Synthèse des hydrogels

Source : Amber N. Barron, Ashlea Patterson, et Taylor D. Sparks, Department of Materials Science and Engineering, The University of Utah, Salt Lake City, UT

Les hydrogels sont une classe polyvalente de polymères transversaux produits par des procédures relativement simples et avec des matériaux généralement peu coûteux. Ils peuvent être formés à partir de la solution et impliquent une colonne vertébrale de polymère formée à partir de réactifs monomères, un initiateur qui rend le polymère réactif et une espèce de liaison croisée qui lie les chaînes de polymère ensemble. Un aspect important de ces matériaux est qu'ils gonflent en présence d'eau, mais cette réponse peut être accordée plus loin pour augmenter l'enflure en fonction de la salinité, pH, ou d'autres signaux. En tant que produit final, les hydrogels peuvent être utilisés dans des environnements aqueux ou secs, avec une gamme de propriétés utiles telles que la flexibilité, l'absorption élevée, la transparence et l'isolation thermique. Ils sont couramment utilisés pour l'absorption des liquides, des capteurs, des produits de consommation et la livraison de médicaments.

Les hydrogels sont une classe de polymères transversaux capables d'absorber des centaines de fois leur poids dans l'eau. L'eau pénètre dans le réseau et solubilize s'il s'en prend aux espèces hydrophiles et/ou ioniques sur l'épine dorsale des polymères. Les molécules d'eau sont plus grandes que les groupes solubilisés et leur présence à l'intérieur du réseau fait gonfler l'hydrogel (figure 1). Les liaisons croisées reliant l'épine dorsale du polymère empêchent l'hydrogel de se dissoudre ou de se briser.

Figure 1 : Hydratation d'un hydrogel.

Dans cet exemple, l'hydrogel est synthétisé par polymérisation de radicaux libres. Un radical libre est un électron non apparié et hautement réactif créé à partir d'un initiateur de radicaux libres, tel que 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPAP). La lumière UV fend la liaison carbone-carbone dans le DMPAP pour former un radical libre sur chaque atome de carbone (figure 2).

Figure 2 : 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone se fragmentant en deux molécules porteuses de radicaux libres.

L'espèce radicale réagit avec des liaisons doubles et/ou triples trouvées dans l'épine dorsale du polymère et le lien croisé. Pour la polymérisation des radicaux libres, l'épine dorsale polymère contient une double liaison qui propage la chaîne. Les radicaux libres réagissent avec la double liaison carbone-carbone dans le méthacrylate 2-hydroxyhyl (figure 3) pour former une chaîne de propagation avec un radical libre à la fin (étape de propagation à la figure 4). Le groupe d'hydroxyle qui sort de l'épine dorsale est soluble dans l'eau, ce qui provoque la houle du réseau interconnecté.

Figure 3 : méthacrylate 2-hydroxyethyl.

Figure 4 : Les UV ont lancé des étapes de polymérisation des radicaux libres.

Les radicaux réagissent également avec les deux liaisons doubles carbone-carbone dans le tétraethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) (figure 5), le lien chimique croisé, pour relier les chaînes dorsales ensemble. La synthèse hydrogel est complète lorsque les radicaux libres ont été consommés ou ont complètement réagi.

Figure 5 : Tetraethylene glycol dimethacrylate.

La solution prégel a été créée dans un tube à essai de 1000 degrés; les matériaux, le rôle dans la polymérisation et les montants ajoutés sont énumérés dans les tableaux 1.

Matériel	But	Structure	Mole pour cent
2,2-Dimethoxy-2-phényl-acetophenone (DMPAP)	Initiateur readical gratuit (photoinitiateur)		0.0012
2-Hydroxéthyle méthacrylate (HEMA)	Épine dorsale polymère		21.2121
Tetraethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA)	Crosslinker (en)		3.0303
Éthylène glycol (PAR exemple)	Solvant		75.7576

Tableau 1. Hydrogel pré-gel constituants, leurs rôles dans la polymérisation de radicaux libres hydrogel, la structure chimique 2D polymère et les quantités ajoutées à la solution pré-gel.

