هیدروژل ها

هیدروژل یک ماده پلیمری است که در حالت خشک به صورت یک جامد شبه شفاف و نرم است و با اضافه کردن آب به آن، به صورت یک ژل شفاف تبدیل می‌شود. این ماده در بسیاری از صنایع، از جمله پزشکی، کشاورزی، آرایشی و بهداشتی، الکترونیک و... استفاده می‌شود در ادامه به توضیحات بیشتر در مورد هیدروژل ها میپردازیم.

هیدروژل چیست؟

در واقع هیدروژل شبکه‌ای از زنجیرهای پلیمری آب‌دوست است که گاهی به صورت یک ژل کلوئیدی یافت می‌شوند که در آن آب، فاز پخش‌کننده است. هیدروژل یک ساختار سه بعدی از زنجیرهای پلیمری هیدرولیکی است که توسط پیوندهای عرضی نگه داشته می‌شود. به دلیل حضور پیوندهای عرضی ذاتی، تمامیت ساختاری شبکه هیدروژل در آب تجزیه و تخریب نمی‌شود و بسته به ساختار، نوع و درجه پیوند عرضی پایداری هیدروژل در محیط های فیزیولوژی حفظ می شود. هیدروژل‌ها شبکه‌هایی ساخته شده از پلیمر های طبیعی یا مصنوعی با قدرت جذب بالا آب هستند ( بیش از ۹۰٪ ساختار هیدروژل ها می تواند آب باشد).

از جمله خصوصیات هیدروژل مقاومت بالا در برابر فشار و کشیدگی، قابل شستشو بودن، قابل تغییر حجم با اضافه کردن آب، عدم حساسیت به رطوبت و دارای خواص جذب آب است

در سال 1936، دانشمندان DuPont مقاله ای در مورد پلیمرهای متاکریلیک اخیراً سنتز شده منتشر کردند. در این مقاله پلی (2-هیدروکسی اتیل متاکریلات) (polyHEMA) ذکر شد. به طور خلاصه به عنوان یک پلیمر سخت، شکننده و شیشه ای توصیف شد و به وضوح اهمیتی در نظر گرفته نشد. پس از آن مقاله، پلی HEMA اساساً تا سال 1960 فراموش شد. Wichterle و Lim پلیمریزاسیون HEMA و عوامل اتصال عرضی را در حضور آب و سایر حلال ها توصیف کردند. آنها به جای پلیمرهای شکننده، ژل نرم، متورم در آب، الاستیک و شفاف به دست آوردند. این نوآوری منجر به ایجاد زمینه مدرن هیدروژل‌های زیست پزشکی، همانطور که امروزه آنها را می شناسیم، شد. پس از آن، تعداد فرمول های هیدروژل به طور پیوسته در طول سال ها افزایش یافت.

کاربرد هیدروژل‌ها در صنایع مختلف:

• چاهک‌های پوشیده شده با هیدروژل برای کشت سلولی
• هیدروژل‌های حساس به محیط (ژل هوشمند).
• سیستم‌های دارو رسانی
• جذب و لایه‌برداری از بافت نکروتیک و فیبروتیک
• هیدروژل‌هایی که به مولکول‌های خاصی مانند گلوکز یا آنتی‌ژن‌ها پاسخ می‌دهند، قابل استفاده به عنوان بیوسنسورها و همچنین در DDS
• پوشک یکبار مصرف که ادرار را جذب می‌کند یا نوارهای بهداشتی
• لنزهای تماسی(هیدروژل‌های سیلیکون، پلی آکریل آمید، پلیمکون)
• الکترودهای پزشکی EEG و ECG 
• مواد منفجره ژل آب
• تحویل داروهای رکتومی و تشخیص
• گرانول‌های نگه‌دارنده رطوبت خاک در مناطق خشک
• پماد برای درمان سوختگی یا دیگر زخم‌های مزمن از جمله زخم های دیابتی
• ذخایر در تحویل دارویی موضعی
• شبیه‌سازی بافت‌های مخاطی حیوانی

