Overview
מקור: אמבר נ. בארון, אשליה פטרסון, וטיילור ד. ספארקס, המחלקה למדע והנדסה של חומרים, אוניברסיטת יוטה, סולט לייק סיטי, UT
הידרוג'לים הם סוג רב-תכליתי של פולימרים מקושרים המיוצרים באמצעות הליכים פשוטים יחסית ועם חומרים זולים בדרך כלל. הם יכולים להיווצר מפתרון ומערבים עמוד שדרה פולימרי שנוצר מגיב מונומר, יוזם מה שהופך את הפולימר תגובתי ומינים מקשרים את שרשראות הפולימר יחד. היבט חשוב של חומרים אלה הוא שהם מתנפחים בנוכחות מים, אבל תגובה זו יכולה להיות מכוונת עוד יותר כדי לשפר את הנפיחות כפונקציה של מליחות, pH, או אותות אחרים. כמוצר סופי, הידרוג'ל יכול לשמש בסביבות מימיות או יבשות, עם מגוון של תכונות שימושיות כגון גמישות, ספיגה גבוהה, שקיפות ובידוד תרמי. הם משמשים בדרך כלל לספיגת נוזלים, חיישנים, מוצרי צריכה, ואספקת תרופות.
Principles
הידרוג'לים הם סוג של פולימרים מקושרים המסוגלים לספוג פי מאות ממשקלם במים. מים נכנסים לרשת ומכניסים מינים הידרופיליים ו/או יוניים על עמוד השדרה הפולימרי. מולקולות המים גדולות יותר מהקבוצות המבולבלות ונוכחותן בתוך הרשת גורמת להידרוג'ל להתנפח (איור 1). הקישורים הצולבים המחברים את עמוד השדרה הפולימרי מונעים מההידרוג'ל להתמוסס או להישבר.
איור 1: הידרציה של הידרוג'ל.
בדוגמה זו, הידרוג'ל מסונתז באמצעות פילמור רדיקלים חופשיים. רדיקלים חופשיים הוא אלקטרון לא משוחזר, תגובתי מאוד שנוצר מיוזם רדיקלים חופשיים, כגון 2,2-Dimethoxy-2-פנילאצטופנון (DMPAP). אור UV מבקע את קשר הפחמן-פחמן ב-DMPAP ויוצר רדיקלים חופשיים על כל אטום פחמן (איור 2).
איור 2: 2,2-דימטוקסי-2-פנילאצטופנון מתפצל לשתי מולקולות נושאות רדיקלים חופשיים.
המינים הרדיקליים מגיבים עם קשרים כפולים ו/או משולשים שנמצאים בעמוד השדרה הפולימרי ובקישור הצולב. עבור פילמור רדיקלים חופשיים, עמוד השדרה הפולימרי מכיל קשר כפול אחד המפיץ את השרשרת. הרדיקלים החופשיים מגיבים עם קשר כפול פחמן-פחמן ב-2-הידרוקסיאתיל מתאקרילט (איור 3) כדי ליצור שרשרת מתפשטת עם רדיקלים חופשיים בקצה (שלב ההפצה באיור 4). קבוצת ההידרוקסיל שיורדת מעמוד השדרה מסיסה במים, וגורמת לרשת המקושרת להתנפח.
איור 3: 2-הידרוקסיאתיל מתאקרילט.
איור 4: UV יזם צעדי פילמור רדיקלים חופשיים.
הרדיקלים מגיבים גם עם שני קשרים כפולים פחמן-פחמן בטטראתילן גליקול דימתאקרילט (TEGDMA) (איור 5), המקשר הכימי, כדי לקשר את שרשראות עמוד השדרה יחד. סינתזת הידרוג'ל הושלמה כאשר הרדיקלים החופשיים נצרכו או הגיבו לחלוטין.
איור 5: טטרהאתילן גליקול דימתאקרילט.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
פתרון טרום ג'ל נוצר במבחנה 1000μl; חומרים, תפקיד פילמור וכמויות שנוספו מפורטים טבלאות 1.
| חומר | תכלית | מבנה | אחוז שומה |
| 2,2-דימתוקסי-2-פניל-אצטופנון (DMPAP) | יוזם קריאה חינם (פוטו-סיניטור) |
 |
0.0012 |
| 2-הידרוקסתיל מתאקרילט
(חמה) |
עמוד שדרה פולימרי |
 |
21.2121 |
| טטראתילן גליקול דימתאקרילט (TEGDMA) | קישור מוצלב |
 |
3.0303 |
| אתילן גליקול
(EG) |
הממס |  |
75.7576 |
טבלה 1. המרכיבים טרום ג'ל הידרוג'ל, תפקידיהם הידרוג'ל רדיקלים חופשיים פילמור, מבנה כימי 2D פולימרי ואת הסכומים שנוספו לפתרון טרום ג'ל.
