Síntese de hidrogéis
Fonte: Amber N. Barron, Ashlea Patterson, e Taylor D. Sparks, Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade de Utah, Salt Lake City,…
A solução pré-gel foi criada em um tubo de ensaio de 1000μl; materiais, papel na polimerização e quantidades adicionadas estão listados nas Tabelas 1.
| Material | Propósito | Estrutura | Por cento mole |
| 2,2-Dimethoxy-2-fenil-acetophenona (DMPAP) | Iniciador readical gratuito (fotoinitiador) |
 | 0.0012 |
| 2-Metacrilato de Hidroxitil
(HEMA) | Espinha dorsal do polímero |
 | 21.2121 |
| Tetraetileno glicol dimethactilato (TEGDMA) | Crosslinker |
 | 3.0303 |
| Etilenoglicol
(EG) | Solvente |  | 75.7576 |
Mesa 1. Constituintes de pré-gel de hidrogel, seus papéis na polimerização radical livre de hidrogel, estrutura polimérica 2D química e as quantidades adicionadas à solução pré-gel.
Síntese
- Antes do início da síntese de hidrogel, um molde de síntese foi montado a partir de dois slides de vidro e três espaçadores de folha de poliolefina de espessura de 520 mícrons; esta configuração foi mantida em conjunto por clipes de aglutinante, como mostrado na Figura 6. As grandes lâminas de vidro foram compensadas por alguns milímetros para criar um canal para a pipetação da solução pré-gel no molde.
- Antes de iniciar a síntese de hidrogel, obtenha um tubo de ensaio de 1000μl, os produtos químicos descritos na Tabela 1, uma micropipette com pontas limpas e molde de ajuste(Figura 6). Todo o trabalho deve ser realizado em um capô de fumaça com equipamentos de proteção individual (EPI) adequados. O EPI inclui óculos de segurança ou óculos, um jaleco e luvas de proteção.
Figura 6: Molde de síntese de hidrogel, criado a partir de dois slides de vidro, três tiras de 520 mícrons de espessura de folha de poliolefina como espaçadores, e grandes clipes de aglutinante.
- Adicione 0,0012 mole por cento 2,2-Dimethoxy-2-fenil-acetophenone (DMPAP), o fotoinitador sólido (iniciador radical livre que é iniciado pela luz), ao tubo de ensaio primeiro.
- Adicione 21,2121 por cento de 2-hidroxitil metacrilato (HEMA), a molécula de espinha dorsal, e 3,0303 por cento de tetraetileno glicol dimethacloretola (TEGDMA), a molécula de ligação cruzada para o tubo de ensaio, usando novas pontas de pipeta cada vez. O TEGDMA cruzará quimicamente as cadeias hema na presença de radicais livres conectando as cadeias de polímeros em um polímero de rede.
- Misture a solução usando uma máquina de vórtice até que uma solução homogênea seja alcançada.
- Meça 0,25 gramas de Bromocresol Roxo e enxágue-o na solução usando 75,7576 por cento de etileno glicol (EG), o solvente. O pigmento é apenas para fins de visualização (o hidrogel é transparente de outra forma), e o EG serve como solvente para dissolver o iniciador radical e mantém o hidrogel flexível.
- Misture a solução usando a máquina de vórtice até que o pigmento se dissolva completamente e a solução seja homogênea.
- Usando uma micropipette, deposite a solução no molde alinhando a ponta da micropipette com a borda offset dos grandes slides de vidro e injetando uniformemente a solução pré-gel no centro do molde.
- Coloque o molde 5 centímetros abaixo de uma lanterna emissora de UV (Warson SK66) e irradie o molde por um minuto. A luz UV corta as ligações nas espécies iniciantes, transformando-as em radicais livres que podem então atacar as moléculas de polímeros e crosslinker. Quando totalmente em rede, o hidrogel deve ser um sólido de borracha com uma consistência semelhante a gelatina.
- Remova o molde da luz e desmonte a configuração do molde. Remova o hidrogel das lâminas de vidro.