نقش پلی ساکارید ها در هیدروژل:

پلی ساکارید ها به عنوان یکی از مهمترین مواد سازنده هیدروژل ها شناخته شده اند. این مولکول ها به دلیل دارا بودن گروه‌های عامل کننده در تشکیل پلیمرهای آب‌دوست، قابلیت تشکیل ژل در حضور آب را دارند. پس از جذب آب، پلی ساکارید ها به صورت شبکه‌ای بافته شده و چسبیدگی بین ذرات آن‌ها باعث تشکیل ژل می‌شود. این خصوصیات باعث شده است که پلی ساکارید ها به عنوان یک منبع قابل توجه برای تولید هیدروژل در صنایع مختلف، از جمله صنایع کشاورزی، داروسازی و کاغذسازی استفاده شود.

تشکیل هیدروژل:

برای شروع اتصال عرضی شیمیایی، لازم است یک عامل اتصال عرضی با وزن مولکولی کم همراه با یک پلیمر به مخلوط واکنش وارد شود. در صورت نبود نقاط اتصال عرضی، زنجیره‌های پلیمری خطی آبدوست به دلیل پلیمری بودن زنجیره و سازگاری ترمودینامیکی آب، در آب حل می‌شوند. با این وجود، در حضور نقاط اتصال عرضی، حلالیت توسط نیروی پس‌کشی کشش نقاط اتصال عرضی در شبکه متعادل می‌شود. وقتی این نیروها برابر شدند، تورم به تعادل می‌رسد. آب دوستی شبکه به دلیل وجود گروه های آبدوست مانند NH2–، –COOH، –OH، –CONH2، –CONH و SO3H– ،اثر مویرگی و فشار اسمزی است.

تفاوت هیدروژل فیزیکی و شیمیایی:

نقاط اتصال عرضی شیمیایی و فیزیکی، ساختار سه بعدی هیدروژل ها را در حالت متورم حفظ می کنند. در اتصال عرضی شیمیایی، زنجیره‌های پلیمری به‌طور کووالانسی از طریق یک عامل اتصال عرضی به هم متصل می‌شوند، در صورتی که در اتصال عرضی فیزیکی، هیدروژل‌ها دارای حوزه اتصالات فیزیکی، پیوند هیدروژنی، برهمکنش آبگریز، کمپلکس یونی هستند که امکان ریخته‌گری حلال، اصلاح توده‌ای پس از فرآیند، سهولت ساخت، تغییر شکل، تجزیه زیستی و غیرسمی بودن را فراهم می‌کند. که به نسبت هیدروژل های دارای اتصالات عرضی شیمیایی خواص بهتری را نشان می دهد.

تورم هیدروژل ها:

 فرآیند پیچیده‌ای است که از چند مرحله تشکیل شده‌است.

در مرحله اول، گروه‌های آبدوست قطبی ماتریس هیدروژل، توسط مولکولهای آب آبپوشی می‌شوند که به شکل آب پیوندی اولیه ظاهر می‌شود.

در مرحله دوم، آب نیز با گروه های آبگریز در معرض برهم کنش می کند، که به شکل آب پیوندی ثانویه ظاهر می شوند، آب پیوندی اولیه و آب پیوندی ثانویه هر دو  آب پیوندی کل را تشکیل می دهند.

در مرحله سوم، نیروی محرک اسمزی شبکه توسط اتصالات عرضی فیزیکی یا شیمیایی در برابر نهایت رقیق سازی، جلوگیری می شود، بنابراین آب اضافی جذب می شود. آب جذب شده در تورم تعادلی را آب حجیم یا آب آزاد می نامند که فضاهای بین شبکه یا زنجیره ها و مرکز منافذ بزرگتر را پر می کند. مقدار آب جذب شده توسط یک هیدروژل به دما و برهمکنش خاص بین مولکول های آب و زنجیره های پلیمری بستگی دارد که با نظریه فلوری-هاگینز قابل توضیح است.

