Hydrogel - Hydrogel

Hydrogel superabsorpčního polymeru

A hydrogel je síť síťovaných polymer řetězy, které jsou hydrofilní, někdy nalezený jako koloidní gel, ve kterém je disperzní médium voda. Trojrozměrná pevná látka je výsledkem toho, že hydrofilní polymerní řetězce jsou drženy pohromadě příčnými vazbami. Síťování, které váže polymery hydrogelu, spadá do dvou obecných kategorií: fyzikální a chemické. Fyzické síťování se skládá z vodíkových vazeb, hydrofobních interakcí a řetězových propletení (mimo jiné). Kvůli inherentním příčným vazbám se strukturní integrita hydrogelové sítě nerozpouští z vysoké koncentrace vody.^[1] Hydrogely jsou vysoce savý (mohou obsahovat více než 90% vody) přírodní nebo syntetické polymerní sítě.

Poprvé se výraz „hydrogel“ v literatuře objevil v roce 1894.^[2]

Použití

Adhezivní obvaz s hydrogelovou vložkou, používaný na puchýře a popáleniny. Centrální gel je čirý, lepicí vodotěsná plastová fólie je čirá, podklad je bílý a modrý.

Mezi běžné použití patří:

• Lešení dovnitř tkáňové inženýrství.^[3] Pokud jsou hydrogely použity jako lešení, mohou obsahovat lidské buňky k opravě tkáně. Napodobují 3D mikroprostředí buněk.^[4]
• Pro buněčnou kulturu byly použity jamky potažené hydrogely.^[5]
• Zkoumání biomechanických funkcí v buňkách v kombinaci s Holotomografie mikroskopie

Lidská mezenchymální kmenová buňka interagující s 3D hydrogelem - zobrazena pomocí zobrazování živých buněk bez označení

• Ekologicky citlivé hydrogely (známé také jako „Smart Gels“ nebo „Intelligent Gels“). Tyto hydrogely mají schopnost snímat změny pH, teploty nebo koncentrace metabolitů a uvolňovat svou zátěž v důsledku takové změny.^[6]
• Injekční hydrogely, které lze použít jako nosiče léčiv k léčbě onemocnění nebo jako nosiče buněk pro regenerační účely nebo tkáňové inženýrství.^[7][8][9]
• Trvalé uvolňování dodávka léků systémy. Iontovou sílu, pH a teplotu lze použít jako spouštěcí faktor pro řízení uvolňování léčiva.^[10]
• Poskytování absorpce, odluhování a odstraňování nekrotické a fibrotické tkáně
• Hydrogely, které reagují na specifické molekuly,^[11] jako je glukóza nebo antigeny, lze použít jako biosenzory, stejně jako v DDS.^[12]
• Jednorázový pleny kde absorbují moč, nebo v hygienické ubrousky^[13]
• Kontaktní čočky (silikon hydrogely, polyakrylamidy, polymacon )
• EEG a EKG lékařské elektrody využívající hydrogely složené z zesítěný polymery (polyethylenoxid, polyAMPS a polyvinylpyrrolidon )
• Vodní gelové výbušniny
• Rektální podávání léků a diagnostika
• Zapouzdření kvantových teček
• Prsní implantáty
• Lepidlo
• Granule pro držení půda vlhkost v suchých oblastech
• Obvazy na hojení hořet nebo jiné těžko léčitelné rány. Gely na rány jsou vynikající pro pomoc při vytváření nebo udržování vlhkého prostředí.
• Nádrže v lokální podávání léků; zejména iontové léky dodávané společností iontoforéza (vidět iontoměničová pryskyřice ).
• Materiály napodobující zvířecí slizniční tkáně, které mají být použity pro testování mukoadhezivních vlastností systémů pro dodávání léčiv^[14][15]
• Výroba termodynamické elektřiny. V kombinaci s ionty umožňuje odvod tepla pro elektronická zařízení a baterie a převod tepelné výměny na elektrický náboj.^[16]

Chemie

Mezi běžné přísady patří polyvinylalkohol, polyethylenglykol, Polyakrylát sodný, akrylátové polymery a kopolymery s hojností hydrofilní skupiny a přírodní proteiny, jako je kolagen, želatina a fibrin.

Síťování, které váže polymery hydrogelu, spadá do dvou obecných kategorií: fyzikální a chemické. Fyzické příčné vazby se skládají z vodíkových vazeb, hydrofobních interakcí a spletení řetězců (mimo jiné). Hydrogel generovaný pomocí fyzických zesíťování se někdy nazývá „reverzibilní“ hydrogel. Chemické síťování se skládá z kovalentních vazeb mezi řetězci polymeru. Hydrogely generované tímto způsobem se někdy nazývají „trvalé“ hydrogely.

