Overview
Source : Amber N. Barron, Ashlea Patterson, et Taylor D. Sparks, Department of Materials Science and Engineering, The University of Utah, Salt Lake City, UT
Les hydrogels sont une classe polyvalente de polymères transversaux produits par des procédures relativement simples et avec des matériaux généralement peu coûteux. Ils peuvent être formés à partir de la solution et impliquent une colonne vertébrale de polymère formée à partir de réactifs monomères, un initiateur qui rend le polymère réactif et une espèce de liaison croisée qui lie les chaînes de polymère ensemble. Un aspect important de ces matériaux est qu'ils gonflent en présence d'eau, mais cette réponse peut être accordée plus loin pour augmenter l'enflure en fonction de la salinité, pH, ou d'autres signaux. En tant que produit final, les hydrogels peuvent être utilisés dans des environnements aqueux ou secs, avec une gamme de propriétés utiles telles que la flexibilité, l'absorption élevée, la transparence et l'isolation thermique. Ils sont couramment utilisés pour l'absorption des liquides, des capteurs, des produits de consommation et la livraison de médicaments.
Principles
Les hydrogels sont une classe de polymères transversaux capables d'absorber des centaines de fois leur poids dans l'eau. L'eau pénètre dans le réseau et solubilize s'il s'en prend aux espèces hydrophiles et/ou ioniques sur l'épine dorsale des polymères. Les molécules d'eau sont plus grandes que les groupes solubilisés et leur présence à l'intérieur du réseau fait gonfler l'hydrogel (figure 1). Les liaisons croisées reliant l'épine dorsale du polymère empêchent l'hydrogel de se dissoudre ou de se briser.
Figure 1 : Hydratation d'un hydrogel.
Dans cet exemple, l'hydrogel est synthétisé par polymérisation de radicaux libres. Un radical libre est un électron non apparié et hautement réactif créé à partir d'un initiateur de radicaux libres, tel que 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPAP). La lumière UV fend la liaison carbone-carbone dans le DMPAP pour former un radical libre sur chaque atome de carbone (figure 2).
Figure 2 : 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone se fragmentant en deux molécules porteuses de radicaux libres.
L'espèce radicale réagit avec des liaisons doubles et/ou triples trouvées dans l'épine dorsale du polymère et le lien croisé. Pour la polymérisation des radicaux libres, l'épine dorsale polymère contient une double liaison qui propage la chaîne. Les radicaux libres réagissent avec la double liaison carbone-carbone dans le méthacrylate 2-hydroxyhyl (figure 3) pour former une chaîne de propagation avec un radical libre à la fin (étape de propagation à la figure 4). Le groupe d'hydroxyle qui sort de l'épine dorsale est soluble dans l'eau, ce qui provoque la houle du réseau interconnecté.
Figure 3 : méthacrylate 2-hydroxyethyl.
Figure 4 : Les UV ont lancé des étapes de polymérisation des radicaux libres.
Les radicaux réagissent également avec les deux liaisons doubles carbone-carbone dans le tétraethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) (figure 5), le lien chimique croisé, pour relier les chaînes dorsales ensemble. La synthèse hydrogel est complète lorsque les radicaux libres ont été consommés ou ont complètement réagi.
Figure 5 : Tetraethylene glycol dimethacrylate.
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Procedure
La solution prégel a été créée dans un tube à essai de 1000 degrés; les matériaux, le rôle dans la polymérisation et les montants ajoutés sont énumérés dans les tableaux 1.
| Matériel | But | Structure | Mole pour cent |
| 2,2-Dimethoxy-2-phényl-acetophenone (DMPAP) | Initiateur readical gratuit (photoinitiateur) |
 |
0.0012 |
| 2-Hydroxéthyle méthacrylate
(HEMA) |
Épine dorsale polymère |
 |
21.2121 |
| Tetraethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) | Crosslinker (en) |
 |
3.0303 |
| Éthylène glycol
(PAR exemple) |
Solvant |  |
75.7576 |
Tableau 1. Hydrogel pré-gel constituants, leurs rôles dans la polymérisation de radicaux libres hydrogel, la structure chimique 2D polymère et les quantités ajoutées à la solution pré-gel.