Synthèse

1. Avant de commencer la synthèse d'hydrogel, un moule de synthèse a été assemblé à partir de deux glissières en verre et de trois espaceurs de feuilles polyolefin d'épaisseur de 520 microns; cette configuration a été maintenue ensemble par des clips de liant comme indiqué dans la figure 6. Les grandes glissières en verre ont été compensées par quelques millimètres pour créer un canal pour pipetting la solution pré-gel dans le moule.
2. Avant de commencer la synthèse de l'hydrogel, obtenir un tube à essai de 1000 degrés, les produits chimiques décrits dans le tableau 1, une micropipette avec des pointes propres, et la mise en moule (Figure 6). Tous les travaux doivent être effectués dans une hotte de fumée avec un équipement de protection individuelle (EPI) approprié. L'EPI comprend des lunettes de sécurité ou des lunettes, une blouse de laboratoire et des gants de protection.

Figure 6: Moule desynthèse hydrogel, créé à partir de deux lames de verre, de trois bandes de polyolefin-feuille de 520 microns d'épaisseur comme espaceurs, et de grands agrafes de liant.

3. Ajouter 0,0012 mole pour cent 2,2-Dimethoxy-2-phenyl-acetophenone (DMPAP), le photoinitator solide (initiateur radical libre qui est initié par la lumière), au tube à essai d'abord.
4. Ajouter 21.2121 mole pour cent 2-hydroxéthyl methacrylate (HEMA), la molécule d'épine dorsale, et 3.0303 mole pour cent tétraethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA), la molécule de liaison croisée au tube à essai, en utilisant de nouvelles pointes pipette à chaque fois. TEGDMA croisera chimiquement les chaînes HEMA en présence de radicaux libres en connectant les chaînes de polymères à un polymère réseau.
5. Mélanger la solution à l'aide d'une machine à vortex jusqu'à ce qu'une solution homogène soit réalisée.
6. Mesurez 0,25 grammes de Bromocresol Purple et rincez-le dans la solution à l'aide de 75,7576 mole pour cent d'éthylène glycol (EG), le solvant. Le pigment est seulement à des fins de visualisation (l'hydrogel est transparent autrement), et EG sert de solvant pour dissoudre l'initiateur de radicaux libres initiateur et maintient l'hydrogel flexible.
7. Mélanger la solution à l'aide de la machine à vortex jusqu'à ce que le pigment se dissout complètement et la solution est homogène.
8. À l'aide d'une micropipette, déposez la solution dans le moule en alignant la pointe de la micropipette avec le bord décalé des grandes glissières de verre et en injectant uniformément la solution prégel dans le centre du moule.
9. Placez la moisissure 5 centimètres au-dessous d'une lampe de poche émettrice d'UV (Warson SK66) et irradiez le moule pendant une minute. La lumière UV fend les liaisons de l'espèce initiatrice, les transformant en radicaux libres qui peuvent ensuite attaquer les molécules de polymère et de crosslinker. Lorsqu'il est entièrement mis en réseau, l'hydrogel doit être un solide en caoutchouc avec une consistance jello-like.
10. Retirez le moule de la lumière et démontez la configuration de moule. Retirer l'hydrogel des lames de verre.
11. Rincer les deux côtés de l'hydrogel avec de l'eau déionisée pour éliminer toute espèce chimique non réaginement et les oligomères du produit.
12. Pour caractériser comment divers temps d'exposition uv-lumière affectent le degré de croisement et la capacité de gonflement, cette procédure peut être répétée tout en variant l'étape neuf. Pour la caractérisation, la solution a été exposée à la lumière UV pendant 1 minute, 1,5 minutes et 5 minutes, produisant un total de trois hydrogels.

Caractérisation

Le degré de gonflement de l'hydrogel peut être calculé en séchant, hydratant puis réséchant le polymère.

