Hydrożel

Żelatyna, tutaj w arkuszach do gotowania, jest hydrożelem.

Tworzenie hydrożelu peptydowego pokazane metodą odwróconej fiolki.

Hydrożel jest materiałem dwufazowym, mieszaniną porowatych , przepuszczalnych ciał stałych i co najmniej 10% wagowych lub objętościowych płynu śródmiąższowego złożonego całkowicie lub głównie z wody . W hydrożelach porowata przepuszczalna substancja stała jest nierozpuszczalną w wodzie trójwymiarową siecią naturalnych lub syntetycznych polimerów i płynu, która wchłonęła dużą ilość wody lub płynów biologicznych. Te właściwości leżą u podstaw kilku zastosowań, zwłaszcza w dziedzinie biomedycyny. Wiele hydrożeli jest syntetycznych, ale niektóre pochodzą z natury. Termin „hydrożel” został wymyślony w 1894 roku.

Chemia

Klasyfikacja

Wiązania sieciujące, które wiążą polimery hydrożelu, dzielą się na dwie ogólne kategorie: hydrożele fizyczne i hydrożele chemiczne. Hydrożele chemiczne mają kowalencyjne wiązania sieciujące , podczas gdy hydrożele fizyczne mają wiązania niekowalencyjne . Chemiczne hydrożele mogą dawać silne odwracalne lub nieodwracalne żele dzięki wiązaniu kowalencyjnemu. Chemiczne hydrożele, które zawierają odwracalne kowalencyjne wiązania sieciujące, takie jak hydrożele tiomerów usieciowanych wiązaniami dwusiarczkowymi, są nietoksyczne i są stosowane w wielu produktach leczniczych. Fizyczne hydrożele zwykle mają wysoką biokompatybilność, nie są toksyczne i łatwo odwracalne, po prostu zmieniając bodziec zewnętrzny, taki jak pH, stężenie jonów ( alginian ) lub temperatura ( żelatyna ); są również wykorzystywane do zastosowań medycznych. Fizyczne wiązania poprzeczne składają się między innymi z wiązań wodorowych , oddziaływań hydrofobowych i splątań łańcuchowych. Hydrożel powstały w wyniku zastosowania fizycznych wiązań poprzecznych jest czasem nazywany hydrożelem „odwracalnym”. Chemiczne wiązania sieciujące składają się z wiązań kowalencyjnych między pasmami polimeru. Wytworzone w ten sposób hydrożele są czasami nazywane hydrożelami „permanentnymi”.

Hydrożele są przygotowywane przy użyciu różnych materiałów polimerowych , które można ogólnie podzielić na dwie kategorie w zależności od ich pochodzenia: polimery naturalne lub syntetyczne. Naturalne polimery do przygotowania hydrożelu to kwas hialuronowy , chitozan , heparyna , alginian , żelatyna i fibryna . Typowe polimery syntetyczne obejmują alkohol poliwinylowy , glikol polietylenowy , poliakrylan sodu , polimery akrylanowe i kopolimery . Podczas gdy naturalne hydrożele są zwykle nietoksyczne i często zapewniają inne korzyści dla zastosowań medycznych, takie jak biozgodność , biodegradowalność , działanie antybiotyczne / przeciwgrzybicze oraz poprawa regeneracji okolicznych tkanek, ich stabilność i wytrzymałość jest zwykle znacznie niższa niż syntetycznych hydrożeli. Istnieją również hydrożele syntetyczne, które można stosować do zastosowań medycznych, takie jak glikol polietylenowy (PEG) , poliakrylan i poliwinylopirolidon (PVP) .

Przygotowanie

Uproszczony schemat pokazujący proces samoorganizacji związany z tworzeniem hydrożelu.

Istnieją dwa sugerowane mechanizmy powstawania fizycznego hydrożelu, z których pierwszym jest żelowanie nanowłóknistych zespołów peptydowych , zwykle obserwowane w przypadku prekursorów oligopeptydów . Prekursory samoorganizują się we włókna, taśmy, rurki lub wstążki, które splatają się, tworząc niekowalencyjne wiązania poprzeczne. Drugi mechanizm obejmuje niekowalencyjne interakcje usieciowanych domen, które są oddzielone rozpuszczalnymi w wodzie łącznikami, co zwykle obserwuje się w dłuższych strukturach wielodomenowych. Dostrojenie oddziaływań supramolekularnych w celu wytworzenia samonośnej sieci, która nie wytrąca się, a także jest zdolna do unieruchamiania wody, która jest niezbędna do tworzenia żelu. Większość hydrożeli oligopeptydowych ma Struktura β-arkusza i łączą się, tworząc włókna, chociaż opisano również peptydy α-helikalne . Typowy mechanizm żelowania polega na tym, że prekursory oligopeptydów samoorganizują się we włókna, które wydłużają się i splatają, tworząc usieciowane żele.

