Ugodna proizvodnja hidrogela z ultrazvokom
Sonication je zelo učinkovita, zanesljiva in enostavna tehnika za pripravo visoko zmogljivih hidrogelov. Ti hidrogeli ponujajo odlične lastnosti materiala, kot so absorpcijske sposobnosti, viskoelastičnost, mehanska trdnost, modul stiskanja in funkcije samozdravljenja.
Ultrazvočna polimerizacija in disperzija za proizvodnjo hidrogela
Hidrogeli so hidrofilne, tridimenzionalne polimerne mreže, ki lahko absorbirajo velike količine vode ali tekočin. Hidrogeli kažejo izjemno sposobnost otekanja. Skupni gradniki hidrgelov vključujejo polivinil alkohol, polietilen glikol, natrijev poliakrilat, akrilatne polimere, karbomere, polisaharide ali polipeptide z velikim številom hidrofilnih skupin in naravne beljakovine, kot so kolagen, želatina in fibrin.
Tako imenovani hibridni hidrogeli so sestavljeni iz različnih kemično, funkcionalno in morfološko različnih materialov, kot so beljakovine, peptidi ali nano- / mikrostrukture.
Ultrazvočna disperzija se pogosto uporablja kot zelo učinkovita in zanesljiva tehnika za homogenizacijo nanomaterialov, kot so ogljikove nanocevke (CNT, MWCNT, SWCNT), celulozni nanokristali, hitinska nanovlakna, titanov dioksid, nanodelci srebra, beljakovine in druge mikronske ali nanostrukture v polimerni matriks hidrogelov. Zaradi tega je ultrazvočno razbijanje glavno orodje za proizvodnjo visoko zmogljivih hidrogelov z izjemnimi lastnostmi.
Ultrazvočni aparat UIP1000hdT s steklenim reaktorjem za sintezo hidrogela
Kaj kažejo raziskave – Ultrazvočna priprava hidrogela
Prvič, ultrasonication spodbuja polimerizacijo in reakcije navzkrižnega povezovanja med tvorbo hidrogela.
Drugič, ultrasonication se je izkazal kot zanesljiva in učinkovita disperzijska tehnika za proizvodnjo hidrogelov in nanokompozitnih hidrogelov.
Ultrazvočno navzkrižno povezovanje in polimerizacija hidrogelov
Ultrasonication pomaga pri tvorbi polimernih mrež med sintezo hidrogela z nastajanjem prostih radikalov. Intenzivni ultrazvočni valovi ustvarjajo akustično kavitacijo, ki povzroča visoke strižne sile, molekularno striženje in nastajanje prostih radikalov.
Cass et al. (2010) je pripravil več "akrilnih hidrogelov, ki so bili pripravljeni z ultrazvočno polimerizacijo vodotopnih monomerov in makromonomerov. Ultrazvok je bil uporabljen za ustvarjanje začetnih radikalov v viskoznih vodnih monomernih raztopinah z uporabo dodatkov glicerola, sorbitola ali glukoze v odprtem sistemu pri 37 °C. Vodotopni dodatki so bili bistveni za proizvodnjo hidrogela, glicerol je bil najučinkovitejši. Hidrogeli so bili pripravljeni iz monomerov 2-hidroksietil metakrilata, poli(etilen glikol) dimetakrilata, dekstran metakrilata, akrilne kisline / etilen glikol dimetakrilata in akrilamida / bis-akrilamida. [Cass et al. 2010] Ultrazvočna uporaba z ultrazvočnim sondo je bila ugotovljena kot učinkovita metoda za polimerizacijo vodotopnih vinil monomerov in kasnejšo pripravo hidrogelov. Ultrazvočno sprožena polimerizacija se hitro pojavi v odsotnosti kemičnega iniciatorja.
Celoten protokol študije najdete tukaj!
- nanodelci, npr. TiO2
- ogljikove nanocevke (CNT)
- celulozni nanokristali (CNC)
- celulozne nanofibrile
- dlesni, npr. ksantan
- Beljakovine
Preberite več o ultrazvočni sintezi nanokompozitnih hidrogelov in nanogelov!
