히드로겔 합성
출처: 앰버 N. 배런, 애슐레아 패터슨, 테일러 D. 스파크스,재료 과학 및 공학부, 유타 대학교, 솔트레이크시티, UT
하이드로겔은 비교적 간단한 절차와 일반적으로 저렴한 재료로 생산되는 다목적 종류의 교차 연결된 폴리머입니다. 그(것)들은 용액에서 형성될 수 있고…
프리겔 용액은 1000μl 시험관에서 만들어졌습니다. 재료, 중합 및 추가 된 양에 대한 역할은 표 1에 나열됩니다.
| 재료 | 목적 | 구조 | 두더지 퍼센트 |
| 2,2-디메톡시-2-페닐-아체토페논 (DMPAP) | 무료 읽기 시터(포토니티에이터) |
 | 0.0012 |
| 2-하이드록세틸 메타크릴레이트
(헤마) | 폴리머 백본 |
 | 21.2121 |
| 테트라에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 (TEGDMA) | 크로스링커 |
 | 3.0303 |
| 에틸렌 글리콜
(EG) | 용매 |  | 75.7576 |
표 1. 하이드로겔 프리젤 성분, 하이드로겔 활성 산소 중합, 화학 2D 중합 구조 및 프리겔 용액에 첨가된 양에 대한 그들의 역할.
합성
- 하이드로겔 합성을 시작하기 전에, 합성 금형은 두 개의 유리 슬라이드와 3, 520 미크로닌 두께의 폴리올핀 시트 스페이서에서 조립되었다; 이 구성은 그림 6에표시된 대로 바인더 클립에 의해 함께 유지되었습니다. 대형 유리 슬라이드는 프리 젤 용액을 금형에 파이프팅하는 채널을 만들기 위해 몇 밀리미터 간격띄우기되었습니다.
- 하이드로겔 합성을 시작하기 전에, 표 1에 기재된 화학물질, 깨끗한 팁이 있는 마이크로피펫, 설정곰팡이(도 6)를획득한다. 모든 작업은 적절한 개인 보호 장비 (PPE)와 연기 후드에서 수행해야합니다. PPE에는 안전 안경이나 고글, 실험실 코트 및 보호 장갑이 포함되어 있습니다.
그림 6: 하이드로 겔 합성 금형, 두 개의 유리 슬라이드에서 만든, 스페이서로 520 미크론 두꺼운 폴리 올핀 시트의 세 스트립, 큰 바인더 클립.
- 먼저 시험관에 0.0012 두더지 퍼센트 2,2-디메톡시-2-페닐-아세토페논(DMPAP),고체 광원화(빛에 의해 개시되는 자유 라디칼 개시자)를 시험관에 추가한다.
- 21.2121 두더지 퍼센트 2-하이드록세틸 메타크릴레이트(HEMA), 백본 분자 및 3.0303 두더지 퍼센트 테트라에틸렌 글리콜 디메타크라이레이트(TEGDMA),시험관에 교차 하는 분자를 추가, 새로운 파이펫 팁을 사용 하 여 매번 새로운 파이펫 팁을 사용 하 여. TEGDMA는 폴리머 체인을 네트워크 폴리머에 연결하여 자유 라디칼이 있는 HEMA 체인을 화학적으로 교차연결합니다.
- 균질한 용액이 달성될 때까지 소용돌이 기계를 사용하여 용액을 혼합합니다.
- 브로모브레솔 퍼플 0.25 그램을 측정하고 용매인 75.7576 두더지 퍼센트 에틸렌 글리콜(EG)을 사용하여 용액으로 헹구는다. 안료는 보기 목적으로만 (하이드로겔은 그렇지 않으면 투명함) 및 EG는 활성 활성 시인을 용해시키고 하이드로겔을 유연하게 유지하는 용매역할을 한다.
- 안료가 완전히 녹고 용액이 균일할 때까지 소용돌이 기계를 사용하여 용액을 혼합합니다.
- 마이크로피펫을 사용하여 마이크로피펫 의 끝을 대형 유리 슬라이드의 오프셋 엣지와 정렬하고 프리 겔 용액을 금형 중앙에 균일하게 주입하여 금형에 용액을 증착합니다.
- 금형을 UV 발광 손전등(Warson SK66) 아래에 5센티미터 를 놓고 금형을 1분간 조사합니다. UV 빛은 시공종에서 결합을 갈라서 자유 라디칼로 바꾸어 폴리머와 크로스링커 분자를 공격할 수 있습니다. 완전히 네트워크화되면 하이드로겔은 젤로와 같은 일관성을 갖춘 고무 고체여야 합니다.
- 빛에서 금형을 제거하고 금형 구성을 분해합니다. 유리 슬라이드에서 하이드로겔을 제거합니다.
