تخليق هيدروجيل
المصدر: Amber N. Barron و Ashlea Patterson و Taylor D. Sparks ، قسم علوم وهندسة المواد ، جامعة يوتا ، سولت ليك سيتي ، UT
الهلاميات المائية هي فئة متعد…
تم إنشاء محلول ما قبل الهلام في أنبوب اختبار 1000 ميكرولتر. وترد المواد والدور في البلمرة والكميات المضافة في الجداول 1.
| المواد | الغرض | الهيكل | نسبة الخلد |
| 2,2-Dimethoxy-2-phenyl-acetophenone (DMPAP) | بادئ قراء مجاني (بادئ ضوئي) |  | 0.0012 |
| 2-هيدروكسيثيل ميثاكريلات
(هيما) | العمود الفقري للبوليمر |  | 21.2121 |
| رباعي إيثيلين جلايكول ثنائي ميثاكريلات (TEGDMA) | Crosslinker |  | 3.0303 |
| جلايكول الإيثيلين
(على سبيل المثال) | مذيب |  | 75.7576 |
الجدول 1. مكونات هيدروجيل ما قبل الهلام ، وأدوارها في بلمرة الجذور الحرة للهيدروجيل ، والتركيب البوليمري الكيميائي ثنائي الأبعاد والكميات المضافة إلى محلول ما قبل الهلام.
التوليف
- قبل بدء تخليق الهيدروجيل ، تم تجميع قالب توليف من شريحتين زجاجيتين وثلاثة فواصل من ألواح البولي أوليفين بسمك 520 ميكرون. تم تجميع هذا التكوين معا بواسطة مقاطع الموثق كما هو موضح في الشكل 6 . تم تعويض الشرائح الزجاجية الكبيرة ببضعة ملليمترات لإنشاء قناة لسحب محلول ما قبل الهلام في القالب.
- قبل البدء في تخليق الهيدروجيل ، احصل على أنبوب اختبار 1000 ميكرولتر ، والمواد الكيميائية الموضحة في الجدول 1 ، وماصة دقيقة ذات أطراف نظيفة ، وقالب التثبيت ( الشكل 6 ). يجب تنفيذ جميع الأعمال في غطاء الدخان مع معدات الحماية الشخصية المناسبة (PPE). تشمل معدات الوقاية الشخصية نظارات أو نظارات واقية ومعطف مختبر وقفازات واقية.
الشكل 6 : قالب تخليق الهيدروجيل ، تم إنشاؤه من شريحتين زجاجيتين ، وثلاثة شرائط من صفائح البولي أوليفين بسمك 520 ميكرون كفواصل ، ومشابك رابطة كبيرة.
- أضف 0.0012 نسبة مول 2،2-Dimethoxy-2-phenyl-acetophenone (DMPAP) ، المشغل الضوئي الصلب (بادئ الجذور الحرة الذي يبدأ بالضوء) ، إلى أنبوب الاختبار أولا.
- أضف 21.2121 مول بالمائة 2-هيدروكسيثيل ميثاكريلات (HEMA) ، جزيء العمود الفقري ، و 3.0303 مول في المائة رباعي إيثيلين جلايكول ثنائي ميثاكريلات (TEGDMA) ، جزيء التشابك بأنبوب الاختبار ، باستخدام أطراف ماصة جديدة في كل مرة. ستقوم TEGDMA بربط سلاسل HEMA كيميائيا في وجود الجذور الحرة عن طريق توصيل سلاسل البوليمر ببوليمر شبكة.
- امزج المحلول باستخدام آلة دوامة حتى يتم الحصول على محلول متجانس.
- قم بقياس 0.25 جرام من Bromocresol Purple واشطفه في المحلول باستخدام 75.7576 مول بالمائة من الإيثيلين جلايكول (EG) ، المذيب. الصبغة مخصصة فقط لأغراض المشاهدة (الهيدروجيل شفاف بخلاف ذلك) ، ويعمل EG كمذيب لإذابة بادئ الجذور الحرة البادئ ويحافظ على مرونة الهيدروجيل.
- امزج المحلول باستخدام آلة الدوامة حتى تذوب الصبغة تماما ويصبح المحلول متجانسا.
- باستخدام ماصة دقيقة، قم بإيداع المحلول في القالب عن طريق محاذاة طرف الماصة الدقيقة مع حافة الإزاحة للشرائح الزجاجية الكبيرة وحقن محلول ما قبل الهلام بشكل موحد في وسط القالب.
