Overview
Quelle: Amber N. Barron, Ashlea Patterson und Taylor D. Sparks, Department of Materials Science and Engineering, The University of Utah, Salt Lake City, UT
Hydrogele sind eine vielseitige Klasse vernetzter Polymere, die durch relativ einfache Verfahren und mit allgemein kostengünstigen Materialien hergestellt werden. Sie können aus Lösung gebildet werden und beinhalten ein Polymer-Rückgrat aus Monomerreagenzien, einem Initiator, der das Polymer reaktiv macht, und einer vernetzungsart, die die Polymerketten miteinander verbindet. Ein wichtiger Aspekt dieser Materialien ist, dass sie in Gegenwart von Wasser anschwellen, aber diese Reaktion kann weiter abgestimmt werden, um die Schwellung als Funktion des Salzgehalts, pH-Werts oder anderer Signale zu verbessern. Als Endprodukt können Hydrogele in wässrigen oder trockenen Umgebungen eingesetzt werden, mit einer Reihe von nützlichen Eigenschaften wie Flexibilität, hohe Absorption, Transparenz und Wärmedämmung. Sie werden häufig für Flüssigkeitsaufnahme, Sensoren, Konsumgüter und Arzneimittelabgabe verwendet.
Principles
Hydrogele sind eine Klasse von vernetzten Polymeren, die in der Lage sind, das Hundertfache ihres Gewichts in Wasser aufzunehmen. Wasser gelangt indas Netz und löst hydrophile und/oder ionische Arten auf dem Polymerrückgrat. Die Wassermoleküle sind größer als die löslichen Gruppen und ihre Anwesenheit im Netzwerk bewirkt, dass das Hydrogel anschwillt (Abbildung 1). Die Querverbindungen, die das Polymer-Rückgrat verbinden, verhindern, dass sich das Hydrogel auflöst oder bricht.
Abbildung 1: Hydration eines Hydrogels.
In diesem Beispiel wird das Hydrogel durch freie Radikalpolymerisation synthetisiert. Ein freier Radikal ist ein ungepaartes, hochreaktives Elektron, das aus einem Freien-Radikal-Initiator wie 2,2-Dimethoxy-2-Phenylacetophenon (DMPAP) entsteht. UV-Licht spaltet die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung in DMPAP, um einen freien Radikal auf jedem Kohlenstoffatom zu bilden (Abbildung 2).
Abbildung 2: 2,2-Dimethoxy-2-Phenylacetophenon fragmentiert sich in zwei freie Radikal-tragende Moleküle.
Die radikale Art reagiert mit doppelten und/oder dreifachen Bindungen, die im Polymer-Rückgrat und -Verlinker gefunden werden. Für die freie Radikalpolymerisation enthält das Polymer-Rückgrat eine Doppelbindung, die die Kette propagiert. Die freien Radikale reagieren mit der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung in 2-Hydroxyethylmethacrylat (Abbildung 3) zu einer Vermehrungskette mit einem freien Radikal am Ende (Vermehrungsschritt in Abbildung 4). Die Hydroxylgruppe, die aus dem Rückgrat kommt, ist in Wasser löslich, wodurch das vernetzte Netzwerk anschwellen lässt.
Abbildung 3: 2-Hydroxyethylmethacrylat.
Abbildung 4: UV initiierte Schritte zur Polymerisation freier Radikaler.
Die Radikale reagieren auch mit den beiden Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen in Tetraethylenglykoldimethacrylat (TEGDMA), dem chemischen Querlinker, um die Backbone-Ketten miteinander zu verbinden. Die Hydrogelsynthese ist abgeschlossen, wenn die freien Radikale verbraucht wurden oder vollständig reagiert haben.
Abbildung 5: Tetraethylenglykoldimethacrylat.
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Procedure
Die Vorgellösung wurde in einem 1000-l-Reagenzglas entwickelt; Materialien, Rolle bei der Polymerisation und hinzugefügte Mengen sind in Tabellen 1 aufgeführt.
| Material | Zweck | Struktur | Maulwurf prozentig |
| 2,2-Dimethoxy-2-phenyl-acetophenon (DMPAP) | Kostenloser leseförmiger Initiator (Fotoinitiator) |
 |
0.0012 |
| 2-Hydroxethylmethacrylat
(HEMA) |
Polymer-Rückgrat |
 |
21.2121 |
| Tetraethylenglykoldimethacrylat (TEGDMA) | Vernetzer |
 |
3.0303 |
| Ethylenglycol
(EG) |
Lösungsmittel |  |
75.7576 |
Tabelle 1. Hydrogel-Vorgelbestandteile, ihre Rolle bei der Hydrogel-Freien-Radikalpolymerisation, der chemischen 2D-Polymerstruktur und den Der Vorgellösung zugesetzten Mengen.