Synthèse
- Avant de commencer la synthèse d'hydrogel, un moule de synthèse a été assemblé à partir de deux glissières en verre et de trois espaceurs de feuilles polyolefin d'épaisseur de 520 microns; cette configuration a été maintenue ensemble par des clips de liant comme indiqué dans la figure 6. Les grandes glissières en verre ont été compensées par quelques millimètres pour créer un canal pour pipetting la solution pré-gel dans le moule.
- Avant de commencer la synthèse de l'hydrogel, obtenir un tube à essai de 1000 degrés, les produits chimiques décrits dans le tableau 1, une micropipette avec des pointes propres, et la mise en moule (Figure 6). Tous les travaux doivent être effectués dans une hotte de fumée avec un équipement de protection individuelle (EPI) approprié. L'EPI comprend des lunettes de sécurité ou des lunettes, une blouse de laboratoire et des gants de protection.
Figure 6: Moule desynthèse hydrogel, créé à partir de deux lames de verre, de trois bandes de polyolefin-feuille de 520 microns d'épaisseur comme espaceurs, et de grands agrafes de liant.
- Ajouter 0,0012 mole pour cent 2,2-Dimethoxy-2-phenyl-acetophenone (DMPAP), le photoinitator solide (initiateur radical libre qui est initié par la lumière), au tube à essai d'abord.
- Ajouter 21.2121 mole pour cent 2-hydroxéthyl methacrylate (HEMA), la molécule d'épine dorsale, et 3.0303 mole pour cent tétraethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA), la molécule de liaison croisée au tube à essai, en utilisant de nouvelles pointes pipette à chaque fois. TEGDMA croisera chimiquement les chaînes HEMA en présence de radicaux libres en connectant les chaînes de polymères à un polymère réseau.
- Mélanger la solution à l'aide d'une machine à vortex jusqu'à ce qu'une solution homogène soit réalisée.
- Mesurez 0,25 grammes de Bromocresol Purple et rincez-le dans la solution à l'aide de 75,7576 mole pour cent d'éthylène glycol (EG), le solvant. Le pigment est seulement à des fins de visualisation (l'hydrogel est transparent autrement), et EG sert de solvant pour dissoudre l'initiateur de radicaux libres initiateur et maintient l'hydrogel flexible.
- Mélanger la solution à l'aide de la machine à vortex jusqu'à ce que le pigment se dissout complètement et la solution est homogène.
- À l'aide d'une micropipette, déposez la solution dans le moule en alignant la pointe de la micropipette avec le bord décalé des grandes glissières de verre et en injectant uniformément la solution prégel dans le centre du moule.
- Placez la moisissure 5 centimètres au-dessous d'une lampe de poche émettrice d'UV (Warson SK66) et irradiez le moule pendant une minute. La lumière UV fend les liaisons de l'espèce initiatrice, les transformant en radicaux libres qui peuvent ensuite attaquer les molécules de polymère et de crosslinker. Lorsqu'il est entièrement mis en réseau, l'hydrogel doit être un solide en caoutchouc avec une consistance jello-like.
- Retirez le moule de la lumière et démontez la configuration de moule. Retirer l'hydrogel des lames de verre.
- Rincer les deux côtés de l'hydrogel avec de l'eau déionisée pour éliminer toute espèce chimique non réaginement et les oligomères du produit.
- Pour caractériser comment divers temps d'exposition uv-lumière affectent le degré de croisement et la capacité de gonflement, cette procédure peut être répétée tout en variant l'étape neuf. Pour la caractérisation, la solution a été exposée à la lumière UV pendant 1 minute, 1,5 minutes et 5 minutes, produisant un total de trois hydrogels.
