Idrogel
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Idrogel
Gli idrogel sono definiti come reti polimeriche tridimensionali costituite da polimeri idrofili, naturali o sintetici, in grado di assorbire e trattenere una quantità significativa di acqua. Il termine idrogel è apparso per la prima volta in letteratura alla fine del XIX secolo per descrivere formulazioni colloidali di sali inorganici; sebbene il concetto di idrogel come è noto oggi sia stato introdotto nel 1960 da Wichterle e Lim quando li proposero come materiali per lenti a contatto morbide. Si caratterizzano principalmente per la loro capacità di catturare fluidi acquosi dall'ambiente che li circonda, rigonfiandosi fino all'equilibrio; grazie alla reticolazione delle catene polimeriche, gli idrogel catturano l'acqua senza dissolversi. Gli idrogel sono una classe versatile di polimeri reticolati, prodotti con procedure relativamente semplici utilizzando materiali generalmente poco costosi. Sono comunemente usati per assorbenti liquidi, sensori, prodotti di consumo e consegna di farmaci. Gli idrogel possono essere formati dalla soluzione, con un iniziatore che rende gli agenti monomerici reattivi per formare una struttura polimerica. Quindi una sorta di reticolazione unisce le catene polimeriche. Un aspetto importante di questi materiali è che in presenza di acqua si gonfiano. Ma questa risposta può essere ulteriormente regolata per migliorare il gonfiore in base alla salinità, al PH o ad altri segnali. Gli idrogel possono essere utilizzati in ambienti acquosi o secchi, con una varietà di proprietà utili come flessibilità, elevata capacità di assorbimento, trasparenza e isolamento termico. Questo video illustrerà la sintesi e la caratterizzazione degli idrogel. Gli idrogel sono in grado di assorbire centinaia di volte il loro peso in acqua. Quando l'acqua entra nella rete polimerica reticolata, solubilizza le specie idrofile, ioniche o entrambe nello scheletro polimerico. Le molecole d'acqua sono più grandi dei gruppi solubilizzati. Per questo motivo, la sua presenza all'interno della rete provoca il rigonfiamento dell'idrogel. Mentre i legami incrociati che collegano la struttura polimerica ne impediscono la dissoluzione o la rottura. La sintesi dell'idrogel è una tecnica per produrre questi materiali polimerici reticolati. Questa è una procedura semplice ma coinvolge sostanze chimiche tossiche e infiammabili e quindi richiede estrema cura e misure preventive. Utilizzando costituenti pre-gel, gli idrogel possono essere prodotti mediante polimerizzazione a radicali liberi. Un metodo inizia con DMPAP come iniziatore di radicali liberi. Il legame carbonio-carbonio in DMPAP viene scisso dalla luce ultravioletta per formare un elettrone spaiato e altamente reattivo chiamato radicale libero ad ogni atomo di carbonio. I radicali liberi reagiscono con il doppio legame carbonio-carbonio in HEMA per formare una catena di propagazione con un radicale libero all'estremità. Il gruppo idrossile che esce dallo scheletro è solubile in acqua, il che fa gonfiare la rete reticolata quando c'è acqua. I radicali reagiscono anche con i due doppi legami carbonio-carbonio in TEGDMA, il reticolante chimico. Questo collega le catene della colonna vertebrale. Quando i radicali liberi sono stati consumati o hanno reagito completamente, la sintesi dell'idrogel è completa. Il rigonfiamento può essere valutato asciugando, idratando e quindi riessiccando il polimero. Nella prossima sezione, sintetizzeremo e caratterizzeremo gli idrogel utilizzando questo metodo di polimerizzazione a radicali liberi.
Struttura degli idrogeli (Hs)
Come idea generale, gli idrogel possono essere definiti come sistemi composti da uno o più polimeri idrofili le cui catene sono interconnesse da legami fisici o chimici formando una rete tridimensionale. A seconda della loro origine, i polimeri possono essere naturali o sintetici. Gli idrogel sono di natura idrofila perché nella loro struttura presentano gruppi funzionali come -OH, -COOH, -CONH2, -CONH-, -SO3H; in ambiente acquoso questi gruppi idrofili si idratano senza dissolvere l'idrogel per reticolazione tra le catene polimeriche.
Nanoidrogel
I nanogel o nanoidrogel (NHs) sono reti tridimensionali di dimensioni nanometriche in grado di assorbire grandi quantità di acqua e di rigonfiarsi in mezzi acquosi senza perdere la loro integrità a causa dei collegamenti tra le loro catene; cioè, sono idrogel su nanoscala le cui dimensioni medie sono nell'intervallo 10-1000 nm.