Synthese
- Vor Beginn der Hydrogelsynthese wurde eine Syntheseform aus zwei Glasglysen und drei 520 Mikron dicken Polyolefin-Platten-Abstandshaltern zusammengesetzt; Diese Konfiguration wurde durch Binderclips zusammengehalten, wie in Abbildung 6dargestellt. Die großen Glasgleitet wurden um wenige Millimeter versetzt, um einen Kanal zum Pipetieren der Vorgellösung in die Form zu schaffen.
- Vor Beginn der Hydrogelsynthese erhalten Sie ein 1000-l-Reagenzglas, die in Tabelle 1 beschriebenen Chemikalien, eine Mikropipette mit sauberen Spitzen und ein sessende Form (Abbildung 6). Alle Arbeiten sollten in einer Dunstabzugshaube mit entsprechender persönlicher Schutzausrüstung (PSA) ausgeführt werden. PSA umfasst Eine Schutzbrille oder Schutzbrille, einen Labormantel und Schutzhandschuhe.
Abbildung 6: Hydrogel-Syntheseform, die aus zwei Glasgleitern, drei Streifen mit 520 Mikron dicker Polyolefin-Platte als Abstandshalter und großen Binderclips hergestellt wird.
- Fügen Sie 0,0012 Maulwurf prozentweise 2,2-Dimethoxy-2-phenyl-acetophenon (DMPAP), den festen Photoinitator (freier Radikalinitiator, der durch Licht initiiert wird), zuerst in das Reagenzglas ein.
- Fügen Sie 21,2121 Mol prozent2-Hydroxethylmethacrylat (HEMA), das Rückgratmolekül, und 3,0303 Mol Prozent Tetraethylenglykoldimethacrylat (TEGDMA), das Vernetzungsmolekül zum Reagenzglas, jedes Mal mit neuen Pipettenspitzen hinzu. TEGDMA wird die HEMA-Ketten in Gegenwart freier Radikale chemisch vernetzen, indem die Polymerketten mit einem Netzwerkpolymer verbunden werden.
- Mischen Sie die Lösung mit einer Wirbelmaschine, bis eine homogene Lösung erreicht ist.
- Messen Sie 0,25 Gramm Bromocresol Purple und spülen Sie es mit 75,7576 Mol-Prozent Ethylenglykol (EG), dem Lösungsmittel, in die Lösung. Das Pigment dient nur zu Betrachtungszwecken (das Hydrogel ist sonst transparent), und EG dient als Lösungsmittel, um den anretzenden freien Radikalinitiator aufzulösen und hält das Hydrogel flexibel.
- Mischen Sie die Lösung mit der Wirbelmaschine, bis sich das Pigment vollständig auflöst und die Lösung homogen ist.
- Mit einer Mikropipette die Lösung in die Form ablegen, indem Sie die Spitze der Mikropipette mit der versetzten Kante der großen Glasgleiter ausrichten und die Vorgellösung gleichmäßig in die Mitte der Form einspritzen.
- Legen Sie die Form 5 Zentimeter unter eine UV-emittierende Taschenlampe (Warson SK66) und bestrahlen Sie die Form für eine Minute. UV-Licht spaltet die Bindungen in der Initiatorart und verwandelt sie in freie Radikale, die dann die Polymer- und Verkreuzermoleküle angreifen können. Wenn das Hydrogel vollständig vernetzt ist, sollte es sich um einen Gummikörper mit einer jelloartigen Konsistenz befinden.
- Entfernen Sie Die Form aus dem Licht und zerlegen Sie die Formkonfiguration. Hydrogel von den Glasgleitern entfernen.
- Spülen Sie beide Seiten des Hydrogels mit entionisiertem Wasser, um unreagierte chemische Arten und Oligomere aus dem Produkt zu entfernen.
- Um zu charakterisieren, wie sich verschiedene UV-Licht-Belichtungszeiten auf den Grad der Vernetzung und Quellfähigkeit auswirken, kann dieses Verfahren wiederholt werden, während Schritt neun variiert wird. Zur Charakterisierung wurde die Lösung 1 Minute, 1,5 Minuten und 5 Minuten UV-Licht ausgesetzt, wodurch insgesamt drei Hydrogele erzeugt wurden.