- 하이드로겔의 양면을 분해된 물로 헹구어 제품에서 반응하지 않은 화학 종과 올리고머를 제거합니다.
- 다양한 자외선 노출 시간이 교차 연결 및 붓기 능력의 정도에 미치는 영향을 특성화하기 위해 이 절차는 9단계를 다양하게 유지하면서 반복될 수 있습니다. 특성화를 위해 용액은 1분, 1.5분 5분 동안 UV 광에 노출되어 총 3개의 하이드로겔을 생성했습니다.
특징을 나타냄
하이드로겔의 붓기 정도는 폴리머를 건조, 수화 및 재건조시킴으로써 계산될 수 있다.
- 완성된 하이드로겔을 이소프로필 알코올과 같은 알코올이 있는 용기에 넣어 완전히 물에 잠기게 합니다. 알코올이 하이드로겔의 모든 에틸렌 글리콜을 대체했을 때 4-8 시간 동안 알코홀에 둡니다.
- 알코올에서 하이드로겔을 제거하고 약 30 분 동안 열린 상태로 건조하십시오. 알코올은 물이나 용매보다 더 빨리 증발하여 하이드로겔이 구조를 유지할 수 있게 합니다.
- 말린 하이도겔의 무게를 측정합니다.
- 하이드로겔을 DI 물에 잠그면 완전히 부어질 때까지 적어도 30분 간 잠급합니다. 물에서 젤을 제거하고, 부드럽게 건조하고 무게를 닦아.
- 방정식을 사용하여 붓기 정도를 계산합니다:
부은 폴리머의 중량이 어디이며 
말린 중합체의 중량입니다.
하이드로겔은 다양한 종류의 가교 폴리머로, 일반적으로 저렴한 재료를 사용하여 비교적 간단한 절차를 통해 생산됩니다. 그들은 일반적으로 액체 흡수제, 센서, 소비자 제품 및 약물 전달에 사용됩니다. 하이드로겔은 용액으로 형성될 수 있으며, 개시제는 모노메리 제제를 반응시켜 폴리머 골격을 형성하도록 합니다. 그런 다음 가교 종은 폴리머 사슬을 함께 결합합니다. 이러한 재료의 중요한 측면은 물이 있으면 팽창한다는 것입니다. 그러나 이 반응은 염분, PH 또는 기타 신호의 함수로 팽창을 향상시키기 위해 추가로 조정될 수 있습니다. 하이드로겔은 수성 또는 건조 환경에서 사용할 수 있으며 유연성, 높은 흡광도, 투명성 및 단열과 같은 다양한 유용한 특성을 가지고 있습니다. 이 동영상은 하이드로겔의 합성 및 특성화를 보여줍니다.
하이드로겔은 자기 무게의 수백 배에 달하는 물을 흡수할 수 있습니다. 물이 가교 결합된 폴리머 네트워크에 들어가면 폴리머 골격에 친수성, 이온 성 또는 두 종을 모두 용해시킵니다. 물 분자는 가용화 된 그룹보다 큽니다. 이 때문에 네트워크 내부에 이들이 존재하면 하이드로겔이 팽창합니다. 폴리머 골격을 연결하는 가교 결합은 그것이 용해되거나 파손되는 것을 방지합니다. 하이드로겔 합성은 이러한 가교된 고분자 물질을 생산하는 기술입니다. 이것은 간단한 절차이지만 독성과 가연성이 모두 있는 화학 물질을 포함하므로 각별한 주의와 예방 조치가 필요합니다. 프리겔 성분을 사용하여 자유 라디칼 중합을 통해 하이드로겔을 만들 수 있습니다. 한 가지 방법은 DMPAP를 활성산소 개시제(Free Radical Initiator)로 시작합니다.
DMPAP의 탄소-탄소 결합은 자외선에 의해 절단되어 각 탄소 원자에 자유 라디칼이라고 하는 짝을 이루지 않은 고반응성 전자를 형성합니다. 자유 라디칼은 HEMA의 탄소-탄소 이중 결합과 반응하여 끝에 자유 라디칼이 있는 증식 사슬을 형성합니다. 척추에서 나오는 수산화물 그룹은 물에 용해되어 물이 존재할 때 가교 네트워크가 팽창합니다. 라디칼은 또한 화학적 가교제인 TEGDMA에서 두 개의 탄소-탄소 이중 결합과 반응합니다. 이것은 백본 체인을 함께 연결합니다. 활성산소가 소모되거나 완전히 반응하면 하이드로겔 합성이 완료됩니다. 팽윤은 중합체를 건조하고, 수화한 후에 다시 건조해서 평가할 수 있습니다. 다음 섹션에서는 이 자유 라디칼 중합 방법을 사용하여 하이드로겔을 합성하고 특성화할 것입니다.
