Synteza hydrożelu
Źródło: Amber N. Barron, Ashlea Patterson i Taylor D. Sparks, Wydział Materiałoznawstwa i Inżynierii, Uniwersytet Utah, Salt Lake City, UT
Hydrożele t…
Roztwór żelu wstępnego został stworzony w probówce o pojemności 1000 μl; materiały, rolę w polimeryzacji i dodane ilości wymieniono w tabelach 1.
| Materiał | Cel | Struktura | Procent kretów |
| 2,2-dimetoksy-2-fenylo-acetofenon (DMPAP) | Wolny inicjator gotowości (fotoinicjator) |  | 0.0012 |
| 2-Hydroksetylometakrylan
(HEMA) | Polimerowa sieć szkieletowa |  | 21.2121 |
| Dimetakrylan glikolu tetraetylenowego (TEGDMA) | Środek sieciujący |  | 3.0303 |
| Glikol etylenowy
Panie przewodniczący, panie i panowie! | Rozpuszczalnik |  | 75.7576 |
Tabela 1. Składniki hydrożelu pre-żelowego, ich rola w hydrożelowej polimeryzacji wolnych rodników, chemiczna struktura polimeryczna 2D oraz ilości dodawane do roztworu pre-żelu.
Synteza
- Przed rozpoczęciem syntezy hydrożelu zmontowano formę syntezy z dwóch szkiełek szklanych i trzech przekładek z arkuszy poliolefinowych o grubości 520 mikronów; ta konfiguracja była utrzymywana razem za pomocą klipsów do segregatorów, jak pokazano na Rysunek 6. Duże szklane szkiełka zostały przesunięte o kilka milimetrów, aby stworzyć kanał do pipetowania roztworu żelu wstępnego do formy.
- Przed rozpoczęciem syntezy hydrożelu należy zaopatrzyć się w probówkę o pojemności 1000 μl, substancje chemiczne opisane w Tabeli 1, mikropipetę z czystymi końcówkami i pleśń do nastawienia (Rysunek 6). Wszystkie prace należy wykonywać pod wyciągiem z odpowiednimi środkami ochrony osobistej (PPE). Środki ochrony osobistej obejmują okulary lub gogle ochronne, fartuch laboratoryjny i rękawice ochronne.
Rysunek 6: Forma do syntezy hydrożelu, utworzona z dwóch szkiełek podstawowych, trzech pasków arkusza poliolefiny o grubości 520 mikronów jako przekładek i dużych spinaczy do segregatorów.
- Najpierw dodaj 0,0012 procenta molowego 2,2-dimetoksy-2-fenylo-acetofenonu (DMPAP), stałego fotoinicjatora (inicjatora wolnych rodników, który jest inicjowany przez światło), do probówki.
- Dodaj 21,2121 procenta molowego metakrylanu 2-hydroksyetylu (HEMA), cząsteczkę szkieletową, i 3,0303 procenta molowego dimetakrylanu glikolu tetraetylenowego (TEGDMA), cząsteczkę sieciującą do probówki, za każdym razem używając nowych końcówek pipet. TEGDMA będzie chemicznie sieciować łańcuchy HEMA w obecności wolnych rodników poprzez połączenie łańcuchów polimerowych w polimer sieciowy.
- Wymieszaj roztwór za pomocą maszyny wirowej, aż do uzyskania jednorodnego roztworu.
- Odmierz 0,25 grama Bromokresol Purple i spłucz go do roztworu przy użyciu 75,7576 procent molowych glikolu etylenowego (EG), rozpuszczalnika. Pigment służy wyłącznie do oglądania (w przeciwnym razie hydrożel jest przezroczysty), a EG służy jako rozpuszczalnik do rozpuszczania inicjatora inicjującego wolne rodniki i utrzymuje elastyczność hydrożelu.
- Mieszać roztwór za pomocą maszyny wirowej, aż pigment całkowicie się rozpuści, a roztwór będzie jednorodny.
- Za pomocą mikropipety wlej roztwór do formy, wyrównując końcówkę mikropipety z przesuniętą krawędzią dużych szklanych szkiełek i równomiernie wstrzykując roztwór żelu wstępnego do środka formy.
- Umieść formę 5 centymetrów poniżej latarki emitującej promieniowanie UV (Warson SK66) i naświetlaj formę przez jedną minutę. Światło UV rozszczepia wiązania w gatunkach inicjatorów, zamieniając je w wolne rodniki, które mogą następnie atakować cząsteczki polimeru i środka sieciującego. Po pełnym połączeniu hydrożel powinien być gumą stałą o konsystencji galaretki.
- Usuń pleśń ze światła i zdemontuj konfigurację formy. Usuń hydrożel ze szkiełek podstawowych.