סינתזה
- לפני תחילת סינתזת הידרוג'ל, עובש סינתזה הורכב משתי שקופיות זכוכית ושלוש, 520 מיקרון ספייס ספייס עובי פוליאולפין; תצורה זו הוחזקה יחד על-ידי סרטוני קלסר כפי שמוצג באיור 6. מגלשות הזכוכית הגדולות אוקסו בכמה מילימטרים כדי ליצור ערוץ להזרמת תמיסת טרום ג'ל לתבנית.
- לפני שתתחילו בסינתזת הידרוג'ל, השיגו מבחנה 1000μl, הכימיקלים המתוארים בטבלה 1, מיקרופיט עם טיפים נקיים וקביעת עובש(איור 6). כל העבודה צריכה להתבצע במכסה אדים עם ציוד מגן אישי מתאים (PPE). PPE כולל משקפי בטיחות או משקפי מגן, חלוק מעבדה וכפפות מגן.
איור 6: עובש סינתזה הידרוג'ל, שנוצר משתי שקופיות זכוכית, שלוש רצועות של יריעת פוליאולפין בעובי 520 מיקרון כמרווחים, וקליפים גדולים של קלסר.
- הוסף 0.0012 מול אחוז 2,2-Dimethoxy-2-פניל-acetophenone (DMPAP), פוטו-יטיטור מוצק (יוזם רדיקלים חופשיים כי הוא יזם על ידי אור), המבחנה תחילה.
- הוסיפו 21.2121 מול אחוז 2-הידרוקסתיל מתאקרילט (HEMA), מולקולת עמוד השדרה ו-3.0303 מול אחוז טטראתילן גליקול דימתאקרילט (TEGDMA), מולקולת הקישור הצולבת למבחנה, באמצעות טיפים חדשים לפיפטה בכל פעם. TEGDMA יחצה כימית את שרשראות HEMA בנוכחות רדיקלים חופשיים על ידי חיבור שרשראות הפולימר לפולימר רשת.
- מערבבים את הפתרון באמצעות מכונת מערבולת עד להשגת פתרון הומוגני.
- למדוד 0.25 גרם של ברומוקרסול סגול ולשטוף אותו לתוך הפתרון באמצעות 75.7576 מול אחוז אתילן גליקול (EG), הממס. הפיגמנט מיועד רק למטרות צפייה (ההידרוג'ל שקוף אחרת), ו- EG משמש כממס להמסת יוזם הרדיקלים החופשיים היוזם ושומר על ההידרוג'ל גמיש.
- מערבבים את התמיסה באמצעות מכונת המערבולת עד הפיגמנט מתמוסס לחלוטין ואת הפתרון הוא הומוגני.
- באמצעות מיקרופיפט, להפקיד את הפתרון לתוך התבנית על ידי יישור קצה micropipette עם הקצה היסט של שקופיות זכוכית גדולות והזרקה אחידה של פתרון pre-gel למרכז התבנית.
- מניחים עובש 5 ס"מ מתחת לפנס פולט UV (Warson SK66) ומקרינים את התבנית למשך דקה אחת. אור UV מבקע את הקשרים במיני היוזם, והופך אותם לרדיקלים חופשיים שיכולים לתקוף את מולקולות הפולימר והלינקים. כאשר מחוברים באופן מלא, ההידרוג'ל צריך להיות גומי מוצק עם עקביות דמוית ג'לי.
- מוציאים את התבנית מהאור ומפרקים את תצורת התבנית. הסר הידרוג'ל ממגלשות הזכוכית.
- יש לשטוף את שני צידי ההידרוג'ל במים שעברו דה-יונים כדי להסיר מהמוצר כל מין כימי לא מתורגל ואוליגומרים.
- כדי לאפיין כיצד זמני חשיפה שונים לאור UV משפיעים על מידת הקישור והנפיחות, ניתן לחזור על הליך זה תוך שינוי שלב תשע. לאפיון, הפתרון נחשף לאור UV במשך דקה אחת, 1.5 דקות ו -5 דקות, והפיקה בסך הכל שלושה הידרוג'לים.
