هیدروژل – Hydrogel

هیدروژل – Hydrogel

هیدروژل­ ها شبکه­ های پلیمری سه بعدی با اتصالات عرضی فیزیکی و شیمیایی هستند که به علت حضور گروه­ های هیدروفیلی (آبدوست) در ساختارخود توانایی جذب آب و تورم بسیار بالایی دارند. ساختار شبکه ای هیدروژل­ ها بر حسب ابعاد منافذ موجود به سه دسته ماکرومتخلخلMacroporous) )، میکرومتخلخل (Microporous) و غیر متخلخل(Non-porous) تقسیم می­ شود. اتصالات عرضی فیزیکی و شیمیایی قادرند تا انواعی از دارو­ها و بیومولکول­ ها را در ساختار شبکه ای هیدروژل به دام بیاندازند. دارو­ها و بیومولکول­های به دام افتاده در منافذ هیدروژل­ها بر حسب ساختار شبکه­ پلیمری به روش­ های متفاوتی آزاد می­شوند.
خاصیت جذب بالای آب در هیدروژل­ ها از گروه­ های عاملی هیدروفیلی در زنجیره­ های پلیمری به طور مثال OH- ، NH2- ، COOH- ، SO3H- و… نشأت می­ گیرد.
هیدروژل­ ها در آب نامحلول هستند؛ اتصالات عرضی در زنجیره­ های شبکه باعث مقاوت هیدروژل ها در برابر انحلال می­ شود.
در سال 1960، ویچترل (Wichterle) و لیم (Lim) استفاده از هیدروژل­ هایی مبتنی بر پلی(-2 هیدروکسی اتیل متاکریلات) را در لنز­های تماسی (contact lens) پیشنهاد کردند. از آن زمان به بعد استفاده از هیدروژل­ ها به جهت شباهت به بافت­ های زنده و کاربرد­های بسیار در علوم گسترش یافت به نحوی که از هیدروژل­ ها به عنوان یکی از موضوعات مهم و اساسی در زمینه بیومتریال (Biomaterial) یاد می­ شود.

هیدروژل­ ها از جهات متفاوتی (نوع پلیمر سازنده، تهیه و آرایش، وجود بار الکتریکی بر زنجیره­ های شبکه و…) طبقه بندی می­ شوند که در ادامه به برخی از آن­ ها می ­پردازیم.

Source
هیدروژل­ ها بر اساس نوع پلیمر سازنده به طور کلی به سه دسته هیدروژل­ های طبیعی، سنتزی و هیبریدی تقسیم می­ شوند.هیدروژل­ هایی که از پلیمر­های طبیعی تشکیل می­ شوند به دلیل زیست تخریب پذیری، فراوانی و زیست سازگاری بسیار مورد توجه هستند. از پلیمرهای طبیعی مورد استفاده در هیدروژل­ ها می­ توان کلاژن، آلژینات، فیبیرین را نام برد. در دهه­ های اخیر هیدروژل­ های سنتزی به جهت استحکام بالا و عمر طولانی و… به تدریج جایگزین هیدروژل­ های طبیعی شده­اند و می­توان آن­ ها را در جهت زیست تخریب پذیری اصلاح نمود. از پلیمر­های سنتزی مورد استفاده در هیدروژل­ ها می ­توان پلی اتیلن گلیکول (PEG)، پلی وینیل الکل، پلی آکریل آمید را نام برد. دسته سوم، هیدروژل­ های هیبریدی هستند که از پلیمرهای طبیعی یا سنتزی تشکیل می ­شوند آن­ ها همچنین می ­توانند علاوه بر زنجیره­ های پلیمری حاوی پروتئین­ های فعال بیولوژیکی، پپتیدها، میکروساختارها یا نانوساختارها و… باشند. بلوک­ های ساختاری هیدروژل­ های هیبریدی می­ توانند از لحاظ شیمیایی، ریخت شناسی و … مجزا و متفاوت باشند.