Tvorba hidrogela z ultrazvočno podprto gelacijo z uporabo ultrazvočni aparat UP100H (Študija in film: Rutgeerts et al., 2019)
SEM hidrogela poli(akrilamid-ko-itakonske kisline), ki vsebuje MWCNT. MWCNT so bili ultrazvočno razpršeni z uporabo ultrazvočnega UP200S.
študija in slika: Mohammadinezhada et al., 2018
Izdelava poli(akrilamid-ko-itakonske kisline) – MWCNT hidrogel z uporabo ultrazvočnega razbijanja
(2018) uspešno izdelali superabsorbentni hidrogelni kompozit, ki vsebuje poli(akrilamid-ko-itakonska kislina) in večstenske ogljikove nanocevke (MWCNT). Ultrasonication je bil izveden z ultrazvočno napravo Hielscher UP200S. Stabilnost hidrogela se je povečala z naraščanjem razmerij MWCNT, kar bi lahko pripisali hidrofobni naravi MWCNT in povečanju gostote navzkrižnega povezovalca. Zmogljivost zadrževanja vode (WRC) hidrogela P(AAm-co-IA) se je povečala tudi v prisotnosti MWCNT (10 mas.). V tej študiji so bili učinki ultrasonication ocenjeni kot boljši glede enakomerne porazdelitve ogljikovih nanocevk na površini polimera. MWCNT so bili nedotaknjeni brez prekinitve v polimerni strukturi. Poleg tega se je povečala moč dobljenega nanokompozita in njegova sposobnost zadrževanja vode ter absorpcija drugih topnih materialov, kot je Pb (II). Sonication je zlomil iniciator in razpršil MWCNT kot odlično polnilo v polimernih verigah pod naraščajočo temperaturo.
Raziskovalci ugotavljajo, da teh "reakcijskih pogojev ni mogoče doseči s konvencionalnimi metodami, homogenosti in dobre disperzije delcev v gostitelja pa ni mogoče doseči. Poleg tega postopek ultrazvočnega razbijanja ločuje nanodelce v en sam delec, medtem ko mešanje tega ne more storiti. Drug mehanizem za zmanjšanje velikosti je učinek močnih akustičnih valov na sekundarne vezi, kot je vodikova vez, ki s tem obsevanjem prekine H-vez delcev in nato disociira združene delce in poveča število prostih adsorptivnih skupin, kot sta -OH in dostopnost. Zato je ta pomemben dogodek proces ultrazvočnega razbijanja boljša metoda pred drugimi, kot je magnetno mešanje, ki se uporablja v literaturi. [Mohammadinezhada et al., 2018]
Visoko zmogljivi ultrazvočni aparati za sintezo hidrogela
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljivo ultrazvočno opremo za sintezo hidrogelov. Od majhnih in srednje velikih R&D in pilotni ultrazvočni aparati za industrijske sisteme za komercialno proizvodnjo hidrogelov v neprekinjenem načinu, Hielscher Ultrasonics pokriva vaše procesne zahteve.
Ultrazvočni aparati industrijskega razreda lahko zagotovijo zelo visoke amplitude, ki omogočajo zanesljive reakcije navzkrižnega povezovanja in polimerizacije ter enakomerno disperzijo nano delcev. Amplitude do 200 μm je mogoče enostavno neprekinjeno izvajati v 24/7/365 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode.
- visoka učinkovitost
- Najsodobnejša tehnologija
- Zanesljivost & Robustnosti
- Serije & Inline
- za poljubno količino
- Inteligentna programska oprema
- pametne funkcije (npr. protokoliranje podatkov)
- CIP (čiščenje na mestu)
Vprašajte nas danes za dodatne tehnične informacije, cene in nezavezujočo ponudbo. Naše dolgoletno izkušeno osebje vam z veseljem svetuje!
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Kompaktna SonoStation združuje 38-litrski mešani rezervoar z nastavljivo progresivno votlino, ki lahko napaja 3 litre na minuto v enega ali dva reaktorja ultrazvočnih pretočnih celic.
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, disperzijo, emulgacijo in ekstrakcijo v laboratorijski, pilotni in industrijski ravni.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Za kaj se uporabljajo hidrogeli?