Charakterisierung
Der Quellgrad des Hydrogels kann durch Trocknen, Hydratisieren und anschließendes Retrocknen des Polymers berechnet werden.
- Legen Sie die fertigen Hydrogele in einen Behälter mit einem Alkohol wie Isopropylalkohol, so dass sie vollständig unterGetaucht sind. Lassen Sie im Alchohol für 4-8 Stunden, wenn der Alkohol hat alle Ethylenglykol im Hydrogel ersetzt.
- Entfernen Sie die Hydrogele aus dem Alkohol und lassen Sie im Freien trocknen, etwa 30 Minuten. Der Alkohol verdunstet schneller als Wasser oder das Lösungsmittel, so dass das Hydrogel seine Struktur erhalten kann.
- Wiegen Sie die getrockneten Hydoglen.
- Tauchen Sie die Hydrogele mindestens 30 Minuten in DI-Wasser ein, bis sie vollständig angeschwollen sind. Entfernen Sie die Gele aus dem Wasser, wischen Sie vorsichtig trocken und wiegen.
- Berechnen Sie den Quellgrad
mit 
der Gleichung: , wobei 
das Gewicht des geschwollenen Polymers und das Gewicht des getrockneten Polymers ist.
mit 
der Gleichung: , wobei 
das Gewicht des geschwollenen Polymers und das Gewicht des getrockneten Polymers ist.Hydrogele sind eine vielseitige Klasse vernetzter Polymere, die durch relativ einfache Verfahren mit allgemein kostengünstigen Materialien hergestellt werden. Sie werden häufig für Flüssigkeitsabsorber, Sensoren, Konsumgüter und Arzneimittelabgabe verwendet. Hydrogele können aus Lösung gebildet werden, wobei ein Initiator Monomerie-Wirkstoffe reaktiv macht, um ein Polymer-Rückgrat zu bilden. Eine vernetzungsartige Art bindet dann die Polymerketten miteinander. Ein wichtiger Aspekt dieser Materialien ist, dass sie in Gegenwart von Wasser anschwellen. Aber diese Reaktion kann weiter abgestimmt werden, um Schwellung als Funktion des Salzgehalts zu verbessern, PH oder andere Signale. Hydrogele können in wässrigen oder trockenen Umgebungen eingesetzt werden, mit einer Reihe von nützlichen Eigenschaften wie Flexibilität, hohe Absorption, Transparenz und Wärmedämmung. Dieses Video wird die Synthese und Charakterisierung von Hydrogelen veranschaulichen.
Hydrogele sind in der Lage, das Hundertfache ihres Gewichts in Wasser aufzunehmen. Wenn Wasser in das vernetzte Polymernetz gelangt, löst es hydrophile, ionische oder beide Arten auf dem Polymerrückgrat. Die Wassermoleküle sind größer als die löslichen Gruppen. Aus diesem Grund führt ihre Präsenz im Netzwerk dazu, dass das Hydrogel anschwillt. Während die Querverbindungen, die das Polymer-Rückgrat verbinden, verhindern, dass es sich auflöst oder bricht. Die Hydrogelsynthese ist eine Technik zur Herstellung dieser vernetzten, polymeren Materialien. Dies ist ein einfaches Verfahren, beinhaltet aber Chemikalien, die sowohl giftig als auch entzündlich sind und daher äußerste Sorgfalt und vorbeugende Maßnahmen erfordern. Mit Vorgel-Komponenten können Hydrogele über freie Radikalpolymerisation hergestellt werden. Eine Methode beginnt mit DMPAP als Free Radical Initiator.
Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung in DMPAP wird durch ultraviolettes Licht zu einem ungepaarten, hochreaktiven Elektron, einem freien Radikal auf jedem Kohlenstoffatom, geklammert. Die freien Radikale reagieren mit der Carbon-Carbon-Doppelbindung in HEMA zu einer Propo-Kette mit einem freien Radikal am Ende. Die Hydroxalgruppe, die aus dem Rückgrat kommt, ist in Wasser löslich, wodurch das vernetzte Netz anschwellen lässt, wenn Wasser vorhanden ist. Die Radikalen reagieren auch mit den beiden Carbon-Carbon-Doppelbindungen in TEGDMA, dem chemischen Verlinker. Dadurch werden die Backbone-Ketten miteinander verbunden. Wenn die freien Radikale verbraucht wurden oder vollständig reagiert haben, ist die Hydrogelsynthese abgeschlossen. Die Schwellung kann durch Trocknen, Hydratisieren und anschließendes Retrocknen des Polymers beurteilt werden. Im nächsten Abschnitt werden wir Hydrogele mit dieser Methode der freien Radikalpolymerisation synthetisieren und charakterisieren.