Classificazione degli idrogel
Gli idrogel possono essere classificati secondo una moltitudine di criteri: tipo di reticolazione, dimensione, sensibilità agli stimoli, carica ionica, degradabilità, origine dei polimeri e metodo di preparazione.
- A seconda del tipo di reticolazione, si distinguono idrogel reticolati fisicamente e idrogel reticolati chimicamente. Gli idrogel fisici sono reversibili e sono costituiti da legami non covalenti. Al contrario, gli idrogel chimici sono più stabili e irreversibili e sono formati da legami covalenti tra catene polimeriche. Questa sezione viene spiegata più dettagliatamente in seguito.
- In base alle loro dimensioni si possono distinguere idrogel macroscopici, microgel o nanoidrogel.
- A seconda della loro sensibilità agli stimoli, ci sono idrogel non sensibili agli stimoli, che si gonfiano per assorbimento di acqua senza rispondere ai cambiamenti nell'ambiente, e idrogel sensibili agli stimoli o idrogel intelligenti che si gonfiano in risposta a sottili alterazioni ambientali come la temperatura, pH, forza ionica, luce, campo elettrico o presenza di biomolecole.
- A seconda della carica, gli idrogel possono essere non ionici, cationici, anionici e anfoteri, a seconda dei gruppi funzionali presenti nei polimeri che li compongono.
- A seconda della loro degradabilità, esistono idrogel biodegradabili o non biodegradabili. Nel campo della biomedicina, i materiali biodegradabili sono molto utili poiché non richiedono un intervento chirurgico per la loro estrazione.
- A seconda dell'origine dei polimeri, come già spiegato, possono essere naturali o sintetici. Alcuni esempi di polimeri naturali sono gelatina, chitosano, HA, collagene, destrano, alginato, ecc.; e da polimeri sintetici, acido metacrilico e suoi derivati, acido acrilico, acetato di vinile, N-vinilpirrolidone, e così via.
- A seconda del metodo di preparazione, possono essere omopolimeri, copolimeri o idrogel interpenetrati (IPN) o semi-IPN.
Gli idrogel omopolimerici sono costituiti da un solo tipo di monomeri. Gli idrogel copolimerici sono costituiti da due o più monomeri differenti con almeno un componente idrofilo disposto in modo casuale, alternato o come un blocco lungo le catene polimeriche. Gli idrogel IPN (Interpenetrating Polymer Network) sono definiti dalla International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) come un polimero che comprende due o più reti parzialmente entangled su scala molecolare senza legami covalenti tra loro e che non possono essere separati se non mediante la rottura di legami chimici. Le semi-IPN comprendono una o più reti e uno o più polimeri lineari o ramificati e sono caratterizzate dalla penetrazione su scala molecolare di almeno alcune delle macromolecole lineari o ramificate in almeno una delle reti. A differenza dell'IPN, nei semi-IPN i polimeri lineari o ramificati possono essere separati dalla rete senza la necessità di rompere i legami chimici.
Idrogel reticolato chimicamente
Gli idrogel chimici o permanenti sono reticolati covalentemente. La reticolazione chimica generalmente produce idrogel più stabili con migliori proprietà meccaniche rispetto agli idrogel fisici, ma alcuni degli agenti reticolanti utilizzati possono essere tossici. A seconda del tipo di reticolazione, gli idrogel chimici possono essere ottenuti per polimerizzazione radicalica, per reazione di gruppi funzionali reattivi o utilizzando enzimi.
Polimerizzazione radicale
Gli idrogel reticolati chimicamente si ottengono per polimerizzazione radicalica di monomeri a basso peso molecolare in presenza di agenti reticolanti. È un metodo ampiamente utilizzato nelle applicazioni biologiche e può essere eseguito in vari modi. Le proprietà di questi idrogel possono essere modulate dalla quantità di agente reticolante utilizzata; Inoltre, si possono ottenere idrogel sensibili a stimoli quali pH e temperatura, come rispettivamente quelli dell'acido metacrilico e quelli della N-isopropilacrilammide. La polimerizzazione viene solitamente avviata generando composti di radicali liberi o utilizzando radiazioni (UV, gamma o fascio di elettroni). La polimerizzazione tridimensionale spesso si traduce in materiali che contengono livelli significativi di monomeri residui. Questi monomeri non reagiti sono generalmente tossici e possono essere rilasciati dall'idrogel in continuo, quindi il prodotto ottenuto deve essere purificato. La purificazione viene solitamente eseguita estraendo l'acqua in eccesso e può richiedere diverse settimane per essere completata. Il processo di purificazione può essere evitato se viene eseguito un processo aggiuntivo per massimizzare la quantità di monomeri reagenti (come il trattamento termico o l'irradiazione del sistema risultante). Un'altra opzione è quella di lavorare con monomeri non tossici, come oligomeri o macromonomeri (ad esempio, dimetacrilato di PEG). Un idrogel ben studiato è il poli (2-idrossietil metacrilato) (PHEMA) che si ottiene polimerizzando il 2-idrossietil metacrilato con un opportuno reticolante, ad esempio etilenglicole dimetracrilato.
