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Materials Engineering

Síntesis de hidrogel

Overview

Fuente: Amber N. Barron, Ashlea Patterson y Taylor D. Sparks,Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Utah, Salt Lake City, UT

Los hidrogeles son una clase versátil de polímeros reticulados producidos a través de procedimientos relativamente simples y con materiales generalmente baratos. Se pueden formar a partir de la solución e involucran una columna vertebral de polímero formada a partir de reactivos monómeros, un iniciador que hace que el polímero sea reactivo y una especie reticulante que une las cadenas de polímeros. Un aspecto importante de estos materiales es que se hinchan en presencia de agua, pero esta respuesta se puede ajustar aún más para mejorar la hinchazón en función de la salinidad, pH u otras señales. Como producto final, los hidrogeles se pueden utilizar en ambientes acuosos o secos, con una gama de propiedades útiles como flexibilidad, alta absorbancia, transparencia y aislamiento térmico. Se utilizan comúnmente para la absorción de líquidos, sensores, productos de consumo, y la entrega de medicamentos.

Principles

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Los hidrogeles son una clase de polímeros reticulados capaces de absorber cientos de veces su peso en agua. El agua entra en la red y solubiliza especies hidrófilas y/o iónicas en la columna vertebral del polímero. Las moléculas de agua son más grandes que los grupos solubilizados y su presencia dentro de la red hace que el hidrogel se hinche (Figura 1). Los eslabones cruzados que conectan la columna vertebral del polímero evitan que el hidrogel se disuelva o se rompa.

Figure 1
Figura 1: Hidratación de un hidrogel.

En este ejemplo, el hidrogel se sintetiza a través de la polimerización de radicales libres. Un radical libre es un electrón no emparejado y altamente reactivo creado a partir de un iniciador de radicales libres, como 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPAP). La luz UV corta la unión carbono-carbono en DMPAP para formar un radical libre en cada átomo de carbono (Figura 2).

Figure 2
Figura 2: 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenona fragmentándose en dos moléculas de transporte de radicales libres.

La especie radical reacciona con enlaces dobles y/o triples que se encuentran en la columna vertebral del polímero y el eslabón cruzado. Para la polimerización de radicales libres, la columna vertebral del polímero contiene un doble enlace que propaga la cadena. Los radicales libres reaccionan con el doble enlace carbono-carbono en 2-hidroxietilo metacrilato (Figura 3) para formar una cadena de propagación con un radical libre al final (paso de propagación en la Figura 4). El grupo hidroxilo que sale de la columna vertebral es soluble en agua, haciendo que la red reticulada se hinche.

Figure 3
Figura 3: 2-hidroxietilo metacrilato.

Figure 4
Figura 4: Pasos de polimerización de radicales libres iniciados por uv.

Los radicales también reaccionan con los dos enlaces dobles carbono-carbono en el dimetalcrilato de tetraetilenglicol (TEGDMA) (Figura 5), el retitulador químico, para unir las cadenas de la columna vertebral. La síntesis de hidrogel es completa cuando los radicales libres han sido consumidos o han reaccionado completamente.

Figure 5
Figura 5: Dimetalcrilato de tetraetilenglicol.

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Procedure

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La solución pre-gel fue creada en un tubo de ensayo de 1000 l; materiales, el papel en la polimerización y las cantidades añadidas se enumeran en los Cuadros 1.

Material Propósito Estructura Porcentaje de Topo
2,2-Dimethoxy-2-fenil-acetofenoona (DMPAP) Iniciador léabico gratuito (fotoiniciador) Equation 5  0.0012
2-Metacrilato hidroxetilo

(HEMA)

Columna vertebral del polímero Equation 6  21.2121
Dimetallato de tetraetilenglicol (TEGDMA) Crosslinker Equation 7  3.0303
Etilenglicol

(EG)

Solvente Equation 8 75.7576

Tabla 1. Componentes pregel de hidrogel, sus funciones en la polimerización de radicales libres de hidrogel, estructura polimérica química 2D y las cantidades añadidas a la solución pregel.

Síntesis

  1. Antes de comenzar la síntesis de hidrogel, se ensambló un molde de síntesis a partir de dos portaobjetos de vidrio y tres espaciadores de láminas de poliolefina de 520 micras de espesor; esta configuración se mantuvo unida por clips de aglutinante como se muestra en la Figura 6. Las grandes diapositivas de vidrio fueron compensadas por unos pocos milímetros para crear un canal para pipetear la solución pre-gel en el molde.
  2. Antes de comenzar la síntesis de hidrogel, obtener un tubo de ensayo de 1000 l, los productos químicos descritos en la Tabla 1, un micropipeta con puntas limpias, y el molde de ajuste (Figura 6). Todo el trabajo debe realizarse en una campana de humos con el equipo de protección personal (PPE) adecuado. El EPP incluye gafas de seguridad o gafas, una capa de laboratorio y guantes de protección.

