Что такое гидрогель?

Что такое гидрогель?

Гидрогель — это общий термин для твердого тела, например полимера, который впитывает воду и набухает, образуя нетекучий гель.

Например, когда полимерные цепи, такие как полисахариды и желатин, сшиваются, образуя трехмерную сетчатую структуру, эта сетчатая структура содержит большое количество воды и становится набухшим телом, которое не растворяется в воде. Примерами служат конжак, агар и желе.

Рисунок 1. Изображение гидрогеля

Применение гидрогеля

Гидрогель содержится в таких продуктах, как тофу и агар, а также используется в мягких контактных линзах и абсорбентах для подгузников (суперабсорбирующие полимеры). Поскольку его состав похож на состав биологических мягких тканей, в последние годы изучалось его использование в качестве медицинского материала, но потеря свойств из-за абсорбции воды в организме остается проблемой, которую еще предстоит решить.

Примерами служат использование в качестве искусственного хряща и искусственных межпозвоночных дисков, в качестве материала, который медленно высвобождает лекарства, и в качестве материала-каркаса для клеток в области регенеративной медицины.

После культивирования клеток на гидрогеле, только гель растворяется восстановителем для создания клеточных листов с клетками, прикрепленными друг к другу, которые затем можно наносить на поврежденные участки для лечения.

Принципы и свойства гидрогеля

1. Физический гель и химический гель

Гидрогель классифицируется на физический гель и химический гель в соответствии с методом сшивания.

• Физический гель
  Сшитый водородными связями, ионными связями, координационными связями и т. д.
• Химические гели
  Сшитый ковалентными связями

В качестве конкретных примеров можно привести такие предметы, как агар и желатин, которые при нагревании претерпевают обратимый золь-гель-переход, в то время как химически стабильные предметы, такие как суперабсорбирующие полимеры, используемые в одноразовых подгузниках и мягких контактных линзах, являются химическими гелями.

2. Примеры гелеобразования

Рисунок 2. Пример гелеобразования альгината натрия

Одним из известных примеров является альгиновая кислота, природный полимер. Натриевая соль альгината растворима в воде, но при добавлении многовалентного катиона, такого как Ca2+, мгновенно происходит ионная сшивка. В этом процессе растворяющая вода включается в сетчатую структуру поперечных связей, что приводит к гелеобразованию (гидрогель).

Типы гидрогеля

Рисунок 3. Обычные материалы, такие как HEMA

HEMA (Hema: гидроксиэтилметакрилат) использовался в обычных мягких контактных линзах, потому что он становится мягким при добавлении воды. Поскольку увеличение содержания воды увеличивает проницаемость кислорода, были предприняты попытки увеличить содержание воды и уменьшить толщину линзы. Однако, поскольку высокий уровень содержания воды приводит к более легкому испарению воды, глаза имеют тенденцию к высыханию во время ношения, и технологическое развитие считается ограниченным.

Рисунок 4. Случай силикон-гидрогеля

Поэтому в последние годы силикон-гидрогель привлекает внимание как новый материал, решающий проблему HEMA. Силикон-гидрогель — это материал, который демонстрирует высокую проницаемость для кислорода, несмотря на низкое содержание воды. Поскольку кислород проходит непосредственно через контактную линзу, он может доставлять большое количество кислорода независимо от количества воды в линзе, что имеет преимущество в виде снижения нагрузки на глаза.

Ожидается, что он уменьшит уменьшение количества эндотелиальных клеток роговицы в роговице, что было проблемой контактных линз в прошлом. Еще одним преимуществом является то, что низкое содержание воды предотвращает высыхание глаз во время ношения линз. Кроме того, силикон-гидрогелевый материал с меньшей вероятностью будет загрязнен белками, содержащимися в слезах.

Однако, поскольку он очень липофилен, как только на него попадает масло, его трудно удалить. Поэтому необходимо соблюдать осторожность, чтобы масло не прилипало к макияжу для глаз. Проблема в том, что это более твердый материал, чем HEMA, из-за низкого содержания воды, и ведутся технологические разработки для повышения комфорта при его ношении.