Sintesi di idrogel
Fonte: Amber N. Barron, Ashlea Patterson e Taylor D. Sparks,Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Università dello Utah, Salt Lake City,…
La soluzione pre-gel è stata creata in una provetta da 1000μl; i materiali, il ruolo nella polimerizzazione e le quantità aggiunte sono elencati nelle Tabelle 1.
| Materiale | Scopo | Struttura | Percentuale di mole |
| 2,2-dimetossi-2-fenil-acetofenone (DMPAP) | Iniziatore leggibile gratuito (fotoiniziatore) |
 | 0.0012 |
| 2-idrossimetacrilato di idrossile
(HEMA) | Spina dorsale polimerica |
 | 21.2121 |
| Glicole tetraetilenico dimetacrilato (TEGDMA) | Reticolante |
 | 3.0303 |
| Glicole etilenico
(EG) | Solvente |  | 75.7576 |
Tabella 1. Costituenti pre-gel idrogel, loro ruoli nella polimerizzazione dei radicali liberi dell'idrogel, struttura polimerica chimica 2D e quantità aggiunte alla soluzione pre-gel.
Sintesi
- Prima di iniziare la sintesi dell'idrogel, uno stampo di sintesi è stato assemblato da due vetrini e tre distanziatori in fogli di poliolefina spessi 520 micron; questa configurazione è stata tenuta insieme da clip di raccoglitore, come illustrato nella Figura 6. Le grandi diapositive di vetro sono state sfalsate di alcuni millimetri per creare un canale per pipettare la soluzione pre-gel nello stampo.
- Prima di iniziare la sintesi dell'idrogel, ottenere una provetta da 1000μl, le sostanze chimiche descritte nella Tabella 1, una micropipetta con punte pulite e l'impostazione dello stampo (Figura 6). Tutti i lavori devono essere eseguiti in una cappa aspirante con adeguati dispositivi di protezione individuale (DPI). I DPI includono occhiali o occhiali di sicurezza, un cappotto da laboratorio e guanti protettivi.
Figura 6: Stampo di sintesi in idrogel, creato da due vetrini, tre strisce di foglio di poliolefina spesso 520 micron come distanziali e grandi clip leganti.
- Aggiungere 0,0012 percentuale di mole 2,2-Dimethoxy-2-phenyl-acetophenone (DMPAP), il fotoinitatore solido (iniziatore di radicali liberi che viene avviato dalla luce), alla provetta prima.
- Aggiungere il 21,2121 percento di mole di 2-idrossimetrilato (HEMA), la molecola dorsale, e il 3,0303 per cento di tetraetilenglicole dimetacrilato (TEGDMA), la molecola reticolante alla provetta, utilizzando ogni volta nuove punte di pipetta. TEGDMA reticola chimicamente le catene HEMA in presenza di radicali liberi collegando le catene polimeriche in un polimero di rete.
- Mescolare la soluzione utilizzando una macchina a vortice fino a ottenere una soluzione omogenea.
- Misurare 0,25 grammi di Bromocresol Purple e sciacquarlo nella soluzione utilizzando 75,7576 mole percento di glicole etilenico (EG), il solvente. Il pigmento è solo per scopi di visualizzazione (l'idrogel è trasparente altrimenti), e EG funge da solvente per sciogliere l'iniziatore dei radicali liberi e mantiene l'idrogel flessibile.
- Mescolare la soluzione usando la macchina a vortice fino a quando il pigmento si dissolve completamente e la soluzione è omogenea.
- Utilizzando una micropipetta, depositare la soluzione nello stampo allineando la punta della micropipetta con il bordo offset delle grandi diapositive di vetro e iniettando uniformemente la soluzione pre-gel al centro dello stampo.
- Posizionare la muffa a 5 centimetri sotto una torcia a emissione UV (Warson SK66) e irradiare lo stampo per un minuto. La luce UV scinde i legami nelle specie iniziatrici, trasformandoli in radicali liberi che possono quindi attaccare il polimero e le molecole reticolanti. Quando è completamente collegato in rete, l'idrogel dovrebbe essere un solido di gomma con una consistenza gelatinosa.
- Rimuovere lo stampo dalla luce e smontare la configurazione dello stampo. Rimuovere l'idrogel dai vetrini.
- Risciacquare entrambi i lati dell'idrogel con acqua deionizzata per rimuovere eventuali specie chimiche e oligomeri non reazionati dal prodotto.