Figure 6
Figura 6: Molde desíntesis de hidrogel, creado a partir de dos diapositivas de vidrio, tres tiras de lámina de poliolefina de 520 micras de espesor como espaciadores, y grandes clips de aglutinante.

  1. Añadir 0.0012 por ciento de lunar2,2-Dimethoxy-2-fenil-acetofenoona (DMPAP), el fotoinitador sólido (iniciador de radicales libres que se inicia por la luz), al tubo de ensayo primero.
  2. Añadir 21.2121 mole por ciento 2-hidroxetilo metacrilato (HEMA), la molécula de columna vertebral, y 3.0303 mole por ciento de tetraetilenglicol dimetallato (TEGDMA), la molécula de reticulación al tubo de ensayo, utilizando nuevas puntas de pipeta cada vez. TEGDMA cruzará químicamente las cadenas HEMA en presencia de radicales libres conectando las cadenas de polímeros en un polímero de red.
  3. Mezcle la solución utilizando una máquina de vórtice hasta lograr una solución homogénea.
  4. Mida 0,25 gramos de Bromocresol Púrpura y enjuáguelo en la solución utilizando 75.7576 mole por ciento etilenglicol (EG), el disolvente. El pigmento es sólo para fines de visualización (el hidrogel es transparente de lo contrario), y EG sirve como un disolvente para disolver el iniciador de radicales libres que inicia y mantiene el hidrogel flexible.
  5. Mezcle la solución utilizando la máquina de vórtice hasta que el pigmento se disuelva por completo y la solución sea homogénea.
  6. Con una micropipeta, deposite la solución en el molde alineando la punta del micropipeta con el borde de desplazamiento de las diapositivas de vidrio grandes e inyectando uniformemente la solución pregel en el centro del molde.
  7. Coloque el molde 5 centímetros por debajo de una linterna emisora UV (Warson SK66) e irradiar el molde durante un minuto. La luz UV corta los enlaces en las especies iniciadoras, convirtiéndolos en radicales libres que luego pueden atacar el polímero y las moléculas de reticulador. Cuando está completamente conectado en red, el hidrogel debe ser un sólido de caucho con una consistencia similar a la gelatina.
  8. Retire el molde de la luz y desmonte la configuración del molde. Retire el hidrogel de los portaobjetos de vidrio.
  9. Enjuague ambos lados del hidrogel con agua desionizada para eliminar cualquier especie química y oligómero no reaccionada del producto.
  10. Para caracterizar cómo varios tiempos de exposición a la luz UV afectan el grado de reticulación y la capacidad de hinchazón, este procedimiento se puede repetir mientras varía el paso nueve. Para la caracterización, la solución estuvo expuesta a la luz UV durante 1 minuto, 1,5 minutos y 5 minutos, produciendo un total de tres hidrogeles.

Caracterización

El grado de hinchazón del hidrogel se puede calcular secando, hidratando y luego secando el polímero.

  1. Colocar los hidrogeles terminados en un recipiente con un alcohol como el alcohol isopropílico para que estén totalmente sumergidos. Dejar en el alchohol durante 4-8 horas, cuando el alcohol haya reemplazado todo el etilenglicol en el hidrogel.
  2. Retire los hidrogeles del alcohol y déjelos secar al aire libre, unos 30 minutos. El alcohol se evapora más rápidamente que el agua o el disolvente, permitiendo que el hidrogel mantenga su estructura.
  3. Pesar los hispicanes secos.
  4. Sumerja los hidrogeles en agua DI durante al menos 30 minutos, hasta que estén completamente hinchados. Retire los geles del agua, seque suavemente y pese.
  5. Calcular el grado de Equation 9 hinchazón Equation 10 utilizando la ecuación: Equation 11 , donde está el peso del polímero hinchado y es el peso del polímero seco.

Los hidrogeles son una clase versátil de polímeros reticulados, producidos a través de procedimientos relativamente simples utilizando materiales generalmente baratos. Se utilizan comúnmente para absorbentes de líquidos, sensores, productos de consumo y suministro de medicamentos. Los hidrogeles se pueden formar a partir de la solución, con un iniciador haciendo que los agentes monomerie sean reactivos para formar una columna vertebral de polímeros. Una especie reticulante une las cadenas de polímeros. Un aspecto importante de estos materiales es que en presencia de agua se hinchan. Pero esta respuesta se puede ajustar aún más para mejorar la hinchazón en función de la salinidad, PH u otras señales. Los hidrogeles se pueden utilizar en ambientes acuosos o secos, con una gama de propiedades útiles como flexibilidad, alta absorbancia, transparencia y aislamiento térmico. Este vídeo ilustrará la síntesis y caracterización de hidrogeles.

