Войти
Желатин, используемый в листах для приготовления пищи, представляет собой гидрогель. Гидрогель представляет собой сшитый гидрофильный полимер, который не растворяется в воде. Они обладают высокой абсорбирующей способностью, но при этом сохраняют четко очерченные структуры. Эти свойства лежат в основе нескольких приложений, особенно в биомедицинской области. Многие гидрогели являются синтетическими, но некоторые из них получены естественным путем. Термин «гидрогель» был придуман в 1894 году.
Пластырь с гидрогелевой подушечкой, применяемый при волдырях и ожогах. Центральный гель прозрачный, липкая водонепроницаемая пластиковая пленка прозрачная, основа бело-синего цвета. 
Молекулярная структура силикон-гидрогеля, используемого в гибких, проницаемых для кислорода контактных линзах. Преобладающим материалом для контактных линз являются акрилат-силоксановые гидрогели. Они заменили жесткие контактные линзы. Одно из их наиболее привлекательных свойств - проницаемость для кислорода, которая необходима, поскольку в роговице отсутствует сосудистая сеть.
Мезенхимальные стволовые клетки человека, взаимодействующие с трехмерным гидрогелем - изображение живых клеток без меток Гидрогели изготавливаются с использованием различных полимерных материалов, которые можно условно разделить на две категории в зависимости от их происхождения: природные или синтетические полимеры. Природные полимеры для приготовления гидрогелей включают гиалуроновую кислоту, хитозан, гепарин, альгинат и фибрин. Обычные синтетические полимеры включают поливиниловый спирт, полиэтиленгликоль, полиакрилат натрия, акрилатные полимеры и их сополимеры.
Сшивки, связывающие полимеры гидрогеля, можно разделить на две основные категории: физические и химические. Физические поперечные связи состоят из водородных связей, гидрофобных взаимодействий и переплетений цепей (среди прочего). Гидрогель, полученный с помощью физических поперечных связей, иногда называют «обратимым» гидрогелем. Химические поперечные связи состоят из ковалентных связей между полимерными нитями. Полученные таким образом гидрогели иногда называют «постоянными» гидрогелями.
Один примечательный метод инициирования реакции полимеризации включает использование света в качестве стимула. В этом методе фотоинициаторы, соединения, которые отщепляются от поглощения фотонов, добавляются к раствору предшественника, который станет гидрогелем. Когда раствор предшественника подвергается воздействию концентрированного источника света, фотоинициаторы расщепляются и образуют свободные радикалы, которые запускают реакцию полимеризации, которая образует поперечные связи между полимерными цепями. Эта реакция прекратится, если источник света будет удален, что позволит контролировать количество поперечных связей, образующихся в гидрогеле. Свойства гидрогеля сильно зависят от типа и количества сшивок, что делает фотополимеризацию популярным выбором для тонкой настройки гидрогелей. Этот метод нашел широкое применение в приложениях клеточной и тканевой инженерии из-за возможности инъекции или формования раствора предшественника, загруженного клетками, в место раны, а затем его затвердевания на месте.
Гидрогели также обладают степенью гибкости, очень похожей на естественные ткани, благодаря значительному содержанию воды. В качестве чувствительных « умных материалов » гидрогели могут инкапсулировать химические системы, которые при стимуляции внешними факторами, такими как изменение pH, могут вызывать выделение определенных соединений, таких как глюкоза, в окружающую среду, в большинстве случаев путем перехода геля и золя в жидкость. штат. Хемомеханические полимеры в большинстве своем также представляют собой гидрогели, которые при стимуляции изменяют свой объем и могут служить исполнительными механизмами или датчиками.
Воспроизвести медиа Микронасос на основе гидрогеля бар (4 × 0,3 × 0,05 мм размер) приводится в действие с помощью приложенного напряжения. Этот насос может непрерывно работать от батареи 1,5 В не менее 6 месяцев.
Гидрогелевая матрица на основе коротких пептидов, способная удерживать воду примерно в сто раз больше собственного веса. Разработан как лечебная повязка. Толщина волокон была порядка десятков нм, имитируя фиброзное микроокружение, обнаруженное во внеклеточном матриксе. Изображение, полученное с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа
Фотография того же гидрогеля на основе коротких пептидов, зажатого в щипцах для демонстрации его жесткости и прозрачности.
Гидрогели были исследованы для различных применений. Изменяя концентрацию полимера в гидрогеле (или, наоборот, концентрацию воды), модуль Юнга, модуль сдвига и модуль упругости могут изменяться от 10 Па до 3 МПа, в диапазоне примерно пяти порядков величины. Аналогичный эффект можно увидеть, изменив концентрацию сшивки. Такая большая изменчивость механической жесткости является причиной того, почему гидрогели так привлекательны для биомедицинских приложений, где жизненно важно, чтобы имплантаты соответствовали механическим свойствам окружающих тканей. Определение механических свойств гидрогелей может быть затруднено, особенно из-за различий в механическом поведении гидрогелей по сравнению с другими традиционными инженерными материалами. В дополнение к эластичности каучука и вязкоупругости гидрогели обладают дополнительным механизмом деформации, зависящим от времени, который зависит от потока жидкости, который называется пороупругостью. Эти свойства чрезвычайно важно учитывать при проведении механических экспериментов. Некоторые общие механические испытания гидрогелей включают растяжение, сжатие (ограниченное или неограниченное), вдавливание, реометрию сдвига или динамический механический анализ.