Jedna z godnych uwagi metod inicjowania procesu polimeryzacji polega na wykorzystaniu światła jako bodźca. W tej metodzie do roztworu prekursora, który stanie się hydrożelem, dodaje się fotoinicjatory , związki, które odszczepiają się w wyniku absorpcji fotonów. Gdy roztwór prekursora jest wystawiony na działanie skoncentrowanego źródła światła, zwykle ultrafioletu napromieniowanie, fotoinicjatory rozszczepią się i utworzą wolne rodniki, które rozpoczną reakcję polimeryzacji, która tworzy wiązania poprzeczne między pasmami polimeru. Ta reakcja ustanie, jeśli usunie się źródło światła, co pozwoli na kontrolowanie ilości wiązań poprzecznych utworzonych w hydrożelu. Właściwości hydrożelu w dużym stopniu zależą od rodzaju i ilości jego wiązań poprzecznych, co sprawia, że ​​fotopolimeryzacja jest popularnym wyborem do precyzyjnego dostrajania hydrożeli. Technika ta znalazła szerokie zastosowanie w zastosowaniach inżynierii komórkowej i tkankowej ze względu na możliwość wstrzyknięcia lub uformowania roztworu prekursora załadowanego komórkami w miejsce rany, a następnie zestalenia go in situ.

Fizycznie usieciowane hydrożele można wytworzyć różnymi sposobami, w zależności od rodzaju sieciowania. Hydrożele z alkoholu poliwinylowego są zwykle wytwarzane techniką zamrażania i rozmrażania. Roztwór zamraża się na kilka godzin, następnie rozmraża w temperaturze pokojowej i cykl powtarza, aż powstanie mocny i stabilny hydrożel. alginianowe powstają w wyniku oddziaływań jonowych między alginianem a podwójnie naładowanymi kationami. Sól, zwykle chlorek wapnia , rozpuszcza się w wodnym roztworze alginianu sodu, który powoduje, że jony wapnia tworzą wiązania jonowe między łańcuchami alginianu. żelatynowe powstają pod wpływem zmian temperatury. Wodny roztwór żelatyny tworzy hydrożel w temperaturach poniżej 37-35°C, ponieważ oddziaływania Van der Waalsa między włóknami kolagenowymi stają się silniejsze niż termiczne wibracje molekularne.

Hydrożele na bazie peptydów

Hydrożele na bazie peptydów posiadają wyjątkowe właściwości biozgodności i biodegradowalności , co daje podstawę do ich szerokiego zastosowania, szczególnie w biomedycynie; jako takie, ich właściwości fizyczne można precyzyjnie dostroić, aby zmaksymalizować ich wykorzystanie. Metody do tego celu to: modulacja sekwencji aminokwasów , pH , chiralność i zwiększanie liczby związków aromatycznych pozostałości. Kolejność aminokwasów w sekwencji ma kluczowe znaczenie dla żelowania, co zostało wielokrotnie wykazane. W jednym przykładzie krótka sekwencja peptydowa Fmoc-Phe-Gly z łatwością utworzyła hydrożel, podczas gdy Fmoc-Gly-Phe nie udało się tego zrobić w wyniku przesunięcia dwóch sąsiednich ugrupowań aromatycznych, utrudniając oddziaływania aromatyczne. Zmiana pH może również mieć podobne skutki, przykład obejmował zastosowanie dipeptydów modyfikowanych naftalenem (Nap) Nap-Gly-Ala i Nap-Ala-Gly, gdzie spadek pH indukował żelowanie tego pierwszego, ale doprowadził do krystalizacji z tych ostatnich. 74 Metoda kontrolowanego obniżania pH przy użyciu glukono-δ-laktonu (GdL), w której GdL jest hydrolizowany do kwasu glukonowego w wodzie, to nowa strategia, która została opracowana jako sposób tworzenia jednorodnych i powtarzalnych hydrożeli. Hydroliza jest powolna, co pozwala na jednolitą zmianę pH, a tym samym daje powtarzalne jednorodne żele. Oprócz tego, pożądane pH można osiągnąć zmieniając ilość dodawanego GdL. Stosowanie GdL było stosowane wielokrotnie do hydrożelowania dipeptydów Fmoc i Nap. W innym kierunku Morris i wsp. opisali zastosowanie GdL jako „wyzwalacza molekularnego” do przewidywania i kontrolowania kolejności żelowania. Chiralność odgrywa również istotną rolę w tworzeniu żeli, a nawet zmiana chiralności pojedynczego aminokwasu z jego naturalnego L-aminokwasu na jego nienaturalny D-aminokwas może znacząco wpłynąć na właściwości żelowania, przy czym naturalne formy nie tworzą żeli. Ponadto interakcje aromatyczne odgrywają kluczową rolę w tworzeniu hydrożeli w wyniku układania w stosy π- π napędzającego żelowanie, co wykazano w wielu badaniach.