Los hidrogeles son capaces de absorber cientos de veces su peso en agua. Cuando el agua entra en la red de polímeros reticulados, soubiliza especies hidrófilas, iónicas o ambas en la columna vertebral del polímero. Las moléculas de agua son más grandes que los grupos solubilizados. Debido a esto, su presencia dentro de la red hace que el hidrogel se hinche. Mientras que los reticulaciones que conectan la columna vertebral del polímero evitan que se disuelva o se rompa. La síntesis de hidrogel es una técnica para producir estos materiales poliméricos reticulados. Este es un procedimiento simple, pero implica productos químicos que son tóxicos e inflamables y por lo tanto requieren un cuidado extremo y medidas preventivas. Usando componentes pre-gel, hidrogeles se pueden hacer a través de la polimerización de radicales libres. Un método comienza con DMPAP como un iniciador de radicales libres.

El enlace carbono-carbono en DMPAP es aclarado por luz ultravioleta para formar un electrón no emparejado y altamente reactivo llamado radical libre en cada átomo de carbono. Los radicales libres reaccionan con el doble enlace carbono-carbono en HEMA para formar una cadena de propogating con un radical libre al final. El grupo hidroxal que sale de la columna vertebral es soluble en agua, haciendo que la red reticulada se hinche cuando el agua está presente. Los radicales también reaccionan con los dos enlaces dobles carbono-carbono en TEGDMA, el retisonador químico. Esto une las cadenas troncales. Cuando los radicales libres se han consumido, o han reaccionado completamente, la síntesis de hidrogel es completa. La hinchazón se puede evaluar secando, hidratando y luego secando el polímero. En la siguiente sección, sintetizaremos y caracterizaremos los hidrogeles utilizando este método de polimerización de radicales libres.

Antes de comenzar la síntesis de hidrogel, reúna los materiales y productos químicos necesarios. Las diapositivas de vidrio en el molde de síntesis previamente montado se compensan por unos pocos milímetros, para crear un canal para pipetear la solución pre-gel en el molde. Todo el trabajo debe realizarse con el equipo de protección personal adecuado en una fumhood, ya que este proceso implica productos químicos que son tóxicos e inflamables. En primer lugar, agregue 0.0012 mol por ciento DMPAP al tubo de ensayo de 1000 microlitros. A continuación, utilice una nueva pipeta cada vez para añadir 21.2121 mol por ciento hemA y luego 3.0303 mol por ciento TEGDMA al tubo de ensayo. Mezcle la solución utilizando una máquina de vórtice hasta lograr una solución homogénea. Sumerja la espátula en el pigmento BCP y enjuáguela en la solución utilizando el 75.7576 mol por ciento del disolvente etilenglicol.

Mezcle la solución utilizando la máquina de vórtice hasta que el pigmento se disuelva por completo y la solución sea homogénea. Este pigmento se utiliza para hacer visible el hidrogel transparente, mientras que el disolvente disuelve el iniciador de radicales libres y mantiene el hidrogel flexible. Deposite la solución en el molde utilizando una micro pipeta alineada con el borde de sinfase del molde de síntesis. Inyecte uniformemente la solución pregel en el centro del molde. Coloque el molde lleno cinco centímetros por debajo de una linterna emisora de rayos UV e irradiar el molde durante un minuto. Retire el molde de la luz y desmonte para retirar el hidrogel de los portaobjetos de vidrio.

Cuando está completamente conectado en red, el hidrogel debe ser un sólido de caucho con una consistencia similar a la gelatina. Enjuague ambos lados del hidrogel con agua desionizada para eliminar cualquier especie química y poligimers no reaccionados del producto. Repita este procedimiento con tiempos de exposición a la luz UV de 1,5 y cinco minutos para producir un total de tres hidrogeles.

Sumerja los hidrogeles terminados en un recipiente con alcohol isopropílico durante una o dos horas. El alcohol reemplazará al etilenglicol en el hidrogel, lo que le permite secar rápidamente manteniendo su estructura. Retire los hidrogeles del alcohol y déjelos secar al aire libre durante unos 30 minutos. Pesar y registrar el peso de cada uno de los hidrogeles secos. Sumerja los hidrogeles en agua desionizada hasta que estén completamente hinchados. Retire los geles del agua y seque suavemente. Pesar y registrar el peso de los hidrogeles hinchados. Utilice el peso de los hidrogeles hinchados, Ws, y los hidrogeles secos, Wd, para calcular el grado de hinchazón.