Preparation
هیدروژل­ ها بر اساس تهیه و آرایش پلیمر سازنده به طور کلی به سه دسته هوموپلیمری (Homopolymeric)، کوپلیمری(Co-polymeric) و شبکه­ های پلیمری درهم نفوذ کننده (IPN = Interpenetrating Polymer Networks) تقسیم می­ شوند.
هیدروژل­ های هوموپلیمری تنها از یک نوع مونومر تشکیل می­ شوند که بسته به ماهیت مونومر و روش پلیمریزاسیون به نحوه خاصی شبکه­ ای می­شوند.
هیدروژل­ های کوپلیمری از دو یا چند نوع مونومر تشکیل می­ شوند که به صورت تصادفی، قطعه­ ای یا متناوب در زنجیره شبکه پلیمری این هیدروژل ها جای می­ گیرند.
هیدروژل­ های شبکه­ ای درهم نفوذ کننده از ترکیب دو پلیمر طبیعی یا دو پلیمر سنتزی یا ترکیب پلیمر های طبیعی و سنتزی تشکیل می­ شوند.

Cross-linking
اتصالات عرضی در هیدروژل ­ها به دو صورت فیزیکی و شیمیایی باعث شبکه­ ای شدن ساختار هیدروژل­ ها می­ شوند. اتصالات فیزیکی نسبت به اتصالات شیمیایی از استحکام کمتری برخوردار هستند. در هیدروژل هایی که با اتصالات فیزیکی شبکه ای شده اند در بین زنجیره­ های پلیمری پیوند کووالانسی وجود ندارد بلکه با برهمکنش­ های فیزیکی اتصال بین زنجیره­ ها برقرار می ­شود. در هیدروژل­ هایی که با اتصالات عرضی شیمیایی شبکه ­ای شده اند بین زنجیره­ های پلیمری پیوند کووالانسی برقرار است.

Physical Appearance
هیدروژل­ ها بر اساس نوع پلیمریزاسیون ( محلولی، تعلیقی، توده­ ای و…) از نظر ظاهر فیزیکی متفاوت هستند و می ­توانند به شکل­ های ذره، فیلم، ماتریس، امولسیونی، غشا و…تهیه شوند.

Response
با تغییرات کوچکی در شرایط محیطی یا حضور انواعی از محرک ها هیدروژل ها تحت تاثیر قرار می گیرند و دچار تغییراتی می شوند. هیدروژل هایی که به محرک ها پاسخگو هستند، هیدروژل های هوشمند نامیده می شوند. هیدروژل های هوشمند در برابر محرک های فیزیکی ( دما، فشار، نور، میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی، تنش های مکانیکی و…) محرک های شیمیایی ( عوامل یونی، ترکیب حلال،pH، مواد شیمیایی و…) و محرک های بیولوژیکی (آنزیم ها، آنتی ژن ها و…)عکس العمل نشان می دهند.
محرک های فیزیکی سطح منابع انرژی و برهمکنش ها را در سطح مولکولی تغییر می دهند. محرک های شمیایی برهمکنش بین زنجیره های پلیمری را در مقیاس مولکولی تغییر می دهند. تشکیل و گسست پیوند، تغییر در تورم، تغییر رنگ و… از متداول ترین پاسخ هیدروژل ها در برابر محرک های بیولوژیکی می باشند.
هیدروژل های هوشمند به جهت پاسخگویی به محرک ها در زیست فناوری، پزشکی، مهندسی بافت، داروسازی و…بسیار مورد توجه هستند.

Applications

هیدروژل ها به سبب ویژگی های منحصر به فردشان در علوم و صنایع مختلفی کاربرد دارند که در ادامه به برخی از آن ها اشاره می کنیم.