- ضع القالب 5 سم أسفل مصباح يدوي ينبعث منه الأشعة فوق البنفسجية (Warson SK66) وقم بإشعاع القالب لمدة دقيقة واحدة. يشق ضوء الأشعة فوق البنفسجية الروابط في الأنواع البادئة ، ويحولها إلى جذور حرة يمكنها بعد ذلك مهاجمة جزيئات البوليمر والروابط المتقاطعة. عند الاتصال بالشبكة بالكامل ، يجب أن يكون الهيدروجيل صلبا مطاطيا مع تناسق يشبه الجيلي.
- قم بإزالة القالب من الضوء وتفكيك تكوين القالب. قم بإزالة الهيدروجيل من الشرائح الزجاجية.
- اشطف جانبي الهيدروجيل بالماء منزوع الأيونات لإزالة أي أنواع كيميائية غير متفاعلة وقليل الأيونات من المنتج.
- لتوصيف كيفية تأثير أوقات التعرض المختلفة للأشعة فوق البنفسجية على درجة التشابك والقدرة على التورم ، يمكن تكرار هذا الإجراء مع تغيير الخطوة التاسعة. للتوصيف ، تعرض المحلول للأشعة فوق البنفسجية لمدة دقيقة واحدة و 1.5 دقيقة و 5 دقائق ، مما أدى إلى إنتاج ما مجموعه ثلاثة هيدروجيل.
التوصيف
يمكن حساب درجة تورم الهيدروجيل عن طريق تجفيف البوليمر وترطيبه ثم إعادة تجفيفه.
- ضع الهلاميات المائية النهائية في وعاء به كحول مثل كحول الأيزوبروبيل بحيث يتم غمرها بالكامل. اتركيه في الكوهول لمدة 4-8 ساعات ، عندما يحل الكحول محل كل جلايكول الإيثيلين في الهيدروجيل.
- قم بإزالة الهلاميات المائية من الكحول واتركها لتجف في العراء ، حوالي 30 دقيقة. يتبخر الكحول بسرعة أكبر من الماء أو المذيب ، مما يسمح للهيدروجيل بالحفاظ على هيكله.
- قم بوزن الهيدوجيل المجفف.
- اغمر الهلاميات المائية في ماء DI لمدة 30 دقيقة على الأقل ، حتى تنتفخ تماما. قم بإزالة المواد الهلامية من الماء ، وامسحها برفق حتى تجف ووزنها.
- احسب درجة التورم باستخدام المعادلة:
، حيث 
هو وزن البوليمر المتورم و 
هو وزن البوليمر المجفف.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
الهلاميات المائية هي فئة متعددة الاستخدامات من البوليمرات المتشابكة ، يتم إنتاجها من خلال إجراءات بسيطة نسبيا باستخدام مواد غير مكلفة بشكل عام. يتم استخدامها بشكل شائع للمواد الماصة السائلة وأجهزة الاستشعار والمنتجات الاستهلاكية وتوصيل الأدوية. يمكن تشكيل الهلاميات المائية من المحلول ، مع بادئ يجعل عوامل المونوميري تفاعلية لتشكيل العمود الفقري للبوليمر. ثم تربط الأنواع المتشابكة سلاسل البوليمر معا. أحد الجوانب المهمة لهذه المواد هو أنها تنتفخ في وجود الماء. ولكن يمكن ضبط هذه الاستجابة بشكل أكبر لتعزيز التورم كدالة للملوحة أو الرقم الهيدروجيني أو إشارات أخرى. يمكن استخدام الهلاميات المائية في البيئات المائية أو الجافة ، مع مجموعة من الخصائص المفيدة مثل المرونة والامتصاص العالي والشفافية والعزل الحراري. سيوضح هذا الفيديو تخليق وتوصيف الهلاميات المائية.
الهلاميات المائية قادرة على امتصاص مئات أضعاف وزنها في الماء. عندما يدخل الماء إلى شبكة البوليمر المتشابكة ، فإنه يذوب في الماء أو الأيوني أو كلا النوعين على العمود الفقري للبوليمر. جزيئات الماء أكبر من المجموعات القابلة للذوبان. لهذا السبب ، يؤدي وجودها داخل الشبكة إلى تضخم الهيدروجيل. بينما تمنعه الروابط المتقاطعة التي تربط العمود الفقري للبوليمر من الذوبان أو الانكسار. تخليق الهيدروجيل هو تقنية لإنتاج هذه المواد البوليمرية المتشابكة. هذا إجراء بسيط ولكنه يتضمن مواد كيميائية سامة وقابلة للاشتعال وبالتالي يتطلب عناية فائقة وتدابير وقائية. باستخدام مكونات ما قبل الهلام، يمكن صنع الهلاميات المائية عن طريق بلمرة الجذور الحرة. تبدأ إحدى الطرق ب DMPAP كبادئ للجذور الحرة.