Caractérisation
Le degré de gonflement de l'hydrogel peut être calculé en séchant, hydratant puis réséchant le polymère.
- Placez les hydrogels finis dans un récipient avec un alcool tel que l'alcool d'Isopropyl de sorte qu'ils soient totalement submergés. Laisser dans l'alchohol pendant 4-8 heures, lorsque l'alcool a remplacé tout l'éthylène glycol dans l'hydrogel.
- Retirer les hydrogels de l'alcool et laisser sécher à l'air libre, environ 30 minutes. L'alcool s'évapore plus rapidement que l'eau ou le solvant, ce qui permet à l'hydrogel de maintenir sa structure.
- Peser les hydogels séchés.
- Immerger les hydrogels dans l'eau DI pendant au moins 30 minutes, jusqu'à ce qu'ils soient complètement gonflés. Retirer les gels de l'eau, essuyer doucement et peser.
- Calculer le degré de
gonflement 
en utilisant l'équation: 
, où est le poids du polymère gonflé et est le poids du polymère séché.
gonflement 
en utilisant l'équation: 
, où est le poids du polymère gonflé et est le poids du polymère séché.Les hydrogels sont une classe polyvalente de polymères transversaux, produits par des procédures relativement simples utilisant des matériaux généralement peu coûteux. Ils sont couramment utilisés pour les absorbants liquides, les capteurs, les produits de consommation et la livraison de médicaments. Les hydrogels peuvent être formés à partir de la solution, avec un initiateur rendant les agents monomerie réactifs pour former une colonne vertébrale de polymère. Une espèce de liaison croisée lie ensuite les chaînes de polymères ensemble. Un aspect important de ces matériaux est qu'en présence d'eau ils enflent. Mais cette réponse peut être accordée plus loin pour améliorer l'enflure en fonction de la salinité, PH ou d'autres signaux. Les hydrogels peuvent être utilisés dans des environnements aqueux ou secs, avec une gamme de propriétés utiles telles que la flexibilité, l'absorption élevée, la transparence et l'isolation thermique. Cette vidéo illustrera la synthèse et la caractérisation des hydrogels.
Les hydrogels sont capables d'absorber des centaines de fois leur poids dans l'eau. Lorsque l'eau pénètre dans le réseau de polymères reliés, elle soluilise les espèces hydrophiles, ioniques ou les deux sur l'épine dorsale du polymère. Les molécules d'eau sont plus grandes que les groupes solubilisés. Pour cette raison, leur présence à l'intérieur du réseau provoque l'hydrogel à gonfler. Alors que les liens croisés reliant l'épine dorsale polymère l'empêchent de se dissoudre ou de se briser. La synthèse hydrogel est une technique de production de ces matériaux polymères reliés entre eux. Il s'agit d'une procédure simple, mais implique des produits chimiques qui sont à la fois toxiques et inflammables et nécessite donc des soins extrêmes et des mesures préventives. En utilisant des constituants prégel, les hydrogels peuvent être fabriqués par polymérisation radicale libre. Une méthode commence par DMPAP en tant qu'initiateur radical libre.
La liaison carbone-carbone dans DMPAP est clivée par la lumière ultra-violette pour former un électron non apparié et hautement réactif appelé radical libre sur chaque atome de carbone. Les radicaux libres réagissent avec le double lien carbone-carbone dans HEMA pour former une chaîne de propagation avec un radical libre à la fin. Le groupe hydroxique qui sort de l'épine dorsale est soluble dans l'eau, ce qui fait gonfler le réseau transversal lorsque l'eau est présente. Les radicaux réagissent également avec les deux doubles liaisons carbone-carbone de TEGDMA, le crosslinker chimique. Cela relie les chaînes de l'épine dorsale ensemble. Lorsque les radicaux libres ont été consommés, ou ont complètement réagi, la synthèse hydrogel est complète. L'enflure peut être évaluée en séchant, en hydratant puis en réséchant le polymère. Dans la section suivante, nous synthétiserons et caractériserons les hydrogels à l'aide de cette méthode de polymérisation des radicaux libres.
