Έξυπνα Υπεραπορροφητικά Πολυμερή: Υδρογέλη ή υδροπήκτωμα

Συνήθως όταν ακούμε τη λέξη υλικά τα σκεπτόμαστε με περιορισμένες δυνατότητες.

Πλέον, η Βιομιμητική εξάγοντας ιδέες από το φυσικό περιβάλλον, τα βιολογικά υλικά και τις δομές στοχεύει στον τεχνικό σχεδιασμό μιας νέα γενιά υλικών με μηχανισμούς.

Αυτά τα «έξυπνα» υλικά μιμούνται τον φυσικό κόσμο, τα ζώα και τα φυτά, και έχουν την ικανότητα να αντιλαμβάνονται και να απαντούν σε ένα εξωτερικό ερέθισμα, όπως η μηχανική τάση (πίεση), η θερμοκρασία, η υγρασία, το pH, ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία.

Στα «έξυπνα» υλικά ανήκουν και οι Υπεραπορροφητικές Υδρογέλες

Τα προϊόντα υδρογέλης αποτελούν μια ομάδα πολυμερών υλικών, η υδρόφιλη δομή των οποίων τις καθιστά ικανές να συγκρατούν μεγάλες ποσότητες νερού στα τρισδιάστατα δίκτυά τους, χωρίς να διαλύονται.

Μέθοδος σύνθεσης υδρογελών

Η μέθοδος σύνθεσης υδρογελών γίνεται συνήθως μέσω της πηκτωματοποίησης, όπου γίνεται προοδευτική σύνδεση των μακρομοριακών αλυσίδων μεταξύ τους και στη συνέχεια  των διακλαδισμένων διαλυτών πολυμερών, σχηματίζοντας τελικά ένα «απέραντο» πολυμερές, τη γέλη, ή δίκτυο. Υπάρχουν διάφοροι μηχανισμοί πηκτωματοποίησης.

Η γέλη είναι μια κατάσταση που δεν είναι πλήρως υγρή, ούτε εντελώς στερεά. Αυτή η κατάσταση της δίνει νέες ιδιότητες. Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά τους, είναι ότι λόγω της σημαντικής περιεκτικότητάς τους σε νερό, οι υδρογέλες διαθέτουν ένα βαθμό ευκαμψίας ανάλογο με εκείνο του φυσικού ιστού.

Οι υδρογέλες μπορούν να συντεθούν μέσω φυσικών ή συνθετικών πολυμερών και να έχουν πολύ απορροφητικές ιδιότητες. Τα δίκτυα υδρογέλης που σχηματίζονται από πολυακρυλικό οξύ (PAA) έχουν την ικανότητα να απορροφούν περισσότερο από 5-10 εκατοντάδες φορές το βάρος τους σε νερό.

Η ικανότητα των υδρογελών να απορροφούν νερό οφείλεται στις υδρόφιλες λειτουργικές ομάδες στο σκελετό του πολυμερούς, ενώ η αντοχή τους στη διάλυση προκύπτει από τους διασταυρούμενους δεσμούς μεταξύ των αλυσίδων του δικτύου, οι οποίοι παρέχουν την τρισδιάστατη πλεγματική δομή.

Οι συμβατικές γέλες είναι επίσης ικανές να σχηματίσουν μικρό αριθμό σταυροδεσμών αλλά το αποτέλεσμα αυτό είναι αντιστρεπτό, καθώς στο σχηματισμό εμπλέκονται μόνο ασθενείς φυσικές δυνάμεις.