- Enxágüe ambos os lados do hidrogel com água deionizada para remover qualquer espécie química não redigida e oligômeros do produto.
- Para caracterizar como vários tempos de exposição à luz UV afetam o grau de ligação cruzada e a capacidade de inchaço, este procedimento pode ser repetido enquanto varia o passo nove. Para caracterização, a solução foi exposta à luz UV por 1 minuto, 1,5 minutos e 5 minutos, produzindo um total de três hidrogéis.
Caracterização
O grau de inchaço do hidrogel pode ser calculado secando, hidratando e, em seguida, re-secando o polímero.
- Coloque os hidrogéis acabados em um recipiente com um álcool como isopropílico álcool para que fiquem totalmente submersos. Deixe no alchohol por 4-8 horas, quando o álcool tiver substituído todo o glicol de etileno no hidrogel.
- Retire os hidrogéis do álcool e deixe secar ao ar livre, cerca de 30 minutos. O álcool evapora mais rapidamente do que a água ou o solvente, permitindo que o hidrogel mantenha sua estrutura.
- Pesar os higgel secos.
- Submergir os hidrogéis em água DI por pelo menos 30 minutos, até que estejam completamente inchados. Retire os géis da água, limpe delicadamente e pese.
- Calcule o grau de inchaço usando a equação:
, onde está o peso do 
polímero inchado e 
é o peso do polímero seco.
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Os hidrogéis são uma classe versátil de polímeros reticulados, produzidos por meio de procedimentos relativamente simples usando materiais geralmente baratos. Eles são comumente usados para absorventes de líquidos, sensores, produtos de consumo e administração de medicamentos. Os hidrogéis podem ser formados a partir da solução, com um iniciador tornando os agentes de monômero reativos para formar uma estrutura de polímero. Uma espécie de reticulação então une as cadeias poliméricas. Um aspecto importante desses materiais é que, na presença de água, eles incham. Mas essa resposta pode ser ajustada ainda mais para aumentar o inchaço em função da salinidade, PH ou outros sinais. Os hidrogéis podem ser usados em ambientes aquosos ou secos, com uma gama de propriedades úteis, como flexibilidade, alta absorbância, transparência e isolamento térmico. Este vídeo ilustrará a síntese e caracterização de hidrogéis.
Os hidrogéis são capazes de absorver centenas de vezes seu peso em água. Quando a água entra na rede de polímeros reticulados, ela solubiliza espécies hidrofílicas, iônicas ou ambas na estrutura do polímero. As moléculas de água são maiores do que os grupos solubilizados. Por causa disso, sua presença dentro da rede faz com que o hidrogel inche. Enquanto as ligações cruzadas que conectam a estrutura do polímero evitam que ela se dissolva ou quebre. A síntese de hidrogel é uma técnica para produzir esses materiais poliméricos reticulados. Este é um procedimento simples, mas envolve produtos químicos tóxicos e inflamáveis e, portanto, requer extremo cuidado e medidas preventivas. Usando constituintes pré-gel, os hidrogéis podem ser feitos por meio da polimerização por radicais livres. Um método começa com o DMPAP como um iniciador de radicais livres.
A ligação carbono-carbono no DMPAP é clivada pela luz ultravioleta para formar um elétron desemparelhado e altamente reativo chamado radical livre em cada átomo de carbono. Os radicais livres reagem com a ligação dupla carbono-carbono no HEMA para formar uma cadeia propagadora com um radical livre na extremidade. O grupo hidroxal que sai da espinha dorsal é solúvel em água, fazendo com que a rede reticulada inche quando a água está presente. Os radicais também reagem com as duas ligações duplas carbono-carbono em TEGDMA, o reticulador químico. Isso liga as cadeias de backbone. Quando os radicais livres foram consumidos ou reagiram completamente, a síntese do hidrogel está completa. O inchaço pode ser avaliado secando, hidratando e secando novamente o polímero. Na próxima seção, sintetizaremos e caracterizaremos hidrogéis usando este método de polimerização de radicais livres.
