Laboratorium z Inżynierii Biomedycznej i Radiacyjnej

Ćwiczenie 2

Sieciowanie radiacyjne

Data wykonania : 18 pażdziernika 2010 r.

Małgorzata Baran

Magdalena Ciekańska

Ewelina Kalinowska

Andrzej Miłek

Magdalena Olejniczak

Piotr Pesta

Anna Piecyk

Justyna Wojtkiewicz

Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna

Krótki wstęp teoretyczny

Jednym z głównych zastosowań wysokoenergetycznego promieniowania do modyfikacji materiałów jest sieciowanie polimerów – powstawanie mostków między sąsiednimi monomerami. Wskutek tego tworzy się trójwymiarowa struktura nadcząsteczkowa.

Właściwości usieciowanych materiałów zmieniają się w zależności od stopnia usieciowania. W miarę wzrostu stopnia usieciowania materiał staje się bardziej sztywny, zmienia się jego konsystencja. Polimery usieciowane nie mogą być powtórnie przerabiane, są nierozpuszczalne, a poddane działaniu rozpuszczalników pęcznieją.

Polimery o niezbyt dużej wyjściowej masie cząsteczkowej, usieciowane w niewielkim stopniu, tworzą żele.

Hydrożele są to makrocząsteczki połączone w sieć trójwymiarową. Luki pomiędzy atomami makrocząsteczek wypełnia woda. Hydrożele ze względu na rodzaj wiązań dzielimy na fizyczne (odwracalne) oraz chemiczne (nieodwracalne), w których dominują wiązania kowalencyjne.

Hydrożele wykazują zdolność do chłonięcia wody w takiej ilości, która wielokrotnie przekracza wartość jego suchej masy. Zdolność do samorzutnej zmiany stopnia spęcznienia zależy od temperatury, pH, pola elektrycznego etc.

Hydrożele ze względu na swoje liczne zalety znalazły szereg zastosowań m.in. w medycynie i farmacji. Są wykorzystywane jako biomateriały, miękkie soczewki kontaktowe, opatrunki (właściwości absorpcyjne pozwalają chłonąć wydzielinę z ran, przyspieszając i ułatwiając gojenie), układy do kontrolowanego uwalniania leków, implanty chirurgiczne a także w niektórych metodach analitycznych np. elektroforeza.

Stosowany polimer : PEGDA - diakrylan glikolu polietylenowego

W późnych latach pięćdziesiątych Charlesby i Pinner badając związek frakcji zolowej z dawką promieniowania otrzymał równanie:

$$s + \sqrt{s} = \frac{p_{o}}{q_{o}} + \frac{2}{q_{o}u_{2.0}}\frac{1}{D}$$

, gdzie

s i g to odpowiednio frakcja zolowa i żelowa oraz s+g=1

p0/q0 to stosunek aktów degradacji (p) do aktów sieciowania (q)

Cel ćwiczenia

Zbadanie możliwości wytwarzania trwałych, nieodwracalnych hydrożeli polimerowych za pomocą promieniowania jonizującego

Wyznaczenie dawki żelowania oraz stopni spęcznienia.

Wykonywane czynności

Po przygotowaniu 10 % roztworu PEGD – y w 100 ml kolbie i przelaniu go do 6 ampułek po 10 ml (seria A) nasycaliśmy je podtlenkiem azotu przez 30 min. Następnie poddawaliśmy je napromienianiu w słupie bomby kobaltowej o średniej mocy dawki równej 0,465 Gy/min przez 2,4,6,9,12,15min.

Po zakończeniu napromieniania rozbiliśmy ampułki, usunęliśmy szkło i zalaliśmy wodą destylowaną, by usunąć resztki nieprzereagowanego monomeru. Otrzymane żele ważyliśmy po 45 min. namaczania (wodę wymienialiśmy co 15 min.) i po wysuszeniu w suszarce nastawionej na 90^oC.

Sporządziliśmy także drugą serię roztworów (seria B), którą poddaliśmy podobnej procedurze jak w przypadku serii A z wyjątkiem suszenia w suszarce.

Uzyskane wyniki

t [min]	4	6	9	15
seria A [g]	0,5	0,49	0,63	0,88
seria B [g]	5,14	4,21	5,18	5,82

Obliczenia

Obliczam frakcję żelową g oraz zolową s na podstawie poniższych równań a wyniki obliczeń umieszczam w tabelce .

$g = \frac{m_{z}}{m_{o}}$ s = 1 − g

, gdzie mz/ mo to stosunek mas powstałego żelu do monomeru (1g monomeru w ampułce)

seria A [g]	0,5	0,49	0,63	0,88
g	0,5	0,49	0,63	0,88
s	0,5	0,51	0,37	0,12
s+√s	1,207107	1,224143	0,978276	0,46641
D [Gy]	1,86	2,79	4,185	6,975
1/D [1/Gy]	0,537634	0,358423	0,238949	0,143369

Na podstawie tabeli wykonuję wykres przedstawiający zależność $s + s = \ A + B\frac{1}{D}$

Dla s+√s=2 wartość 1/D wynosi 0,92 co daje D_g= 1,09 Gy

Wielkością opisującą pęcznienie jest stopień spęcznienia równowagowego wyrażony równaniem:

$$P = \frac{m - m_{o}}{m_{o}} \bullet 100\%$$

Poszczególne obliczone stopnie spęcznienia umieszczam w tabeli poniżej i na jej podstawię sporządzam wykres zależności stopnia spęcznienia od dawki.

t [min]	4	6	9	15
D [Gy]	1,86	2,79	4,185	6,975
mo (seria A) [g]	0,5	0,49	0,63	0,88
m (seria B) [g]	5,14	4,21	5,18	5,82
P [%]	928	759,1837	722,2222	561,3636

Wnioski

Wykazaliśmy że możliwa jest sieciowanie i synteza hydrożeli poprzez poddanie ich działaniu promieniowaniu jonizującemu. Jest to metoda łatwa i nieszkodząca środowisku przez co stanowi alternatywę dla chemicznych metod sieciowania polimerów. Z naszego doświadczenia wynika też, że już niewielka dawka promieniowania może powodować sieciowanie. W skali technologicznej stosowana dawka to 10kGy, która powoduje jednocześnie sterylizację produktu.

Uzyskana wartość dawki żelowania wynosi D_g 1,06Gy.

Wykres ilustrujący zależność frakcji zolowej od dawki promieniowania różni się od założeń teoretycznych – nie jest linią prostą. Świadczy to potrzebie zmodyfikowania klasycznego równania Ch-P .

Stosunek aktów degradacji (p) do aktów sieciowania (q) - p₀/q₀ wynosi 0,416 mówi o tym, iż znaczna część wiązań sieciowych ulega zerwaniu na skutek działania promieniowania jonizującego.

Uzyskane wartości stopnia spęcznienia osiągają wartości >500%, co wskazuje, że hydrożel pochłania wielokrotnie więcej wody niż wynosi jego masa.

Stopień spęcznienia maleje wraz ze wzrostem zaabsorbowanej dawki promieniowania jonizującego jak wskazuje wykres P=f(D). Zależność jest niemal liniowa jak wskazuje współczynnik korelacji R².

Bibliografia

http://www.radpol.com.pl/pl/technologia/metoda-sieciowania-radiacyjnego.html

Gel/sol analysis of irradiated polymers, J.M. Rosiak, Radiat. Phys, Chem. Vol. 51, 1998