Χαρακτηριστικά απορρόφησης

1. Η ικανότητα απορρόφησης εξαρτάται από την ιοντική συγκέντρωση του υδατικού διαλύματος. Η παρουσία κατιόντων σθένους σε ένα διάλυμα παρεμποδίζει την ικανότητα σύνδεσης του πολυμερούς με το μόριο του νερού.
2. Η ικανότητα «διόγκωσης» επηρεάζεται από το είδος και τον βαθμό των συνδετών που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή της υδρογέλης. Όσο χαμηλότερης (σε συνδέτες) πυκνότητας είναι το υπεραπορροφητικό πολυμερές, τόσο μεγαλύτερη απορροφητικότητα έχει. Αν και τα υψηλής πυκνότητας παρουσιάζουν χαμηλότερη απορροφητική, είναι πιο σταθερά, ακόμη και υπό μέτρια πίεση, σε αντίθεση με τα χαμηλότερης πυκνότητας που έχουν πιο μαλακό και κολλώδη σχηματισμό.

Διόγκωση Υδρογελών

Οι ικανότητες της υδρογέλης την καθιστά μοναδικό υλικό για ποικίλες εφαρμογές

Οι υδρογέλες είναι υποσχόμενα βιοϋλικά λόγω των σημαντικών τους ιδιοτήτων όπως η βιοσυμβατότητα, η βιοδιασπασιμότητα, η υδροφιλικότητα και η μη τοξικότητα. Αυτές οι ιδιότητες τις καθιστούν κατάλληλες για εφαρμογή στον ιατρικό και φαρμακευτικό τομέα.

Μία κοινή εφαρμογή των υδρογελών είναι η χρήση τους σε μαλακούς φακούς επαφής. Πλέον όμως, δεδομένου ότι η υδρογέλη έχει παρόμοιες μηχανικές ιδιότητες με το φακό του ματιού, οι επιστήμονες στοχεύουν στη θεραπεία βλαβών του βολβού του ματιού. Σκοπός είναι η έγχυση υδρογέλης μέσα στον οφθαλμό για την αποκατάσταση της όρασης, κατά τη γήρανση του ματιού.

Μια άλλη εφαρμογή της υδρογέλης στην οποία στοχεύουν οι επιστήμονες είναι η χρήση τους ως ικριώματα στη μηχανική ιστών.

Οι υδρογέλες μπορούν επίσης να δεσμευτούν με φάρμακα νέας γενιάς και να χρησιμοποιηθούν σε μεθόδους χορήγησης φαρμάκων παρατεταμένης αποδέσμευσης.

Υπάρχουν τρεις κύριοι μηχανισμοί ή συνδυασμός αυτών με τους οποίους μια δραστική ουσία μπορεί να αποδεσμευτεί από ένα σύστημα ελεγχόμενης αποδέσμευσης δραστικών ουσιών: Διάχυση, διόγκωση ακολουθούμενη από διόγκωση και αποσύνθεση.

Οι έξυπνες περιβαλλοντικά ευαίσθητες υδρογέλες με την ικανότητα να αντιλαμβάνονται μεταβολές στο pH, τη θερμοκρασία ή τη συγκέντρωση ενός μεταβολίτη μπορούν να απελευθερώσουν το φορτίο τους αποκρινόμενες σε μια τέτοια αλλαγή. Επιπλέον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν με σκοπό την απορρόφηση ανεπιθύμητων ή επικίνδυνων ουσιών και ιόντων.

--

Πηγές:

1. Parhi, R. (2017). Cross-Linked Hydrogel for Pharmaceutical Applications: A Review. Advanced pharmaceutical bulletin, 7(4), 515-530.
2. Ahmed, E. M. (2015). Hydrogel: Preparation, characterization, and applications: A review. Journal of advanced research, 6(2), 105-121.
3. Nayak, A. K., & Das, B. (2018). Introduction to polymeric gels. In Polymeric Gels(pp. 3-27).
4. Gulrez, S. K., Al-Assaf, S., & Phillips, G. O. (2011). Hydrogels: methods of preparation, characterisation and applications. Progress in molecular and environmental bioengineering—from analysis and modeling to technology applications, 117-150.
5. Smart Nanomaterials, Yaser Dahman, in Nanotechnology and Functional Materials for Engineers, 2017
6. Peppas, N., Slaughter, B. V., & Kanzelberger, M. A. (2012). Hydrogels. In Polymer Science: A Comprehensive Reference, 10 Volume Set(pp. 385-395). Elsevier.