Jeden pozoruhodný způsob zahájení polymerační reakce zahrnuje použití světla jako stimulu. V této metodě se fotoiniciátory, sloučeniny, které se štěpí z absorpce fotonů, přidávají do prekurzorového roztoku, který se stane hydrogelem. Když je prekurzorový roztok vystaven koncentrovanému zdroji světla, fotoiniciátory se odštěpí a vytvoří volné radikály, což zahájí polymerační reakci, která vytvoří síťování mezi řetězci polymeru. Tato reakce přestane, pokud je odstraněn světelný zdroj, což umožňuje kontrolovat množství zesíťování vytvořeného v hydrogelu.^[17] Vlastnosti hydrogelu jsou velmi závislé na typu a množství jeho zesíťování, takže fotopolymerizace je oblíbenou volbou pro jemné doladění hydrogelů. Tato technika zaznamenala značné použití v aplikacích buněčného a tkáňového inženýrství kvůli schopnosti vstřikovat nebo formovat prekurzorový roztok naplněný buňkami do místa rány a poté jej ztuhnout in situ.^[13][17]

Hydrogely také mají stupeň pružnosti velmi podobný přirozené tkáni, kvůli jejich významnému obsahu vody. Jako citlivý "chytré materiály „hydrogely mohou zapouzdřit chemické systémy, které po stimulaci vnějšími faktory, jako je změna pH, mohou způsobit uvolnění konkrétních sloučenin, jako je glukóza, do životního prostředí, ve většině případů přechod gel-sol do kapalného stavu. Chemomechanické polymery jsou většinou také hydrogely, které po stimulaci mění svůj objem a mohou sloužit jako pohony nebo senzory.

• Přehrát média

  A mikropumpa na základě hydrogelové tyče (velikost 4 × 0,3 × 0,05 mm) ovládané přiloženým napětím. Toto čerpadlo lze nepřetržitě provozovat s 1,5 V baterií po dobu nejméně 6 měsíců.^[18]

• 

  Hydrogelová matrice na bázi krátkých peptidů, schopná zadržet přibližně stokrát svoji vlastní hmotnost ve vodě. Vyvinuto jako lékařský obvaz. Tloušťka vláken byla řádově v řádu desítek nm, napodobující vláknité mikroprostředí nalezené v extracelulární matrici. Polní emisní rastrovací elektronová mikroskopie obraz

• 

  Fotografie stejného hydrogelu na bázi krátkých peptidů, který je držen v kleštích, aby prokázal jeho tuhost a průhlednost.

Mechanické vlastnosti

Hydrogely mají širokou škálu mechanických vlastností, což je jeden z hlavních důvodů, proč byly nedávno zkoumány pro širokou škálu aplikací. Modifikací koncentrace polymeru hydrogelu (nebo naopak koncentrace vody) se Young’s Modulus, Tažný modul, a Modul úložiště se může pohybovat od 10 Pa do 3 MPa, což je rozsah asi pěti řádů.^[19] Podobný účinek lze pozorovat změnou koncentrace zesíťování.^[19] Tato velká variabilita mechanické tuhosti je důvodem, proč jsou hydrogely tak atraktivní pro biomedicínské aplikace, kde je životně důležité, aby implantáty odpovídaly mechanickým vlastnostem okolních tkání.^[20]

Hydrogely mají dva hlavní režimy mechanických vlastností: pružnost gumy a viskoelasticity:

Pryžová pružnost

V nenapuštěném stavu lze hydrogely modelovat jako vysoce zesítěné chemické gely, ve kterých lze systém popsat jako jednu souvislou polymerní síť. V tomto případě:

${ displaystyle G = N_ {p} kT = { rho RT over { overline {M}} _ {c}}}$

kde G je tažný modul, k je Boltzmannova konstanta, T je teplota, N_p je počet polymerních řetězců na jednotku objemu, ρ je hustota, R je ideální plynová konstanta a ${ displaystyle { overline {M}} _ {c}}$ je (počet) průměrná molekulová hmotnost mezi dvěma sousedními síťovacími body. ${ displaystyle { overline {M}} _ {c}}$ lze vypočítat z poměru bobtnání, Q, což je relativně snadné testovat a měřit.^[19]

Pro oteklý stav lze dokonalou gelovou síť modelovat jako:^[19]

${ displaystyle G_ {swollen} = GQ ^ {- 1/3}}$

V jednoduchém jednoosém prodloužení nebo kompresním testu je skutečné napětí, ${ displaystyle sigma _ {t}}$a technický stres, ${ displaystyle sigma _ {e}}$, lze vypočítat jako:

${ displaystyle sigma _ {t} = G_ {oteklé} vlevo ( lambda ^ {2} - lambda ^ {- 1} vpravo)}$

