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Síntese de Hidrogel

Overview

Fonte: Amber N. Barron, Ashlea Patterson, e Taylor D. Sparks, Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade de Utah, Salt Lake City, UT

Hidrogéis são uma classe versátil de polímeros transversais produzidos através de procedimentos relativamente simples e com materiais geralmente baratos. Eles podem ser formados a partir de solução e envolvem uma espinha dorsal de polímero formada a partir de reagentes monômeros, um iniciador que torna o polímero reativo e uma espécie transligadora que une as cadeias de polímeros. Um aspecto importante desses materiais é que eles incham na presença de água, mas essa resposta pode ser ajustada ainda mais para melhorar o inchaço em função da salinidade, pH ou outros sinais. Como produto final, hidrogéis podem ser usados em ambientes aquosos ou secos, com uma gama de propriedades úteis, como flexibilidade, alta absorvância, transparência e isolamento térmico. Eles são comumente usados para absorção de líquidos, sensores, produtos de consumo e entrega de medicamentos.

Principles

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Hidrogéis são uma classe de polímeros transversais capazes de absorver centenas de vezes seu peso na água. A água entra na rede e solubiliza espécies hidrofílicas e/ou iônicas na espinha dorsal do polímero. As moléculas de água são maiores que os grupos solubilizados e sua presença dentro da rede faz com que o hidrogel incha (Figura 1). As ligações cruzadas que ligam a espinha dorsal do polímero impedem que o hidrogel se dissoluta ou quebre.

Figure 1
Figura 1: Hidratação de um hidrogel.

Neste exemplo, o hidrogel é sintetizado através da polimerização radical livre. Um radical livre é um elétron não reativa criado a partir de um iniciador radical livre, como 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPAP). A luz UV corta a ligação carbono-carbono no DMPAP para formar um radical livre em cada átomo de carbono (Figura 2).

Figure 2
Figura 2: 2,2-Dimethoxy-2-fenitofenona fragmentando-se em duas moléculas radicais livres.

A espécie radical reage com ligações duplas e/ou triplas encontradas na espinha dorsal do polímero e no cross-linker. Para polimerização radical livre, a espinha dorsal do polímero contém uma ligação dupla que propaga a cadeia. Os radicais livres reagem com a ligação dupla carbono-carbono em 2-hidroxitil metacrilato (Figura 3) para formar uma cadeia de propagação com um radical livre no final (passo de propagação na Figura 4). O grupo hidroxil que sai da espinha dorsal é solúvel em água, fazendo com que a rede transligada incha.

Figure 3
Figura 3: 2-hidroxitil metacrilato.

Figure 4
Figura 4: UV iniciou etapas de polimerização radical livre.

Os radicais também reagem com as duas ligações duplas carbono-carbono no tetalacto de tetraetileno glicol (TEGDMA) (Figura 5), o cruzado químico, para unir as cadeias backbone. A síntese de hidrogel está completa quando os radicais livres foram consumidos ou reagiram completamente.

Figure 5
Figura 5: Tetraetileno glicol dimethacloreto.

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Procedure

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A solução pré-gel foi criada em um tubo de ensaio de 1000μl; materiais, papel na polimerização e quantidades adicionadas estão listados nas Tabelas 1.

Material Propósito Estrutura Por cento mole
2,2-Dimethoxy-2-fenil-acetophenona (DMPAP) Iniciador readical gratuito (fotoinitiador) Equation 5  0.0012
2-Metacrilato de Hidroxitil

(HEMA)

Espinha dorsal do polímero Equation 6  21.2121
Tetraetileno glicol dimethactilato (TEGDMA) Crosslinker Equation 7  3.0303
Etilenoglicol

(EG)

Solvente Equation 8 75.7576

Mesa 1. Constituintes de pré-gel de hidrogel, seus papéis na polimerização radical livre de hidrogel, estrutura polimérica 2D química e as quantidades adicionadas à solução pré-gel.

Síntese

  1. Antes do início da síntese de hidrogel, um molde de síntese foi montado a partir de dois slides de vidro e três espaçadores de folha de poliolefina de espessura de 520 mícrons; esta configuração foi mantida em conjunto por clipes de aglutinante, como mostrado na Figura 6. As grandes lâminas de vidro foram compensadas por alguns milímetros para criar um canal para a pipetação da solução pré-gel no molde.
  2. Antes de iniciar a síntese de hidrogel, obtenha um tubo de ensaio de 1000μl, os produtos químicos descritos na Tabela 1, uma micropipette com pontas limpas e molde de ajuste(Figura 6). Todo o trabalho deve ser realizado em um capô de fumaça com equipamentos de proteção individual (EPI) adequados. O EPI inclui óculos de segurança ou óculos, um jaleco e luvas de proteção.