איפיון
ניתן לחשב את מידת הנפיחות של ההידרוג'ל על ידי ייבוש, לחות ואז ייבוש מחדש של הפולימר.
- מניחים את הידרוג'לים המוגמרים במיכל עם אלכוהול כגון אלכוהול איזופרופיל, כך שהם שקועים לחלוטין. השאירו באלכוהול במשך 4-8 שעות, כאשר האלכוהול החליף את כל האתילן גליקול בהידרוג'ל.
- הסר את hydrogels מן האלכוהול ולהשאיר להתייבש בשטח הפתוח, כ 30 דקות. האלכוהול מתאדה מהר יותר מאשר מים או ממס, ומאפשר הידרוג'ל לשמור על המבנה שלה.
- תשקול את ההידוג'לים המיובשים.
- תטביעו את ההידרוג'ל במי DI לפחות 30 דקות, עד שהם נפוחים לחלוטין. מוציאים את הג'לים מהמים, מנגבים בעדינות יבשים ומשקלים.
- חשב את מידת הנפיחות באמצעות המשוואה:
, איפה המשקל של 
הפולימר הנפוח 
והוא המשקל של הפולימר המיובש.
, איפה המשקל של 
הפולימר הנפוח 
והוא המשקל של הפולימר המיובש.הידרוג'לים הם סוג רב-תכליתי של פולימרים מקושרים, המיוצרים באמצעות הליכים פשוטים יחסית באמצעות חומרים זולים בדרך כלל. הם משמשים בדרך כלל עבור סופגים נוזלים, חיישנים, מוצרי צריכה ואספקת תרופות. הידרוג'לים ניתן ליצור מפתרון, עם יוזם מה שהופך סוכני מונומריה תגובתי כדי ליצור עמוד שדרה פולימר. זן מקשר קושר את שרשראות הפולימרים יחד. היבט חשוב של חומרים אלה הוא כי בנוכחות מים הם מתנפחים. אבל תגובה זו יכולה להיות מכוונת עוד יותר כדי לשפר את הנפיחות כפונקציה של מליחות, PH או אותות אחרים. הידרוג'לים יכולים לשמש בסביבות מימיות או יבשות, עם מגוון של תכונות שימושיות כגון גמישות, ספיגה גבוהה, שקיפות ובידוד תרמי. וידאו זה ימחיש את הסינתזה והאפיון של הידרוג'ל.
הידרוג'לים מסוגלים לספוג פי מאות ממשקלם במים. כאשר מים נכנסים לרשת הפולימרים המקושרים, הם סולובילים הידרופיליים, יוניים או שני המינים על עמוד השדרה הפולימרי. מולקולות המים גדולות יותר מהקבוצות המבולבלות. בגלל זה, נוכחותם בתוך הרשת גורמת הידרוג'ל להתנפח. בעוד הקישורים המחברים את עמוד השדרה הפולימרי מונעים ממנו להתמוסס או להישבר. סינתזת הידרוג'ל היא טכניקה לייצור חומרים פולימריים מקושרים אלה. זהו הליך פשוט אך כרוך בכימיקלים רעילים ודליקים ולכן דורש טיפול קיצוני ואמצעי מניעה. באמצעות מרכיבים טרום ג'ל, הידרוג'ל יכול להיעשות באמצעות פילמור רדיקלים חופשיים. שיטה אחת מתחילה עם DMPAP כיוזם רדיקלים חופשיים.
קשר הפחמן-פחמן ב-DMPAP מבקע באור אולטרה סגול כדי ליצור אלקטרון לא משוחזר, תגובתי מאוד, הנקרא רדיקלים חופשיים על כל אטום פחמן. הרדיקלים החופשיים מגיבים עם קשר כפול פחמן-פחמן ב HEMA כדי ליצור שרשרת propogating עם רדיקלים חופשיים בסוף. הקבוצה ההידרוקסיאלית שיוצאת מעמוד השדרה מסיסה במים, וגורמת לרשת המקושרת להתנפח כאשר המים קיימים. הרדיקלים מגיבים גם עם שני קשרים דו-פחמן כפול ב- TEGDMA, crosslinker הכימי. זה מקשר את שרשראות עמוד השדרה יחד. כאשר הרדיקלים החופשיים נצרכו, או הגיבו לחלוטין, סינתזת ההידרוג'ל הושלמה. נפיחות ניתן להעריך על ידי ייבוש, לחות ולאחר מכן ייבוש מחדש של הפולימר. בחלק הבא, אנו סינתזה ולאפיין הידרוג'לים באמצעות שיטת פילמור רדיקלים חופשיים זו.
