Produção vantajosa de hidrogéis por ultrassonicação

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

Polimerização e dispersão ultrassónicas para a produção de hidrogéis

Os hidrogéis são redes poliméricas hidrofílicas tridimensionais capazes de absorver grandes quantidades de água ou fluidos. Os hidrogéis apresentam uma capacidade de inchamento extraordinária. Os constituintes comuns dos hidrogéis incluem álcool polivinílico, polietilenoglicol, poliacrilato de sódio, polímeros de acrilato, carbómeros, polissacáridos ou polipéptidos com um elevado número de grupos hidrofílicos e proteínas naturais como colagénio, gelatina e fibrina.
Os chamados hidrogéis híbridos são constituídos por vários materiais distintos em termos químicos, funcionais e morfológicos, como proteínas, péptidos ou nanoestruturas / microestruturas.
A dispersão ultrassónica é amplamente utilizada como uma técnica altamente eficiente e fiável para homogeneizar nanomateriais, como nanotubos de carbono (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), nanocristais de celulose, nanofibras de quitina, dióxido de titânio, nanopartículas de prata, proteínas e outras microestruturas ou nanoestruturas, na matriz polimérica dos hidrogéis. Isto faz da sonicação uma ferramenta fundamental para produzir hidrogéis de elevado desempenho com qualidades extraordinárias.

O que revela a investigação – Preparação ultrassónica de hidrogéis

Em primeiro lugar, a ultrassonicação promove reações de polimerização e reticulação durante a formação dos hidrogéis.
Em segundo lugar, a ultrassonicação demonstrou ser uma técnica de dispersão fiável e eficaz para a produção de hidrogéis e hidrogéis nanocompósitos.

Reticulação e polimerização ultrassónicas de hidrogéis

A ultrassonicação auxilia a formação de redes poliméricas durante a síntese de hidrogéis através da geração de radicais livres. As ondas ultrassónicas intensas geram cavitação acústica, que provoca forças de cisalhamento elevadas, cisalhamento molecular e formação de radicais livres.

Cass et al. (2010) prepararam vários hidrogéis acrílicos: “Os hidrogéis acrílicos foram preparados por polimerização ultrassónica de monómeros e macromonómeros solúveis em água. Foram utilizados ultrassons para criar radicais iniciadores 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 dos 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] Verificou-se que a aplicação de ultrassons com um sonicador de sonda é um método eficaz para a polimerização de monómeros vinílicos solúveis em água e a subsequente preparação de hidrogéis. A polimerização iniciada por ultrassons ocorre rapidamente na ausência de um iniciador químico.
Consulte aqui o protocolo completo do estudo!
 

Dispersão ultrassónica de sílica pirogénica: o homogeneizador ultrassónico Hielscher UP400S dispersa o pó de sílica em nanopartículas individuais de forma rápida e eficiente.

Saiba mais sobre a síntese ultrassónica de hidrogéis nanocompósitos e nanogéis!

A ultrassonicação é compatível com todos os tipos de polímeros e biopolímeros e permite reforçar hidrogéis híbridos com materiais nanoestruturados, como nanopartículas, nanocristais ou nanofibras. O reforço dos hidrogéis com vários nanomateriais permite modificar e controlar as propriedades físico-químicas e reomecânicas dos hidrogéis nanocompósitos, uma vez que as microestruturas são o fator-chave para as propriedades materiais obtidas.

Produção de hidrogel de poli(acrilamida-co-ácido itacónico) – MWCNT por 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 ultrassonicação foi realizada com o dispositivo ultrassónico Hielscher UP200S. A estabilidade do hidrogel aumentou com o aumento das proporções de MWCNTs, o que poderá ser atribuído à natureza hidrofóbica dos MWCNTs, bem como ao aumento da densidade do agente de reticulação. 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 da ultrassonicação foram considerados superiores no que respeita à distribuição uniforme dos nanotubos de carbono na superfície do polímero. Os MWCNTs permaneceram intactos, sem qualquer interrupção na estrutura polimérica. Além disso, aumentaram a resistência do nanocompósito obtido, a sua capacidade de retenção de água e a absorção de outros materiais solúveis, como Pb (II). A sonicação fragmentou o iniciador e dispersou os MWCNTs como um excelente material de enchimento nas cadeias poliméricas com o aumento da temperatura.
Os investigadores concluem que estas “condições de reação não podem ser alcançadas através de métodos convencionais, e não é possível obter homogeneidade e uma boa dispersão das partículas na matriz. Além disso, o processo de sonicação separa as nanopartículas em partículas individuais, enquanto a agitação não o consegue fazer. Outro mecanismo de redução do tamanho é o efeito de ondas acústicas potentes sobre as ligações secundárias, como as ligações de hidrogénio, uma vez que esta irradiação quebra as ligações de hidrogénio das partículas e, subsequentemente, dissocia as partículas agregadas e aumenta o número de grupos adsortivos livres, como -OH, e a acessibilidade. Assim, este fenómeno importante torna o processo de sonicação um método superior a outros, como a agitação magnética utilizada na literatura.” [Mohammadinezhada et al., 2018]

Sonicadores de elevado desempenho para a síntese de hidrogéis

A Hielscher Ultrasonics fabrica equipamento ultrassónico de elevado desempenho para a síntese de hidrogéis. Desde sonicadores de pequena e média dimensão para I&D e instalações-piloto até sistemas industriais para o fabrico comercial de hidrogéis em modo contínuo, a Hielscher Ultrasonics responde aos requisitos do seu processo.
Os sonicadores de nível industrial podem fornecer amplitudes muito elevadas, que permitem reações fiáveis de reticulação e polimerização e a dispersão uniforme de nanopartículas. É possível trabalhar facilmente com amplitudes de até 200µm de forma contínua em funcionamento 24/7/365. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados.

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A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores:

A Hielscher SonoStation facilita a sonicação de lotes de média dimensão com um reator de célula de fluxo. A compacta SonoStation combina um tanque de 38 litros com agitação e uma bomba de cavidade progressiva regulável, capaz de alimentar um ou dois reatores ultrassónicos de célula de fluxo com até 3 litros por minuto.