Antes de iniciar a síntese de hidrogel, reúna os materiais e produtos químicos necessários. As lâminas de vidro no molde de síntese previamente montado são deslocadas em alguns milímetros, para criar um canal para pipetar a solução de pré-gel no molde. Todo o trabalho deve ser realizado com Equipamento de Proteção Individual adequado em uma capela, pois esse processo envolve produtos químicos tóxicos e inflamáveis. Primeiro, adicione 0,0012 mol por cento de DMPAP ao tubo de ensaio de 1000 microlitros. Em seguida, use uma nova pipeta de cada vez para adicionar 21,2121 mol por cento HEMA e, em seguida, 3,0303 mol por cento TEGDMA ao tubo de ensaio. Misturar a solução utilizando uma máquina de vórtice até obter uma solução homogénea. Mergulhe a espátula no pigmento BCP e enxágue-a na solução usando 75,7576 mol por cento do solvente etilenoglicol.
Misture a solução usando a máquina de vórtice até que o pigmento se dissolva completamente e a solução fique homogênea. Este pigmento é usado para tornar o hidrogel transparente visível, enquanto o solvente dissolve o iniciador de radicais livres e mantém o hidrogel flexível. Deposite a solução no molde usando uma micropipeta alinhada com a borda deslocada do molde de síntese. Injete uniformemente a solução de pré-gel no centro do molde. Coloque o molde preenchido cinco centímetros abaixo de uma lanterna emissora de UV e irradie o molde por um minuto. Remova o molde da luz e desmonte para remover o hidrogel das lâminas de vidro.
Quando totalmente conectado em rede, o hidrogel deve ser um sólido de borracha com consistência semelhante a gelatina. Enxágue ambos os lados do hidrogel com água deionizada para remover quaisquer espécies químicas e polígimeros não reagidos do produto. Repita este procedimento com tempos de exposição à luz UV de 1,5 e cinco minutos para produzir um total de três hidrogéis.
Mergulhe os hidrogéis acabados em um recipiente com álcool isopropílico por uma a duas horas. O álcool substituirá o etilenoglicol no hidrogel, permitindo que ele seque rapidamente, mantendo sua estrutura. Retire os hidrogéis do álcool e deixe secar ao ar livre por cerca de 30 minutos. Pese e registre o peso de cada um dos hidrogéis secos. Mergulhe os hidrogéis em água deionizada até que estejam completamente inchados. Retire os géis da água e seque suavemente. Pese e registre o peso dos hidrogéis inchados. Use o peso dos hidrogéis inchados, Ws, e dos hidrogéis secos, Wd, para calcular o grau de inchaço.
O grau de inchaço foi de aproximadamente 136% para a amostra de um minuto, 387% para a amostra de 1,5 minuto e 81% para a amostra de cinco minutos. Esses resultados mostram que, no maior tempo de exposição aos raios UV, houve menos inchaço. Devido à formação de mais ligações entre as moléculas poliméricas com o aumento da exposição aos raios UV, houve forças de restrição mais elásticas nas cadeias poliméricas. Isso resultou em hidrogéis com mais reticulação se expandindo menos do que aqueles com menos reticulação.
Agora que você aprecia os métodos de síntese e caracterização de hidrogéis, vamos dar uma olhada em como eles são usados em produtos do dia a dia. Produtos de consumo, como absorventes hospitalares, absorventes higiênicos femininos e fraldas, contêm um dos polímeros superabsorventes mais comuns. Este hidrogel pode inchar para absorver fluidos de até 800 vezes o seu peso, permitindo que os fabricantes criem produtos finos e confortáveis. O hidrogel sintetizado neste vídeo é usado como sensor em um aspersor de gramado. O sensor está em contato com o solo e incha enquanto o gramado está sendo regado, até acionar o desligamento do aspersor.
Você acabou de assistir à introdução de Jove à síntese de hidrogel. Agora você deve entender como os hidrogéis são sintetizados e caracterizados. Obrigado por assistir.
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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.