Figure 6
Figura 6: Molde de síntese de hidrogel, criado a partir de dois slides de vidro, três tiras de 520 mícrons de espessura de folha de poliolefina como espaçadores, e grandes clipes de aglutinante.

  1. Adicione 0,0012 mole por cento 2,2-Dimethoxy-2-fenil-acetophenone (DMPAP), o fotoinitador sólido (iniciador radical livre que é iniciado pela luz), ao tubo de ensaio primeiro.
  2. Adicione 21,2121 por cento de 2-hidroxitil metacrilato (HEMA), a molécula de espinha dorsal, e 3,0303 por cento de tetraetileno glicol dimethacloretola (TEGDMA), a molécula de ligação cruzada para o tubo de ensaio, usando novas pontas de pipeta cada vez. O TEGDMA cruzará quimicamente as cadeias hema na presença de radicais livres conectando as cadeias de polímeros em um polímero de rede.
  3. Misture a solução usando uma máquina de vórtice até que uma solução homogênea seja alcançada.
  4. Meça 0,25 gramas de Bromocresol Roxo e enxágue-o na solução usando 75,7576 por cento de etileno glicol (EG), o solvente. O pigmento é apenas para fins de visualização (o hidrogel é transparente de outra forma), e o EG serve como solvente para dissolver o iniciador radical e mantém o hidrogel flexível.
  5. Misture a solução usando a máquina de vórtice até que o pigmento se dissolva completamente e a solução seja homogênea.
  6. Usando uma micropipette, deposite a solução no molde alinhando a ponta da micropipette com a borda offset dos grandes slides de vidro e injetando uniformemente a solução pré-gel no centro do molde.
  7. Coloque o molde 5 centímetros abaixo de uma lanterna emissora de UV (Warson SK66) e irradie o molde por um minuto. A luz UV corta as ligações nas espécies iniciantes, transformando-as em radicais livres que podem então atacar as moléculas de polímeros e crosslinker. Quando totalmente em rede, o hidrogel deve ser um sólido de borracha com uma consistência semelhante a gelatina.
  8. Remova o molde da luz e desmonte a configuração do molde. Remova o hidrogel das lâminas de vidro.
  9. Enxágüe ambos os lados do hidrogel com água deionizada para remover qualquer espécie química não redigida e oligômeros do produto.
  10. Para caracterizar como vários tempos de exposição à luz UV afetam o grau de ligação cruzada e a capacidade de inchaço, este procedimento pode ser repetido enquanto varia o passo nove. Para caracterização, a solução foi exposta à luz UV por 1 minuto, 1,5 minutos e 5 minutos, produzindo um total de três hidrogéis.

Caracterização

O grau de inchaço do hidrogel pode ser calculado secando, hidratando e, em seguida, re-secando o polímero.

  1. Coloque os hidrogéis acabados em um recipiente com um álcool como isopropílico álcool para que fiquem totalmente submersos. Deixe no alchohol por 4-8 horas, quando o álcool tiver substituído todo o glicol de etileno no hidrogel.
  2. Retire os hidrogéis do álcool e deixe secar ao ar livre, cerca de 30 minutos. O álcool evapora mais rapidamente do que a água ou o solvente, permitindo que o hidrogel mantenha sua estrutura.
  3. Pesar os higgel secos.
  4. Submergir os hidrogéis em água DI por pelo menos 30 minutos, até que estejam completamente inchados. Retire os géis da água, limpe delicadamente e pese.
  5. Calcule o grau de inchaço usando a equação: Equation 9 , onde está o peso do Equation 10 polímero inchado e Equation 11 é o peso do polímero seco.

Hidrogéis são uma classe versátil de polímeros transversais, produzidos através de procedimentos relativamente simples usando materiais geralmente baratos. Eles são comumente usados para absorventes líquidos, sensores, produtos de consumo e entrega de medicamentos. Hidrogéis podem ser formados a partir de solução, com um iniciador fazendo agentes monomerie reativos para formar uma espinha dorsal polímera. Uma espécie transligadora, em seguida, une as cadeias de polímeros. Um aspecto importante desses materiais é que na presença de água eles incham. Mas essa resposta pode ser ajustada ainda mais para melhorar o inchaço em função de salinidade, PH ou outros sinais. Hidrogéis podem ser usados em ambientes aquosos ou secos, com uma gama de propriedades úteis, como flexibilidade, alta absorvância, transparência e isolamento térmico. Este vídeo ilustrará a síntese e caracterização dos hidrogéis.

