Fördelaktig hydrogelproduktion med ultraljudsbehandling

Ultraljudsbehandling är en mycket effektiv, tillförlitlig och enkel teknik för framställning av högpresterande hydrogeler. Dessa hydrogeler erbjuder utmärkta materialegenskaper såsom absorptionsförmåga, viskoelasticitet, mekanisk hållfasthet, kompressionsmodul och självläkande funktioner.

Ultraljudspolymerisation och ultraljudsdispergering för hydrogelproduktion

Hydrogeler är hydrofila, tredimensionella polymernätverk som kan absorbera stora mängder vatten eller vätskor. Hydrogeler uppvisar en enastående svällningsförmåga. Vanliga byggstenar i hydrogeler är polyvinylalkohol, polyetylenglykol, natriumpolyakrylat, akrylatpolymerer, karbomerer, polysackarider eller polypeptider med ett stort antal hydrofila grupper samt naturliga proteiner såsom kollagen, gelatin och fibrin.
Så kallade hybridhydrogeler består av olika kemiskt, funktionellt och morfologiskt åtskilda material, såsom proteiner, peptider eller nano- / mikrostrukturer.
Ultraljudsdispergering används i stor utsträckning som en mycket effektiv och tillförlitlig teknik för att homogent fördela nanomaterial såsom kolnanorör (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), cellulosananokristaller, kitinnanofibrer, titandioxid, silvernanopartiklar, proteiner och andra mikro- eller nanostrukturer i hydrogelernas polymermatris. Detta gör ultraljudsbehandling till ett centralt verktyg för att producera högpresterande hydrogeler med enastående egenskaper.

Vad forskningen visar – framställning av hydrogeler med ultraljud

För det första främjar ultraljudsbehandling polymerisations- och tvärbindningsreaktioner under hydrogelbildningen.
För det andra har ultraljudsbehandling visat sig vara en tillförlitlig och effektiv dispergeringsteknik för produktion av hydrogeler och nanokomposithydrogeler.

Tvärbindning och polymerisation av hydrogeler med ultraljud

Ultraljudsbehandling underlättar bildningen av polymernätverk under hydrogelsyntesen genom att generera fria radikaler. Intensiva ultraljudsvågor genererar akustisk kavitation som orsakar höga skjuvkrafter, molekylär skjuvning och bildning av fria radikaler.

Cass et al. (2010) framställde flera ”akrylhydrogeler genom ultraljudspolymerisation av vattenlösliga monomerer och makromonomerer. Ultraljud användes för att skapa initierande radikaler i viskösa vattenbaserade monomerlösningar med tillsatserna glycerol, sorbitol eller glukos i ett öppet system vid 37°C. De vattenlösliga tillsatserna var nödvändiga för hydrogelproduktionen, och glycerol var den mest effektiva. Hydrogeler framställdes av monomererna 2-hydroxietylmetakrylat, poly(etylenglykol)dimetakrylat, dextranmetakrylat, akrylsyra/etylenglykoldimetakrylat och akrylamid/bis-akrylamid.” [Cass et al. 2010] Användning av ultraljud med en sondultraljudsapparat visade sig vara en effektiv metod för polymerisation av vattenlösliga vinylmonomerer och efterföljande framställning av hydrogeler. Den ultraljudsinitierade polymerisationen sker snabbt utan någon kemisk initiator.
Här hittar du studiens fullständiga protokoll!
 

Ultraljudsdispergering av pyrogen kiseldioxid: Ultraljudshomogenisatorn UP400S från Hielscher dispergerar snabbt och effektivt kiseldioxidpulver till enskilda nanopartiklar.

Läs mer om ultraljudssyntes av nanokomposithydrogeler och nanogeler!

Ultraljudsbehandling är kompatibel med alla slags polymerer och biopolymerer och gör det möjligt att förstärka hybridhydrogeler med nanostrukturerade material såsom nanopartiklar, nanokristaller eller nanofibrer. Genom att förstärka hydrogeler med olika nanomaterial kan man modifiera och styra nanokomposithydrogelernas fysikalisk-kemiska och reomekaniska egenskaper, eftersom mikrostrukturerna är den avgörande faktorn för de erhållna materialegenskaperna.

Framställning av en hydrogel av poly(akrylamid-co-itakonsyra) och MWCNT med ultraljudsbehandling

Mohammadinezhada et al. (2018) framställde framgångsrikt en superabsorberande hydrogelkomposit som innehåller poly(akrylamid-co-itakonsyra) och flerväggiga kolnanorör (MWCNT). Ultraljudsbehandlingen utfördes med Hielschers ultraljudsapparat UP200S. Hydrogelens stabilitet ökade med ökande andel MWCNT, vilket kan bero på MWCNT:s hydrofoba karaktär samt den ökade tätheten av tvärbindare. Även vattenhållningsförmågan (WRC) hos hydrogelen av P(AAm-co-IA) ökade i närvaro av MWCNT (10 wt%). I denna studie bedömdes effekterna av ultraljudsbehandling vara överlägsna när det gäller kolnanorörens jämna fördelning på polymerytan. MWCNT förblev intakta utan några avbrott i polymerstrukturen. Dessutom ökade den erhållna nanokompositens hållfasthet och vattenhållningsförmåga samt absorptionen av andra lösliga ämnen såsom Pb (II). Ultraljudsbehandlingen spjälkade initiatorn och dispergerade MWCNT som ett utmärkt fyllmedel i polymerkedjorna under stigande temperatur.
Forskarna drar slutsatsen att dessa ”reaktionsbetingelser inte kan uppnås med konventionella metoder, och att homogenitet och god dispergering av partiklar i värdmaterialet inte kan uppnås. Dessutom separerar ultraljudsbehandlingen nanopartiklar till enskilda partiklar, vilket omrörning inte kan göra. En annan mekanism för storleksminskningen är kraftiga akustiska vågors inverkan på sekundära bindningar såsom vätebindningar. Denna bestrålning bryter partiklarnas vätebindningar och separerar därefter de aggregerade partiklarna samt ökar antalet fria adsorberande grupper såsom -OH och deras tillgänglighet. Denna viktiga effekt gör således ultraljudsbehandling till en överlägsen metod jämfört med andra metoder, såsom magnetomrörning, som används i litteraturen.” [Mohammadinezhada et al., 2018]

Högpresterande ultraljudsapparater för hydrogelsyntes

Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudsutrustning för syntes av hydrogeler. Från små och medelstora ultraljudsapparater för forskning och utveckling och pilotförsök till industriella system för kommersiell hydrogeltillverkning i kontinuerlig drift – Hielscher Ultrasonics tillgodoser dina processkrav.
Ultraljudsapparater av industrikvalitet kan leverera mycket höga amplituder, vilket möjliggör tillförlitliga tvärbindnings- och polymerisationsreaktioner samt jämn dispergering av nanopartiklar. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift 24/7/365. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder.

Kontakta oss redan i dag för ytterligare teknisk information, priser och en offert utan förpliktelser. Vår personal med mångårig erfarenhet ger dig gärna råd!
Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet:

Hielscher SonoStation gör det enkelt att ultraljudsbehandla medelstora satser med en flödescellsreaktor. Den kompakta SonoStation kombinerar en omrörd tank på 38 liter med en reglerbar excenterskruvpump som kan mata upp till 3 liter per minut till en eller två ultraljudsreaktorer med flödesceller.