Anar al contingut

Hidrogel

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià
Hidrogel
La gelatina, ací en làmines per a cuinar, és un hidrogel.

El hidrogel es definix com una ret tridimensional de cadenes flexibles, constituïda per uns elements conectats d'una determinada manera i unflada per un líquit. Un organogel és aquell que conté un dissolvent orgànic i un hidrogel és un gel que conté aigua. Els hidrogeles són polímers que posseïxen unes característiques particulars. Són hidrófilos, és dir afins a l'aigua, aixina com blans, elàstics i en presència d'aigua s'unflen, aumentant considerablement la seua volum, pero mantenint la seua forma fins a alcançar un equilibri físic-químic, mentres que en estat deshidratado (xerogel) són cristalins. Els hidrogeles són sistemes en estat coloidal en apariència sòlida com l'albúmina coagulada per la calor, la gelatina gelificada per refredat, l'agarosa, etc. Són molt absorbents pero mantenen estructures ben definides. Estes propietats sustenten vàries aplicacions, especialment en l'àrea biomèdica. Molts hidrogeles són sintètics, pero alguns es deriven de la naturalea.[1] El terme "hidrogel" es va falcar en 1894.[2] Les característiques particulars dels hidrogeles són conseqüència de molts factors, entre ells, cal destacar la presència de grups funcionals hidrófilos (com OH, COOH, CONH2, CONH, SO3H…) en la seua estructura molecular. Les forces cohesivas que produïxen l'entrecreuat del polímer no són només de caràcter covalente; també intervenen atres forces (les forces intermoleculars), com per eixemple, les electrostàtiques, hidrófobas, interaccions dipol-dipol o enllaços d'hidrogen. S'ha comprovat que tant el grau com a naturalea de l'entrecreuat, la tacticidad i la cristalinidad del polímer, són els responsables de les característiques que apareixen en l'estovament del hidrogel.[3] Els hidrogeles, pel seu biocompatibilidad, la seua estructura i propietats, són cada volta més utilisats com biomaterials.[4]

Usos i aplicacions

Un vendaje adhesiu en una almohadilla de hidrogel, que s'usa per a ampolles i cremades. El gel central és transparent, la película plàstica adhesiva impermeable és transparent, el respal és blanc i blau.


La capacitat que posseïxen els hidrogeles d'absorbir de forma reversible grans cantitats d'aigua proporciona la possibilitat de ser utilisats en un gran número d'aplicacions científiques i tecnològiques pràctiques. Ademés de les aplicacions en les que els hidrogeles servixen per a mantindre la humitat de la terra cultivada, com a materials absorbents, membranas, microcápsulas, soport per a catalisadors, recobriment, productes auxiliars per a l'indústria del paper, ligantes de productes farmacèutics, aïllament i fragmentació de biopolímers i anàlisis, destaquen aquelles que podem emmarcar dins del camp de la biomedicina. Este us implica una série de requisits adicionals com són biocompatibilidad en els teixits, inalterabilidad front a processos degradativos, i òbviament, que presenten propietats mecàniques adequades per a cada us.[5]