- Spłucz obie strony hydrożelu wodą dejonizowaną, aby usunąć z produktu wszelkie nieprzereagowane związki chemiczne i oligomery.
- Aby scharakteryzować, w jaki sposób różne czasy ekspozycji na światło UV wpływają na stopień sieciowania i zdolność pęcznienia, procedurę tę można powtórzyć podczas zmiany kroku dziewiątego. W celu scharakteryzowania roztwór wystawiono na działanie światła UV przez 1 minutę, 1,5 minuty i 5 minut, wytwarzając w sumie trzy hydrożele.
Charakteryzacja
Stopień pęcznienia hydrożelu można obliczyć poprzez suszenie, uwodnienie, a następnie ponowne suszenie polimeru.
- Gotowe hydrożele umieść w pojemniku z alkoholem, takim jak alkohol izopropylowy, tak aby były całkowicie zanurzone. Pozostaw w alchoholu na 4-8 godzin, gdy alkohol zastąpi cały glikol etylenowy w hydrożelu.
- Usuń hydrożele z alkoholu i pozostaw do wyschnięcia na otwartej przestrzeni, około 30 minut. Alkohol odparowuje szybciej niż woda czy rozpuszczalnik, dzięki czemu hydrożel zachowuje swoją strukturę.
- Zważ suszone hydotele.
- Zanurz hydrożele w wodzie DI na co najmniej 30 minut, aż całkowicie spęcznieją. Wyjmij żele z wody, delikatnie wytrzyj do sucha i zważ.
- Oblicz stopień pęcznienia za pomocą równania:
, gdzie 
to masa spęczniejącego polimeru, a 
to masa wysuszonego polimeru.
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
Hydrożele to wszechstronna klasa usieciowanych polimerów, wytwarzanych za pomocą stosunkowo prostych procedur przy użyciu na ogół niedrogich materiałów. Są one powszechnie stosowane do absorbentów cieczy, czujników, produktów konsumenckich i dostarczania leków. Hydrożele mogą być formowane z roztworu, a inicjator sprawia, że środki monomerii reagują, tworząc szkielet polimerowy. Usieciowany gatunek wiąże ze sobą łańcuchy polimerowe. Ważnym aspektem tych materiałów jest to, że w obecności wody pęcznieją. Ale tę reakcję można jeszcze bardziej dostroić, aby zwiększyć obrzęk w funkcji zasolenia, PH lub innych sygnałów. Hydrożele mogą być stosowane w środowisku wodnym lub suchym, dzięki szeregowi użytecznych właściwości, takich jak elastyczność, wysoka chłonność, przezroczystość i izolacja termiczna. Ten film zilustruje syntezę i charakterystykę hydrożeli.
Hydrożele są w stanie wchłonąć wodę setki razy większą niż ich waga. Kiedy woda dostaje się do usieciowanej sieci polimerowej, rozpuszcza hydrofilowe, jonowe lub oba te rodzaje na szkielecie polimeru. Cząsteczki wody są większe niż rozpuszczone grupy. Z tego powodu ich obecność w sieci powoduje pęcznienie hydrożelu. Natomiast usieciowania łączące szkielet polimerowy zapobiegają jego rozpuszczaniu się lub pękaniu. Synteza hydrożelowa to technika wytwarzania tych usieciowanych materiałów polimerowych. Jest to prosta procedura, ale obejmuje chemikalia, które są zarówno toksyczne, jak i łatwopalne, dlatego wymaga szczególnej ostrożności i środków zapobiegawczych. Wykorzystując składniki wstępnego żelu, hydrożele można wytwarzać w procesie polimeryzacji wolnorodnikowej. Jedna z metod zaczyna się od DMPAP jako inicjatora wolnych rodników.
Wiązanie węgiel-węgiel w DMPAP jest rozszczepiane przez światło ultrafioletowe, tworząc niesparowany, wysoce reaktywny elektron zwany wolnym rodnikiem na każdym atomie węgla. Wolne rodniki reagują z podwójnym wiązaniem węgiel-węgiel w HEMA, tworząc łańcuch propagacyjny z wolnym rodnikiem na końcu. Grupa hydroksalowa wychodząca ze szkieletu jest rozpuszczalna w wodzie, powodując pęcznienie usieciowanej sieci, gdy obecna jest woda. Rodniki reagują również z dwoma podwójnymi wiązaniami węgiel-węgiel w TEGDMA, chemicznym środku sieciującym. To łączy ze sobą łańcuchy szkieletowe. Kiedy wolne rodniki zostaną zużyte lub całkowicie przereagują, synteza hydrożelu jest zakończona. Pęcznienie można ocenić poprzez suszenie, nawilżanie, a następnie ponowne suszenie polimeru. W następnej sekcji zsyntetyzujemy i scharakteryzujemy hydrożele przy użyciu tej metody polimeryzacji wolnorodnikowej.