Vor Beginn der Hydrogelsynthese die notwendigen Materialien und Chemikalien sammeln. Die Glasschlitten in der zuvor montierten Syntheseform werden um wenige Millimeter versetzt, um einen Kanal zum Pipetieren der Vorgellösung in die Form zu schaffen. Alle Arbeiten sollten mit der richtigen persönlichen Schutzausrüstung in einer Rauchhaube durchgeführt werden, da dieser Prozess Chemikalien beinhaltet, die sowohl giftig als auch entzündlich sind. Fügen Sie zunächst 0,0012 Mol Prozent DMPAP zum 1000-Mikroliter-Reagenzglas hinzu. Als Nächstes verwenden Sie jedes Mal eine neue Pipette, um 21,2121 Mol Prozent HEMA und dann 3,0303 Mol Prozent TEGDMA in das Reagenzglas hinzuzufügen. Mischen Sie die Lösung mit einer Wirbelmaschine, bis eine homogene Lösung erreicht ist. Tauchen Sie den Spachtel in das Pigment BCP und spülen Sie ihn mit 75,7576 Mol Prozent des Lösungsmittels Ethylenglykol in die Lösung.
Mischen Sie die Lösung mit der Wirbelmaschine, bis sich das Pigment vollständig auflöst und die Lösung homogen ist. Dieses Pigment wird verwendet, um das transparente Hydrogel sichtbar zu machen, während das Lösungsmittel den Free Radical Initiator auflöst und das Hydrogel flexibel hält. Legen Sie die Lösung in die Form mit einer Mikropipette, die an der versetzten Kante der Syntheseform ausgerichtet ist. Die Vorgellösung gleichmäßig in die Mitte der Form injizieren. Legen Sie die gefüllte Form fünf Zentimeter unter eine UV-emittierende Taschenlampe und bestrahlen Sie die Form für eine Minute. Entfernen Sie die Form aus dem Licht und zerlegen Sie, um das Hydrogel von den Glasgleitern zu entfernen.
Wenn das Hydrogel vollständig vernetzt ist, sollte es sich um einen Gummikörper mit einer jelloartigen Konsistenz befinden. Spülen Sie beide Seiten des Hydrogels mit entionisiertem Wasser, um unreagierte chemische Arten und Polygimere aus dem Produkt zu entfernen. Wiederholen Sie diesen Vorgang mit UV-Lichtbelichtungszeiten von 1,5 und fünf Minuten, um insgesamt drei Hydrogele zu erzeugen.
Untertauchen Sie die fertigen Hydrogele ein bis zwei Stunden in einen Behälter mit Isopropylalkohol. Der Alkohol ersetzt das Ethylenglykol im Hydrogel, so dass es schnell trocknen kann, während seine Struktur erhalten bleibt. Die Hydrogele aus dem Alkohol nehmen und ca. 30 Minuten im Freien trocknen lassen. Wiegen und erfassen Sie das Gewicht der einzelnen getrockneten Hydrogele. Untertauchen Sie die Hydrogele in entionisiertes Wasser, bis sie vollständig angeschwollen sind. Entfernen Sie die Gele aus dem Wasser und wischen Sie sie vorsichtig trocken ab. Wiegen und erfassen Sie das Gewicht der geschwollenen Hydrogele. Verwenden Sie das Gewicht der geschwollenen Hydrogele, Ws, und der getrockneten Hydrogele, Wd, um den Schwellungsgrad zu berechnen.
Es wurde festgestellt, dass der Schwellungsgrad für die einminütige Probe etwa 136 %, für die 1,5-Minütige-Probe 387 % und für die fünfminütige Probe 81 % betrug. Diese Ergebnisse zeigen, dass bei der längsten UV-Expositionszeit weniger Schwellungen vorhanden waren. Durch die Bildung von mehr Verbindungen zwischen Polymermolekülen mit erhöhter UV-Exposition gab es elastischere Bremskräfte an den Polymerketten. Dies führte dazu, dass Hydrogele mit mehr Vernetzung weniger expandieren als solche mit weniger Vernetzung.
Nun, da Sie die Methoden der Synthese und Charakterisierung von Hydrogelen zu schätzen wissen, werfen wir einen Blick darauf, wie sie in alltäglichen Produkten verwendet werden. Konsumgüter wie Krankenhauspads, feminine Hygienepads und Windeln enthalten eines der häufigsten superabsorbierenden Polymere. Dieses Hydrogel kann anschwellen, um Flüssigkeiten bis zum 800-fachen seines Gewichts zu absorbieren, so dass Hersteller Produkte entwickeln können, die schlank und komfortabel sind. Das in diesem Video synthetisierte Hydrogel wird als Sensor in einem Rasenregner verwendet. Der Sensor ist in Kontakt mit dem Boden und schwillt an, während der Rasen bewässert wird, bis er die Sprinklerabschaltung auslöst.
