Hydrogel-Synthese

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.

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.

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

1. 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.
2. 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.

3. 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.
4. 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.
5. Mischen Sie die Lösung mit einer Wirbelmaschine, bis eine homogene Lösung erreicht ist.
6. 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.
7. Mischen Sie die Lösung mit der Wirbelmaschine, bis sich das Pigment vollständig auflöst und die Lösung homogen ist.
8. 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.
9. 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.
10. Entfernen Sie Die Form aus dem Licht und zerlegen Sie die Formkonfiguration. Hydrogel von den Glasgleitern entfernen.
11. Spülen Sie beide Seiten des Hydrogels mit entionisiertem Wasser, um unreagierte chemische Arten und Oligomere aus dem Produkt zu entfernen.
12. 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.

1. 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.
2. 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.
3. Wiegen Sie die getrockneten Hydoglen.
4. 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.
5. Berechnen Sie den Quellgrad mit der Gleichung: , wobei das Gewicht des geschwollenen Polymers und das Gewicht des getrockneten Polymers ist.

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.

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.