- Per caratterizzare come i vari tempi di esposizione alla luce UV influenzano il grado di reticolazione e la capacità di gonfiore, questa procedura può essere ripetuta variando il passaggio nove. Per la caratterizzazione, la soluzione è stata esposta alla luce UV per 1 minuto, 1,5 minuti e 5 minuti, producendo un totale di tre idrogel.
Caratterizzazione
Il grado di gonfiore dell'idrogel può essere calcolato asciugando, idratando e quindi ri-asciugando il polimero.
- Posizionare gli idrogel finiti in un contenitore con un alcol come l'alcol isopropilico in modo che siano completamente sommersi. Lasciare nell'alchohol per 4-8 ore, quando l'alcol ha sostituito tutto il glicole etilenico nell'idrogel.
- Togliere gli idrogel dall'alcool e lasciare asciugare all'aperto, circa 30 minuti. L'alcol evapora più rapidamente dell'acqua o del solvente, consentendo all'idrogel di mantenere la sua struttura.
- Pesare gli idogel essiccati.
- Immergere gli idrogel in acqua DI per almeno 30 minuti, fino a quando non sono completamente gonfi. Rimuovere i gel dall'acqua, asciugare delicatamente e pesare.
- Calcola il grado di gonfiore usando l'equazione:
, dove è il peso del 
polimero gonfio e 
è il peso del polimero essiccato.
Gli idrogel sono una classe versatile di polimeri reticolati, prodotti attraverso procedure relativamente semplici utilizzando materiali generalmente poco costosi. Sono comunemente usati per assorbenti liquidi, sensori, prodotti di consumo e somministrazione di farmaci. Gli idrogel possono essere formati dalla soluzione, con un iniziatore che rende reattivi gli agenti monomerie per formare una spina dorsale polimerica. Una specie reticolante lega quindi insieme le catene polimeriche. Un aspetto importante di questi materiali è che in presenza di acqua si gonfiano. Ma questa risposta può essere ulteriormente regolata per aumentare il gonfiore in funzione della salinità, del PH o di altri segnali. Gli idrogel possono essere utilizzati in ambienti acquosi o asciutti, con una serie di proprietà utili come flessibilità, elevata assorbanza, trasparenza e isolamento termico. Questo video illustrerà la sintesi e la caratterizzazione degli idrogel.
Gli idrogel sono in grado di assorbire centinaia di volte il loro peso in acqua. Quando l'acqua entra nella rete polimerica reticolata, si solubilizza idrofila, ionica o entrambe le specie sulla spina dorsale del polimero. Le molecole d'acqua sono più grandi dei gruppi solubilizzati. Per questo motivo, la loro presenza all'interno della rete provoca il rigonfiamento dell'idrogel. Mentre i legami incrociati che collegano la spina dorsale del polimero ne impediscono la dissoluzione o la rottura. La sintesi di idrogel è una tecnica per la produzione di questi materiali polimerici reticolati. Si tratta di una procedura semplice ma che coinvolge sostanze chimiche tossiche e infiammabili e quindi richiede estrema cura e misure preventive. Utilizzando costituenti pre-gel, gli idrogel possono essere prodotti tramite polimerizzazione a radicali liberi. Un metodo inizia con DMPAP come iniziatore di radicali liberi.
Il legame carbonio-carbonio nel DMPAP viene scisso dalla luce ultravioletta per formare un elettrone spaiato e altamente reattivo chiamato radicale libero su ciascun atomo di carbonio. I radicali liberi reagiscono con il doppio legame carbonio-carbonio in HEMA per formare una catena propagatrice con un radicale libero all'estremità. Il gruppo idrossilato che si stacca dalla spina dorsale è solubile in acqua, causando il rigonfiamento della rete reticolata quando è presente acqua. I radicali reagiscono anche con i due doppi legami carbonio-carbonio nel TEGDMA, il reticolante chimico. Questo collega insieme le catene della spina dorsale. Quando i radicali liberi sono stati consumati, o hanno reagito completamente, la sintesi dell'idrogel è completa. Il rigonfiamento può essere valutato asciugando, idratando e quindi asciugando nuovamente il polimero. Nella prossima sezione, sintetizzeremo e caratterizzeremo gli idrogel utilizzando questo metodo di polimerizzazione dei radicali liberi.