לפני תחילת סינתזת הידרוג'ל, לאסוף את החומרים הדרושים וכימיקלים. מגלשות הזכוכית בתבנית הסינתזה שהורכבה בעבר מנוקשות בכמה מילימטרים, כדי ליצור ערוץ להזרמת תמיסת טרום ג'ל לתבנית. כל העבודה צריכה להתבצע עם ציוד מגן אישי מתאים באדים, שכן תהליך זה כרוך כימיקלים רעילים ודליקים. ראשית, להוסיף 0.0012 מול אחוז DMPAP למבחנת 1000 microliter. לאחר מכן, השתמש pipette חדש בכל פעם כדי להוסיף 21.2121 מול אחוז HEMA ולאחר מכן 3.0303 מול אחוז TEGDMA למבחנה. מערבבים את הפתרון באמצעות מכונת מערבולת עד להשגת פתרון הומוגני. טובלים את המרית בפיגמנט BCP ושוטפים אותה בתמיסה באמצעות 75.7576 מול אחוז מהאתילן גליקול הממס.
מערבבים את התמיסה באמצעות מכונת המערבולת עד הפיגמנט מתמוסס לחלוטין ואת הפתרון הוא הומוגני. פיגמנט זה משמש כדי להפוך את הידרוג'ל שקוף גלוי, בעוד הממס ממיס את יוזם הרדיקלי החופשי ושומר על הידרוג'ל גמיש. להפקיד את הפתרון לתוך התבנית באמצעות פיפטה מיקרו מיושר עם הקצה היסט של עובש הסינתזה. מזריקים באופן אחיד את תמיסה לפני הג'ל למרכז התבנית. מניחים את התבנית המלאה חמישה סנטימטרים מתחת לפנס פולט UV ומקרינים את התבנית למשך דקה אחת. מוציאים את התבנית מהאור ומפרקים כדי להסיר את ההידרוג'ל ממגלשות הזכוכית.
כאשר מחוברים באופן מלא, ההידרוג'ל צריך להיות גומי מוצק עם עקביות דמוית ג'לי. יש לשטוף את שני צידי ההידרוג'ל במים שעברו דה-יונים כדי להסיר מהמוצר מינים כימיים ופוליג'ימרים שלא הוחזרו. חזור על הליך זה עם זמני חשיפה לאור UV של 1.5 וחמש דקות כדי לייצר בסך הכל שלושה הידרוג'ל.
תטביעו את ההידרוג'לים המוגמרים במיכל עם אלכוהול איזופרופיל למשך שעה עד שעתיים. האלכוהול יחליף את האתילן גליקול בהידרוג'ל, ויאפשר לו להתייבש במהירות תוך שמירה על המבנה שלו. הסר את hydrogels מן האלכוהול ולהשאיר להתייבש בשטח הפתוח במשך כ 30 דקות. שקול ומקליט את המשקל של כל אחד מההידרוג'לים המיובשים. שקועים בהידרולג'ל במים שעברו דה-יונים עד שהם נפוחים לחלוטין. מוציאים את הג'לים מהמים ומנגבים בעדינות יבשים. שקול ומקליט את המשקל של הידרוג'ל נפוח. השתמש במשקל של הידרוג'ל נפוח, Ws, ואת הידרוג'ל מיובש, Wd, כדי לחשב את מידת הנפיחות.
מידת הנפיחות נמצאה כ-136% לדגימה של דקה אחת, 387% לדגימה של 1.5 דקות ו-81% לדגימה של חמש דקות. תוצאות אלה מראות כי בזמן החשיפה הארוך ביותר לקרינת UV, הייתה פחות נפיחות. בשל היווצרות של קשרים נוספים בין מולקולות פולימר עם חשיפה מוגברת UV, היו כוחות רסן אלסטיים יותר על שרשראות הפולימר. התוצאה הייתה הידרוג'לים עם יותר crosslinking מתרחב פחות מאלה עם פחות crosslinking.
