Hidrojel Sentezi
Kaynak: Amber N. Barron, Ashlea Patterson ve Taylor D. Sparks, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü, Utah Üniversitesi, Salt Lake City, UT
Hidrojelle…
Ön jel çözeltisi 1000μl'lik bir test tüpünde oluşturuldu; malzemeler, polimerizasyondaki rolü ve eklenen miktarlar Tablo 1'de listelenmiştir.
| Malzeme | Amaç | Yapı | Köstebek yüzdesi |
| 2,2-Dimetoksi-2-fenil-asetofenon (DMPAP) | Ücretsiz okuma başlatıcısı (foto başlatıcı) |  | 0.0012 |
| 2-Hidroksitil metakrilat
(HEMA) | Polimer omurga |  | 21.2121 |
| Tetraetilen glikol dimetakrilat (TEGDMA) | Crosslinker |  | 3.0303 |
| Etilen glikol
(ÖRN) | çözücü |  | 75.7576 |
Tablo 1. Hidrojel pre-jel bileşenleri, hidrojel serbest radikal polimerizasyonundaki rolleri, kimyasal 2D polimerik yapı ve pre-jel solüsyonuna eklenen miktarlar.
Sentez
- Hidrojel sentezine başlamadan önce, iki cam slayttan ve üç adet 520 mikron kalınlığında poliolefin levha ara parçasından bir sentez kalıbı monte edildi; bu konfigürasyon, Şekil 6'da gösterildiği gibi bağlayıcı klipslerle bir arada tutulmuştur. Büyük cam slaytlar, ön jel çözeltisini kalıba pipetlemek için bir kanal oluşturmak üzere birkaç milimetre kaydırıldı.
- Hidrojel sentezine başlamadan önce, 1000μl'lik bir test tüpü, Tablo 1'de açıklanan kimyasallar, temiz uçlu bir mikropipet ve ayar kalıbı edinin (Şekil 6). Tüm çalışmalar, uygun Kişisel Koruyucu Ekipman (KKD) ile çeker ocakta yapılmalıdır. KKD, koruyucu gözlük veya gözlük, laboratuvar önlüğü ve koruyucu eldiven içerir.
Şekil 6: İki cam slayt, ara parça olarak 520 mikron kalınlığında poliolefin levhadan oluşan üç şerit ve büyük bağlayıcı klipslerden oluşturulan hidrojel sentez kalıbı.
- Önce test tüpüne katı fotoinitatör (ışıkla başlatılan serbest radikal başlatıcı) olan 0.0012 mol yüzde 2,2-Dimetoksi-2-fenil-asetofenon (DMPAP) ekleyin.
- Her seferinde yeni pipet uçları kullanarak test tüpüne omurga molekülü olan 21.2121 mol yüzde 2-hidroksitil metakrilat (HEMA) ve çapraz bağlama molekülü olan yüzde 3.0303 mol tetraetilen glikol dimetakrilat (TEGDMA) ekleyin. TEGDMA, polimer zincirlerini bir ağ polimerine bağlayarak serbest radikallerin varlığında HEMA zincirlerini kimyasal olarak çapraz bağlayacaktır.
- Homojen bir çözelti elde edilene kadar çözeltiyi bir vorteks makinesi kullanarak karıştırın.
- 0.25 gram Bromocresol Purple'ı ölçün ve çözücü olan yüzde 75.7576 mol etilen glikol (EG) kullanarak çözeltiye durulayın. Pigment sadece görüntüleme amaçlıdır (aksi takdirde hidrojel şeffaftır) ve EG, başlatıcı serbest radikal başlatıcıyı çözmek için bir çözücü görevi görür ve hidrojeli esnek tutar.
- Pigment tamamen eriyene ve çözelti homojen olana kadar vorteks makinesini kullanarak çözeltiyi karıştırın.
- Bir mikropipet kullanarak, mikropipetin ucunu büyük cam slaytların ofset kenarı ile hizalayarak ve ön jel solüsyonunu kalıbın merkezine eşit şekilde enjekte ederek çözeltiyi kalıba bırakın.
- Kalıbı UV yayan bir el fenerinin (Warson SK66) 5 santimetre altına yerleştirin ve kalıbı bir dakika boyunca ışınlayın. UV ışığı, başlatıcı türlerdeki bağları parçalayarak onları serbest radikallere dönüştürür ve bu radikaller daha sonra polimer ve çapraz bağlayıcı moleküllere saldırabilir. Tamamen ağa bağlandığında, hidrojel jöle benzeri bir kıvama sahip kauçuk bir katı olmalıdır.
- Kalıbı ışıktan çıkarın ve kalıp konfigürasyonunu sökün. Hidrojeli cam slaytlardan çıkarın.
- Üründen reaksiyona girmemiş kimyasal türleri ve oligomerleri çıkarmak için hidrojelin her iki tarafını deiyonize su ile durulayın.