1. Placez les hydrogels finis dans un récipient avec un alcool tel que l'alcool d'Isopropyl de sorte qu'ils soient totalement submergés. Laisser dans l'alchohol pendant 4-8 heures, lorsque l'alcool a remplacé tout l'éthylène glycol dans l'hydrogel.
2. Retirer les hydrogels de l'alcool et laisser sécher à l'air libre, environ 30 minutes. L'alcool s'évapore plus rapidement que l'eau ou le solvant, ce qui permet à l'hydrogel de maintenir sa structure.
3. Peser les hydogels séchés.
4. Immerger les hydrogels dans l'eau DI pendant au moins 30 minutes, jusqu'à ce qu'ils soient complètement gonflés. Retirer les gels de l'eau, essuyer doucement et peser.
5. Calculer le degré de gonflement en utilisant l'équation: , où est le poids du polymère gonflé et est le poids du polymère séché.

Le monomère d'hydrogel final est représenté dans la figure 7, et les hydrogels synthétisés sont représentés dans la figure 8. Le degré d'enflure s'est avéré être d'environ 136 % pour l'échantillon de 1 min, de 387 % pour l'échantillon de 1,5 min et de 81 % pour l'échantillon de 5 min. Ces résultats démontrent la relation entre le degré de liaison croisée, ou la mesure dans laquelle le réseau est connecté, et la capacité de gonflement. Plus de liens entre les molécules de polymère signifient des forces de retenue plus élastiques sur ces chaînes de polymères, qui les empêchent de s'étendre au même degré qu'un hydrogel moins croisé.

Figure 7: Monomer créé à partir du photoinitiateur DMPAP, épine dorsale heMA, transversal TEGDMA, solvant EG et pigment photochromique après polymérisation de radicaux libres.

Figure 8: Hydrogels après la polymérisation. De gauche à droite : 1 minute sous la lumière UV pendant la polymérisation, 1,5 minute sous la lumière UV pendant la polymérisation, 5 minutes sous la lumière UV pendant la polymérisation. L'échantillon d'une minute semble plus transparent et gel-like puis les échantillons de 1,5 minute et 5 minutes, qui avaient des degrés croissants de polymérisation

La synthèse hydrogel est une technique pour produire des matériaux polymères reliés croisés qui peuvent gonfler en réponse au liquide, à la lumière UV, au pH, ou à une gamme d'autres stimulants. La synthèse par combinaison de solutions liquides est avantageuse pour la simplicité du mélange et de la formation d'hydrogels, bien que le produit final soit généralement impur et ait tendance à contenir des polymères de faible poids moléculaire. Cette procédure spécifique, bien que simple, implique des produits chimiques qui sont à la fois toxiques et inflammables, et nécessite donc des soins extrêmes et des mesures préventives. Les hydrogels produits par cette méthode sont utiles dans des applications allant de la livraison de médicaments aux capteurs en passant par les produits d'hygiène absorbants.

Les hydrogels sont utilisés dans une variété de produits de consommation, de dispositifs médicaux et de capteurs. Les produits de consommation tels que les serviettes d'hôpital, les serviettes d'hygiène féminine et les couches contiennent du polyacrylate de sodium, l'un des polymères superabsorbants les plus courants. L'hydrogel enfle en présence du fluide entre 300 et 800 fois son poids. Cela permet aux fabricants d'utiliser moins de matériel et de créer des produits qui sont minces et confortables pour l'utilisateur à porter.

En outre, les lentilles de contact souples sont faites d'hydrogels en silicone, qui permettent à l'oxygène de passer facilement à la cornée et sont plus confortables que les lentilles de contact dures. Les hydrogels sont également couramment utilisés dans la livraison de médicaments parce que le réseau interconnecté permet de stocker les médicaments dans le réseau tridimensionnel et lentement libérés dans le corps.

Les hydrogels peuvent également être réglés pour gonfler en fonction de la salinité, du pH, ou d'autres signaux, les rendant appropriés dans les applications de capteur. L'hydrogel synthétisé dans cette vidéo est utilisé comme capteur dans un capteur de pelouse d'arrosage. L'hydrogel est en contact avec le sol et pendant que la pelouse est arrosée, il augmente jusqu'à ce qu'il déclenche l'arrêt de l'arroseur.