Hidrogel

Hidrogel de um polímero superabsorvente

Hidrogel é uma rede de cadeias de polímero reticuladas hidrofílicas, às vezes encontradas como um gel coloidal no qual a água é o meio de dispersão. Um sólido tridimensional resulta das cadeias de polímero hidrofílico sendo mantidas juntas por ligações cruzadas. As reticulações que unem os polímeros de um hidrogel se enquadram em duas categorias gerais: físicas e químicas. As ligações cruzadas físicas consistem em ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas e emaranhamentos de cadeia (entre outros). Por causa das ligações cruzadas inerentes, a integridade estrutural da rede de hidrogel não se dissolve com a alta concentração de água. O hidrogel é altamente absorvente (podem conter mais de 90% de água) em redes poliméricas.

A primeira aparição do termo 'hidrogel' na literatura foi em 1894.

Usos

Uma atadura adesiva com almofada de hidrogel, usada para bolhas e queimaduras. O gel central é transparente, o filme plástico adesivo à prova d'água é transparente, o suporte é branco e azul.

Os usos comuns incluem:

• Scaffolds em engenharia de tecidos . Quando usados como andaimes, os hidrogéis podem conter células humanas para reparar o tecido. Eles imitam o microambiente 3D das células.
• Poços revestidos de hidrogel têm sido usados para cultura de células.
• Investigar funções biomecânicas em células quando combinadas com microscopia Holotomográfica

Célula-tronco mesenquimal humana interagindo com hidrogel 3D - imagem com imagem de células vivas sem rótulo

• Hidrogéis ambientalmente sensíveis (também conhecidos como 'Smart Gels' ou 'Intelligent Gels'). Esses hidrogéis têm a capacidade de detectar mudanças de pH, temperatura ou concentração do metabólito e liberar sua carga como resultado de tais mudanças.
• Hidrogéis injetáveis que podem ser usados como transportadores de drogas para o tratamento de doenças ou como transportadores de células para fins regenerativos ou engenharia de tecidos.
• Sistemas de liberação de drogas de liberação sustentada. Força iônica, pH e temperatura podem ser usados como fator desencadeante para controlar a liberação da droga.
• Proporcionando absorção, desbridamento e desbridamento de tecido necrótico e fibrótico
• Hidrogéis que respondem a moléculas específicas, como glicose ou antígenos, podem ser usados como biossensores, bem como em DDS.
• Fraldas descartáveis onde absorvem urina ou em absorventes higiênicos
• Lentes de contato (hidrogéis de silicone , poliacrilamidas, polymacon )
• Eletrodos médicos EEG e ECG usando hidrogéis compostos por polímeros reticulados (óxido de polietileno, polyAMPS e polivinilpirrolidona )
• Explosivos de gel de água
• Distribuição retal de drogas e diagnóstico
• Encapsulamento de pontos quânticos
• Implantes mamários
• Cola
• Grânulos para reter a umidade do solo em áreas áridas
• Curativos para cicatrização de queimaduras ou outras feridas difíceis de curar. Os géis para feridas são excelentes para ajudar a criar ou manter um ambiente úmido.
• Reservatórios na liberação de medicamentos tópicos ; particularmente drogas iônicas, administradas por iontoforese (veja resina de troca iônica ).
• Materiais que mimetizam tecidos da mucosa animal a serem usados para testar propriedades mucoadesivas de sistemas de distribuição de drogas
• Geração de eletricidade termodinâmica. Quando combinado com íons, permite a dissipação de calor para dispositivos eletrônicos e baterias e a conversão da troca de calor em carga elétrica.

Química

Ingredientes comuns incluem álcool polivinílico, polietilenoglicol, poliacrilato de sódio, polímeros de acrilato e copolímeros com uma abundância de grupos hidrofílicos e proteínas naturais, como colágeno, gelatina e fibrina.

As reticulações que unem os polímeros de um hidrogel se enquadram em duas categorias gerais: físicas e químicas. As ligações cruzadas físicas consistem em ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas e emaranhamentos de cadeia (entre outros). Um hidrogel gerado pelo uso de ligações cruzadas físicas é às vezes chamado de hidrogel 'reversível'. As reticulações químicas consistem em ligações covalentes entre fios de polímero. Os hidrogéis gerados dessa maneira são às vezes chamados de hidrogéis "permanentes".