Inny

Hydrożele mają również stopień elastyczności bardzo zbliżony do naturalnej tkanki ze względu na znaczną zawartość wody. Jako reagujące „ inteligentne materiały ”, hydrożele mogą otaczać układy chemiczne, które po stymulacji czynnikami zewnętrznymi, takimi jak zmiana pH, mogą powodować uwalnianie określonych związków, takich jak glukoza do środowiska, w większości przypadków poprzez przejście żel-zol do cieczy państwo. Polimery chemomechaniczne to w większości również hydrożele, które pod wpływem stymulacji zmieniają swoją objętość i mogą pełnić rolę siłowników lub sensorów .

• Mikropompa oparta na kostce hydrożelu (rozmiar 4×0,3 × 0,05 mm) uruchamiana przyłożonym napięciem. Ta pompa może pracować nieprzerwanie z baterią 1,5 V przez co najmniej 6 miesięcy.

• 

  Matryca hydrożelowa na bazie krótkich peptydów, zdolna do utrzymania w wodzie około stukrotności własnej wagi. Opracowany jako opatrunek medyczny.

• 

  Zdjęcie tego samego hydrożelu na bazie krótkich peptydów, trzymanego w szczypcach w celu zademonstrowania jego sztywności i przezroczystości.

Właściwości mechaniczne

Hydrożele zostały zbadane pod kątem różnych zastosowań. Modyfikując stężenie polimeru w hydrożelu (lub odwrotnie, stężenie wody), moduł Younga , moduł ścinania i moduł zachowawczy mogą zmieniać się od 10 Pa do 3 MPa, w zakresie około pięciu rzędów wielkości. Podobny efekt można zaobserwować zmieniając stężenie sieciowania. Tak duża zmienność sztywności mechanicznej sprawia, że ​​hydrożele są tak atrakcyjne w zastosowaniach biomedycznych, gdzie ważne jest, aby implanty dopasowywały się do właściwości mechanicznych otaczających tkanek. Charakterystyka właściwości mechanicznych hydrożeli może być trudna, zwłaszcza ze względu na różnice w zachowaniu mechanicznym hydrożeli w porównaniu z innymi tradycyjnymi materiałami inżynieryjnymi. Oprócz gumy sprężystość i lepkosprężystość , hydrożele mają dodatkowy zależny od czasu mechanizm deformacji, który jest zależny od przepływu płynu, zwany porowatością . Te właściwości są niezwykle ważne do rozważenia podczas przeprowadzania eksperymentów mechanicznych. Niektóre typowe eksperymenty mechaniczne dla hydrożeli to rozciąganie , ściskanie (ograniczone lub nieograniczone), wgniecenie, reometria ścinania lub dynamiczna analiza mechaniczna .

Hydrożele mają dwa główne reżimy właściwości mechanicznych: sprężystość gumy i lepkosprężystość :

Elastyczność gumy

W stanie niespuchniętym hydrożele można modelować jako silnie usieciowane żele chemiczne, w których układ można opisać jako jedną ciągłą sieć polimerową. W tym przypadku:

${\ Displaystyle G = N_ {p} kT = {\ rho RT \ ponad {\ overline {M}} _ {c}}}$

gdzie G to moduł ścinania , k to stała Boltzmanna, T to temperatura, N _p to liczba łańcuchów polimeru na jednostkę objętości, ρ to gęstość, R to stała gazu doskonałego, a ${\ displaystyle {\ displaystyle {\ overline {M}}_{c}}$ to (liczbowo) średnia masa cząsteczkowa między dwoma sąsiednimi punktami sieciowania. ${\ Displaystyle {\ overline {M}} _ {c}}$ można obliczyć ze współczynnika pęcznienia, Q , który jest stosunkowo łatwy do przetestowania i zmierzenia.