Гидрогели обладают двумя основными режимами механических свойств: эластичности резины и вязкоупругости :
В ненабухшем состоянии гидрогели можно моделировать как химические гели с высокой степенью сшивки, в которых система может быть описана как одна непрерывная полимерная сеть. В этом случае:
где G - модуль сдвига, k - постоянная Больцмана, T - температура, N p - количество полимерных цепей в единице объема, ρ - плотность, R - постоянная идеального газа, и - (числовой) средний молекулярный вес. между двумя соседними точками сшивания. можно рассчитать по коэффициенту разбухания Q, который относительно легко проверить и измерить.
Для набухшего состояния идеальную гелевую сеть можно смоделировать как:
В простом испытании на одноосное растяжение или сжатие истинное напряжение и инженерное напряжение могут быть рассчитаны как:
где растяжка.
В случае гидрогелей их эластичность обусловлена твердой полимерной матрицей, а вязкость - подвижностью полимерной сетки, а также водой и другими компонентами, составляющими водную фазу. Вязкоупругие свойства гидрогеля сильно зависят от характера прикладываемого механического движения. Таким образом, зависимость этих приложенных сил от времени чрезвычайно важна для оценки вязкоупругости материала.
Физические модели вязкоупругости пытаются уловить упругие и вязкие свойства материала. В упругом материале напряжение пропорционально деформации, в то время как в вязком материале напряжение пропорционально скорости деформации. Модель Максвелла - это разработанная математическая модель линейного вязкоупругого отклика. В этой модели вязкоупругость моделируется аналогично электрической цепи с пружиной Гука, которая представляет модуль Юнга, и ньютоновской шкалой, которая представляет вязкость. Материал, обладающий свойствами, описанными в этой модели, является материалом Максвелла. Другая используемая физическая модель называется моделью Кельвина-Фойгта, а материал, который следует этой модели, называется материалом Кельвина-Фойгта. Чтобы описать зависящую от времени ползучесть и поведение гидрогеля при релаксации напряжений, можно использовать множество моделей с сосредоточенными физическими параметрами. Эти методы моделирования сильно различаются и чрезвычайно сложны, поэтому эмпирическое описание ряда Прони обычно используется для описания вязкоупругого поведения гидрогелей.
Чтобы измерить зависящее от времени вязкоупругое поведение полимеров, часто проводят динамический механический анализ. Обычно в этих измерениях одна сторона гидрогеля подвергается синусоидальной нагрузке в режиме сдвига, в то время как приложенное напряжение измеряется датчиком напряжения, а изменение длины образца измеряется датчиком деформации. Для моделирования синусоидальной реакции на периодическое напряжение или деформацию используется следующее обозначение:
в которой G '- действительный (упругий или накопительный) модуль упругости, G "- мнимый (вязкий или потерянный) модуль упругости.
Пористость - это характеристика материалов, связанная с миграцией растворителя через пористый материал и сопутствующей деформацией, которая имеет место. Пористость в гидратированных материалах, таких как гидрогели, возникает из-за трения между полимером и водой, когда вода движется через пористую матрицу при сжатии. Это вызывает снижение давления воды, что добавляет дополнительное напряжение при сжатии. Подобно вязкоупругости, это поведение зависит от времени, таким образом, пороупругость зависит от скорости сжатия: гидрогель проявляет мягкость при медленном сжатии, но быстрое сжатие делает гидрогель более жестким. Это явление связано с тем, что трение между водой и пористой матрицей пропорционально потоку воды, который, в свою очередь, зависит от степени сжатия. Таким образом, обычным способом измерения пороупругости является проведение испытаний на сжатие при различных степенях сжатия. Размер пор является важным фактором, влияющим на пороупругость. Уравнение Козени-Кармана использовалось для прогнозирования размера пор, связывая падение давления с разницей в напряжении между двумя степенями сжатия.
Пористость описывается несколькими связанными уравнениями, поэтому существует несколько механических испытаний, которые напрямую связаны с пороупругим поведением материала, поэтому используются более сложные испытания, такие как испытание на вдавливание, численные или вычислительные модели. Численные или вычислительные методы пытаются смоделировать трехмерную проницаемость гидрогелевой сети.