Avant de commencer la synthèse hydrogel, recueillir les matériaux et les produits chimiques nécessaires. Les lames de verre dans le moule de synthèse précédemment assemblé sont compensées par quelques millimètres, pour créer un canal pour pipetting la solution de pré-gel dans le moule. Tous les travaux doivent être effectués avec un équipement de protection individuelle approprié dans un fumage, car ce processus implique des produits chimiques qui sont à la fois toxiques et inflammables. Tout d'abord, ajouter 0,0012 mol pour cent DMPAP au tube à essai de 1000 microlitres. Ensuite, utilisez une nouvelle pipette à chaque fois pour ajouter 21,2121 mol pour cent HEMA, puis 3,0303 mol pour cent TEGDMA au tube à essai. Mélanger la solution à l'aide d'une machine à vortex jusqu'à ce qu'une solution homogène soit réalisée. Trempez la spatule dans le pigment BCP et rincez-la dans la solution en utilisant 75.7576 mol pour cent de l'éthylène glycol solvant.
Mélanger la solution à l'aide de la machine à vortex jusqu'à ce que le pigment se dissout complètement et la solution est homogène. Ce pigment est utilisé pour rendre visible l'hydrogel transparent, tandis que le solvant dissout l'Initiateur radical libre et maintient l'hydrogel flexible. Déposez la solution dans le moule à l'aide d'une micro pipette alignée sur le bord décalé du moule de synthèse. Injecter uniformément la solution prégel dans le centre du moule. Placez le moule rempli cinq centimètres au-dessous d'une lampe de poche émettrice d'UV et irradiez le moule pendant une minute. Retirez le moule de la lumière et démontez pour enlever l'hydrogel des lames de verre.
Lorsqu'il est entièrement mis en réseau, l'hydrogel doit être un solide en caoutchouc avec une consistance jello-like. Rincer les deux côtés de l'hydrogel avec de l'eau déionisée pour éliminer toute espèce chimique non réaginement et les polygimères du produit. Répétez cette procédure avec des temps d'exposition à la lumière UV de 1,5 et cinq minutes pour produire un total de trois hydrogels.
Immerger les hydrogels finis dans un récipient avec de l'alcool isopropyl pendant une à deux heures. L'alcool remplacera l'éthylène glycol dans l'hydrogel, ce qui lui permettra de sécher rapidement tout en maintenant sa structure. Retirer les hydrogels de l'alcool et laisser sécher à l'air libre pendant environ 30 minutes. Peser et enregistrer le poids de chacun des hydrogels séchés. Immerger les hydrogels dans de l'eau déionisée jusqu'à ce qu'ils soient complètement gonflés. Retirer les gels de l'eau et essuyer doucement. Peser et enregistrer le poids des hydrogels gonflés. Utilisez le poids des hydrogels gonflés, Ws, et les hydrogels séchés, Wd, pour calculer le degré de gonflement.
Le degré d'enflure s'est avéré être d'environ 136 % pour l'échantillon d'une minute, de 387 % pour l'échantillon de 1,5 minute et de 81 % pour l'échantillon de cinq minutes. Ces résultats montrent qu'au plus long temps d'exposition aux UV, il y avait moins d'enflure. En raison de la formation de plus de liens entre les molécules de polymère avec une exposition accrue aux UV, il y avait plus de forces élastiques de retenue sur les chaînes de polymères. Il en est résulté des hydrogels avec plus de liaisons croisées en expansion moins que ceux avec moins de liaisons croisées.
Maintenant que vous appréciez les méthodes de synthèse et de caractérisation des hydrogels, jetons un oeil à la façon dont ils sont utilisés dans les produits de tous les jours. Les produits de consommation tels que les serviettes d'hôpital, les serviettes d'hygiène féminine et les couches contiennent l'un des polymères super absorbants les plus courants. Cet hydrogel peut gonfler pour absorber les fluides jusqu'à 800 fois son poids, permettant aux fabricants de créer des produits qui sont minces et confortables. L'hydrogel synthétisé dans cette vidéo est utilisé comme capteur dans un arroseur de pelouse. Le capteur est en contact avec le sol et augmente pendant que la pelouse est arrosée, jusqu'à ce qu'il déclenche l'arrêt de l'arroseur.