Hidrogeli se uporabljajo v številnih panogah, kot so farmacija za dostavo zdravil (npr. časovno sproščena, peroralna, intravenska, lokalna ali rektalna dostava zdravil), medicina (npr. kot odri v tkivnem inženiringu, prsni vsadki, biomehanski materiali, obloge za rane), kozmetični izdelki, izdelki za nego (npr. kontaktne leče, plenice, higienski vložki), kmetijstvo (npr. za pesticidne formulacije, zrnca za zadrževanje vlage v tleh na sušnih območjih), raziskave materialov kot funkcionalnih polimerov (npr. eksplozivi v vodnem gelu, inkapsulacija kvantnih pik, termodinamična proizvodnja električne energije), odvajanje premoga, umetni sneg, aditivi za živila in drugi izdelki (npr. lepilo).
Razvrstitev hidrogelov
Pri razvrstitvi hidrogelov glede na njihovo fizikalno strukturo lahko razvrstimo na naslednji način:
- amorfno (nekristalno)
- polkristalna: kompleksna mešanica amorfne in kristalne faze
- Kristalni
Ko se hidrogeli osredotočajo na polimerno sestavo, lahko razvrstimo tudi v naslednje tri kategorije:
- Homopolimerni hidrogeli
- kopolimerni hidrogeli
- multipolimerni hidrogeli / IPN hidrogeli
Glede na vrsto navzkrižnega povezovanja se hidrogeli razvrščajo v:
- kemično umrežena omrežja: trajna stičišča
- fizično premrežena omrežja: prehodna križišča
Fizični videz vodi do razvrstitve v:
- matrika
- film
- mikrosfera
Razvrstitev na podlagi električnega naboja omrežja:
- neionska (nevtralna)
- ionske (vključno z anionskimi ali kationskimi)
- amfoterni elektrolit (amfolitski)
- zwitterionic (polibetaini)
Literatura / Reference
- Mohammadinezhada, Alireza; Marandi, Gholam Bagheri; Farsadrooh, Majid; Javadian, Hamedreza (2018): Synthesis of poly(acrylamide-co-itaconic acid)/MWCNTs superabsorbent hydrogel nanocomposite by ultrasound-assisted technique: Swelling behavior and Pb (II) adsorption capacity. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 49, 2018. 1-12.
- Cass, Peter; Knower, Warren; Pereeia, Eliana; Holmes, Natalie P.; Hughes Tim (2010): Preparation of hydrogels via ultrasonic polymerization. Ultrasonics Sonochemistry Volume 17, Issue 2, February 2010. 326-332.
- Willfahrt, A., Steiner, E., Hoetzel, J., Crispin, X. (2019): Printable acid-modified corn starch as non-toxic, disposable hydrogel-polymer electrolyte in supercapacitors. Applied Physics A, 125(7), 474.
- Butylina, Svetlana; Geng, Shiyu; Laatikainen, Katri; Oksman, Kristiina (2020): Cellulose Nanocomposite Hydrogels: From Formulation to Material Properties. Frontiers in Chemistry, Vol. 8, 655, 2020.
- Rutgeerts, Laurens A. J.; Soultan, Al Halifa; Subramani, Ramesh; Toprakhisar, Burak; Ramon, Herman; Paderes, Monissa C.; De Borggraeve, Wim M.; Patterson, Jennifer (2019): Robust scalable synthesis of a bis-urea derivative forming thixotropic and cytocompatible supramolecular hydrogels. Chemical Communications Issue 51, 2019.
- Oleyaei, Seyed Amir; Razavi, Seyed Mohammad Ali; Mikkonen, Kirsi S. (2018): Physicochemical and rheo-mechanical properties of titanium dioxide reinforced sage seed gum nanohybrid hydrogel. International Journal of Biological Macromolecules Vol. 118, Part A, 2018. 661-670.
Visoko zmogljiva ultrazvoka! Hielscherjeva paleta izdelkov zajema celoten spekter od kompaktnega laboratorijskega ultrazvočnega aparata preko namiznih enot do popolnoma industrijskih ultrazvočnih sistemov.