Hidrogéis são capazes de absorver centenas de vezes seu peso na água. Quando a água entra na rede de polímeros transligados, solubiliza hidrofílico, iônico ou ambas as espécies na espinha dorsal do polímero. As moléculas de água são maiores que os grupos solubilizados. Por causa disso, sua presença dentro da rede faz com que o hidrogel incha. Enquanto os crosslinks que conectam a espinha dorsal do polímero impedem que ele se dissolva ou quebra. A síntese de hidrogel é uma técnica para produzir esses materiais polimédicos transligados. Trata-se de um procedimento simples, mas envolve produtos químicos tóxicos e inflamáveis e, portanto, requer cuidados extremos e medidas preventivas. Usando constituintes pré-gel, hidrogéis podem ser feitos através da Polimerização Radical Livre. Um método começa com o DMPAP como iniciador radical livre.

A ligação carbono-carbono em DMPAP é cortada pela luz ultravioleta para formar um elétron não pago e altamente reativo chamado um radical livre em cada átomo de carbono. Os radicais livres reagem com a dupla ligação carbono-carbono no HEMA para formar uma cadeia de propogação com um radical livre no final. O grupo hidroxal que sai da espinha dorsal é solúvel em água, fazendo com que a rede transversal incha quando a água está presente. Os radicais também reagem com as duas ligações duplas carbono-carbono no TEGDMA, o crosslinker químico. Isso une as cadeias de espinha dorsal. Quando os radicais livres foram consumidos, ou reagiram completamente, a síntese de hidrogel está completa. O inchaço pode ser avaliado secando, hidratando e, em seguida, ressusurando o polímero. Na próxima seção, vamos sintetizar e caracterizar hidrogéis usando este método de polimerização radical livre.

Antes de iniciar a síntese de hidrogel, reúna os materiais e produtos químicos necessários. As lâminas de vidro no molde de síntese previamente montado são compensadas por alguns milímetros, para criar um canal para a pipetação da solução pré-gel no molde. Todo o trabalho deve ser realizado com equipamentos de proteção individual adequados em uma fumehood adequada, pois este processo envolve produtos químicos que são tóxicos e inflamáveis. Primeiro, adicione 0,0012 mol por cento DMPAP ao tubo de teste de 1000 microliter. Em seguida, use uma nova pipeta cada vez para adicionar 21,2121 mol por cento HEMA e, em seguida, 3,0303 mol por cento TEGDMA ao tubo de ensaio. Misture a solução usando uma máquina de vórtice até que uma solução homogênea seja alcançada. Mergulhe a espátula no pigmento BCP e enxágue-a na solução usando 75,7576 mol por cento do glicol de etileno solvente.

Misture a solução usando a máquina de vórtice até que o pigmento se dissolva completamente e a solução seja homogênea. Este pigmento é usado para tornar o hidrogel transparente visível, enquanto o solvente dissolve o Iniciador Radical Livre e mantém o hidrogel flexível. Deposite a solução no molde usando uma micro pipeta alinhada com a borda offset do molde de síntese. Injete uniformemente a solução pré-gel no centro do molde. Coloque o molde preenchido cinco centímetros abaixo de uma lanterna emissora de UV e irradie o molde por um minuto. Remova o molde da luz e desmonte para remover o hidrogel das lâminas de vidro.

Quando totalmente em rede, o hidrogel deve ser um sólido de borracha com uma consistência semelhante a gelatina. Enxágüe ambos os lados do hidrogel com água deionizada para remover qualquer espécie química não redigida e polígimos do produto. Repita este procedimento com tempos de exposição à luz UV de 1,5 e cinco minutos para produzir um total de três hidrogéis.

Submerque os hidrogéis acabados em um recipiente com álcool isopropílico por uma a duas horas. O álcool substituirá o glicol de etileno no hidrogel, permitindo que ele seque rapidamente mantendo sua estrutura. Retire os hidrogéis do álcool e deixe secar ao ar livre por cerca de 30 minutos. Pese e regisse o peso de cada um dos hidrogéis secos. Submergir os hidrogéis em água desionizada até ficar completamente inchado. Retire os géis da água e limpe delicadamente. Pese e grave o peso dos hidrogéis inchados. Use o peso dos hidrogéis inchados, Ws, e dos hidrogéis secos, Wd, para calcular o grau de inchaço.

