A hidrogél egy olyan gél , amelyben a duzzasztószer víz . A hidrogél mátrixa általában polimerek hálózata . Az utóbbiak vízben nem oldódnak, de nagy mennyiségű víz vagy vizes oldatok , például biológiai folyadékok jelenlétében képesek lényegesen megduzzadni . A hidrogél előállításához használt polimerek szuperabszorbensek lehetnek .
Különböző orvosbiológiai alkalmazásokkal rendelkezik, beleértve a gyógyszeradagoló rendszereket , a bőrégések kezelését és a lágy kontaktlencséket . 3D nyomtatható.
Hidrogélek létezik a természetben példákkal gombás növényi nyálka, a tojásokat a BÉKÁK (amelyek duzzadnak vízzel érintkezve), vagy a defenzív film-fonalas nyálka a nyálkahal .
A térhálósodás során a hidrofil csoportok jelenlétében vízoldhatóvá tett polimer láncok csomópontokon keresztül kapcsolódnak egymáshoz, hálózatot képezve . A jelenléte hidrofil csoportok, például -OH, -CONH, -CONH 2és -SO 3 Hhidrofil doméneket képez a polimerekben, és lehetővé teszi a mátrix vízzá válását.
Ez a hálózat heterogén rendszert képez a vízben, amely két fázisból áll (az oldat és a duzzadt gél ). A hidrogélek hidratálva vannak (néha több mint 90 tömegszázalékban), a vizes környezet jellegétől és a polimerek összetételétől függően.
A hidrogélek előállítása nagyon enyhe körülmények között történik: általában a gélesedés szobahőmérsékleten és légköri nyomáson történik , és szerves oldószerek alkalmazása ritkán szükséges.
A következő ábra szemlélteti a hidrogél szintézis leggyakrabban alkalmazott módszereit:
A polimerláncok közötti kapcsolat kétféle lehet: állandó ( kovalens kötések ) vagy reverzibilis ( hidrogénkötések , van der Waals-i kölcsönhatások , összefonódások stb. ), Ami lehetővé teszi a gélek két fő típusának megkülönböztetését: a kémiai géleket és a fizikai géleket.
A kémiai gélek polimer láncokból állnak, amelyek kovalens kötésekkel vannak összekapcsolva, és ezáltal úgynevezett állandó jelleget kölcsönöznek a térhálósító csomópontoknak , tehát a géleknek. Ezért nem függenek a külső tényezőktől ( hőmérséklet , pH , koncentráció , mechanikai deformáció stb. ).
A következő ábra a p- ciklodextrinek és az acilezett polietilénglikol kovalens kötéssel kémiailag térhálósított hidrogél példáját mutatja .
A kémiai térhálósításnak két fő típusa van:
A kémiai gélek előállításának két fő módszerét soroljuk fel:
A létezése közötti kovalens kötések a lánc teszi a képződött anyagok oldhatatlan, amit az oldószert . De az utóbbiakkal való kompatibilitás a kisebb vagy nagyobb mennyiségű abszorpciótól függ .
A kémiai gélekkel ellentétben a fizikai gélek nem állandó térhálósító kapcsolatokat vagy csomópontokat mutatnak.
Ez utóbbiak száma és erőssége közvetlenül függ a gél termodinamikai és mechanikai állapotától , ezáltal a gélesedés reverzibilitását váltja ki, az asszociációk folyamatosan megszakadnak és megreformálódnak. Más szavakkal, lehetőség van arra, hogy átlépje a gáton az „oldat-gél” átmenet mindkét irányban a végtelenségig, ami egy oldat vagy egy szilárd függően a külső körülmények (hőmérséklet, pH , stb ).
A térhálósító csomópontok ezután úgynevezett átmeneti jelleget kölcsönöznek a gélnek, és ezeket a következők alkotják:
A polimerláncok fizikai térhálósítása különböző környezeti tényezők ( pH , hőmérséklet, ionerősség ) alkalmazásával érhető el , és a különböző fizikai-kémiai kölcsönhatások a következők:
A szakirodalom bemutatja számos szupramolekuláris képződött hidrogélek különösen a komplex gazda-vendég ( host-guest ), a polyrotaxanes és polypseudorotaxanes vegyületek ciklodextrinek . Az ilyen típusú hidrogél iránti érdeklődés növekszik, mert kivételes tulajdonságokhoz vezet, többek között: a gélesedés szabályozható hő-reverzibilitása, nem toxikus, tixotropia .
Példaként említjük Harada és Kamachi által egy polipszeudorotaxán szintézisét α-CD-ből és polietilénglikolból (PEG, M w nagyobb, mint 2000), amely szupermolekuláris hidrogélt képez vizes közegben szobahőmérsékleten. A polipszeudorotaxán egy polietilén-glikol-láncból áll (amely az állórészt alkotja), amelyet több ciklodextrin bonyolít (amely a mozgó részt, a rotort alkotja).
A hidrogéleket a következők szerint osztályozhatjuk: a polimerek jellege (természetes vagy szintetikus ), az oldalláncok jellege (semleges vagy ionos ), mechanikai és szerkezeti jellemzői, az előállítási módszerek ( homo- vagy kopolimer), a fizikai szerkezetek ( amorf , kristályos , hidrogén-hidak, szupramolekuláris, hidrokolloid, stb ) és reakcióképesség a környezeti ingerekre ( pH , ionerősség, hőmérséklet, elektromágneses sugárzás , stb ).
A hidrogél víztartalma meghatározza annak fizikai-kémiai jellemzőit. Mindazonáltal meg lehet említeni figyelemre méltó tulajdonságait: részleges merevség és képesség arra, hogy rugalmas reakciót adjon a mechanikai igénybevételre, ezek biokompatibilisek és nem mérgezőek, és a természetes szövetekéhez nagyon hasonló rugalmasságot mutatnak ( magas víztartalmuk).
A hidrogélek alkalmazása növekszik, ahogyan az általuk felkeltett érdeklődés is. Kivételes fizikai-kémiai jellemzőik lehetővé teszik számukra a gyógyszerészeti és az orvosbiológiai alkalmazást , különösen a gyógyszerek beadásában (nanoszférákban vagy nanokapszulákban, orálisan vagy transzdermálisan stb. ). A bőrégések elleni küzdelemben is megtalálhatók. Kísérleti orvostudományi klinikai vizsgálatokban is széles körben alkalmazzák őket, ideértve a szövettechnikát és a regeneratív gyógyszert, a diagnosztikát, a sejtek immobilizálását, a biomolekulák vagy sejtek elválasztását, a gátló anyagok alkalmazását a biológiai adhéziók szabályozásához.
Az egyik kutatási terület aggályok bioinspirált hidrogélek és Biomimetika amelynek eredményeképpen különösen a termelés bio-alapú anyagok, például inspirálta a film-fonalas váladék nyálkahal .
3D-s nyomtatásba kezdünk olyan „hidrogél-csontvázakat” is, amelyeken kultiválhatjuk vagy rögzíthetjük a biológiai izomrostokat, és hamarosan axonok lehetnek , például Rashid Bashir és mtsai biobot- projektjével . , Illinoisi Egyetem (Urbana-Champaign).