Produção de hidrogel vantajoso via ultrassom

A sonicação é uma técnica altamente eficaz, fiável e simples para a preparação de hidrogéis de elevado desempenho. Estes hidrogéis oferecem excelentes propriedades materiais, tais como capacidades de absorção, viscoelasticidade, resistência mecânica, módulo de compressão e funcionalidades de auto-regeneração.

Polimerização ultra-sônica e dispersão para a produção de hidrogel

Os hidrogéis são redes poliméricas tridimensionais hidrofílicas capazes de absorver grandes quantidades de água ou fluidos. Os hidrogéis apresentam uma extraordinária capacidade de dilatação. Os blocos de construção comuns dos hidrogéis incluem o álcool polivinílico, o polietilenoglicol, o poliacrilato de sódio, os polímeros de acrilato, os carbómeros, os polissacáridos ou polipéptidos com um elevado número de grupos hidrofílicos e as proteínas naturais, como o colagénio, a gelatina e a fibrina.
Os chamados hidrogéis híbridos consistem em vários materiais quimicamente, funcionalmente e morfologicamente distintos, tais como proteínas, péptidos ou nano/microestruturas.
A dispersão ultra-sónica é amplamente utilizada como uma técnica altamente eficiente e fiável para homogeneizar nano-materiais, tais como nanotubos de carbono (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), nano-cristais de celulose, nanofibras de quitina, dióxido de titânio, nanopartículas de prata, proteínas e outros micron- ou nanoestruturas na matriz polimérica de hidrogéis. Isto faz da sonicação uma ferramenta fundamental para produzir hidrogéis de alto desempenho com qualidades extraordinárias.

O que a investigação mostra – Preparação do hidrogel por ultra-sons

Em primeiro lugar, a ultra-sons promove a polimerização e reacções de reticulação durante a formação de hidrogel.
Em segundo lugar, a ultra-sons tem sido provado como técnica de dispersão fiável e eficaz para a produção de hidrogéis e hidrogéis nanocompósitos.

Ultrasonic Cross-Linking e polimerização de hidrogéis

Ultrasonication auxilia a formação de redes poliméricas durante a síntese de hidrogel através da geração de radicais livres. Ondas de ultrassom intensas geram cavitação acústica que causam forças de cisalhamento elevadas, cisalhamento molecular e formação de radicais livres.

Cass et al. (2010) preparou vários "hidrogéis acrílicos foram preparados através de polimerização ultra-sônica de monômeros solúveis em água e macromonômeros. O ultrassom foi utilizado para criar radicais de iniciação em soluções aquosas viscosas de monómeros utilizando os aditivos glicerol, sorbitol ou glucose num sistema aberto a 37 ° C. Os aditivos solúveis em água foram essenciais para a produção de hidrogéis, sendo o glicerol o mais eficaz. Os hidrogéis foram preparados a partir dos monómeros metacrilato de 2-hidroxietilo, dimetacrilato de poli(etilenoglicol), metacrilato de dextrano, ácido acrílico/dimetacrilato de etilenoglicol e acrilamida/bis-acrilamida." [Cass et al. 2010] aplicação de ultrassom usando um ultrasonicator sonda foi encontrado para ser um método eficaz para a polimerização de monómeros de vinilo solúveis em água e a preparação subsequente de hidrogéis. A polimerização iniciada por ultra-sons ocorre rapidamente na ausência de um iniciador químico.
O protocolo completo do estudo pode ser consultado aqui!
 

Leia mais sobre a síntese ultra-sônica de hidrogéis e nanogéis nanocompósitos!

Ultrasonication é compatível com todos os tipos de polímeros e biopolímeros e permite reforçar hidrogéis híbridos com materiais nano-estruturados, tais como nanopartículas, nanocristais ou nanofibras. O reforço de hidrogéis com vários nanomateriais permite modificar e controlar as propriedades físico-químicas e reo-mecânicas dos hidrogéis nanocompostos, uma vez que as microestruturas são o fator-chave para as propriedades do material obtido.

Fabrico de poli(acrilamida-co-ácido itacónico) – Hidrogel de MWCNT utilizando Sonicação

Mohammadinezhada et al. (2018) produziram com sucesso um compósito de hidrogel superabsorvente contendo poli (acrilamida-co-ácido itacónico) e nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs). A ultrassonografia foi realizada com o dispositivo ultra-sônico Hielscher UP200SA estabilidade do hidrogel aumentou com o aumento das proporções de MWCNTs, o que pode ser atribuído à natureza hidrofóbica dos MWCNTs, bem como ao aumento da densidade do reticulador. A capacidade de retenção de água (WRC) do hidrogel de P(AAm-co-IA) também aumentou na presença de MWCNT (10 wt%). Neste estudo, os efeitos de ultra-sons foram classificados superior no que diz respeito à distribuição uniforme dos nanotubos de carbono sobre a superfície do polímero. Os MWCNTs estavam intactos sem qualquer interrupção na estrutura polimérica. Além disso, a resistência do nanocompósito obtido, a sua capacidade de retenção de água e a absorção de outros materiais solúveis, como o Pb (II), foram aumentadas. A sonicação quebrou o iniciador e dispersou os MWCNTs como uma excelente carga nas cadeias poliméricas a uma temperatura crescente.
Os investigadores concluem que estas "condições de reação não podem ser alcançadas através de métodos convencionais, não sendo possível obter a homogeneidade e a boa dispersão das partículas no hospedeiro. Além disso, o processo de sonicação separa as nanopartículas numa única partícula, enquanto a agitação não o consegue fazer. Outro mecanismo para a redução do tamanho é o efeito de ondas acústicas poderosas nas ligações secundárias, como a ligação de hidrogénio, que esta irradiação quebra a ligação H das partículas e, subsequentemente, dissocia as partículas agregadas e aumenta o número de grupos adsorventes livres como -OH e acessibilidade. Assim, este importante acontecimento faz com que o processo de sonicação seja um método superior aos outros, como a agitação magnética aplicada nas literaturas." [Mohammadinezhada et al., 2018]

Ultrasonicators de alto desempenho para a síntese de hidrogel

A Hielscher Ultrasonics fabrica equipamento de ultra-sons de alto desempenho para a síntese de hidrogéis. Desde pequenos e médios R&D e ultra-sons piloto para sistemas industriais para o fabrico comercial de hidrogel em modo contínuo, a Hielscher Ultrasonics tem os seus requisitos de processo cobertos.
Os ultrassons de nível industrial podem fornecer amplitudes muito elevadas, que permitem reacções fiáveis de reticulação e polimerização e a dispersão uniforme de nano partículas. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24/7/365. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultra-sónicos personalizados.

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O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: