Síntesis de hidrogeles

Fuente: Amber N. Barron, Ashlea Patterson y Taylor D. Sparks,Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Utah, Salt Lake City, UT

Los hidrogeles son una clase versátil de polímeros reticulados producidos a través de procedimientos relativamente simples y con materiales generalmente baratos. Se pueden formar a partir de la solución e involucran una columna vertebral de polímero formada a partir de reactivos monómeros, un iniciador que hace que el polímero sea reactivo y una especie reticulante que une las cadenas de polímeros. Un aspecto importante de estos materiales es que se hinchan en presencia de agua, pero esta respuesta se puede ajustar aún más para mejorar la hinchazón en función de la salinidad, pH u otras señales. Como producto final, los hidrogeles se pueden utilizar en ambientes acuosos o secos, con una gama de propiedades útiles como flexibilidad, alta absorbancia, transparencia y aislamiento térmico. Se utilizan comúnmente para la absorción de líquidos, sensores, productos de consumo, y la entrega de medicamentos.

Los hidrogeles son una clase de polímeros reticulados capaces de absorber cientos de veces su peso en agua. El agua entra en la red y solubiliza especies hidrófilas y/o iónicas en la columna vertebral del polímero. Las moléculas de agua son más grandes que los grupos solubilizados y su presencia dentro de la red hace que el hidrogel se hinche (Figura 1). Los eslabones cruzados que conectan la columna vertebral del polímero evitan que el hidrogel se disuelva o se rompa.

Figura 1: Hidratación de un hidrogel.

En este ejemplo, el hidrogel se sintetiza a través de la polimerización de radicales libres. Un radical libre es un electrón no emparejado y altamente reactivo creado a partir de un iniciador de radicales libres, como 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPAP). La luz UV corta la unión carbono-carbono en DMPAP para formar un radical libre en cada átomo de carbono (Figura 2).

Figura 2: 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenona fragmentándose en dos moléculas de transporte de radicales libres.

La especie radical reacciona con enlaces dobles y/o triples que se encuentran en la columna vertebral del polímero y el eslabón cruzado. Para la polimerización de radicales libres, la columna vertebral del polímero contiene un doble enlace que propaga la cadena. Los radicales libres reaccionan con el doble enlace carbono-carbono en 2-hidroxietilo metacrilato (Figura 3) para formar una cadena de propagación con un radical libre al final (paso de propagación en la Figura 4). El grupo hidroxilo que sale de la columna vertebral es soluble en agua, haciendo que la red reticulada se hinche.

Figura 3: 2-hidroxietilo metacrilato.

Figura 4: Pasos de polimerización de radicales libres iniciados por uv.

Los radicales también reaccionan con los dos enlaces dobles carbono-carbono en el dimetalcrilato de tetraetilenglicol (TEGDMA) (Figura 5), el retitulador químico, para unir las cadenas de la columna vertebral. La síntesis de hidrogel es completa cuando los radicales libres han sido consumidos o han reaccionado completamente.

Figura 5: Dimetalcrilato de tetraetilenglicol.

La solución pre-gel fue creada en un tubo de ensayo de 1000 l; materiales, el papel en la polimerización y las cantidades añadidas se enumeran en los Cuadros 1.

Material	Propósito	Estructura	Porcentaje de Topo
2,2-Dimethoxy-2-fenil-acetofenoona (DMPAP)	Iniciador léabico gratuito (fotoiniciador)		0.0012
2-Metacrilato hidroxetilo (HEMA)	Columna vertebral del polímero		21.2121
Dimetallato de tetraetilenglicol (TEGDMA)	Crosslinker		3.0303
Etilenglicol (EG)	Solvente		75.7576

Tabla 1. Componentes pregel de hidrogel, sus funciones en la polimerización de radicales libres de hidrogel, estructura polimérica química 2D y las cantidades añadidas a la solución pregel.

Síntesis

1. Antes de comenzar la síntesis de hidrogel, se ensambló un molde de síntesis a partir de dos portaobjetos de vidrio y tres espaciadores de láminas de poliolefina de 520 micras de espesor; esta configuración se mantuvo unida por clips de aglutinante como se muestra en la Figura 6. Las grandes diapositivas de vidrio fueron compensadas por unos pocos milímetros para crear un canal para pipetear la solución pre-gel en el molde.
2. Antes de comenzar la síntesis de hidrogel, obtener un tubo de ensayo de 1000 l, los productos químicos descritos en la Tabla 1, un micropipeta con puntas limpias, y el molde de ajuste (Figura 6). Todo el trabajo debe realizarse en una campana de humos con el equipo de protección personal (PPE) adecuado. El EPP incluye gafas de seguridad o gafas, una capa de laboratorio y guantes de protección.

Figura 6: Molde desíntesis de hidrogel, creado a partir de dos diapositivas de vidrio, tres tiras de lámina de poliolefina de 520 micras de espesor como espaciadores, y grandes clips de aglutinante.

3. Añadir 0.0012 por ciento de lunar2,2-Dimethoxy-2-fenil-acetofenoona (DMPAP), el fotoinitador sólido (iniciador de radicales libres que se inicia por la luz), al tubo de ensayo primero.
4. Añadir 21.2121 mole por ciento 2-hidroxetilo metacrilato (HEMA), la molécula de columna vertebral, y 3.0303 mole por ciento de tetraetilenglicol dimetallato (TEGDMA), la molécula de reticulación al tubo de ensayo, utilizando nuevas puntas de pipeta cada vez. TEGDMA cruzará químicamente las cadenas HEMA en presencia de radicales libres conectando las cadenas de polímeros en un polímero de red.
5. Mezcle la solución utilizando una máquina de vórtice hasta lograr una solución homogénea.
6. Mida 0,25 gramos de Bromocresol Púrpura y enjuáguelo en la solución utilizando 75.7576 mole por ciento etilenglicol (EG), el disolvente. El pigmento es sólo para fines de visualización (el hidrogel es transparente de lo contrario), y EG sirve como un disolvente para disolver el iniciador de radicales libres que inicia y mantiene el hidrogel flexible.
7. Mezcle la solución utilizando la máquina de vórtice hasta que el pigmento se disuelva por completo y la solución sea homogénea.
8. Con una micropipeta, deposite la solución en el molde alineando la punta del micropipeta con el borde de desplazamiento de las diapositivas de vidrio grandes e inyectando uniformemente la solución pregel en el centro del molde.
9. Coloque el molde 5 centímetros por debajo de una linterna emisora UV (Warson SK66) e irradiar el molde durante un minuto. La luz UV corta los enlaces en las especies iniciadoras, convirtiéndolos en radicales libres que luego pueden atacar el polímero y las moléculas de reticulador. Cuando está completamente conectado en red, el hidrogel debe ser un sólido de caucho con una consistencia similar a la gelatina.
10. Retire el molde de la luz y desmonte la configuración del molde. Retire el hidrogel de los portaobjetos de vidrio.
11. Enjuague ambos lados del hidrogel con agua desionizada para eliminar cualquier especie química y oligómero no reaccionada del producto.
12. Para caracterizar cómo varios tiempos de exposición a la luz UV afectan el grado de reticulación y la capacidad de hinchazón, este procedimiento se puede repetir mientras varía el paso nueve. Para la caracterización, la solución estuvo expuesta a la luz UV durante 1 minuto, 1,5 minutos y 5 minutos, produciendo un total de tres hidrogeles.

Caracterización

El grado de hinchazón del hidrogel se puede calcular secando, hidratando y luego secando el polímero.

1. Colocar los hidrogeles terminados en un recipiente con un alcohol como el alcohol isopropílico para que estén totalmente sumergidos. Dejar en el alchohol durante 4-8 horas, cuando el alcohol haya reemplazado todo el etilenglicol en el hidrogel.
2. Retire los hidrogeles del alcohol y déjelos secar al aire libre, unos 30 minutos. El alcohol se evapora más rápidamente que el agua o el disolvente, permitiendo que el hidrogel mantenga su estructura.
3. Pesar los hispicanes secos.
4. Sumerja los hidrogeles en agua DI durante al menos 30 minutos, hasta que estén completamente hinchados. Retire los geles del agua, seque suavemente y pese.
5. Calcular el grado de hinchazón utilizando la ecuación: , donde está el peso del polímero hinchado y es el peso del polímero seco.

El monómero de hidrogel final se muestra en la Figura 7,y los hidrogeles sintetizados se muestran en la Figura 8. Se encontró que el grado de hinchazón era de aproximadamente 136% para la muestra de 1 min, 387% para la muestra de 1,5 min y 81% para la muestra de 5 min. Estos resultados demuestran la relación entre el grado de reticulación, o la medida en que la red está conectada, y la capacidad de hinchazón. Más vínculos entre las moléculas de polímero significan fuerzas de restricción más elásticas en esas cadenas de polímeros, que las inhiben de expandirse en el mismo grado que un hidrogel menos reticulado.

Figura 7: Monómero creado a partir de fotoiniciador DMPAP, columna vertebral HEMA, reticulante TEGDMA, disolvente EG y pigmento fotocromático después de la polimerización de radicales libres.

Figura 8: Hidrogeles después de la polimerización. De izquierda a derecha: 1 minuto bajo luz UV durante la polimerización, 1,5 minutos bajo luz UV durante la polimerización, 5 minutos bajo luz UV durante la polimerización. La muestra de 1 minuto parece más transparente y similar al gel que las muestras de 1,5 minutos y 5 minutos, que tenían crecientes grados de polimerización

La síntesis de hidrogel es una técnica para producir materiales poliméricos reticulados que pueden hincharse en respuesta a líquidos, luz UV, pH o una gama de otros estimulantes. La síntesis por combinación de soluciones líquidas es ventajosa para la simplicidad de mezclar y formar hidrogeles, aunque el producto final es generalmente impuro y tiende a contener polímeros con bajos pesos moleculares. Este procedimiento específico, aunque simple, implica sustancias químicas tóxicas e inflamables, y por lo tanto requiere un cuidado extremo y medidas preventivas. Los hidrogeles producidos por este método son útiles en aplicaciones que van desde la administración de fármacos hasta sensores y productos de higiene absorbentes.

Los hidrogeles se utilizan en una variedad de productos de consumo, dispositivos médicos y sensores. Los productos de consumo como las almohadillas de hospital, las almohadillas de higiene femenina y los pañales contienen poliacrilato de sodio, uno de los polímeros superabsorbentes más comunes. El hidrogel se hincha en presencia del fluido entre 300-800 veces su peso. Esto permite a los fabricantes utilizar menos material y crear productos que sean delgados y cómodos para el usuario.

Además, las lentes de contacto blandas están hechas de hidrogeles de silicona, que permiten que el oxígeno pase fácilmente a la córnea y son más cómodas que las lentes de contacto duras. Los hidrogeles también se utilizan comúnmente en la administración de fármacos porque la red entrelazada permite que los medicamentos se almacenen en la red tridimensional y se liberen lentamente en el cuerpo.

Los hidrogeles también se pueden ajustar para hincharse en función de la salinidad, pH u otras señales, haciéndolos adecuados en aplicaciones de sensores. El hidrogel sintetizado en este video se utiliza como sensor en un sensor de césped de aspersor. El hidrogel está en contacto con el suelo y mientras se riegó el césped, se hincha hasta que activa el corte del aspersor.