Vous venez de regarder l'introduction de Jove à la synthèse hydrogel. Vous devez maintenant comprendre comment les hydrogels sont synthétisés et caractérisés. Merci d'avoir regardé.
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Results
Le monomère d'hydrogel final est représenté dans la figure 7, et les hydrogels synthétisés sont représentés dans la figure 8. Le degré d'enflure s'est avéré être d'environ 136 % pour l'échantillon de 1 min, de 387 % pour l'échantillon de 1,5 min et de 81 % pour l'échantillon de 5 min. Ces résultats démontrent la relation entre le degré de liaison croisée, ou la mesure dans laquelle le réseau est connecté, et la capacité de gonflement. Plus de liens entre les molécules de polymère signifient des forces de retenue plus élastiques sur ces chaînes de polymères, qui les empêchent de s'étendre au même degré qu'un hydrogel moins croisé.
Figure 7: Monomer créé à partir du photoinitiateur DMPAP, épine dorsale heMA, transversal TEGDMA, solvant EG et pigment photochromique après polymérisation de radicaux libres.
Figure 8: Hydrogels après la polymérisation. De gauche à droite : 1 minute sous la lumière UV pendant la polymérisation, 1,5 minute sous la lumière UV pendant la polymérisation, 5 minutes sous la lumière UV pendant la polymérisation. L'échantillon d'une minute semble plus transparent et gel-like puis les échantillons de 1,5 minute et 5 minutes, qui avaient des degrés croissants de polymérisation
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Applications and Summary
La synthèse hydrogel est une technique pour produire des matériaux polymères reliés croisés qui peuvent gonfler en réponse au liquide, à la lumière UV, au pH, ou à une gamme d'autres stimulants. La synthèse par combinaison de solutions liquides est avantageuse pour la simplicité du mélange et de la formation d'hydrogels, bien que le produit final soit généralement impur et ait tendance à contenir des polymères de faible poids moléculaire. Cette procédure spécifique, bien que simple, implique des produits chimiques qui sont à la fois toxiques et inflammables, et nécessite donc des soins extrêmes et des mesures préventives. Les hydrogels produits par cette méthode sont utiles dans des applications allant de la livraison de médicaments aux capteurs en passant par les produits d'hygiène absorbants.
Les hydrogels sont utilisés dans une variété de produits de consommation, de dispositifs médicaux et de capteurs. Les produits de consommation tels que les serviettes d'hôpital, les serviettes d'hygiène féminine et les couches contiennent du polyacrylate de sodium, l'un des polymères superabsorbants les plus courants. L'hydrogel enfle en présence du fluide entre 300 et 800 fois son poids. Cela permet aux fabricants d'utiliser moins de matériel et de créer des produits qui sont minces et confortables pour l'utilisateur à porter.
En outre, les lentilles de contact souples sont faites d'hydrogels en silicone, qui permettent à l'oxygène de passer facilement à la cornée et sont plus confortables que les lentilles de contact dures. Les hydrogels sont également couramment utilisés dans la livraison de médicaments parce que le réseau interconnecté permet de stocker les médicaments dans le réseau tridimensionnel et lentement libérés dans le corps.
Les hydrogels peuvent également être réglés pour gonfler en fonction de la salinité, du pH, ou d'autres signaux, les rendant appropriés dans les applications de capteur. L'hydrogel synthétisé dans cette vidéo est utilisé comme capteur dans un capteur de pelouse d'arrosage. L'hydrogel est en contact avec le sol et pendant que la pelouse est arrosée, il augmente jusqu'à ce qu'il déclenche l'arrêt de l'arroseur.
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