Aplicacions biomèdiques

Estructura molecular del hidrogel de silicona utilisat en lents de contacte flexibles permeables a l'oxigen.[6]
  • Lents de contacte: Per a esta aplicació són precisos tres requisits: la lent deu permetre l'adequada oxigenación de la còrnea, és dir, deu ser permeable a l'oxigen; ademés, el decorregut llagrimal té que formar una película entre la còrnea i la lent. Per últim, dita lent deurà resistir la força de la parpalla per a aixina evitar possibles inestabilitat visuals. Per a la fabricació de les lents de contacte es va utilisar el polimetacrilato de metilo (PMMA) per les seues excelents propietats òptiques, fàcil maneig, mecanisació i poliment, i el seu excelent biocompatibilidad en els teixits de l'ull humà. No obstant, este polímer no permet el pas de la cantitat d'oxigen necessària per a la còrnea, lo que fa que esta sofrixca una degradació de les seues propietats i transaparencia. En l'actualitat, s'ampren metacrilatos modificats en alquilsiloxanos, resinas de silicona polibutilestireno, etc; cada cual en les seues ventages i inconvenients.[7] Una de les seues propietats més atractives és la permeabilidad a l'oxigen, que es requerix ya que la còrnea carix de vasculatura.
  • Lliberació controlada de fàrmacs: Esta tecnologia és relativament nova. En els métodos tradicionals de lliberació de medicaments s'obtenen controls molt pobres sobre els nivells de fàrmac òptims terapèutics que demanden els tractaments. Estes imprecisions provoquen que el medicament, que en principi pot ser efectiu per a tractar la malaltia, no s'administre ni en la cantitat ni el temps ni el lloc esperat per a que el tractament siga eficaç. Per un atre costat, l'alvanç creixent en els últims anys sobre hidrogeles en facultats de liberador du noves alternatives per a que un control precís puga ser aplicat en l'administració de medicaments.[8] El seu fonament residix que una determinada fracció lliberada de fàrmac provoca una acció farmacològica específica. S'ha demostrat que existix una relació directa entre la porció de fàrmac lliberada i la seua acció farmacològica. Aixina, quan es desija un efecte en particular el grau de lliberació deu ser controlat en un entorn molt específic, ya que dosis més elevades poden produir efectes farmacològics no desijats ademés de l'acció terapèutica. En l'actualitat, els hidrogeles han demostrat ser la base d'uns dels millors sistemes per a obtindre una lliberació controlada de fàrmacs; s'han estudiat sistemes de lliberació d'antibiòtics, analgésicos, antineoplásticos, etc.[9][10]
  • Vendajes per a ferides: El procés de curació d'una ferida és molt complex: diferents factors coordinen el tancament i formació de pell nova. Certes condicions per a cada etapa favorixen una bona i ràpida cicatrisació. Un dels factors claus és mantindre un ambient humit fisiològic. Gràcies a la capacitat dels hidrogeles d'absorbir i mantindre grans cantitats d'aigua (en relació en la cantitat de polímer), i a la possibilitat de encapsular, protegir, i lliberar proteïnes o atres molècules els fan excelents candidats per a esta aplicació.[11]
  • Biotintas per a impressió 3D: Per la seua similitut mecànica en la matriu extracelular, els hidrogeles han segut usats exitosamente junt en cèlules per a fer impressions en 3D de teixits i mini-òrguens, els quals són útils per a regenerar òrguens danyats, aixina com imprimir mini òrguens per a ser utilisats en l'indústria farmacèutica.

Aplicacions en agricultura

  • Lliberació controlada d'aigua i estructurador de sols: Com ya s'ha comentat, els hidrogeles s'unflen en l'aigua, i este estovament és reversible, de tal manera que certs hidrogeles poden ser aplicats en el sol i quan plou s'unflen absorbint part de l'aigua de pluja, i quan hi ha época de sequia, estos lliberen poc a poc l'aigua absorbida. Solen amprar-se en esta aplicació 3 tipos de hidrogeles: poliacrilamida, poliacrilato de sodi i un copolímer de poliacrilamida i acrilato de sodi.[12] A sovint, per a no usar el terme científic del hidrogel (o per no revelar la fòrmula química del hidrogel) se sol usar l'abreviatura PAM per a designar qualsevol d'estos 3 polímer tan distints.[13]
La PAM reduïx l'erosió del sol, favorix la regeneració de la matèria orgànica i la aireació del sol, evita l'acumulació de sales en la superfície i l'excessiva pèrdua d'aigua, aumenta la retenció dels nutrients de les plantes, etc.[14][15]