يتم شق رابطة الكربون والكربون في DMPAP بواسطة الأشعة فوق البنفسجية لتشكيل إلكترون غير متزاوج وشديد التفاعل يسمى الجذور الحرة على كل ذرة كربون. تتفاعل الجذور الحرة مع الرابطة المزدوجة بين الكربون والكربون في HEMA لتشكيل سلسلة ترويجية مع جذر حر في النهاية. المجموعة المائية الخارجة من العمود الفقري قابلة للذوبان في الماء ، مما يتسبب في تضخم الشبكة المتشابكة عند وجود الماء. تتفاعل الجذور أيضا مع الرابطتين المزدوجتين بين الكربون والكربون في TEGDMA ، الرابط الكيميائي. هذا يربط سلاسل العمود الفقري معا. عندما يتم استهلاك الجذور الحرة ، أو تفاعلت تماما ، يكتمل تخليق الهيدروجيل. يمكن تقييم التورم عن طريق تجفيف البوليمر وترطيبه ثم إعادة تجفيفه. في القسم التالي ، سنقوم بتخليق وتوصيف الهلاميات المائية باستخدام طريقة بلمرة الجذور الحرة هذه.
قبل البدء في تخليق الهيدروجيل ، اجمع المواد والمواد الكيميائية اللازمة. يتم تعويض الشرائح الزجاجية في قالب التوليف الذي تم تجميعه مسبقا ببضعة ملليمترات ، لإنشاء قناة لسحب المحلول المسبق للهلام في القالب. يجب تنفيذ جميع الأعمال باستخدام معدات الحماية الشخصية المناسبة في الدخان ، حيث تتضمن هذه العملية مواد كيميائية سامة وقابلة للاشتعال. أولا ، أضف 0.0012 مول بالمائة DMPAP إلى أنبوب الاختبار 1000 ميكرولتر. بعد ذلك، استخدم ماصة جديدة في كل مرة لإضافة 21.2121 مول بالمائة من HEMA ثم 3.0303 مول بالمائة TEGDMA إلى أنبوب الاختبار. امزج المحلول باستخدام آلة دوامة حتى يتم الحصول على محلول متجانس. اغمس الملعقة في صبغة BCP واشطفها في المحلول باستخدام 75.7576 مول بالمائة من مذيب الإيثيلين جلايكول.
امزج المحلول باستخدام آلة الدوامة حتى تذوب الصباغ تماما ويصبح المحلول متجانسا.? تستخدم هذه الصبغة لجعل الهيدروجيل الشفاف مرئيا ، بينما يذيب المذيب بادئ الجذور الحرة ويحافظ على مرونة الهيدروجيل. قم بإيداع المحلول في القالب باستخدام ماصة صغيرة محاذاة لحافة الإزاحة لقالب التوليف. قم بحقن محلول ما قبل الهلام بشكل موحد في وسط القالب. ضع القالب المملوء على بعد خمسة سنتيمترات أسفل مصباح يدوي ينبعث منه الأشعة فوق البنفسجية وقم بإشعاع القالب لمدة دقيقة واحدة. قم بإزالة القالب من الضوء وتفكيكه لإزالة الهيدروجيل من الشرائح الزجاجية.
عند الاتصال بالشبكة بالكامل ، يجب أن يكون الهيدروجيل صلبا مطاطيا مع تناسق يشبه الجيلي. اشطف جانبي الهيدروجيل بالماء منزوع الأيونات لإزالة أي أنواع كيميائية غير متفاعلة ومتعددة الأشكال من المنتج. كرر هذا الإجراء مع أوقات التعرض للأشعة فوق البنفسجية 1.5 وخمس دقائق لإنتاج ما مجموعه ثلاثة هيدروجيل.
اغمر الهلاميات المائية النهائية في وعاء به كحول الأيزوبروبيل لمدة ساعة إلى ساعتين. سيحل الكحول محل الإيثيلين جلايكول في الهيدروجيل ، مما يسمح له بالجفاف بسرعة مع الحفاظ على هيكله. قم بإزالة الهلاميات المائية من الكحول واتركها لتجف في العراء لمدة 30 دقيقة تقريبا. قم بوزن وتسجيل وزن كل من الهلاميات المائية المجففة. اغمر الهلاميات المائية في ماء منزوع الأيونات حتى تنتفخ تماما. قم بإزالة المواد الهلامية من الماء وامسحها حتى تجف برفق. قم بوزن وتسجيل وزن الهلاميات المائية المنتفخة. استخدم وزن الهلاميات المائية المنتفخة ، Ws ، والهلاميات المائية المجففة ، Wd ، لحساب درجة التورم.