Dla stanu spęczniałego idealną sieć żelową można modelować jako:

$}} = GQ ^ {-1/3}}$

W prostym jednoosiowym teście rozciągania lub ściskania prawdziwe naprężenie ${\$ naprężenie inżynieryjne można obliczyć jako: $\ sigma _ {t}}$

${\ Displaystyle \ sigma _ {t} = G _ {\ textrm {spuchnięty}} \ lewo (\ lambda ^ {2} - \ lambda ^ {- 1} \ prawo )}$

${\ Displaystyle \ sigma _ {e} = G _ {\ textrm {spuchnięty}} \ lewo (\ lambda - \ lambda ^ {- 2} \ prawej)}$

gdzie ${\ Displaystyle \ lambda = l _ {\ textrm {bieżący}} / l _ {\ textrm {oryginał}}}$ to rozciągnięcie.

Lepkosprężystość

W przypadku hydrożeli ich elastyczność pochodzi ze stałej matrycy polimerowej, podczas gdy lepkość pochodzi z ruchliwości sieci polimerowej oraz wody i innych składników tworzących fazę wodną. Właściwości lepkosprężyste hydrożelu w dużym stopniu zależą od charakteru zastosowanego ruchu mechanicznego. Zatem zależność tych przyłożonych sił w czasie jest niezwykle ważna dla oceny lepkosprężystości materiału.

Fizyczne modele lepkosprężystości próbują uchwycić elastyczne i lepkie właściwości materiału. W materiale elastycznym naprężenie jest proporcjonalne do odkształcenia, podczas gdy w materiale lepkim naprężenie jest proporcjonalne do szybkości odkształcania. Model Maxwella jest jednym z rozwiniętych modeli matematycznych liniowej odpowiedzi lepkosprężystej. W tym modelu lepkosprężystość jest modelowana analogicznie do obwodu elektrycznego ze sprężyną Hooke'a, która reprezentuje moduł Younga, oraz newtonowską dyszą, która reprezentuje lepkość. Materiałem wykazującym właściwości opisane w tym modelu jest materiał Maxwella . Inny zastosowany model fizyczny nazywa się modelem Kelvina-Voigta, a materiał zgodny z tym modelem nazywa się materiałem Kelvina-Voigta . Aby opisać zależne od czasu zachowanie hydrożelu w zakresie pełzania i relaksacji naprężeń, można zastosować różne modele parametrów fizycznych skupionych. Te metody modelowania są bardzo zróżnicowane i niezwykle złożone, dlatego empiryczny serii Prony'ego jest powszechnie stosowany do opisu lepkosprężystego zachowania hydrożeli.

W celu zmierzenia zależnego od czasu lepkosprężystego zachowania polimerów często przeprowadza się dynamiczną analizę mechaniczną . Zazwyczaj w tych pomiarach jedna strona hydrożelu jest poddawana sinusoidalnemu obciążeniu w trybie ścinania, podczas gdy przyłożone naprężenie jest mierzone za pomocą przetwornika naprężenia, a zmiana długości próbki jest mierzona za pomocą przetwornika odkształcenia. Jeden zapis używany do modelowania sinusoidalnej odpowiedzi na okresowe naprężenia lub odkształcenia to:

${\ Displaystyle G = G'+ iG''}$

gdzie G' jest rzeczywistym modułem sprężystości (sprężystości lub składowania), G" jest modułem urojonym (lepkości lub stratności).

