סינתזה הידרוג'ל

הידרוג'לים הם סוג של פולימרים מקושרים המסוגלים לספוג פי מאות ממשקלם במים. מים נכנסים לרשת ומכניסים מינים הידרופיליים ו/או יוניים על עמוד השדרה הפולימרי. מולקולות המים גדולות יותר מהקבוצות המבולבלות ונוכחותן בתוך הרשת גורמת להידרוג'ל להתנפח (איור 1). הקישורים הצולבים המחברים את עמוד השדרה הפולימרי מונעים מההידרוג'ל להתמוסס או להישבר.

איור 1: הידרציה של הידרוג'ל.

בדוגמה זו, הידרוג'ל מסונתז באמצעות פילמור רדיקלים חופשיים. רדיקלים חופשיים הוא אלקטרון לא משוחזר, תגובתי מאוד שנוצר מיוזם רדיקלים חופשיים, כגון 2,2-Dimethoxy-2-פנילאצטופנון (DMPAP). אור UV מבקע את קשר הפחמן-פחמן ב-DMPAP ויוצר רדיקלים חופשיים על כל אטום פחמן (איור 2).

איור 2: 2,2-דימטוקסי-2-פנילאצטופנון מתפצל לשתי מולקולות נושאות רדיקלים חופשיים.

המינים הרדיקליים מגיבים עם קשרים כפולים ו/או משולשים שנמצאים בעמוד השדרה הפולימרי ובקישור הצולב. עבור פילמור רדיקלים חופשיים, עמוד השדרה הפולימרי מכיל קשר כפול אחד המפיץ את השרשרת. הרדיקלים החופשיים מגיבים עם קשר כפול פחמן-פחמן ב-2-הידרוקסיאתיל מתאקרילט (איור 3) כדי ליצור שרשרת מתפשטת עם רדיקלים חופשיים בקצה (שלב ההפצה באיור 4). קבוצת ההידרוקסיל שיורדת מעמוד השדרה מסיסה במים, וגורמת לרשת המקושרת להתנפח.

איור 3: 2-הידרוקסיאתיל מתאקרילט.

איור 4: UV יזם צעדי פילמור רדיקלים חופשיים.

הרדיקלים מגיבים גם עם שני קשרים כפולים פחמן-פחמן בטטראתילן גליקול דימתאקרילט (TEGDMA) (איור 5), המקשר הכימי, כדי לקשר את שרשראות עמוד השדרה יחד. סינתזת הידרוג'ל הושלמה כאשר הרדיקלים החופשיים נצרכו או הגיבו לחלוטין.

איור 5: טטרהאתילן גליקול דימתאקרילט.

המונומר ההידרוג'ל הסופי מוצג באיור 7, וההידרוג'לים המסונתזים מוצגים באיור 8. מידת הנפיחות נמצאה כ -136% עבור המדגם של דקה אחת, 387% לדגימה של 1.5 דקות ו -81% לדגימה של 5 דקות. תוצאות אלה ממחישות את הקשר בין מידת הקישור הצולב, או המידה שבה הרשת מחוברת, לבין יכולת נפיחות. יותר קשרים בין מולקולות הפולימר פירושם כוחות מרסן אלסטיים יותר על שרשראות הפולימרים האלה, אשר מונעים מהם להתרחב לאותה מידה כמו הידרוג'ל פחות מוצלב.

איור 7: מונומר שנוצר מ-DMPAP פוטו-סיניטיאטור, עמוד השדרה של HEMA, חוצה TEGDMA, ממס EG ופיגמנט פוטוכרומי לאחר פילמור רדיקלים חופשיים.

איור 8: הידרוג'ל לאחר פילמור. משמאל לימין: דקה אחת תחת אור UV במהלך פילמור, 1.5 דקות תחת אור UV במהלך פילמור, 5 דקות תחת אור UV במהלך פילמור. המדגם בן הדקה נראה שקוף יותר ודומה לג'ל מאשר דגימות של 1.5 דקות ו-5 דקות, שהיו בהן דרגות הולכות וגדלות של פילמור

סינתזת הידרוג'ל היא טכניקה לייצור חומרים פולימריים מקושרים אשר יכול להתנפח בתגובה נוזל, אור UV, pH, או מגוון של ממריצים אחרים. סינתזה על ידי שילוב של פתרונות נוזליים היא יתרון עבור הפשטות של ערבוב ויצירת הידרוג'לים, אם כי המוצר הסופי הוא בדרך כלל טמא נוטה להכיל פולימרים עם משקולות מולקולריות נמוכות. הליך ספציפי זה, למרות שהוא פשוט, כרוך בכימיקלים רעילים ודליקים, ולכן דורש טיפול קיצוני ואמצעי מניעה. הידרוג'ל המיוצר בשיטה זו שימושיים ביישומים החל מאספקת תרופות לחיישנים ועד מוצרי היגיינה סופגים.

הידרוג'לים משמשים במגוון מוצרי צריכה, מכשור רפואי וחיישנים. מוצרי צריכה כגון רפידות בית חולים, רפידות היגיינה נשית וחיתולים מכילים נתרן פוליאקרילט, אחד הפולימרים הסופר-סורבנט הנפוצים ביותר. ההידרוג'ל מתנפח בנוכחות הנוזל בין 300-800 פעמים משקלו. זה מאפשר ליצרנים להשתמש פחות חומר וליצור מוצרים דקים ונוחים עבור המשתמש ללבוש.

בנוסף, עדשות מגע רכות עשויות הידרוג'ל סיליקון, המאפשרות לחמצן לעבור בקלות לקרנית ונוחות יותר מעדשות מגע קשות. הידרוג'לים משמשים גם באספקת תרופות מכיוון שהרשת המקושרת מאפשרת לאחסן תרופות ברשת התלת מימדית ולשחרר אותה לאט לגוף.

הידרוג'ל יכול להיות מכוון גם להתנפח כפונקציה של מליחות, pH, או אותות אחרים, מה שהופך אותם מתאימים ביישומי חיישנים. ההידרוג'ל המסונתז בסרטון זה משמש כחיישן בחיישן דשא ממטרה. ההידרוג'ל נמצא במגע עם האדמה ובזמן שהמדשאה מושקית, היא מתנפחת עד שהיא מפעילה את כיבוי הממטרה.