تم العثور على درجة التورم لتكون حوالي 136٪ للعينة التي تبلغ مدتها دقيقة واحدة ، و 387٪ للعينة التي تبلغ مدتها 1.5 دقيقة ، و 81٪ للعينة التي تبلغ مدتها خمس دقائق. تظهر هذه النتائج أنه في أطول وقت للتعرض للأشعة فوق البنفسجية ، كان هناك تورم أقل. نظرا لتكوين المزيد من الروابط بين جزيئات البوليمر مع زيادة التعرض للأشعة فوق البنفسجية ، كانت هناك المزيد من قوى التقييد المرنة على سلاسل البوليمر. أدى ذلك إلى توسع الهلاميات المائية ذات التشابك الأكبر بشكل أقل من تلك التي تحتوي على تشابك أقل.
الآن بعد أن كنت تقدر طرق تصنيع وتوصيف الهلاميات المائية ، دعنا نلقي نظرة على كيفية استخدامها في المنتجات اليومية. تحتوي المنتجات الاستهلاكية مثل فوط المستشفيات وفوط النظافة النسائية والحفاضات على واحدة من أكثر البوليمرات فائقة الامتصاص شيوعا. يمكن أن ينتفخ هذا الهيدروجيل لامتصاص السوائل التي تصل إلى 800 ضعف وزنه ، مما يسمح للمصنعين بإنشاء منتجات نحيفة ومريحة. يتم استخدام الهيدروجيل المركب في هذا الفيديو كجهاز استشعار في رشاش العشب. يكون المستشعر ملامسا للتربة ويتضخم أثناء سقي العشب ، حتى يؤدي إلى إغلاق الرش.
لقد شاهدت للتو مقدمة جوف لتخليق الهيدروجيل. يجب أن تفهم الآن كيفية تصنيع الهلاميات المائية وتوصيفها. شكرا للمشاهدة.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What are hydrogels and what makes them useful materials?
Hydrogels are cross-linked polymers produced through simple procedures using inexpensive materials. They absorb hundreds of times their weight in water and offer useful properties including flexibility, high absorbance, transparency, and thermal insulation. These versatile materials are commonly used in liquid absorbents, sensors, consumer products, and drug delivery applications.
Q2: How does the free radical polymerization process create hydrogels?
Free radical polymerization begins when UV light cleaves the carbon-carbon bond in DMPAP initiator, creating highly reactive free radicals. These radicals react with carbon-carbon double-bonds in HEMA monomer to form a polymer backbone, then react with TEGDMA crosslinker to link the chains together. When free radicals are consumed, hydrogel synthesis is complete.
Q3: Why do hydrogels swell when exposed to water?
Water molecules enter the cross-linked polymer network and solubilize hydrophilic and ionic species on the polymer backbone. Because water molecules are larger than these solubilized groups, their presence inside the network causes the hydrogel to expand. The cross-links prevent the polymer from dissolving, maintaining the gel structure during swelling.
Q4: What is the swelling degree and how is it calculated?
Swelling degree measures how much a hydrogel expands when hydrated. It is calculated using the weight of swollen hydrogels (Ws) and dried hydrogels (Wd). The formula determines the percentage increase in mass, revealing how much water the polymer network can absorb relative to its dry weight.
Q5: How does UV exposure time affect hydrogel crosslinking and swelling?
Increased UV exposure time creates more cross-links between polymer molecules, resulting in greater elastic restraining forces on the chains. Hydrogels with longer UV exposure times swell less than those with shorter exposure. For example, a one-minute sample swelled 136 percent, while a five-minute sample swelled only 81 percent.
Q6: What role does ethylene glycol play in hydrogel synthesis?
Ethylene glycol serves as a solvent that dissolves the free radical initiator DMPAP and keeps the hydrogel flexible during synthesis. After polymerization, isopropyl alcohol replaces the ethylene glycol in the hydrogel, allowing it to dry quickly while maintaining its structure and preventing collapse.
Q7: What are common applications of hydrogels in consumer products?
Hydrogels are used in hospital pads, feminine hygiene pads, and diapers as super-absorbent polymers that swell to absorb fluids up to 800 times their weight. This capability allows manufacturers to create slim, comfortable products. Hydrogels also function as sensors in lawn sprinklers, swelling when soil is wet to trigger shutoff.