゲルの調製に効果的な方法であることが判明した。超音波によって開始される重合は、化学的開始剤を用いない場合にも速やかに起こる。
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超音波処理はあらゆる種類のポリマーやバイオポリマーに適合し、ナノ粒子、ナノ結晶、ナノファイバーなどのナノ構造材料でハイブリッドハイドロゲルを強化することができる。様々なナノ材料でハイドロゲルを強化することで、ナノコンポジットハイドロゲルの物理化学的特性やレオメカニカル特性を修正・制御することができる。

ポリ（アクリルアミド-co-イタコン酸）の作製 – ソニケーションを用いたMWCNTハイドロゲル

Mohammadinezhadaら（2018）は、ポリ（アクリルアミド-co-イタコン酸）と多層カーボンナノチューブ（MWCNT）を含む高吸水性ハイドロゲル複合体の作製に成功した。超音波処理はHielscher超音波装置を用いて行った UP200Sこれは、MWCNTの疎水性と架橋剤密度の増加に起因すると考えられる。P(AAm-co-IA)ハイドロゲルの保水性（WRC）もMWCNT（10 wt%）の存在下で増加した。この研究では、ポリマー表面へのカーボンナノチューブの均一な分布に関して、超音波処理の効果が優れていると評価された。また、MWCNTは、ポリマー構造を阻害することなく、無傷であった。さらに、得られたナノコンポジットの強度、保水能力、および鉛（II）のような他の可溶性物質の吸収が増加した。超音波処理により、開始剤が破壊され、MWCNTが優れたフィラーとして、温度上昇下でポリマー鎖中に分散した。
研究者たちは、このような「反応条件は従来の方法では達成できず、粒子の均一性とホスト中への良好な分散は達成できない」と結論づけている。さらに、超音波処理ではナノ粒子を単一粒子に分離できますが、攪拌ではこれができません」。サイズ縮小のもう一つのメカニズムは、強力な音響波が水素結合のような二次結合に及ぼす影響であり、この照射により粒子のH結合が切断され、その後、凝集した粒子が解離し、-OHやアクセス性のような自由吸着基の数が増加する。したがって、この重要なハプニングは、超音波処理を、文献で適用されている磁気攪拌のような他の方法よりも優れた方法としている" [Mohammadinezhada et al.[Mohammadinezhadaら、2018］。

ハイドロゲル合成用高性能超音波発生装置

Hielscher Ultrasonics社はハイドロゲル合成用の高性能超音波装置を製造しています。小型から中型のR&Dおよびパイロット用超音波発生装置から、連続モードでの商業用ハイドロゲル製造用の工業用システムまで、Hielscher Ultrasonics社はお客様のプロセス要件をカバーします。
工業グレードの超音波発生装置は、非常に高い振幅を提供することができ、信頼性の高い架橋反応や重合反応、ナノ粒子の均一な分散を可能にします。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続運転が容易です。さらに高い振幅を実現するために、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご用意しています。

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下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：