آشنایی با هیدروژل‌ها

هیدروژل‌ها یک شبکه پلیمری عموما تشکیل شده از ماکرو مولکول‌های آب دوست و کراس لینک شده‌ای هستند که آب، محلول آبی یا سیالات فیزیولوژیکی را جذب کرده اما به علت ساختارشان، غیر محلول باقی می‌مانند. کراس لینک‌ها می‌توانند شامل اتصالات قوی شیمیایی، درهم تنیدگی‌های موقتی و یا برهمکنش‌های ضعیف شیمیایی باشند. کاربردهای هیدروژل‌ها می‌تواند بسیار گسترده باشد، از کاربردهای زیستی و تجهیزات پزشکی گرفته تا سنسورها، جاذب‌ها و چسب‌ها را می‌توانند در برگیرند. در این مقاله به بررسی ماهیت هیدروژل‌ها و طبقه بندی آن‌ها پرداخته می‌شود.

ساختار هیدروژل

همان طور که گفته شد، هیدروژل‌ها شامل شبکه ی زنجیره‌های پلیمری متصل به یکدیگر به واسطه ی کراس لینک‌های فیزیکی یا شیمیایی هستند. برهمکنش‌های غیرکوالانس شامل در هم تنیدگی زنجیره‌ها، برهمکنش‌های ضعیف مولکولی (مانند پیوند هیدروژنی و برهمکنش واندروالس) و مناطق میکروکریستال هستند که برخی از آنها موقتی بوده و در پاسخ به یک شرایط ایجاد شده یا از بین می‌روند. نکته قابل توجه این است که برای هیدروژل نامیده شدن یک پلیمر، باید حداقل یک جز از زنجیره‌های پلیمری آن آب دوست باشند. در حالی که، شبکه پلیمری به واسطه کراس لینک‌ها در آب نامحلول است. در مورد پاسخ به تورم، در برخی از هیدروژل، در شرایط متفاوت، جامدتر یا مایع‌تر می‌شوند.

در صورتی که زنجیره ی پلیمری یا بک بون (backbone) تنها از یک مونومر تکرار شونده تشکیل شده باشد به آن هموپلیمر گفته می‌شود. در مقابل، مولتی پلیمر یا کوپلیمر هیدروژل‌ها با استفاده از چند واحد مونومری تشکیل شده اند. شبکه‌های پلیمری درهم نفوذ کننده یا [IPN1]، زنجیره‌های پلیمری کاملا جداگانه‌ای هستند که به ترتیب و یا هم زمان پلیمره شده، جداگانه کراس لینک شده و به طور فیزیکی در تنیده شده اند اما به طور کووالانسی به هم متصل نیستند. شبکه‌های پلیمری نیمه در هم نفوذ کننده یا [Semi-IPN2]، زمانی تشکیل می‌شوند که یک پلیمر خطی به شبکه کراس لینک شده ی دیگر نفوذ کند بدون آن که کراس لینک شیمیایی بین آن‌ها رخ دهد. این دسته از هیدروژل می‌توانند به طور موثرتری واکنشی سریع به pH و یا دما داشته باشند که به سبب غیاب شبکه‌های الاستیک در هم تنیده و ممانعت کننده است.

طبقه بندی هیدروژل‌ها

بر اساس کاربردهای متفاوت، هیدروژل می‌تواند به محرک‌های محیطی مختلف پاسخگو باشد. بر همین اساس طبقه بندی مهم هیدروژل‌ها به شرح زیر است:

1. هیدروژل‌های پاسخگو به دما

تعادل بین بخش‌های هیدروفیل و هیدروفوب، کلید اصلی برای کنترل ویژگی‌های یک هیدروژل پاسخگو به دما است. به طور کلی دما اثر قابل ملاحظه‌ای بر برهمکنش هیدروفوب بین بخش‌های پلیمری هیدروفوب و برهمکنش هیدروفیل بین بخش‌های هیدروفیل و آب دارد. بنابراین هر تغییر کوچک در دما موجب انتقال حالت از سل به ژل یا بالعکس می‌شود.

شکل1. مکانیسم رهایش دارو در هیدروژل حساس به دما

2. هیدروژل‌های پاسخگو به pH

هیدروژل‌های پاسخگو به pH، دسته‌ای از بیومتریال‌ها هستند که خواص فیزیکی و شیمیایی مطلوب را در محدوده‌ای از pH از خود نشان می‌دهند.

شکل2. مکانیسم رهایش دارو در هیدروژل حساس به pH

از دیگر انواع هیدروژل‌ها، هیدروژل‌های حساس به نور، حساس به جریان و حساس به مواد شیمیایی هستند. در مقاله‌های بعدی به بررسی کاربرد هیدروژل‌ها و شرح آن پرداخته خواهد شد.