Um método notável para iniciar uma reação de polimerização envolve o uso de luz como estímulo. Nesse método, fotoiniciadores, compostos que se clivam a partir da absorção de fótons, são adicionados à solução precursora que se tornará o hidrogel. Quando a solução precursora é exposta a uma fonte de luz concentrada, os fotoiniciadores se clivam e formam radicais livres, que começam uma reação de polimerização que forma ligações cruzadas entre os fios do polímero. Esta reação cessará se a fonte de luz for removida, permitindo que a quantidade de reticulações formadas no hidrogel seja controlada. As propriedades de um hidrogel são altamente dependentes do tipo e da quantidade de suas reticulações, tornando a fotopolimerização uma escolha popular para o ajuste fino de hidrogéis. Esta técnica tem visto um uso considerável em aplicações de engenharia de células e tecidos devido à capacidade de injetar ou moldar uma solução precursora carregada com células em um local de ferida e, em seguida, solidificá-la in situ.

Os hidrogéis também possuem um grau de flexibilidade muito semelhante ao tecido natural, devido ao seu significativo teor de água. Como " materiais inteligentes " responsivos, os hidrogéis podem encapsular sistemas químicos que, após estimulação por fatores externos, como uma mudança de pH, podem fazer com que compostos específicos, como glicose, sejam liberados para o ambiente, na maioria dos casos por uma transição de gel-sol para o líquido Estado. Os polímeros quimomecânicos são, em sua maioria, também hidrogéis, que sob estimulação alteram seu volume e podem servir como atuadores ou sensores .

Mechanical properties

O hidrogel possui uma vasta gama de propriedades mecânicas, que é uma das principais razões pelas quais eles foram recentemente investigados para uma ampla variedade de aplicações. Ao modificar a concentração de polímero de um hidrogel (ou inversamente, a concentração de água), o Módulo de Young, o Módulo de cisalhamento e o Módulo de armazenamento podem variar de 10 Pa a 3 MPa, um intervalo de cerca de cinco ordens de magnitude. Um efeito semelhante pode ser visto alterando a concentração de reticulação. Essa grande variabilidade da rigidez mecânica é o motivo pelo qual os hidrogéis são tão atraentes para aplicações biomédicas, onde é vital que os implantes correspondam às propriedades mecânicas dos tecidos circundantes.

Os hidrogéis têm dois regimes principais de propriedades mecânicas: elasticidade da borracha e viscoelasticidade :

Elasticidade de borracha

No estado não dilatado, os hidrogéis podem ser modelados como géis químicos altamente reticulados, nos quais o sistema pode ser descrito como uma rede polimérica contínua. Nesse caso:

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

onde G é o módulo de cisalhamento, k é a constante de Boltzmann, T é a temperatura, N _p é o número de cadeias de polímero por unidade de volume, ρ é a densidade, R é a constante de gás ideal, e ${\overline {M}}_{c}$ é o (número) peso molecular médio entre dois pontos de reticulação adjacentes. ${\overline {M}}_{c}$ pode ser calculado a partir da razão de expansão, Q, que é relativamente fácil de testar e medir.

Para o estado inchado, uma rede de gel perfeita pode ser modelada como:

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

Em uma extensão uniaxial simples ou teste de compressão, o verdadeiro estresse, $\sigma _{t}$ e estresse de engenharia, $\sigma _{e}$, pode ser calculado como:

$\sigma _{t}=G_{swollen}\left(\lambda ^{2}-\lambda ^{-1}\right)$

$\sigma _{e}=G_{swollen}\left(\lambda -\lambda ^{-2}\right)$

Onde $\lambda =l_{current}/l_{original}$ é o alongamento.

Viscoelasticidade

A fim de descrever o comportamento de fluência dependente do tempo e relaxamento de tensão do hidrogel, uma variedade de modelos de parâmetros físicos concentrados podem ser usados. Esses métodos de modelagem variam muito e são extremamente complexos, portanto, a descrição empírica da Série Prony é comumente usada para descrever o comportamento viscoelástico em hidrogéis.