Porowatość

Porowatość jest cechą materiałów związaną z migracją rozpuszczalnika przez materiał porowaty i towarzyszącym mu odkształceniem. Porowatość w uwodnionych materiałach, takich jak hydrożele, występuje w wyniku tarcia między polimerem a wodą, gdy woda przepływa przez porowatą matrycę po sprasowaniu. Powoduje to spadek ciśnienia wody, co powoduje dodatkowe naprężenia podczas kompresji. Podobnie jak w przypadku lepkosprężystości, zachowanie to jest zależne od czasu, a zatem porowatość zależy od stopnia kompresji: hydrożel wykazuje miękkość po powolnej kompresji, ale szybka kompresja powoduje, że hydrożel jest sztywniejszy. Zjawisko to spowodowane jest tym, że tarcie między wodą a porowatą matrycą jest proporcjonalne do przepływu wody, który z kolei jest zależny od stopnia sprężania. Dlatego powszechnym sposobem pomiaru porowatości jest wykonywanie testów ściskania przy różnych stopniach ściskania. Wielkość porów jest ważnym czynnikiem wpływającym na porowatość. The Równanie Kozeny-Carmana zostało użyte do przewidywania wielkości porów poprzez odniesienie spadku ciśnienia do różnicy naprężeń między dwoma stopniami kompresji.

Porowatość jest opisana za pomocą kilku sprzężonych równań, dlatego istnieje niewiele testów mechanicznych, które odnoszą się bezpośrednio do poroelastycznego zachowania materiału, dlatego stosuje się bardziej skomplikowane testy, takie jak testowanie wgnieceń, modele numeryczne lub obliczeniowe. Metody numeryczne lub obliczeniowe próbują symulować trójwymiarową przepuszczalność sieci hydrożelowej.

Reakcja środowiskowa

Najczęściej obserwowaną wrażliwością środowiskową hydrożeli jest reakcja na temperaturę. Wiele polimerów/hydrożeli wykazuje zależną od temperatury przemianę fazową, którą można sklasyfikować jako górną krytyczną temperaturę roztworu (UCST) lub niższą krytyczną temperaturę roztworu (LCST). Polimery UCST zwiększają swoją rozpuszczalność w wodzie w wyższych temperaturach, co prowadzi do przejścia hydrożeli UCST z żelu (ciała stałego) do roztworu (cieczy) wraz ze wzrostem temperatury (podobnie jak temperatura topnienia czystych materiałów). Zjawisko to powoduje również rozszerzanie się hydrożeli UCST (zwiększanie ich współczynnika pęcznienia) wraz ze wzrostem temperatury, gdy są one poniżej ich UCST. Jednak polimery z LCST wykazują odwrotną (lub ujemną) zależność od temperatury, w której ich rozpuszczalność w wodzie zmniejsza się w wyższych temperaturach. Hydrożele LCST przechodzą z ciekłego roztworu w stały żel wraz ze wzrostem temperatury, a także kurczą się (zmniejszają swój współczynnik pęcznienia) wraz ze wzrostem temperatury, gdy są powyżej ich LCST.

Zastosowania mogą dyktować różne reakcje termiczne. Na przykład w dziedzinie biomedycyny hydrożele LCST są badane jako systemy dostarczania leków, ponieważ można je wstrzykiwać (płyn) w temperaturze pokojowej, a następnie zestalają się w sztywny żel po wystawieniu na działanie wyższych temperatur ludzkiego ciała. Istnieje wiele innych bodźców, na które hydrożele mogą reagować, w tym: pH, glukoza, sygnały elektryczne, światło , ciśnienie , jony, antygeny i inne.

Dodatki

Właściwości mechaniczne hydrożeli można modyfikować na wiele sposobów, zaczynając od zwrócenia uwagi na ich właściwości hydrofobowe. Inną metodą modyfikowania wytrzymałości lub elastyczności hydrożeli jest szczepienie lub powlekanie ich powierzchni na mocniejszym/sztywniejszym podłożu lub wytwarzanie superporowatych kompozytów hydrożelowych (SPH), do których dodaje się sieciowalny dodatek pęczniejący do matrycy. Wykazano, że inne dodatki, takie jak nanocząstki i mikrocząstki , znacząco modyfikują sztywność i temperaturę żelowania niektórych hydrożeli stosowanych w zastosowaniach biomedycznych.