طبقه بندی کلی هیدروژل‌ها:

بسته به بارهای روی گروه‌های متصل، هیدروژل‌ها ممکن است کاتیونی، آنیونی یا خنثی باشند. انواع عامل اتصال عرضی می تواند ملاک طبقه بندی باشد. هیدروژل ها می توانند فیزیکی یا شیمیایی باشند. همچنین می توان هیدروژل‌ها را بر اساس ساختارشان به گروه هایی تقسیم کرد:  تجمعات آمورف یا بی شکل، نیمه بلوری، کریستالی و هیدروکلوئیدی.

حدود سه دهه پیش، پلیمرهای سوپرجاذب (SAPs) معرفی شدند و به صنایعی که توانایی نگهداری آب یک نگرانی عمده بود، گسترش یافتند. در سال 1998، دسته متفاوتی از یک سیستم پلیمری جاذب آب به نام هیدروژل های فوق متخلخل (SPHs) شناخته شد که دارای خواص ارتجاعی بهتر، استحکام مکانیکی و توانایی نگهداری آب است.

superabsorbent polymers (SAPs)

super porous hydrogels (SPHs)

طبقه بندی هیدروژل ها به خواص فیزیکی، ماهیت تورم، روش تهیه، منشاء، بارهای یونی، منابع، سرعت تجزیه زیستی و ماهیت مشاهده شده اتصال عرضی بستگی دارد.

هیدروژل ها در صنایع غذایی:

هیدروژل در برخی از مواد غذایی استفاده می شود. به عنوان مثال، هیدروژل در تولید دسر، پودینگ، سس و سالاد، کرم بستنی و بسیاری دیگر از محصولات غذایی استفاده می شود. هیدروژل به عنوان یک عامل ضخیم کننده و گوارش پذیر در این محصولات استفاده می شود. با افزایش حجم و ضخامت محصولات غذایی با هیدروژل، تجربه خوراکی بهتر و بهبود قابل توجه در بافت و طعم محصولات حاصل شده است

کاربرد هیدروژل ها در بسته بندی مواد غذایی:

به عنوان یک جایگزین، هیدروژل ها همچنین می توانند فرصت‌های جدیدی را برای طراحی مواد بسته بندی زیست پلیمری کارآمد با خواص مطلوب ارائه دهند.

ماهیت خاص بیوپلیمرها به طور قابل توجهی بر خواص قابل دستیابی از کمپلکس ها تأثیر می‌گذارد. پلی ساکاریدهای خطی سفت و سخت مانند پکتین و صمغ زانتان، هنگامی که با پروتئین مخلوط می شوند، تمایل به تشکیل کمپلکس هایی دارند که برای تولید ژل به شکل ورقه، غشاء و پوشش مناسب هستند.

در مقابل، پلی ساکاریدهای کروی و انعطاف پذیرتر مانند صمغ اقاقیا ساختارهای کروی (مانند کپسول های میکرو و نانو) ایجاد می کنند که می توانند ترکیبات فعال را محصور کرده و در فیلم ها جاسازی کنند. به طور مشابه، پروتئین‌های انعطاف‌پذیر با وزن مولکولی بالا به دلیل توانایی مقاومت در برابر تغییرات ساختار پلیمری زیستی درگیر در انواع مختلف پیوندها (به عنوان مثال،  الکترواستاتیک، آبگریز،درهم‌تنیدگی‌های فیزیکی) مناسب‌ترین برای توسعه جفت‌های پلی‌ساکارید پروتئینی هستند. همانطور که در جدول 2 نشان داده شده است، اخیراً ترکیبات مختلف پروتئین-پلی ساکارید برای کاربردهای بسته بندی مواد غذایی گزارش شده است که هر کدام دارای مزایا و معایب خاصی هستند. کاربردهای امیدوارکننده هیدروژل ها در صنایع بسته بندی مواد غذایی شامل بسته بندی بهبود یافته (موانع گاز و رطوبت)، بسته بندی ضد باکتری، نظارت بر وضعیت محصول، نانوافزودنی ها، افزایش عمر مفید، محافظت در برابر اکسیداسیون و پوشاندن وظیفه است.