تولید مقرون به صرفه هیدروژل از طریق فراصوت (التراسونیک)

تولید مقرون به صرفه هیدروژل از طریق فراصوت(التراسونیک)

فراصوت (التراسونیک) یک تکنیک بسیار کارآمد، قابل اعتماد وساده برای تهیه هیدروژل های با کارایی بالا است. این هیدروژل ها خواص مواد ایده آلمانند ظرفیت جذب، ویسکوالاستیسیته، استحکام مکانیکی، مدول تراکم و عملکردهای خودترمیمی را ارائه می دهند.

پلیمریزاسیون و پراکندگی (پخش) اولتراسونیک برایتولید هیدروژل

هیدروژل ها شبکه های پلیمری آبدوست و سه بعدی هستند که قادربه جذب مقادیر زیادی آب یا سیالات هستند. هیدروژل ها ظرفیت تورم (بادکردن) فوقالعاده ای از خود نشان می دهند. بلوک های تشکیل دهنده رایج هیدرژل ها عبارتند ازپلی وینیل الکل، پلی اتیلن گلیکول، پلی آکریلات سدیم، پلیمرهای آکریلات، کربومرها،پلی ساکاریدها یا پلی پپتیدها با تعداد زیادی گروه آبدوست و پروتئین های طبیعیمانند کلاژن، ژلاتین و فیبرین.

به اصطلاح هیدروژل های هیبریدی از مواد مختلف شیمیایی،عملکردی و مورفولوژیکی متمایز مانند پروتئین ها، پپتیدها یا ریزساختارهای نانو تشکیلشده اند. پراکندگی اولتراسونیک به طور گسترده به عنوان یک تکنیک بسیار کارآمد وقابل اعتماد برای همگن سازی نانو مواد مانند نانولوله های کربنی (CNTs، MWCNTs، SWCNTs)، نانو بلورهایسلولز، نانوالیاف کیتین، دی اکسید تیتانیوم، نانوذرات نقره، پروتئین ها و سایر ریزساختارهااستفاده می شود و آنها را وارد ماتریس پلیمری هیدروژل ها می کند. این امر فراصوت(التراسونیک) را به یک ابزار اصلی برای تولید هیدروژل های با کارایی بالا با کیفیتفوق العاده تبدیل می کند.

آنچه تحقیقات نشان می دهد - آماده سازی هیدروژلاولتراسونیک

نخست، فراصوت (التراسونیک) باعث افزایش پلیمریزاسیون وواکنش های پیوند متقابل در طول تشکیل هیدروژل می شود. سپس، فراصوت (التراسونیک) بهعنوان روش پراکندگی قابل اعتماد و موثر برای تولید هیدروژل ها و هیدروژل هاینانوکامپوزیت استفاده می شود.

اتصال متقابل التراسونیک و پلیمریزاسیون هیدروژلها

فراصوت (التراسونیک) به شکل گیری شبکه های پلیمری در طولسنتز هیدروژل از طریق تولید رادیکال های آزاد کمک می کند. امواج فراصوت(التراسونیک) شدید باعث ایجاد کاویتاسیون صوتی می شود که باعث ایجاد نیروهای برشیبالا، برش مولکولی و تشکیل رادیکال های آزاد می شود. کاس و همکاران (2010) چندین هیدروژلاکریلیک از طریق پلیمریزاسیون اولتراسونیک مونومرهای محلول در آب و ماکرومنومرهاتهیه کردند. اولتراسونیک برای ایجاد رادیکال های آغازگر در محلول های مونومر آبیچسبناک با استفاده از افزودنی های گلیسرول، سوربیتول یا گلوکز در یک سیستم باز دردمای 37 درجه سانتی گراد استفاده شد. افزودنی های محلول در آب برای تولید هیدروژلضروری بودند و گلیسرول موثرترین آنها بود. هیدروژل ها از مونومرهای 2-هیدروکسی اتیلمتاکریلات، پلی (اتیلن گلیکول) دی متاکریلات، دکستران متاکریلات، اسید اکریلیک/اتیلنگلیکول دی متاکریلات و آکریل آمید/بیس آکریل آمید تهیه شدند. [کاس و همکاران.2010] کاربرد اولتراسوند با استفاده از دستگاه اولتراسونیک پروبی روشی مؤثر برایپلیمریزاسیون مونومرهای وینیل محلول در آب و تهیه متعاقب آن هیدروژل ها بود. پلیمریزاسیوناولتراسونیک در غیاب آغازگر شیمیایی به سرعت رخ می دهد.

ساخت پلی (اکریلامید-کو-ایتاکونیک اسید) – هیدروژل MWCNT با استفاده از فراصوت(التراسونیک)

فراصوت (التراسونیک) با انواع پلیمرها و بیوپلیمرها سازگاراست و امکان تقویت هیدروژل های هیبریدی را با مواد نانوساختار مانند نانوذرات،نانو کریستال ها یا نانوالیاف فراهم می کند. تقویت هیدروژل‌ها با نانومواد مختلف،امکان اصلاح و کنترل خواص فیزیک وشیمیایی و رئومکانیکی هیدروژل‌های نانوکامپوزیتیرا فراهم می‌کند، زیرا ریزساختارها عامل کلیدی برای خواص مواد به‌دست‌آمده هستند.