Se encontró que el grado de hinchazón era de aproximadamente 136% para la muestra de un minuto, 387% para la muestra de 1,5 minutos y 81% para la muestra de cinco minutos. Estos resultados muestran que en el tiempo de exposición A los rayos UV más largo, hubo menos hinchazón. Debido a la formación de más enlaces entre moléculas de polímero con mayor exposición a los rayos UV, hubo más fuerzas de restricción elásticas en las cadenas de polímeros. Esto dio lugar a hidrogeles con más reticulación expandiéndose menos que aquellos con menos reticulación.

Ahora que aprecias los métodos de sintetizar y caracterizar hidrogeles, echemos un vistazo a cómo se utilizan en los productos cotidianos. Los productos de consumo como las almohadillas de hospital, las almohadillas de higiene femenina y los pañales, contienen uno de los polímeros superabsorbentes más comunes. Este hidrogel puede hincharse para absorber fluidos hasta 800 veces su peso, permitiendo a los fabricantes crear productos que son delgados y cómodos. El hidrogel sintetizado en este video se utiliza como sensor en un aspersor de césped. El sensor está en contacto con el suelo y se hincha mientras se riegó el césped, hasta que activa el cierre del aspersor.

Acabas de ver la introducción de Jove a la síntesis de hidrogel. Ahora debe entender cómo se sintetizan y caracterizan los hidrogeles. Gracias por mirar.

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Results

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El monómero de hidrogel final se muestra en la Figura 7,y los hidrogeles sintetizados se muestran en la Figura 8. Se encontró que el grado de hinchazón era de aproximadamente 136% para la muestra de 1 min, 387% para la muestra de 1,5 min y 81% para la muestra de 5 min. Estos resultados demuestran la relación entre el grado de reticulación, o la medida en que la red está conectada, y la capacidad de hinchazón. Más vínculos entre las moléculas de polímero significan fuerzas de restricción más elásticas en esas cadenas de polímeros, que las inhiben de expandirse en el mismo grado que un hidrogel menos reticulado.

Figure 7
Figura 7: Monómero creado a partir de fotoiniciador DMPAP, columna vertebral HEMA, reticulante TEGDMA, disolvente EG y pigmento fotocromático después de la polimerización de radicales libres.

Figure 8
Figura 8: Hidrogeles después de la polimerización. De izquierda a derecha: 1 minuto bajo luz UV durante la polimerización, 1,5 minutos bajo luz UV durante la polimerización, 5 minutos bajo luz UV durante la polimerización. La muestra de 1 minuto parece más transparente y similar al gel que las muestras de 1,5 minutos y 5 minutos, que tenían crecientes grados de polimerización

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Applications and Summary

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La síntesis de hidrogel es una técnica para producir materiales poliméricos reticulados que pueden hincharse en respuesta a líquidos, luz UV, pH o una gama de otros estimulantes. La síntesis por combinación de soluciones líquidas es ventajosa para la simplicidad de mezclar y formar hidrogeles, aunque el producto final es generalmente impuro y tiende a contener polímeros con bajos pesos moleculares. Este procedimiento específico, aunque simple, implica sustancias químicas tóxicas e inflamables, y por lo tanto requiere un cuidado extremo y medidas preventivas. Los hidrogeles producidos por este método son útiles en aplicaciones que van desde la administración de fármacos hasta sensores y productos de higiene absorbentes.

Los hidrogeles se utilizan en una variedad de productos de consumo, dispositivos médicos y sensores. Los productos de consumo como las almohadillas de hospital, las almohadillas de higiene femenina y los pañales contienen poliacrilato de sodio, uno de los polímeros superabsorbentes más comunes. El hidrogel se hincha en presencia del fluido entre 300-800 veces su peso. Esto permite a los fabricantes utilizar menos material y crear productos que sean delgados y cómodos para el usuario.

Además, las lentes de contacto blandas están hechas de hidrogeles de silicona, que permiten que el oxígeno pase fácilmente a la córnea y son más cómodas que las lentes de contacto duras. Los hidrogeles también se utilizan comúnmente en la administración de fármacos porque la red entrelazada permite que los medicamentos se almacenen en la red tridimensional y se liberen lentamente en el cuerpo.

Los hidrogeles también se pueden ajustar para hincharse en función de la salinidad, pH u otras señales, haciéndolos adecuados en aplicaciones de sensores. El hidrogel sintetizado en este video se utiliza como sensor en un sensor de césped de aspersor. El hidrogel está en contacto con el suelo y mientras se riegó el césped, se hincha hasta que activa el corte del aspersor.

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