Techniki przetwarzania

Podczas gdy właściwości mechaniczne hydrożelu można dostosować i zmodyfikować poprzez stężenie sieciowania i dodatki, właściwości te można również poprawić lub zoptymalizować pod kątem różnych zastosowań za pomocą określonych technik przetwarzania. Techniki te obejmują elektroprzędzenie , druk 3D / 4D , samodzielny montaż i odlewanie z zamrażarki . Jedną z unikalnych technik przetwarzania jest tworzenie wielowarstwowych hydrożeli w celu stworzenia zróżnicowanej przestrzennie kompozycji matrycy, a co za tym idzie, właściwości mechanicznych. Można tego dokonać przez polimeryzację matryc hydrożelowych warstwa po warstwie poprzez polimeryzację UV. Technika ta może być przydatna w tworzeniu hydrożeli naśladujących chrząstkę stawową, umożliwiając uzyskanie materiału z trzema oddzielnymi strefami o różnych właściwościach mechanicznych.

Inną pojawiającą się techniką optymalizacji właściwości mechanicznych hydrożelu jest wykorzystanie serii Hofmeister . Dzięki temu zjawisku, poprzez dodanie roztworu soli, łańcuchy polimerowe hydrożelu ulegają agregacji i krystalizacji, co zwiększa wytrzymałość hydrożelu. Ta metoda, zwana „ wysalaniem ”, została zastosowana do hydrożeli poli(alkoholu winylowego) przez dodanie roztworu soli siarczanu sodu . Niektóre z tych technik przetwarzania można stosować synergistycznie ze sobą w celu uzyskania optymalnych właściwości mechanicznych. Zamrażanie kierunkowe lub zamrażanie to kolejna metoda, w której do hydrożelu przykłada się kierunkowy gradient temperatury, to kolejny sposób na tworzenie materiałów o anizotropowych właściwościach mechanicznych. Wykorzystanie zarówno technik odlewania na zimno, jak i wysalania na hydrożelach poli(alkoholu winylowego) w celu wywołania hierarchicznej morfologii i anizotropowych właściwości mechanicznych. Kierunkowe zamrażanie hydrożeli pomaga wyrównać i połączyć łańcuchy polimerowe, tworząc anizotropowe struktury podobne do rurek o strukturze plastra miodu, podczas gdy wysalanie hydrożelu dało sieć nanofibryli na powierzchni tych struktur podobnych do plastra miodu. Utrzymując zawartość wody na poziomie ponad 70%, wytrzymałość tych hydrożeli jest znacznie wyższa niż w przypadku polimerów bezwodnych, takich jak polidimetylosiloksan (PDMS), kevlar i kauczuk syntetyczny . Wartości przewyższają również wytrzymałość naturalnych ścięgien i jedwabiu pajęczego .

Aplikacje

Miękkie soczewki kontaktowe

Struktura molekularna hydrożelu silikonowego stosowanego w elastycznych, przepuszczalnych dla tlenu soczewkach kontaktowych.

Dominującym materiałem na soczewki kontaktowe są hydrożele akrylanowo- siloksanowe . Zastąpiły twarde soczewki kontaktowe. Jedną z ich najbardziej atrakcyjnych właściwości jest przepuszczalność tlenu, która jest wymagana, ponieważ rogówka nie jest unaczyniona .

Badania

Ludzka mezenchymalna komórka macierzysta wchodząca w interakcję z hydrożelem 3D - obrazowana za pomocą obrazowania żywych komórek bez znaczników

Bandaż samoprzylepny z wkładką hydrożelową, stosowany na pęcherze i oparzenia. Środkowy żel jest przezroczysty, samoprzylepna wodoodporna folia z tworzywa sztucznego jest przezroczysta, podkład jest biały i niebieski.