עכשיו שאתם מעריכים את השיטות של סינתזה ואפיון הידרוג'לים, בואו נסתכל על האופן שבו הם משמשים במוצרים יומיומיים. מוצרי צריכה כגון רפידות בית חולים, רפידות היגיינה נשית וחיתולים, מכילים את אחד הפולימרים סופר-סופגים הנפוצים ביותר. הידרוג'ל זה יכול להתנפח לספוג נוזלים עד פי 800 ממשקלו, ומאפשר ליצרנים ליצור מוצרים דקים ונוחים. ההידרוג'ל המסונתז בסרטון זה משמש כחיישן בממטרת דשא. החיישן נמצא במגע עם האדמה ומתנפח בזמן שהמדשאה מושקית, עד שהוא מפעיל את כיבוי הממטרה.
הרגע צפית בהקדמה של יובה לסינתזת הידרוג'ל. עכשיו אתה צריך להבין איך הידרוג'ל מסונתז ומאופיין. תודה שצפיתם.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
המונומר ההידרוג'ל הסופי מוצג באיור 7, וההידרוג'לים המסונתזים מוצגים באיור 8. מידת הנפיחות נמצאה כ -136% עבור המדגם של דקה אחת, 387% לדגימה של 1.5 דקות ו -81% לדגימה של 5 דקות. תוצאות אלה ממחישות את הקשר בין מידת הקישור הצולב, או המידה שבה הרשת מחוברת, לבין יכולת נפיחות. יותר קשרים בין מולקולות הפולימר פירושם כוחות מרסן אלסטיים יותר על שרשראות הפולימרים האלה, אשר מונעים מהם להתרחב לאותה מידה כמו הידרוג'ל פחות מוצלב.
איור 7: מונומר שנוצר מ-DMPAP פוטו-סיניטיאטור, עמוד השדרה של HEMA, חוצה TEGDMA, ממס EG ופיגמנט פוטוכרומי לאחר פילמור רדיקלים חופשיים.
איור 8: הידרוג'ל לאחר פילמור. משמאל לימין: דקה אחת תחת אור UV במהלך פילמור, 1.5 דקות תחת אור UV במהלך פילמור, 5 דקות תחת אור UV במהלך פילמור. המדגם בן הדקה נראה שקוף יותר ודומה לג'ל מאשר דגימות של 1.5 דקות ו-5 דקות, שהיו בהן דרגות הולכות וגדלות של פילמור
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
סינתזת הידרוג'ל היא טכניקה לייצור חומרים פולימריים מקושרים אשר יכול להתנפח בתגובה נוזל, אור UV, pH, או מגוון של ממריצים אחרים. סינתזה על ידי שילוב של פתרונות נוזליים היא יתרון עבור הפשטות של ערבוב ויצירת הידרוג'לים, אם כי המוצר הסופי הוא בדרך כלל טמא נוטה להכיל פולימרים עם משקולות מולקולריות נמוכות. הליך ספציפי זה, למרות שהוא פשוט, כרוך בכימיקלים רעילים ודליקים, ולכן דורש טיפול קיצוני ואמצעי מניעה. הידרוג'ל המיוצר בשיטה זו שימושיים ביישומים החל מאספקת תרופות לחיישנים ועד מוצרי היגיינה סופגים.
הידרוג'לים משמשים במגוון מוצרי צריכה, מכשור רפואי וחיישנים. מוצרי צריכה כגון רפידות בית חולים, רפידות היגיינה נשית וחיתולים מכילים נתרן פוליאקרילט, אחד הפולימרים הסופר-סורבנט הנפוצים ביותר. ההידרוג'ל מתנפח בנוכחות הנוזל בין 300-800 פעמים משקלו. זה מאפשר ליצרנים להשתמש פחות חומר וליצור מוצרים דקים ונוחים עבור המשתמש ללבוש.
בנוסף, עדשות מגע רכות עשויות הידרוג'ל סיליקון, המאפשרות לחמצן לעבור בקלות לקרנית ונוחות יותר מעדשות מגע קשות. הידרוג'לים משמשים גם באספקת תרופות מכיוון שהרשת המקושרת מאפשרת לאחסן תרופות ברשת התלת מימדית ולשחרר אותה לאט לגוף.
הידרוג'ל יכול להיות מכוון גם להתנפח כפונקציה של מליחות, pH, או אותות אחרים, מה שהופך אותם מתאימים ביישומי חיישנים. ההידרוג'ל המסונתז בסרטון זה משמש כחיישן בחיישן דשא ממטרה. ההידרוג'ל נמצא במגע עם האדמה ובזמן שהמדשאה מושקית, היא מתנפחת עד שהיא מפעילה את כיבוי הממטרה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