${ displaystyle sigma _ {e} = G_ {oteklé} vlevo ( lambda - lambda ^ {- 2} vpravo)}$

kde ${ displaystyle lambda = l_ {aktuální} / l_ {originál}}$ je úsek.^[19]

Viskoelasticita

Aby bylo možné popsat časově závislé creepové a stresově relaxační chování hydrogelu, lze použít různé modely fyzikálních parametrů.^[19] Tyto metody modelování se velmi liší a jsou extrémně složité, takže empirické Prony Series popis se běžně používá k popisu viskoelastického chování v hydrogelech.^[19]

Reakce na životní prostředí

Nejčastěji pozorovanou citlivostí prostředí na hydrogely je reakce na teplotu.^[21] Mnoho polymerů / hydrogelů vykazuje teplotně závislý fázový přechod, který lze klasifikovat jako buď Horní kritická teplota roztoku (UCST) nebo Nižší kritická teplota roztoku (LCST). UCST polymery zvyšují svou rozpustnost ve vodě při vyšších teplotách, což vede k přechodu UCST hydrogelů z gelu (pevné látky) na roztok (kapalné), jak se zvyšuje teplota (podobně jako chování bodu tání čistých materiálů). Tento jev také způsobuje, že se hydrogely UCST rozpínají (zvyšují jejich bobtnavost), jak se zvyšuje teplota, zatímco jsou pod jejich UCST.^[21] Polymery s LCST však vykazují inverzní (nebo negativní) teplotní závislost, kde jejich rozpustnost ve vodě klesá při vyšších teplotách. Hydrogely LCST přecházejí z kapalného roztoku na pevný gel, jak se zvyšuje teplota, a také se zmenšují (snižují jejich bobtnavost), jak se teplota zvyšuje, zatímco jsou nad jejich LCST.^[21]

Různé aplikace vyžadují různé tepelné reakce. Například v biomedicínské oblasti jsou LCST hydrogely zkoumány jako systémy pro dodávání léčiv, protože jsou injikovatelné (kapalné) při pokojové teplotě a poté tuhnou do pevného gelu po vystavení vyšším teplotám lidského těla.^[21] Existuje mnoho dalších podnětů, na které mohou hydrogely reagovat, včetně: pH, glukóza, elektrické signály, světlo, tlak, ionty, antigeny a další.^[21]

Přísady

Existuje mnoho způsobů, jak doladit mechanické vlastnosti hydrogelů. Jedním z nejjednodušších je použít různé molekuly pro páteř a síťovadla hydrogelového systému, protože různé molekuly budou mít různé intermolekulární interakce navzájem a různé interakce s absorbovanou vodou.^[21][22] Další metodou úpravy pevnosti nebo pružnosti hydrogelů je roubování nebo povrchové potahování na silnější / tužší podklad, nebo vytvořením superporézních hydrogelových (SPH) kompozitů, do kterých se přidá zesíťovatelná matrice bobtnající přísada.^[23] Ukázalo se, že další přísady, jako jsou nanočástice a mikročástice, významně modifikují tuhost a teplotu gelace určitých hydrogelů používaných v biomedicínských aplikacích.^[24][25][26]

Výzkum

Přírodní hydrogelové materiály jsou zkoumány pro tkáňové inženýrství; tyto materiály zahrnují agaróza, methylcelulóza, hyaluronan, Polypeptidy podobné elastinu a další přirozeně odvozené polymery. Hydrogely jsou příslibem použití v zemědělství, protože mohou pomalu uvolňovat agrochemikálie včetně pesticidů a fosfátových hnojiv, zvyšovat účinnost a snižovat odtok a současně zlepšovat zadržování vody u suchších půd, jako jsou písčité hlíny.^[27]

V roce 2000 došlo k nárůstu výzkumu týkajícího se použití hydrogelů k podávání léků. Polymerní systémy pro dodávání léčiv překonaly výzvu kvůli své biologické rozložitelnosti, biokompatibilitě a antitoxicitě.^[28] Nedávné pokroky podpořily formulaci a syntézu hydrogelů, které poskytují silnou páteř pro efektivní složku systémů pro dodávání léčiv.^[29] Materiály jako kolagen, chitosan, celulóza a kyselina poly (kyselina mléčná-glykolová) byly všechny rozsáhle implementovány pro dodávání léčiv do různých důležitých orgánů v lidském těle, jako jsou: oko,^[30] nos, ledviny,^[31] plíce,^[32] střeva,^[33] kůže^[34] a mozek. Budoucí práce se zaměří na lepší anti-toxicitu hydrogelů, různé techniky montáže hydrogelů, díky nimž budou více biokompatibilní^[35] a dodání komplexních systémů, jako je použití hydrogelů k dodání terapeutických buněk.^[36]

Reference