Investigació en laboratoris

  • Bastides en ingenieria de teixits.[16] Quan s'utilisen com a bastides, els hidrogeles poden contindre cèlules humanes per a estudiar el tant el comportament de les mateixes, aixina com la seua interacció en els diferents components de la matriu extracelular. D'esta forma es conseguix representar en 3D el microambiente celular.[17] Alguns dels materials més utilisats són agar, metilcelulosa, hialuronano, polipèptits similars a l'elastina i atres polímer d'orige natural.[18]
  • S'han utilisat pocillos recoberts de hidrogel per a cultiu celular.[19]
  • Investigació de funcions biomecánicas en cèlules quan es combina en microscopía holotomográfica.
Cèlula mare mesenquimàtica humana que interactua en hidrogel 3D: obtinguda en imàgens de cèlules vives sense etiquetes
  • Hidrogeles ambientalment sensibles (també coneguts com 'Smart Gels' o 'Intelligent Gels'). Estos hidrogeles tenen la capacitat de detectar canvis de pH, temperatura o concentració de metabòlits i lliberar la seua càrrega com a resultat de dit canvi.[20][21]
  • Materials que imiten els teixits de la mucosa animal que s'utilisaran per a provar les propietats mucoadhesivas dels sistemes d'administració de fàrmacs.[29][30]
  • Generació d'electricitat termodinàmica. Quan es combina en ions permet el malbarat de calor per a dispositius electrònics i bateries i convertix l'intercanvi de calor en una càrrega elèctrica.[31]
  • Fibres.

Química

Els hidrogeles es preparen utilisant una varietat de materials polimèrics, que es poden dividir àmpliament en dos categories segons el seu orige: polímer naturals o sintètics. Els polímer naturals per a la preparació de hidrogel inclouen àcit hialurónico, quitosano, heparina, alginato i fibrina .[32] Els polímer sintètics comuns inclouen poli (alcohol vinílico), polietilenglicol, poliacrilato de sodi, polímer de acrilato i copolímers.[1]

Les reticulaciones que unixen els polímer d'un hidrogel es classifiquen en dos categories generals: físiques i químiques. Els enllaços creuats físics consistixen en enllaços d'hidrogen, interaccions hidrofòbiques i entrellaçaments de cadenes (entre uns atres). Un hidrogel generat per mig de l'us d'enllaços creuats físics a voltes es denomina hidrogel "reversible". Els enllaços creuats químics consistixen en enllaços covalente entre bri de polímer. Els hidrogeles generats d'esta manera a voltes es denominen hidrogeles "permanents".


Un método notable per a iniciar una reacció de polimerisació implica l'us de llum com a estímul. En este método, els fotoiniciadores, composts que s'escindixen de l'absorció de fotons, s'agreguen a la solució precursora que es convertirà en el hidrogel. Quan la solució precursora s'expon a una font de llum concentrada, els fotoiniciadores s'escindiran i formaran radicals lliures, que escomençaran una reacció de polimerisació que forma enllaços creuats entre els bri de polímer. Esta reacció cessarà si s'elimina la font de llum, lo que permet controlar la cantitat d'enllaços creuats formats en el hidrogel.[33] Les propietats d'un hidrogel depenen en gran mida del tipo i la cantitat dels seus enllaços creuats, lo que fa que la fotopolimerisació siga una opció popular per a perfeccionar els hidrogeles. Esta tècnica ha tingut un us considerable en aplicacions d'ingenieria de cèlules i teixits per la capacitat d'injectar o molejar una solució precursora carregada en cèlules en el lloc de la ferida i despuix solidificarla in situ.[28][33]

Els hidrogeles també posseïxen un grau de flexibilitat molt similar al teixit natural pel seu important contingut d'aigua. Com "materials inteligents" sensibles, els hidrogeles poden encapsular sistemes químics que, en ser estimulats per factors externs, com un canvi de pH, poden fer que composts específics com la glucosa es lliberen al mig ambient, en la majoria dels casos per mig d'una transició de gel-sol al líquit. estat. Els polímer quimiomecànics són en la seua majoria també hidrogeles, que despuix de l'estimulació canvien el seu volum i poden servir com actuadors o sensors.