Resposta ambiental

A sensibilidade ambiental mais comumente observada em hidrogéis é uma resposta à temperatura. Muitos polímeros / hidrogéis exibem uma transição de fase dependente da temperatura, que pode ser classificada como temperatura crítica superior da solução (UCST) ou temperatura crítica inferior da solução (LCST) . Os polímeros UCST aumentam em sua solubilidade em água em temperaturas mais altas, o que leva à transição dos hidrogéis UCST de um gel (sólido) para uma solução (líquido) conforme a temperatura é aumentada (semelhante ao comportamento do ponto de fusão de materiais puros). Este fenômeno também faz com que os hidrogéis UCST se expandam (aumentem sua razão de expansão) conforme a temperatura aumenta enquanto eles estão abaixo de seu UCST. No entanto, os polímeros com LCSTs exibem uma dependência inversa (ou negativa) da temperatura, onde sua solubilidade em água diminui em temperaturas mais altas. Os hidrogéis LCST fazem a transição de uma solução líquida para um gel sólido à medida que a temperatura aumenta, e também encolhem (diminuem sua razão de expansão) à medida que a temperatura aumenta enquanto estão acima de sua LCST.

Diferentes aplicações exigem diferentes respostas térmicas. Por exemplo, no campo biomédico, os hidrogéis LCST estão sendo investigados como sistemas de distribuição de drogas devido a serem injetáveis (líquido) em temperatura ambiente e, em seguida, solidificar em um gel rígido após a exposição às temperaturas mais altas do corpo humano. Existem muitos outros estímulos aos quais os hidrogéis podem responder, incluindo: pH, glicose, sinais elétricos, luz, pressão, íons, antígenos e muito mais.

Existem muitas maneiras de ajustar as propriedades mecânicas dos hidrogéis. Uma das mais simples é usar moléculas diferentes para a espinha dorsal e os reticuladores do sistema de hidrogel, pois moléculas diferentes terão interações intermoleculares diferentes entre si e diferentes interações com a água absorvida. Outro método de modificar a resistência ou elasticidade dos hidrogéis é enxertá-los ou revesti-los de superfície em um suporte mais forte / mais rígido, ou fazendo compósitos de hidrogel superporoso (SPH), nos quais um aditivo de intumescimento de matriz reticulável é adicionado. Outros aditivos, como nanopartículas e micropartículas, mostraram modificar significativamente a rigidez e a temperatura de gelificação de certos hidrogéis usados em aplicações biomédicas.

Materiais com hidrogel estão sendo investigados para engenharia de tecidos; estes materiais incluem agarose, metilcelulose, hialuronano, polipéptidos do tipo elastina e outros polímeros derivados naturalmente. Os hidrogéis são promissores para uso na agricultura, pois podem liberar agroquímicos, incluindo pesticidas e fertilizantes fosfatados lentamente, aumentando a eficiência e reduzindo o escoamento, e ao mesmo tempo melhorando a retenção de água em solos mais secos, como argilas arenosas.

No ano 2000, houve um aumento nas pesquisas sobre o uso de hidrogéis para a liberação de medicamentos. Os sistemas de liberação de drogas poliméricas superaram o desafio devido à sua biodegradabilidade, biocompatibilidade e antitoxicidade. Avanços recentes alimentaram a formulação e síntese de hidrogéis que fornecem uma base forte para componentes eficientes para sistemas de distribuição de drogas. Materiais como colágeno, quitosana, celulose e poli (ácido lático-co-glicólico) foram amplamente implementados para a administração de drogas a vários órgãos importantes do corpo humano, como: olhos, nariz, rins, pulmões, intestinos, pele e o cérebro. O trabalho futuro está focado na melhor anti-toxicidade dos hidrogéis, variando as técnicas de montagem dos hidrogéis tornando-os mais biocompatíveis e na entrega de sistemas complexos, como o uso de hidrogéis para entregar células terapêuticas.