• Powłoki na elektrody reakcyjne wydzielania gazu w celu skutecznego odrywania pęcherzyków
• Implanty piersi
• Soczewki kontaktowe ( silikonowo- hydrożelowe, poliakryloamidowe , polimakonowe )
• Zrównoważony rozwój wody: Hydrożele stały się obiecującymi platformami materiałowymi do oczyszczania wody zasilanej energią słoneczną, dezynfekcji wody i generatora wody atmosferycznej .
• Jednorazowe pieluchy , w których wchłaniają mocz , lub w podpaskach
• Opatrunki do gojenia oparzeń lub innych trudno gojących się ran . Żele na rany doskonale pomagają stworzyć lub utrzymać wilgotne środowisko.
• EEG i EKG wykorzystujące hydrożele złożone z usieciowanych polimerów ( politlenek etylenu , poliAMPS i poliwinylopirolidon )
• Hermetyzacja kropek kwantowych
• Hydrożele przyjazne dla środowiska (znane również jako „żele inteligentne” lub „żele inteligentne”). Hydrożele te mają zdolność wyczuwania zmian pH, temperatury czy stężenia metabolitu i uwalniania ładunku w wyniku takiej zmiany.
• Włókna
• Klej
• Granulki do zatrzymywania wilgoci w glebie na obszarach suchych
• Odpychający pęcherzyki powietrza (supererofobowość). Może poprawić wydajność i stabilność elektrod do elektrolizy wody .
• Hodowla komórek: Do hodowli komórek zastosowano studzienki pokryte hydrożelem.
• Biosensory : Hydrożele reagujące na określone cząsteczki, takie jak glukoza lub antygeny, mogą być stosowane jako biosensory, jak również w DDS.
• Nośnik komórek: Hydrożele do wstrzykiwania mogą być używane do przenoszenia leków lub komórek do zastosowań w regeneracji tkanek lub biodrukowaniu 3D . Zasadniczo wymagane są hydrożele o odwracalnym składzie chemicznym, aby umożliwić fluidyzację podczas wstrzykiwania/drukowania, po której następuje samoleczenie pierwotnej struktury hydrożelu.
• Zbadaj funkcje biomechaniczne komórek w połączeniu z mikroskopią holotomograficzną
• Zapewniają wchłanianie, usuwanie martwej tkanki i oczyszczanie tkanki martwiczej i włóknistej
• inżynierii tkankowej . Hydrożele używane jako rusztowania mogą zawierać ludzkie komórki do naprawy tkanek. Naśladują trójwymiarowe mikrośrodowisko komórek. Materiały obejmują agarozę , metylocelulozę , hialuronian , polipeptydy podobne do elastyny ​​i inne polimery pochodzenia naturalnego.
• dostarczania leków o przedłużonym uwalnianiu . Siłę jonową, pH i temperaturę można wykorzystać jako czynnik wyzwalający do kontrolowania uwalniania leku.
• Powłoka okienna/wymiana: Hydrożele są rozważane w celu zmniejszenia absorpcji światła podczerwonego o 75%. Inne podejście obniżyło temperaturę wnętrza za pomocą reagującego na temperaturę hydrożelu .
• Termodynamiczne wytwarzanie energii elektrycznej: W połączeniu z jonami umożliwia rozpraszanie ciepła w urządzeniach elektronicznych i bateriach oraz przekształcanie wymiany ciepła w ładunek elektryczny.
• Materiały wybuchowe w żelu wodnym
• Kontrolowane uwalnianie agrochemikaliów (pestycydów i nawozów)
• Talin Shock Absorbing Materials - hydrożele na bazie białek, które mogą absorbować uderzenia naddźwiękowe

Biomateriały

Wszczepiane lub wstrzykiwane hydrożele mogą potencjalnie wspomagać regenerację tkanek poprzez mechaniczne wspomaganie tkanki, miejscowe dostarczanie leków lub komórek, lokalną rekrutację komórek lub immunomodulację lub kapsułkowanie nanocząsteczek do miejscowej fototermii lub brachyterapii . Polimerowe systemy dostarczania leków sprostały wyzwaniom dzięki ich biodegradowalności, biokompatybilności i antytoksyczności. Materiały takie jak kolagen , chitozan, celuloza i poli(kwas mlekowy-ko-glikolowy) zostały szeroko zastosowane do dostarczania leków do narządów, takich jak oko, nos, nerki, płuca, jelita, skóra i mózg. Przyszłe prace koncentrują się na zmniejszeniu toksyczności, poprawie biokompatybilności, rozszerzeniu technik montażu

Hydrożele zostały uznane za nośniki do dostarczania leków. Można je również wykonać tak, aby naśladowały tkanki śluzówki zwierząt w celu testowania właściwości mukoadhezyjnych. Zostały one zbadane pod kątem zastosowania jako rezerwuary w miejscowym podawaniu leków ; zwłaszcza leki jonowe, dostarczane przez jonoforezę .

Ten artykuł zawiera tekst Jessiki Hutchinson dostępny na licencji CC BY 3.0 .

Dalsza lektura

•   Warren DS, Sutherland SP, Kao JY i in. (2017). „Przygotowanie i prosta analiza hydrożelu kompozytowego nanocząstek gliny”. Journal of Chemical Education . 94 (11): 1772–1779. Bibcode : 2017JChEd..94.1772W . doi : 10.1021/acs.jchemed.6b00389 . ISSN 0021-9584 .