O grau de inchaço foi de aproximadamente 136% para a amostra de um minuto, 387% para a amostra de 1,5 minutos e 81% para a amostra de cinco minutos. Esses resultados mostram que, no maior tempo de exposição uv, houve menos inchaço. Devido à formação de mais ligações entre moléculas de polímeros com maior exposição uv, houve forças de contenção mais elásticas nas cadeias de polímeros. Isso resultou em hidrogéis com mais crosslinking expandindo menos do que aqueles com menos crosslinking.

Agora que você aprecia os métodos de sintetizar e caracterizar hidrogéis, vamos dar uma olhada em como eles são usados em produtos cotidianos. Produtos de consumo, como almofadas hospitalares, almofadas de higiene feminina e fraldas, contêm um dos polímeros super absorventes mais comuns. Este hidrogel pode inchar para absorver fluidos até 800 vezes o seu peso, permitindo que os fabricantes criem produtos finos e confortáveis. O hidrogel sintetizado neste vídeo é usado como um sensor em um aspersor de grama. O sensor está em contato com o solo e incha enquanto o gramado está sendo regado, até que acione o desligamento do aspersor.

Você acabou de assistir a introdução de Jove à síntese de hidrogel. Agora você deve entender como os hidrogéis são sintetizados e caracterizados. Obrigado por assistir.

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Results

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O monômero de hidrogel final é mostrado na Figura 7, e os hidrogéis sintetizados são mostrados na Figura 8. O grau de inchaço foi de aproximadamente 136% para a amostra de 1 min, 387% para a amostra de 1,5 min e 81% para a amostra de 5 min. Esses resultados demonstram a relação entre o grau de crosslinking ou a extensão em que a rede está conectada e a capacidade de inchaço. Mais ligações entre as moléculas de polímero significam forças de contenção mais elásticas nessas cadeias de polímeros, que as inibem de expandir-se ao mesmo grau que um hidrogel menos transligado.

Figure 7
Figura 7: Monômero criado a partir do fotoiniciador DMPAP, backbone HEMA, crosslinker TEGDMA, solvente EG e pigmento fotocrômico após polimerização radical livre.

Figure 8
Figura 8: Hidrogéis após polimerização. Da esquerda para a direita: 1 minuto sob luz UV durante a polimerização, 1,5 minutos sob luz UV durante a polimerização, 5 minutos sob luz UV durante a polimerização. A amostra de 1 minuto parece mais transparente e em gel do que as amostras de 1,5 minutos e 5 minutos, que tinham graus crescentes de polimerização

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Applications and Summary

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A síntese de hidrogel é uma técnica para a produção de materiais poliméricos transligados que podem inchar em resposta ao líquido, luz UV, pH ou uma série de outros estimulantes. A síntese por combinação de soluções líquidas é vantajosa para a simplicidade da mistura e formação de hidrogéis, embora o produto final seja geralmente impuro e tende a conter polímeros com baixos pesos moleculares. Este procedimento específico, embora simples, envolve produtos químicos que são tóxicos e inflamáveis e, portanto, exigem cuidados extremos e medidas preventivas. Os hidrogéis produzidos por este método são úteis em aplicações que vão desde a entrega de medicamentos até sensores até produtos de higiene absorvente.

Hidrogéis são usados em uma variedade de produtos de consumo, dispositivos médicos e sensores. Produtos de consumo, como almofadas hospitalares, almofadas de higiene feminina e fraldas contêm poliacrilato de sódio, um dos polímeros superabsorbentes mais comuns. O hidrogel incha na presença do fluido entre 300-800 vezes o seu peso. Isso permite que os fabricantes usem menos material e criem produtos finos e confortáveis para o usuário usar.

Além disso, as lentes de contato macias são feitas de hidrogéis de silicone, que permitem que o oxigênio passe facilmente para a córnea e são mais confortáveis do que lentes de contato duro. Hidrogéis também são comumente usados na entrega de drogas porque a rede interseção permite que as drogas sejam armazenadas na rede tridimensional e lentamente liberadas no corpo.

Hidrogéis também podem ser ajustados para inchar em função de salinidade, pH ou outros sinais, tornando-os adequados em aplicações de sensores. O hidrogel sintetizado neste vídeo é usado como um sensor em um sensor de gramado de aspersão. O hidrogel está em contato com o solo e enquanto o gramado está sendo regado, ele incha até que acione o sípero desligado.

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Transcript

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