Наиболее часто наблюдаемая экологическая чувствительность гидрогелей - это реакция на температуру. Многие полимеры / гидрогели демонстрируют температурно-зависимый фазовый переход, который можно классифицировать как верхнюю критическую температуру раствора (UCST) или нижнюю критическую температуру раствора (LCST). Полимеры UCST увеличивают свою растворимость в воде при более высоких температурах, что приводит к переходу гидрогелей UCST из геля (твердого вещества) в раствор (жидкость) при повышении температуры (аналогично поведению точки плавления чистых материалов). Это явление также вызывает расширение гидрогелей UCST (увеличение степени их набухания) при повышении температуры, когда они ниже их UCST. Однако полимеры с НКТР демонстрируют обратную (или отрицательную) температурную зависимость, где их растворимость в воде снижается при более высоких температурах. Гидрогели с НКТР переходят из жидкого раствора в твердый гель при повышении температуры, а также сжимаются (уменьшаются степень набухания) при повышении температуры, когда они превышают их НКТР.
Приложения могут диктовать различные тепловые характеристики. Например, в биомедицине гидрогели LCST исследуются как системы доставки лекарств, поскольку они вводятся (жидкие) при комнатной температуре, а затем затвердевают в твердый гель под воздействием более высоких температур человеческого тела. Есть много других стимулов, на которые могут реагировать гидрогели, в том числе: pH, глюкоза, электрические сигналы, свет, давление, ионы, антигены и многое другое.
Механические свойства гидрогелей можно регулировать разными способами, начиная с их гидрофобных свойств. Другой метод модификации прочности или эластичности гидрогелей - это прививка или поверхностное покрытие их на более прочную / жесткую основу или создание суперпористых гидрогелевых (SPH) композитов, в которые добавляется сшиваемая матрица, способствующая набуханию. Было показано, что другие добавки, такие как наночастицы и микрочастицы, значительно изменяют жесткость и температуру гелеобразования некоторых гидрогелей, используемых в биомедицинских приложениях.
Хотя механические свойства гидрогеля можно регулировать и модифицировать за счет концентрации поперечных связей и добавок, эти свойства также можно улучшать или оптимизировать для различных применений с помощью специальных методов обработки. Эти методы включают электропрядение, 3D / 4D печать, самосборку и литье замораживанием. Одна уникальная технология обработки заключается в формировании многослойных гидрогелей для создания пространственно изменяющегося матричного состава и, соответственно, механических свойств. Это может быть сделано путем полимеризации матриц гидрогелей послойно с помощью УФ-полимеризации. Этот метод может быть полезен при создании гидрогелей, имитирующих суставной хрящ, позволяя материалу иметь три отдельные зоны с различными механическими свойствами.
Еще один новый метод оптимизации механических свойств гидрогелей - использование серии Hofmeister. Из-за этого явления при добавлении раствора соли полимерные цепи гидрогеля объединяются и кристаллизуются, что увеличивает ударную вязкость гидрогеля. Этот метод, называемый « высаливанием », применялся к гидрогелям поливинилового спирта путем добавления раствора соли сульфата натрия. Некоторые из этих методов обработки могут использоваться синергетически друг с другом для достижения оптимальных механических свойств. Направленное замораживание или литье замораживанием - это еще один метод, в котором к гидрогелю применяется направленный градиент температуры, что является еще одним способом формирования материалов с анизотропными механическими свойствами. Использование методов обработки с замораживанием и высаливанием гидрогелей поливинилового спирта для создания иерархической морфологии и анизотропных механических свойств. Направленное замораживание гидрогелей помогает выровнять и объединить полимерные цепи, создавая анизотропные решетчатые сотовые трубчатые структуры, в то время как высаливание гидрогеля приводит к образованию нановолоконной сети на поверхности этих сотовых трубчатых структур. При сохранении содержания воды более 70% значения ударной вязкости этих гидрогелей намного выше, чем у безводных полимеров, таких как полидиметилсилоксан (ПДМС), кевлар и синтетический каучук. По прочности также превосходят натуральный сухожильный и паучий шелк.
Природные гидрогелевые материалы исследуются для тканевой инженерии; эти материалы включают агарозу, метилцеллюлозу, гиалуронан, эластиноподобные полипептиды и другие полимеры природного происхождения. Гидрогели перспективны для использования в сельском хозяйстве, поскольку они могут медленно выделять агрохимикаты, включая пестициды и фосфорные удобрения, повышая эффективность и сокращая сток, и в то же время улучшают удержание воды в более сухих почвах, таких как супеси.
Гидрогели были исследованы на предмет доставки лекарств. Полимерные системы доставки лекарств преодолели проблему из-за их биоразлагаемости, биосовместимости и антитоксичности. Такие материалы, как коллаген, хитозан, целлюлоза и сополимер молочной и гликолевой кислоты, широко используются для доставки лекарств в различные органы человеческого тела, такие как глаза, нос, почки, легкие, кишечник, кожа и другие. головной мозг. Дальнейшая работа сосредоточена на улучшении антитоксичности гидрогелей, различных методах сборки гидрогелей, делающих их более биосовместимыми, и доставке сложных систем, таких как использование гидрогелей для доставки терапевтических клеток.