Sie haben gerade Joves Einführung in die Hydrogelsynthese gesehen. Sie sollten jetzt verstehen, wie Hydrogele synthetisiert und charakterisiert werden. Danke fürs Zuschauen.
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Results
Das endgültige Hydrogelmonomer ist in Abbildung 7dargestellt, und die synthetisierten Hydrogele sind in Abbildung 8dargestellt. Es wurde festgestellt, dass der Schwellungsgrad für die 1-min-Probe etwa 136%, für die 1,5 min-Probe 387% und für die 5-min-Probe 81% betrug. Diese Ergebnisse zeigen die Beziehung zwischen dem Grad der Vernetzung oder dem Grad, in dem das Netzwerk verbunden ist, und der Quellfähigkeit. Mehr Verbindungen zwischen den Polymermolekülen bedeuten elastischere Bremskräfte auf diesen Polymerketten, die sie daran hindern, sich in gleichem Maße wie ein weniger vernetztes Hydrogel auszudehnen.
Abbildung 7: Monomer aus Photoinitiator DMPAP, HEMA-Backbone, TEGDMA-Verklinker, EG-Lösungsmittel und photochromem Pigment nach freier Radikalpolymerisation.
Abbildung 8: Hydrogele nach Polymerisation. Von links nach rechts: 1 Minute unter UV-Licht während der Polymerisation, 1,5 Minuten unter UV-Licht während der Polymerisation, 5 Minuten unter UV-Licht während der Polymerisation. Die 1-minütige Probe erscheint transparenter und gel-ähnlicher als die 1,5-Minuten- und 5-Minuten-Proben, die einen zunehmenden Polymerisationsgrad hatten.
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Applications and Summary
Die Hydrogelsynthese ist eine Technik zur Herstellung vernetzter polymerer Materialien, die als Reaktion auf Flüssig-, UV-Licht-, pH-Wert- oder eine Reihe anderer Stimulanzien anschwellen können. Die Synthese durch Kombination flüssiger Lösungen ist vorteilhaft für die Einfachheit des Mischens und Formens von Hydrogelen, obwohl das Endprodukt im Allgemeinen unrein ist und dazu neigt, Polymere mit niedrigen Molekulargewichten zu enthalten. Dieses spezielle Verfahren ist zwar einfach, umfasst jedoch Chemikalien, die sowohl giftig als auch entzündlich sind, und erfordert daher äußerste Sorgfalt und vorbeugende Maßnahmen. Die mit dieser Methode hergestellten Hydrogele sind nützlich in Anwendungen, die von der Medikamentenabgabe über Sensoren bis hin zu saugfähigen Hygieneprodukten reichen.
Hydrogele werden in einer Vielzahl von Konsumgütern, medizinmedizinischen Geräten und Sensoren verwendet. Konsumgüter wie Krankenhauspads, feminine Hygienepads und Windeln enthalten Natriumpolyacrylat, eines der häufigsten superabsorbierenden Polymere. Das Hydrogel schwillt in Gegenwart der Flüssigkeit zwischen dem 300-800-fachen seines Gewichts an. Dies ermöglicht es Herstellern, weniger Material zu verwenden und Produkte zu schaffen, die schlank und bequem für den Benutzer zu tragen sind.
Darüber hinaus bestehen weiche Kontaktlinsen aus Silikonhydrogelen, die sauerstofffrei in die Hornhaut übergehen können und bequemer sind als harte Kontaktlinsen. Hydrogele werden auch häufig bei der Medikamentenabgabe verwendet, weil das vernetzte Netzwerk es ermöglicht, Medikamente im dreidimensionalen Netzwerk zu lagern und langsam in den Körper freizulassen.
Hydrogele können auch als Funktion von Salzgehalt, pH-Wert oder anderen Signalen auf den Anschwellen abgestimmt werden, wodurch sie für Sensoranwendungen geeignet sind. Das in diesem Video synthetisierte Hydrogel wird als Sensor in einem Sprinklerrasensensor verwendet. Das Hydrogel ist in Kontakt mit dem Boden und während der Rasen bewässert wird, schwillt es an, bis es die Sprinklerabschaltung auslöst.
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