Prima di iniziare la sintesi dell'idrogel, raccogli i materiali e le sostanze chimiche necessarie. I vetrini nello stampo di sintesi precedentemente assemblato vengono sfalsati di alcuni millimetri, per creare un canale per il pipettaggio della soluzione pre-gel nello stampo. Tutti i lavori devono essere eseguiti con adeguati dispositivi di protezione individuale in una cappa aspirante, poiché questo processo coinvolge sostanze chimiche tossiche e infiammabili. Innanzitutto, aggiungi 0,0012 mol percento di DMPAP alla provetta da 1000 microlitri. Quindi, utilizzare ogni volta una nuova pipetta per aggiungere 21,2121 mol percento di HEMA e poi 3,0303 mol percento di TEGDMA alla provetta. Miscelare la soluzione utilizzando una macchina a vortice fino a ottenere una soluzione omogenea. Immergere la spatola nel pigmento BCP e sciacquarla nella soluzione utilizzando il 75,7576 mol percento del glicole etilenico solvente.
Mescolare la soluzione utilizzando la macchina a vortice fino a quando il pigmento non si dissolve completamente e la soluzione è omogenea. Questo pigmento viene utilizzato per rendere visibile l'idrogel trasparente, mentre il solvente dissolve l'iniziatore dei radicali liberi e mantiene flessibile l'idrogel. Depositare la soluzione nello stampo utilizzando una micropipetta allineata con il bordo sfalsato dello stampo di sintesi. Iniettare uniformemente la soluzione pre-gel al centro dello stampo. Posizionare lo stampo riempito cinque centimetri sotto una torcia a emissione di raggi UV e irradiare lo stampo per un minuto. Rimuovere lo stampo dalla luce e smontarlo per rimuovere l'idrogel dai vetrini.
Quando è completamente collegato in rete, l'idrogel dovrebbe essere un solido di gomma con una consistenza simile alla gelatina. Sciacquare entrambi i lati dell'idrogel con acqua deionizzata per rimuovere eventuali specie chimiche e poligiveri non reagiti dal prodotto. Ripetere questa procedura con tempi di esposizione alla luce UV di 1,5 e cinque minuti per produrre un totale di tre idrogel.
Immergere gli idrogel finiti in un contenitore con alcol isopropilico per una o due ore. L'alcol sostituirà il glicole etilenico nell'idrogel, permettendogli di asciugarsi rapidamente mantenendo la sua struttura. Togliete gli idrogel dall'alcol e lasciateli asciugare all'aperto per circa 30 minuti. Pesare e registrare il peso di ciascuno degli idrogel essiccati. Immergere gli idrogel in acqua deionizzata fino a quando non saranno completamente gonfi. Togliere i gel dall'acqua e asciugare delicatamente. Pesare e registrare il peso degli idrogel gonfi. Usa il peso degli idrogel gonfi, Ws, e degli idrogel essiccati, Wd, per calcolare il grado di gonfiore.
Il grado di gonfiore è risultato essere di circa il 136% per il campione di un minuto, del 387% per il campione di 1,5 minuti e dell'81% per il campione di cinque minuti. Questi risultati mostrano che al tempo di esposizione ai raggi UV più lungo, c'era meno gonfiore. A causa della formazione di più legami tra le molecole polimeriche con una maggiore esposizione ai raggi UV, c'erano forze di contenimento più elastiche sulle catene polimeriche. Ciò ha comportato che gli idrogel con più reticolazione si espandessero meno di quelli con meno reticolazione.
Ora che apprezzi i metodi di sintesi e caratterizzazione degli idrogel, diamo un'occhiata a come vengono utilizzati nei prodotti di uso quotidiano. I prodotti di consumo come gli assorbenti ospedalieri, gli assorbenti igienici femminili e i pannolini, contengono uno dei polimeri superassorbenti più comuni. Questo idrogel può gonfiarsi per assorbire liquidi fino a 800 volte il suo peso, consentendo ai produttori di creare prodotti sottili e confortevoli. L'idrogel sintetizzato in questo video viene utilizzato come sensore in un irrigatore da prato. Il sensore è a contatto con il terreno e si gonfia durante l'irrigazione del prato, fino a quando non attiva lo spegnimento dell'irrigatore.
Avete appena visto l'introduzione di Giove alla sintesi degli idrogel. Ora dovresti capire come vengono sintetizzati e caratterizzati gli idrogel. Grazie per l'attenzione.
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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.