• نمایشگرهای هیدروژلی انعطاف پذیر
چونگ چان کیم (Chong-Chan Kim) و همکارانش از دانشگاه ملی سئول از هیدروژل پلی آکریل آمید حاوی نمک لیتیم کلرید به عنوان رسانا در ساخت این پنل های لمسی و انعطاف پذیر استفاده کرده اند.
الکترود ها در دو انتهای پنل هیدروژلی، ولتاژ مشخصی ایجاد می کنند و میدان الکتروستاتیک یکنواختی توسط الکترود ها در سیستم اعمال می شود. هنگام لمس سطح پنل و بسته شدن مدار درون هیدروژل، جریان از سطح عبور می کند. در هر گوشه از نوار سطحی پنل گیرنده هایی وجود دارند که سیگنال های الکتریکی را تشخیص می دهند.

• پانسمان هیدروژلی

استفاده از پانسمان های هیدروژلی نسبت به پانسمان های معمولی فرایند بهبود زخم را تسریع می کند. پانسمان های هیدروژلی با جذب ترشحات زخم از خیس شدن پانسمان تا حد زیادی جلوگیری می کنند و رطوبتی مورد نیاز برای بهبود سلول های پوستی آسیب دیده را فراهم می کنند.

• محافظت از گیاهان در برابر کم آبی
(SAP = Super Absorbent Polymer)

یکی از مهمترین مشکلات جهانی کمبود آب است. سالانه درصد زیادی از آب های شیرین در کشاورزی و آبیاری محصولات استفاده می شود. هیدروژل ها به جهت ظرفیت بالای جذب آب می توانند تا حد زیادی از گیاهان در برابر کمبود آب محافظت کنند. هیدروژل های مخصوصی علاوه بر بهبود فرایند نفوذ آب در خاک، قادرند تا به هنگام خشکی آبی را که جذب نموده اند آزاد کنند و به ریشه گیاهان منتقل کنند بدین ترتیب گیاهان از کم آبی مخافظت می شوند.
• هیدروژل هایی برای درمان اعصاب آسیب دیده
صدماتی که به اعصاب محیطی وارد می شود اغلب به سختی قابل درمان هستند و فرایند بهبودی اعصاب بعد از پیوند عصب و جراحی می تواند بسیار طولانی باشد. محققان استفاده از هیدروژل های رسانایی که توانایی انتقال سیگنال های بیوالکتریک دارند به عنوان روش جایگزین پیوند اعصاب پیشنهاد کرده اند.
این هیدروژل ها از پلی آکریل آمید و پلی آنیلین تهیه شده اند و شبکه سه بعدی میکرومتخلخل دارند که پس از فرایند کاشت به سلول های عصبی اجازه ورود و چسبیدن می دهند و به بهبود بافت آسیب دیده یا از دست رفته کمک می کنند.

• چارچوب های هیدروژلی انتقال دارو
محققان زیست پزشکی از هیدروژل های مخصوصی به جهت شباهت به بافت های زنده
به عنوان چارچوب های مولکولی سه بعدی قابل تزریق برای انتقال سلول ها یا داروها به مناطق خاصی از بدن همانند آسیب دیدگی ها، تومور و…استفاده کرده اند. در مؤسسه ویس دانشگاه هاروارد از این هیدروژل ها برای انجام آزمایشاتی در محیط بافت مانند و قرار دادن سلول ها در محفظه کشت استفاده می شود.

نیلوفر یاوری
دانشجوی مقطع کارشناسی رشته شیمی کاربردی دانشگاه بوعلی سینا، همدان

References

1.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0014305714004091
2.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7180755
3.https://www.sciencedaily.com/release/2020/10/201007085636
4.https://www.dnaindia.com/scitech/report-new-wearable-touchpad-can-help-you-write-play-games-2244319
5.http://www.news-medical.net/health/Hydrogel-Dressings.aspx
6.https://www.irdpt.ir/Article/139607121349258342
7.https://article.tebyan.net/332717
8.https://www.isna.ir/news/94022212831