- Çeşitli UV ışığına maruz kalma sürelerinin çapraz bağlanma derecesini ve şişme kabiliyetini nasıl etkilediğini karakterize etmek için, dokuzuncu adım değiştirilirken bu prosedür tekrarlanabilir. Karakterizasyon için, çözelti 1 dakika, 1.5 dakika ve 5 dakika boyunca UV ışığına maruz bırakıldı ve toplam üç hidrojel üretildi.
Karakterizasyon
Hidrojelin şişme derecesi, polimerin kurutulması, hidratlanması ve ardından yeniden kurutulmasıyla hesaplanabilir.
- Bitmiş hidrojelleri, tamamen suya batırılacak şekilde İzopropil Alkol gibi bir alkol içeren bir kaba koyun. Alkol, hidrojeldeki tüm etilen glikolün yerini aldığında 4-8 saat alkolde bırakın.
- Hidrojelleri alkolden çıkarın ve yaklaşık 30 dakika açıkta kurumaya bırakın. Alkol, su veya çözücüden daha hızlı buharlaşır ve hidrojelin yapısını korumasına izin verir.
- Kurutulmuş hydogelleri tartın.
- Hidrojelleri tamamen şişene kadar en az 30 dakika DI suyuna batırın. Jelleri sudan çıkarın, nazikçe kurulayın ve tartın.
- Denklemi kullanarak şişme derecesini hesaplayın:
, burada 
şişmiş polimerin ağırlığı ve 
kurutulmuş polimerin ağırlığıdır.
Hidrojeller, genellikle ucuz malzemeler kullanılarak nispeten basit prosedürlerle üretilen çok yönlü bir çapraz bağlı polimer sınıfıdır. Sıvı emiciler, sensörler, tüketici ürünleri ve ilaç dağıtımı için yaygın olarak kullanılırlar. Hidrojeller, monomeri ajanlarını bir polimer omurgası oluşturmak üzere reaktif hale getiren bir başlatıcı ile çözeltiden oluşturulabilir. Çapraz bağlanan bir tür daha sonra polimer zincirlerini birbirine bağlar. Bu malzemelerin önemli bir yönü, su varlığında şişmeleridir. Ancak bu yanıt, tuzluluk, PH veya diğer sinyallerin bir fonksiyonu olarak şişmeyi arttırmak için daha da ayarlanabilir. Hidrojeller, esneklik, yüksek emicilik, şeffaflık ve ısı yalıtımı gibi bir dizi faydalı özellik ile sulu veya kuru ortamlarda kullanılabilir. Bu video, hidrojellerin sentezini ve karakterizasyonunu gösterecektir.
Hidrojeller, ağırlıklarının yüzlerce katı suyu emebilir. Su, çapraz bağlı polimer ağına girdiğinde, polimer omurgası üzerinde hidrofilik, iyonik veya her iki türü de çözer. Su molekülleri, çözünmüş gruplardan daha büyüktür. Bu nedenle, ağ içindeki varlıkları hidrojelin şişmesine neden olur. Polimer omurgasını birbirine bağlayan çapraz bağlar ise çözünmesini veya kırılmasını engeller. Hidrojel sentezi, bu çapraz bağlı, polimerik malzemeleri üretmek için bir tekniktir. Bu basit bir prosedürdür, ancak hem toksik hem de yanıcı olan kimyasalları içerir ve bu nedenle son derece dikkat ve önleyici tedbirler gerektirir. Ön jel bileşenleri kullanılarak, Serbest Radikal Polimerizasyonu yoluyla hidrojeller yapılabilir. Bir yöntem, Serbest Radikal Başlatıcı olarak DMPAP ile başlar.
DMPAP'daki karbon-karbon bağı, her karbon atomunda serbest radikal adı verilen eşleşmemiş, oldukça reaktif bir elektron oluşturmak için ultraviyole ışıkla parçalanır. Serbest radikaller, ucunda bir serbest radikal bulunan bir yayılma zinciri oluşturmak için HEMA'daki karbon-karbon çift bağı ile reaksiyona girer. Omurgadan çıkan hidroksil grubu suda çözünür ve su mevcut olduğunda çapraz bağlı ağın şişmesine neden olur. Radikaller ayrıca kimyasal çapraz bağlayıcı olan TEGDMA'daki iki karbon-karbon çift bağı ile reaksiyona girer. Bu, omurga zincirlerini birbirine bağlar. Serbest radikaller tüketildiğinde veya tamamen reaksiyona girdiğinde, hidrojel sentezi tamamlanır. Şişme, polimerin kurutulması, hidratlanması ve ardından yeniden kurutulmasıyla değerlendirilebilir. Bir sonraki bölümde, bu serbest radikal polimerizasyon yöntemini kullanarak hidrojelleri sentezleyeceğiz ve karakterize edeceğiz.