محمدی نژاد و همکاران (2018) با موفقیت یک کامپوزیت هیدروژلسوپرجاذب حاوی پلی (اکریلامید-کو-ایتاکونیک اسید) و نانولوله های کربنی چند جداره(MWCNT) تولید کردند. پایداری هیدروژل با افزایش نسبت نانولوله های کربنیچند جداره افزایش یافت، که ممکن است به ماهیت آبگریز نانولوله های کربنی چندجداره  و همچنین افزایش چگالی اتصال عرضینسبت داده شود. ظرفیت نگهداری آب  هیدروژلنیز در حضور نانولوله های کربنی چند جداره (10 درصد وزنی) افزایش یافت. در اینمطالعه، اثرات فراصوت (التراسونیک) از نظر توزیع یکنواخت نانولوله‌های کربنی بر رویسطح پلیمر برتر ارزیابی شد. نانولوله های کربنی چند جداره بدون هیچ وقفه ای درساختار پلیمری دست نخورده بودند. علاوه بر این، استحکام نانوکامپوزیت به‌دست‌آمدهو ظرفیت نگهداری آب آن و جذب سایر مواد محلول مانند سرب (II) افزایش یافت. فراصوت(التراسونیک) نانولوله های کربنی چند جداره را به عنوان یک پرکننده عالی در زنجیرههای پلیمری تحت افزایش دما پراکنده کرد. محققان نتیجه می‌گیرند که این شرایط واکنشرا نمی‌توان از طریق روش‌های مرسوم به دست آورد و نمی‌توان به همگنی و پراکندگیخوب ذرات در میزبان دست یافت. علاوه بر این، فرآیند فراصوت (التراسونیک)، نانوذراترا به ذره تک جدا می کند، در حالی که هم زدن نمی تواند این کار را انجام دهد. مکانیسمدیگر کاهش اندازه اثر امواج صوتی قوی بر روی پیوندهای ثانویه مانند پیوند هیدروژنیاست که این تابش پیوند H ذرات را می شکند و متعاقباً ذرات تجمع یافته را جدا می کند وتعداد گروه های رادیکال آزاد مانند -OH و افزایش می یابد. بنابراین، این اتفاق مهم، فرآیند فراصوت(التراسونیک) را به عنوان روشی برتر نسبت به روش‌های دیگر مانند هم زدن مغناطیسیکه در متون استفاده می‌شود، تبدیل می‌کند. [محمدی نژاد و همکاران، 2018]

دانستنیها درباره هیدروژل

هیدروژل ها در بسیاری از صنایع مانند داروسازی برایدارورسانی (به عنوان مثال دارورسانی با رهش، خوراکی، داخل وریدی، موضعی یا مقعدی)،پزشکی (به عنوان مثال داربست در مهندسی بافت، ایمپلنت سینه، مواد بیومکانیکی،پانسمان زخم)، لوازم آرایشی استفاده می شود. محصولات مراقبتی (مانند لنزهای تماسی، پوشک، نوار بهداشتی)، کشاورزی (بهعنوان مثال برای فرمولاسیون آفت کش ها، گرانول ها برای حفظ رطوبت خاک در مناطقخشک)، تحقیقات مواد به عنوان پلیمرهای کاربردی (مانند مواد منفجره ژل آب، کپسولهکردن نقاط کوانتومی، الکتریسیته ترمودینامیک) آبگیری زغال سنگ، برف مصنوعی، افزودنیهای غذایی و سایر محصولات دیگر (به عنوان مثال، چسب) از دیگر کاربردهای هیدروژلهستند.

طبقه‌بندی هیدروژل‌ها :

هنگامی که دسته‌بندی هیدروژل‌ها بسته به ساختار فیزیکی آن‌هاانجام می‌شود، می‌توان آنها را به شرح زیر طبقه‌بندی کرد:

-       نیمه بلوری آمورف (غیر کریستالی):

-       مخلوط پیچیده‌ای از فازهای آمورف و بلوری

-       بلوری

هنگامی که بر روی ترکیب پلیمری تمرکز می‌شود، هیدروژل‌ها رامی‌توان به 3 دسته تقسیم کرد.

-       هیدروژل های هموپلیمری

-       هیدروژل های کوپلیمری

-        هیدروژل های چند پلیمری / هیدروژل هایIPN

-       شبکه های شیمیایی متقابل

-       اتصالات دائمی شبکه های متقابل فیزیکی

-       اتصالات گذرا

ظاهر فیزیکی منجر به طبقه بندی به دسته های زیر می گردد:

-       فیلم

-       ماتریکس

-       میکروسفر

و طبقه بندی میکروژل ها بر اساس بار الکتریکی شبکه بدینصورت خواهد بود:

-       غیر یونی (خنثی)

-        یونی (شامل آنیونی یا کاتیونی)

-        الکترولیت آمفوتریک (آمفولیتیک)

-        زوئیتریونی (پلی بتائین)