하이드로겔 합성을 시작하기 전에 필요한 재료와 화학 물질을 수집합니다. 이전에 조립된 합성 금형의 유리 슬라이드는 몇 밀리미터 오프셋되어 사전 겔 용액을 금형에 피펫팅하기 위한 채널을 생성합니다. 모든 작업은 독성 및 인화성 화학 물질이 포함되므로 연기가 나는 환경에서 적절한 개인 보호 장비를 사용하여 수행해야 합니다. 먼저 1000마이크로리터 시험관에 0.0012mol % DMPAP를 추가합니다. 다음으로, 매번 새 피펫을 사용하여 21.2121 mol % HEMA를 추가한 다음 3.0303 mol % TEGDMA를 시험관에 추가합니다. 균질한 용액이 얻어질 때까지 와류 기계를 사용하여 용액을 혼합합니다. 주걱을 안료 BCP에 담그고 용매 에틸렌 글리콜 75.7576 mol %를 사용하여 용액으로 헹굽니다.
안료가 완전히 용해되고 용액이 균질해질 때까지 와류 기계를 사용하여 용액을 혼합합니다.? 이 안료는 투명한 하이드로겔을 가시화하는 데 사용되며, 용매는 활성산소 개시제를 용해시키고 하이드로겔을 유연하게 유지합니다. 합성 주형의 오프셋 가장자리와 정렬된 마이크로 피펫을 사용하여 용액을 주형에 증착합니다. 프리 젤 용액을 금형 중앙에 균일하게 주입합니다. 채워진 금형을 UV 방출 손전등 아래 5cm 아래에 놓고 1분 동안 금형을 조사합니다. 조명에서 곰팡이를 제거하고 분해하여 유리 슬라이드에서 하이드로겔을 제거합니다.
완전히 네트워크로 연결되었을 때 하이드로겔은 젤리와 같은 농도의 고무 고체여야 합니다. 하이드로겔의 양쪽을 탈이온수로 헹구어 제품에서 반응되지 않은 화학 종과 폴리거머를 제거합니다. 1.5분과 5분의 자외선 노출 시간으로 이 절차를 반복하여 총 3개의 하이드로겔을 생성합니다.
완성된 하이드로겔을 이소프로필 알코올이 든 용기에 1-2시간 동안 담급니다. 알코올은 하이드로겔의 에틸렌 글리콜을 대체하여 구조를 유지하면서 빠르게 건조할 수 있습니다. 알코올에서 하이드로겔을 제거하고 약 30분 동안 야외에서 건조시킵니다. 건조된 각 하이드로겔의 무게를 측정하고 기록합니다. 하이드로겔을 완전히 부풀어 오를 때까지 탈이온수에 담그십시오. 물에서 젤을 제거하고 부드럽게 말리십시오. 부풀어 오른 하이드로겔의 무게를 측정하고 기록합니다. 부풀어 오른 하이드로겔의 무게(Ws)와 건조된 하이드로겔(Wd)의 무게를 사용하여 팽창 정도를 계산합니다.
붓기의 정도는 1분 샘플에서 약 136%, 1.5분 샘플에서 387%, 5분 샘플에서 81%로 나타났습니다. 이러한 결과는 UV 노출 시간이 가장 길수록 붓기가 적다는 것을 보여줍니다. UV 노출이 증가함에 따라 고분자 분자 사이에 더 많은 연결이 형성되기 때문에 고분자 사슬에 더 많은 탄성 억제력이 있었습니다. 그 결과 가교결합이 더 많은 하이드로겔이 가교결합이 적은 하이드로겔보다 덜 팽창하는 결과를 낳았습니다.
이제 하이드로겔을 합성하고 특성화하는 방법에 대해 알아보았으니, 하이드로겔이 일상 제품에 어떻게 사용되는지 살펴보겠습니다. 병원 패드, 여성 위생 패드 및 기저귀와 같은 소비자 제품에는 가장 일반적인 고흡수성 폴리머 중 하나가 포함되어 있습니다. 이 하이드로겔은 팽창하여 무게의 최대 800배까지 액체를 흡수할 수 있으므로 제조업체는 슬림하고 편안한 제품을 만들 수 있습니다. 이 비디오에서 합성된 하이드로겔은 잔디 스프링클러의 센서로 사용됩니다. 센서는 토양과 접촉하고 잔디밭에 물을 주는 동안 스프링클러 차단을 트리거할 때까지 부풀어 오릅니다.
여러분은 방금 Jove의 하이드로겔 합성에 대한 소개를 시청했습니다. 이제 하이드로겔이 어떻게 합성되고 특성화되는지 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
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.