Hidrojel sentezine başlamadan önce gerekli malzemeleri ve kimyasalları toplayın. Önceden monte edilmiş sentez kalıbındaki cam slaytlar, ön jel çözeltisini kalıba pipetlemek için bir kanal oluşturmak üzere birkaç milimetre kaydırılır. Tüm çalışmalar, hem toksik hem de yanıcı kimyasallar içerdiğinden, bir çeker ocakta uygun Kişisel Koruyucu Ekipman ile yapılmalıdır. İlk olarak, 1000 mikrolitrelik test tüpüne yüzde 0.0012 mol DMPAP ekleyin. Ardından, test tüpüne yüzde 21.2121 mol HEMA ve ardından yüzde 3.0303 mol TEGDMA eklemek için her seferinde yeni bir pipet kullanın. Homojen bir çözelti elde edilene kadar çözeltiyi bir vorteks makinesi kullanarak karıştırın. Spatulayı BCP pigmentine batırın ve çözücü etilen glikolün yüzde 75.7576'sını kullanarak çözeltiye durulayın.
Pigment tamamen eriyene ve çözelti homojen olana kadar vorteks makinesini kullanarak çözeltiyi karıştırın. Bu pigment, şeffaf hidrojeli görünür kılmak için kullanılırken, çözücü Serbest Radikal Başlatıcıyı çözer ve hidrojeli esnek tutar. Sentez kalıbının ofset kenarı ile hizalanmış bir mikro pipet kullanarak çözeltiyi kalıba bırakın. Ön jel çözeltisini kalıbın ortasına düzgün bir şekilde enjekte edin. Doldurulmuş kalıbı UV yayan bir el fenerinin beş santimetre altına yerleştirin ve kalıbı bir dakika boyunca ışınlayın. Kalıbı ışıktan çıkarın ve hidrojeli cam slaytlardan çıkarmak için sökün.
Tamamen ağa bağlandığında, hidrojel jöle benzeri bir kıvama sahip kauçuk bir katı olmalıdır. Üründen reaksiyona girmemiş kimyasal türleri ve poligimleri çıkarmak için hidrojelin her iki tarafını deiyonize su ile durulayın. Toplam üç hidrojel elde etmek için bu prosedürü 1,5 ve beş dakikalık UV ışığına maruz kalma süreleriyle tekrarlayın.
Bitmiş hidrojelleri bir ila iki saat boyunca izopropil alkol içeren bir kaba daldırın. Alkol, hidrojeldeki etilen glikolün yerini alacak ve yapısını korurken hızlı bir şekilde kurumasını sağlayacaktır. Hidrojelleri alkolden çıkarın ve yaklaşık 30 dakika açıkta kurumaya bırakın. Kurutulmuş hidrojellerin her birinin ağırlığını tartın ve kaydedin. Hidrojelleri tamamen şişene kadar deiyonize suya batırın. Jelleri sudan çıkarın ve nazikçe kurulayın. Şişmiş hidrojellerin ağırlığını tartın ve kaydedin. Şişme derecesini hesaplamak için şişmiş hidrojellerin, Ws'nin ve kurutulmuş hidrojellerin, Wd'nin ağırlığını kullanın.
Şişme derecesi bir dakikalık numune için yaklaşık %136, 1.5 dakikalık numune için %387 ve beş dakikalık numune için %81 olarak bulunmuştur. Bu sonuçlar, en uzun UV maruz kalma süresinde daha az şişme olduğunu göstermektedir. Artan UV maruziyeti ile polimer molekülleri arasında daha fazla bağlantı oluşması nedeniyle, polimer zincirleri üzerinde daha elastik kısıtlayıcı kuvvetler vardı. Bu, daha fazla çapraz bağlanmaya sahip hidrojellerin, daha az çapraz bağlamaya sahip olanlardan daha az genleşmesine neden oldu.
Artık hidrojelleri sentezleme ve karakterize etme yöntemlerini takdir ettiğinize göre, bunların günlük ürünlerde nasıl kullanıldığına bir göz atalım. Hastane pedleri, kadın hijyen pedleri ve çocuk bezleri gibi tüketici ürünleri, en yaygın süper emici polimerlerden birini içerir. Bu hidrojel, ağırlığının 800 katına kadar sıvıları emmek için şişebilir ve üreticilerin ince ve rahat ürünler oluşturmasına olanak tanır. Bu videoda sentezlenen hidrojel, bir çim fıskiyesinde sensör olarak kullanılır. Sensör toprakla temas halindedir ve çim sulanırken fıskiyenin kapanmasını tetikleyene kadar şişer.
Jove'un hidrojel sentezine girişini az önce izlediniz. Artık hidrojellerin nasıl sentezlendiğini ve karakterize edildiğini anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.
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.