Pendahuluan
Hidrogel poli(vinil alkohol) (PVA) telah menarik minat yang cukup besar dalam aplikasi biomedis seperti penggantian tulang rawan, rekayasa jaringan, dan biomaterial lunak berkat biokompatibilitasnya, kandungan air yang tinggi, serta sifat mekanik yang dapat disesuaikan. Pendekatan yang umum digunakan untuk persiapan hidrogel adalah teknik pembekuan-pencairan, karena teknik ini menciptakan ikatan silang fisik tanpa memerlukan agen ikatan silang kimia. Selama proses pembekuan, KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi air memusatkan rantai polimer di daerah yang tidak membeku, sehingga mendorong pembentukan kristalit PVA yang berfungsi sebagai titik sambungan dalam jaringan hidrogel. Siklus pembekuan-pencairan yang berulang semakin memperkuat struktur jaringan dan meningkatkan stabilitas mekanis hidrogel.
Meskipun kalorimetri pemindaian diferensial (DSC) umumnya digunakan untuk menyelidiki transisi termal selama proses pembekuan-pencairan, DSC konvensional hanya memberikan informasi terbatas mengenai evolusi visual sampel. Kamera DSC terintegrasi menggabungkan data kalorimetri dengan pencitraan optik yang tersinkronisasi, sehingga memungkinkan pengamatan langsung terhadap fenomena KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi dan pelelehan sekaligus mengkuantifikasi peristiwa termal.
Dalam penelitian ini, video DSC digunakan untuk menyelidiki perilaku pembekuan-pencairan dua larutan PVA berair yang masing-masing mengandung 8% berat dan 15% berat polimer. Tujuannya adalah untuk mengkorelasikan penampakan visual sampel dengan transisi termal serta mengevaluasi pengaruh konsentrasi PVA dan siklus termal berulang terhadap perilaku KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi.
Bahan dan Metode
Dua larutan PVA dalam air dengan konsentrasi 8% berat dan 15% berat disiapkan dan dianalisis menggunakan DSC 300 Caliris® yang dilengkapi dengan sistem kamera terintegrasi (lihat Gambar 1).
Sampel-sampel tersebut menjalani siklus pendinginan dan pemanasan berulang antara 40°C dan -25°C dengan laju konstan sebesar 1 K min⁻¹. Selama setiap siklus, sinyal DSC dan gambar video yang disinkronkan direkam secara bersamaan.
Perilaku termal dievaluasi dengan menganalisis puncak KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi yang diamati selama pendinginan. Sistem optik terintegrasi memungkinkan visualisasi langsung perubahan struktural yang terjadi selama KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi dan peleburan, yang memberikan informasi tambahan terhadap data kalorimetri.
Hasil dan Pembahasan
Perilaku KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.Kristalisasi Selama Pendinginan
Gambar 2 menunjukkan kurva DSC dari kedua hidrogel tersebut selama dua siklus pendinginan dan pemanasan. Kedua hidrogel PVA menunjukkan puncak EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik yang jelas di sekitar -10°C selama proses pendinginan, yang mengindikasikan terjadinya proses KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan. kristalisasi di dalam sampel. Suhu ini menandakan KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan. kristalisasi air yang terkandung di dalam hidrogel PVA.
Pengaruh Konsentrasi PVA
Gambar 3 menunjukkan perbandingan kurva DSC untuk kedua sampel. Teramati perbedaan yang signifikan antara kedua formulasi tersebut. Sampel dengan konsentrasi PVA 8 wt% menunjukkan entalpi KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan. kristalisasi yang lebih besar dibandingkan dengan sampel dengan konsentrasi 15 wt%.
Perilaku ini dapat dijelaskan oleh perbedaan fraksi air yang dapat membeku yang terdapat dalam sistem. Pada konsentrasi polimer yang lebih rendah, jaringan yang terbentuk selama proses pembekuan-pencairan memiliki KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. kepadatan yang lebih rendah, sehingga proporsi air yang tetap bergerak lebih besar. Akibatnya, jumlah air yang lebih besar turut serta dalam KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan. kristalisasi es dan berkontribusi terhadap entalpi yang diukur.
Sebaliknya, konsentrasi polimer yang lebih tinggi pada sampel 15% berat menghasilkan interaksi yang lebih kuat antara molekul air dan gugus hidroksil PVA. Sebagian besar air terikat atau terkurung di dalam daerah yang kaya polimer dan oleh karena itu tidak mudah mengkristal. Akibatnya, jumlah air yang dapat membeku berkurang dan entalpi KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan. kristalisasi yang lebih rendah teramati. Efek serupa yang bergantung pada konsentrasi telah dilaporkan pada hidrogel PVA, di mana konsentrasi polimer yang lebih rendah menunjukkan luas puncak peleburan dan kristalisasi yang lebih besar karena kandungan air yang dapat membeku yang lebih tinggi.
Pengaruh Siklus Pembekuan-Pencairan Berulang
Gambar 4 menunjukkan kurva suhu dan DSC dari PVA 8% berat untuk lima siklus pemanasan/pendinginan. Entalpi kristalisasi secara bertahap menurun seiring bertambahnya jumlah siklus.
Penurunan entalpi kristalisasi menunjukkan evolusi struktural material yang progresif selama proses pembekuan-pencairan. Selama siklus pembekuan awal, kristalisasi air memicu pemisahan fase dan mengkonsentrasikan rantai PVA secara lokal. Saat pencairan, rantai-rantai ini dapat mengatur ulang diri dan membentuk domain kristalin yang bertindak sebagai ikatan silang fisik dalam jaringan hidrogel yang sedang berkembang.
Dengan setiap siklus pembekuan-pencairan tambahan, tingkat ikatan silang fisik semakin meningkat. Bertambahnya jumlah kristalit PVA membatasi mobilitas air dan mengubah proporsi air bebas yang semakin besar menjadi air terikat atau terkurung. Akibatnya, air yang tersedia untuk kristalisasi selama langkah-langkah pendinginan berikutnya menjadi lebih sedikit, sehingga menyebabkan penurunan entalpi kristalisasi secara bertahap.
Korelasi Antara Informasi Termal dan Visual
Salah satu keunggulan utama DSC dengan kamera terintegrasi adalah kemampuannya untuk mengkorelasikan peristiwa termal dengan perubahan struktural yang dapat diamati. Puncak kristalisasi EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik dapat dikaitkan secara langsung dengan nukleasi dan pertumbuhan es di dalam sampel, yang mengonfirmasi sifat transisi termal tersebut. Rekaman video simultan (→Tautan) memperlihatkan munculnya dan pertumbuhan daerah kristalin pada suhu yang sesuai dengan sinyal DSC EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik (Gambar 4).
Penurunan entalpi kristalisasi secara bersamaan dan pembentukan kristal yang terlihat selama siklus berturut-turut memberikan bukti kuat bahwa proses pembekuan-pencairan mendorong pembentukan hidrogel melalui ikatan silang fisik yang progresif. Dengan demikian, kombinasi kamera video dan DSC 300 Caliris® memberikan wawasan yang tak tertandingi mengenai evolusi termodinamika dan morfologi sistem PVA selama persiapan hidrogel.
Kesimpulan
Kombinasi informasi kalorimetrik dan optik menunjukkan bahwa DSC dengan kamera terintegrasi (lihat Gambar 5) merupakan alat yang ampuh untuk mempelajari pembentukan hidrogel serta memberikan wawasan berharga mengenai hubungan antara transisi termal, kristalisasi air, dan perkembangan jaringan dalam sistem berbasis PVA.