Referències

  1. ↑ 1,0 1,1 Cai, Wensheng; Gupta, Ram B. (2012). «Hydrogels», Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. doi:10.1002/0471238961.0825041807211620.a01.pub2. ISBN 978-0471238966.
  2. ↑ (1907).«Der Hydrogel und dones kristallinische Hydrat dones Kupferoxydes».Zeitschrift für Chemie und Industrie der Kolloide.1(7): 213–214.doi:10.1007/BF01830147.
  3. ↑ Elisseeff, Jennifer(2008).«Hydrogels: Structure starts to gel».Nature Materials.7
  4. ↑ Kopeček, Jindřich(2007).«Hydrogel Biomaterials: A Smart Future?».Biomaterials.28doi:10.1016/j.biomaterials.2007.07.044.
  5. ↑ Hoffman, AS(2002).«Hydrogels for biomedical applications».Adv Drug Deliv Rev.54: 3-12.
  6. ↑ Lai, Yu-Chin; Wilson, Alan C.; Zantos, Steve G. (2000). «Contact Lenses», John Wiley & Sons, Inc (ed.). Kirk‐Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. doi:10.1002/0471238961. ISBN 9780471484943.
  7. ↑ Nicolson, PC(2001).«Soft contact lens polymers: an evolution.».Biomaterials.22: 3273-83.
  8. ↑ Alejandro Arredondo Peñaranda, Marta Elena Londoño López(2009).«Hidrogeles. Potencials biomateriales per a la lliberació controlada de medicaments».Revista Ingenieria Biomèdica.3(5): 83-94.Consultat el 6 de febrer de 2013.
  9. ↑ Saima Amin*, Saeid Rajabnezhad and Kanchan Kohli(novembre de 2009).«Hidrógel PDF».Scientific Research and Essay.3(11): 1175-1183.Consultat el 6 de febrer de 2013.
  10. ↑ Faccia, Paula Andrea(21 de març de 2013).«Síntesis i caracterisació de materials polimèrics per a sistemes de transport i lliberació de fàrmacs en potencials aplicacions en teràpies oftalmológicas».: 306.Consultat el 29 d'abril de 2014.
  11. ↑ Gupta, B.; Agarwal, R.; Alam, M.S. (2011). Biomedical Hydrogels, Elsevier, pp. 184–227. ISBN 9781845695903. Consultat el 23 d'abril de 2019.
  12. ↑ (1996).«Hydrogels used for medicine and agriculture».Progress in Colloid & Polymer Science.12: 123-125.doi:10.1007/BFb0114400.
  13. ↑ «A brief story of polyacrylamide». Archivat des de l'original, el 20 de giner de 2014.
  14. ↑ (2007).«Use of Synthetic Polymers and Biopolymers for Soil Stabilization in Agricultural, Construction, and Military Applications».Journal of materials in civil engineering.19: 58-66.doi:10.1061/(ASCE)0899-1561(2007)19:1(58).
  15. ↑ V. Steven Green(1999).«Polyacrylamide: A Review of the Use Effectiveness and Cost of a Soil Erosion Control Amendment».The 10th International Soil Conservation Organization Meeting.: 384-389.
  16. ↑ Talebian, Sepehr; Mehrali, Mehdi; Taebnia, Nayere; Pennisi, Cristian Pablo(2019).«Self-Healing Hydrogels: The Next Paradigm Shift in Tissue Engineering?».Advanced Science.6(16): 1801664.ISSN 2198-3844.doi:10.1002/advs.201801664.
  17. ↑ Mellati, Amir; Dai, Sheng; Bi, Jingxiu; Jin, Bo(2014).«A biodegradable thermosensitive hydrogel with tuneable properties for mimicking three-dimensional microenvironments of stem cells».RSC Adv..4(109): 63951–63961.ISSN 2046-2069.doi:10.1039/C4RA12215A.
  18. ↑ O'Brien, Fergal J.(2011-03-01).«Biomaterials & scaffolds for tissue engineering».Materials Today.14(3): 88–95.ISSN 1369-7021.doi:10.1016/S1369-7021(11)70058-X.Consultat el 2023-03-20.(en en)