Przed rozpoczęciem syntezy hydrożelu należy zebrać niezbędne materiały i chemikalia. Szkiełka szkiełkowe we wcześniej zmontowanej formie do syntezy są przesunięte o kilka milimetrów, aby utworzyć kanał do pipetowania roztworu żelu wstępnego do formy. Wszystkie prace powinny być wykonywane przy użyciu odpowiednich środków ochrony osobistej w oparach, ponieważ proces ten obejmuje chemikalia, które są zarówno toksyczne, jak i łatwopalne. Najpierw dodaj 0,0012 procent molowego DMPAP do probówki o pojemności 1000 mikrolitrów. Następnie za każdym razem użyj nowej pipety, aby dodać do probówki 21,2121 procent mol HEMA, a następnie 3,0303 procent mol TEGDMA. Wymieszaj roztwór za pomocą maszyny wirowej, aż do uzyskania jednorodnego roztworu. Zanurz szpatułkę w pigmentie BCP i spłucz ją w roztworze, używając 75,7576 procent molowych rozpuszczalnika glikolu etylenowego.
Mieszaj roztwór za pomocą maszyny wirowej, aż pigment całkowicie się rozpuści, a roztwór będzie jednorodny. Pigment ten służy do uwidocznienia przezroczystego hydrożelu, podczas gdy rozpuszczalnik rozpuszcza inicjator wolnych rodników i utrzymuje elastyczność hydrożelu. Umieść roztwór w formie za pomocą mikropipety wyrównanej z przesuniętą krawędzią formy do syntezy. Równomiernie wstrzyknąć roztwór żelu wstępnego do środka formy. Umieść wypełnioną formę pięć centymetrów pod latarką emitującą promieniowanie UV i naświetlaj formę przez jedną minutę. Wyjmij formę ze światła i zdemontuj, aby usunąć hydrożel ze szklanych szkiełek.
Po pełnym połączeniu hydrożel powinien być gumą stałą o konsystencji galaretki. Spłucz obie strony hydrożelu wodą dejonizowaną, aby usunąć z produktu wszelkie nieprzereagowane związki chemiczne i poligimery. Powtórz tę procedurę z czasem ekspozycji na światło UV wynoszącym 1,5 i pięć minut, aby wytworzyć w sumie trzy hydrożele.
Zanurz gotowe hydrożele w pojemniku z alkoholem izopropylowym na jedną do dwóch godzin. Alkohol zastąpi glikol etylenowy w hydrożelu, umożliwiając jego szybkie wyschnięcie przy zachowaniu jego struktury. Usuń hydrożele z alkoholu i pozostaw do wyschnięcia na otwartej przestrzeni przez około 30 minut. Zważyć i zanotować wagę każdego z wysuszonych hydrożeli. Zanurz hydrożele w wodzie dejonizowanej, aż do całkowitego spuchnięcia. Wyjmij żele z wody i delikatnie wytrzyj do sucha. Zważyć i zanotować masę napęczniałych hydrożeli. Użyj masy spęczniejących hydrożeli, Ws, i wysuszonych hydrożeli, Wd, aby obliczyć stopień pęcznienia.
Stwierdzono, że stopień obrzęku wynosił około 136% dla próbki jednominutowej, 387% dla próbki 1,5-minutowej i 81% dla próbki pięciominutowej. Wyniki te pokazują, że przy najdłuższym czasie ekspozycji na promieniowanie UV obrzęk był mniejszy. Ze względu na tworzenie się większej liczby wiązań między cząsteczkami polimeru przy zwiększonej ekspozycji na promieniowanie UV, na łańcuchach polimerowych występowały bardziej elastyczne siły ograniczające. Spowodowało to, że hydrożele z większym usieciowaniem rozszerzały się mniej niż te z mniejszym usieciowaniem.
Teraz, gdy doceniasz metody syntezy i charakteryzacji hydrożeli, przyjrzyjmy się, jak są one wykorzystywane w produktach codziennego użytku. Produkty konsumenckie, takie jak podpaski szpitalne, wkładki higieniczne dla kobiet i pieluchy, zawierają jeden z najpopularniejszych polimerów superchłonnych. Ten hydrożel może pęcznieć, aby wchłonąć płyny do 800 razy większe niż jego waga, co pozwala producentom tworzyć produkty, które są smukłe i wygodne. Hydrożel zsyntetyzowany w tym filmie jest używany jako czujnik w zraszaczu do trawnika. Czujnik styka się z glebą i pęcznieje podczas podlewania trawnika, aż do momentu uruchomienia wyłącznika zraszacza.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie Jowisza do syntezy hydrożelu. Powinieneś teraz zrozumieć, w jaki sposób hydrożele są syntetyzowane i charakteryzowane. Dzięki za oglądanie.
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.