Lenti a Contatto Idrogel
Le lenti in idrogel sono realizzate in plastica a forma di gel che contiene acqua, chiamate idrogel. Queste lenti sono molto sottili e flessibili e si adattano alla superficie anteriore dell'occhio. Introdotte nei primi anni '70, le lenti in idrogel hanno reso le lenti a contatto molto più ampiamente indossate grazie al loro grande comfort. Quando si tratta di occhi secchi e delicati, il materiale idrogel, grazie alla sua biocompatibilità unica con l'occhio umano, è spesso la scelta giusta. Un recente studio che confronta le lenti in idrogel con le lenti in silicone idrogel ha riportato che in alcuni soggetti è apparsa una connessione tra la presenza di silicone e l'insorgenza di allergie oculari. L'aspetto negativo di queste lenti si manifesta quando l'acqua evapora gradualmente dalle lenti (ad esempio, dopo molte ore di utilizzo o in ambienti difficili) rendendo il materiale meno confortevole
Cristalli di idrogel
I cristalli di idrogel sono polimeri che assorbono acqua centinaia di volte il suo peso e la forniscono gradualmente alle radici di tutti i tipi di piante. Il prodotto migliora le caratteristiche del suolo, quali ritenzione e disponibilità idrica, aerazione e decompattazione. La sua applicazione in agricoltura, serre e vivai, silvicoltura e architettura del paesaggio può ridurre il consumo di acqua fino a oltre il 50%. Aggiungendo i cristalli al substrato, si aumenta la resa, la crescita e la sopravvivenza delle piante.
Caratteristiche generali
I polimeri idroassorbenti a base di poliacrilammide monomerica al 94% sono particolarmente indicati per colture in cui è necessario un costante apporto di acqua e sostanze nutritive alle piante, oltre a consentire il risparmio di input vitali e costosi. Questo polimero stabile e chimicamente inattivo ha la capacità di assorbire l'acqua piovana più di cento volte il proprio peso. In altre parole, quando viene mescolato al terreno (substrato) funge da “serbatoio d'acqua”. Viene utilizzato come additivo, aumentando la capacità del campo e migliorando la struttura e il rapporto aria/acqua del terreno. Può essere utilizzato in qualsiasi tipo di terreno, clima e per qualsiasi tipo di pianta (dai prati ai funghi). Il suo utilizzo è più proficuo nelle zone aride o semiaride e in quelle colture dove le piante sono molto sensibili allo stress idrico. I polimeri assorbono l'acqua, la proteggono dall'evaporazione e ne impediscono il drenaggio e la rendono disponibile alle radici.
Cartilagine
Gli scienziati dimostrano che gli idrogel di poliacrilato creano il supporto e il microambiente adeguati per la crescita e il mantenimento delle cellule della cartilagine (condrociti) e potrebbero essere candidati ottimali per l'uso clinico. Il polimero poli (metilmetacrilato-come-metacrilato) è stato quello che ha mostrato le migliori caratteristiche biologiche e chimiche, motivo per cui è stato utilizzato per sintetizzare idrogel da utilizzare come matrici 3D.
Poli (idrossietil) metacrilato (HEMA)
Il poli (idrossietil) metacrilato (PHEMA) è un polimero idrofilo stabile e otticamente trasparente che è uno dei biomateriali idrogel più utilizzati. Gli idrogel a base di PHEMA possono essere progettati per avere un contenuto di acqua simile al tessuto e proprietà meccaniche e mostrare un'eccellente citocompatibilità. È stato applicato a una varietà di applicazioni mediche tra cui lenti a contatto, medicazioni e somministrazione di farmaci. Gli idrogel PHEMA sono generalmente sintetizzati mediante polimerizzazione radicalica di met (acrilati). Poiché gli idrogel PHEMA non sono degradabili in vivo, la loro applicazione nell'ingegneria tissutale è stata limitata. Numerosi studi mirano a modificare le proprietà di PHEMA per migliorare il grado di idratazione, degradazione, proprietà meccaniche e proprietà di trasporto. Per introdurre la degradazione controllata negli idrogel PHEMA, sono state incorporate sequenze scindibili per via idrolitica ed enzimatica. Copolimerizzando PHEMA con gruppi funzionali, le proprietà meccaniche e di rigonfiamento possono essere regolate per consentire l'incapsulamento di cellule, come i fibroblasti.