  19. ↑ Discher, D. E.; Janmey, P.; Wang, Y.L.(2005).«Tissue Cells Feel and Respond to the Stiffness of Their Substrate».Science.310(5751): 1139–43.doi:10.1126/science.1116995.
  20. ↑ Brudno, Yevgeny(2015-12-10).«On-demand drug delivery from local depots».Journal of Controlled Release.219: 8–17.doi:10.1016/j.jconrel.2015.09.011.
  21. ↑ Blacklow, S.; Li, J.; Freedman, B; Zeidi, Mahdi(2019).«Bioinspired mechanically active adhesive dressings to accelerate wound closure».Science Advances.5(7): eaaw3963.ISSN 2375-2548.doi:10.1126/sciadv.aaw3963.
  22. ↑ Llig, Jin Hyun(December 2018).«Injectable hydrogels delivering therapeutic agents for disease treatment and tissue engineering».Biomaterials Research.22(1): 27.ISSN 2055-7124.doi:10.1186/s40824-018-0138-6.
  23. ↑ Liu, Mei; Zeng, Xin; Ma, Chao; Yi, Huan(December 2017).«Injectable hydrogels for cartilage and bone tissue engineering».Bone Research.5(1): 17014.ISSN 2095-6231.doi:10.1038/boneres.2017.14.
  24. ↑ Pupkaite, Justina; Rosenquist, Jenny; Hilborn, Jöns; Samanta, Ayan(2019-09-09).«Injectable Shape-Holding Collagen Hydrogel for Cell Encapsulation and Delivery Cross-linked Using Thiol-Michael Addition Clic Reaction».Biomacromolecules.20(9): 3475–3484.ISSN 1525-7797.doi:10.1021/acs.biomac.9b00769.
  25. ↑ Malmsten, Martin; Bysell, Helena; Hansson, Per(2010-12-01).«Biomacromolecules in microgels — Opportunities and challenges for drug delivery».Current Opinion in Colloid & Interface Science.15(6): 435–444.ISSN 1359-0294.doi:10.1016/j.cocis.2010.05.016.
  26. ↑ Chemoresponsive Materials, Editor: Hans-Jörg Schneider, Royal Society of Chemistry, Cambridge 2015, https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78262-242-0
  27. ↑ Yetisen, A. K.; Naydenova, I; Dona Cruz Vasconcellos, F; Blyth, J(2014).«Holographic Sensors: Three-Dimensional Analyte-Sensitive Nanostructures and their Applications».Chemical Reviews.114(20): 10654–96.doi:10.1021/cr500116a.
  28. ↑ 28,0 28,1 Va calar, Enrica; Khutoryanskiy, Vitaliy V.(2015).«Biomedical applications of hydrogels: A review of patents and commercial products».European Polymer Journal.65: 252–267.doi:10.1016/j.eurpolymj.2014.11.024.
  29. ↑ Cook, Michael T.; Smith, Sarah L.; Khutoryanskiy, Vitaliy V.(2015).«Novell glycopolymer hydrogels as mucosa-mimetic materials to reduïx animal testing».Chem. Commun..51(77): 14447–14450.doi:10.1039/C5CC02428E.
  30. ↑ Cook, Michael T.; Khutoryanskiy, Vitaliy V.(2015).«Mucoadhesion and mucosa-mimetic materials—A mini-review».International Journal of Pharmaceutics.495(2): 991–8.doi:10.1016/j.ijpharm.2015.09.064.
  31. ↑ «A new way to cool down electronic devices, recover waste heat». Phys.org (2020-04-22). Consultat el 2020-04-23.
  32. ↑ Kharkar, Prathamesh M.; Kiick, Kristi L.; Kloxin, April M.(2013-08-05).«Designing degradable hydrogels for orthogonal control of cell microenvironments».Chemical Society Reviews.42(17): 7335–7372.doi:10.1039/C3CS60040H.
  33. ↑ 33,0 33,1 Choi, J. R.; Yong, K. W.; Choi, J. Y.; Cowie, A. C.(2019).«Recent advances in photo-crosslinkable hydrogels for biomedical applications».BioTechniques.66(1): 40–53.doi:10.2144/btn-2018-0083.
Obtingut de «https://lenciclopedia.org/w/index.php?title=Hidrogel&oldid=1586503»