نویسنده:فاطمه حاجی محمدی
هیدروژل چیست:
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.
به عبارتی دیگر هیدروژل ها شبکه های پلیمری سه بعدی با اتصالات عرضي هستند كه قابليت جذب بسیار زیاد آب یا سیالات زيستي را حتي زير فشار دارند. این ترکیبات بدون انحلال می توانند مقدار زیادی آب جذب کنند(آن ها می‌توانند حاوی بیش از ۹۰٪ آب باشند یعنی مقدار زیادی آب را بدون تخریب در خود جذب کنند). هیدروژل ها به روش شیمیایی یا فیزیکی شبکه ای می شوند.
پیوندهای عرضی فیزیکی می‌توانند به وسیله درهم گره خوردگی زنجیرها، ایجاد بلور در ساختار پلیمر و یا برهم کنش‌های ضعیف مثل پیوند هیدروژنی یا واندروالسی تشکیل شوند.
مواد طبیعی و سنتزی بسیاری به عنوان هیدروژل ها دسته بندی می شوند. در دو دهه گذشته، هیدروژل های سنتزی به دلیل عمر کاربری طولانی، ظرفیت زیاد جذب آب و استحکام زیاد ژل به تدریج جایگزین هیدروژل های طبیعی شده اند.
از پلیمرهای طبیعی و مصنوعی بسیاری مانند انواع پلی ساکارید ها، پلی اتیلن گلیکول (PEG) می توان هیدروژل تولید نمود. نمک های پلی اکریلیک اسید که با نام پلیمرهای ابر جاذب نیز شناخته می شوند، قدرت جذب آب بسیاری بالایی دارند.
هیدروژل ها می توانند به فرم های متعددی مانند نانوژل، میکروژل، نانوالیاف، غشاء و هیدروژل های قابل تزریق تولید شوند.
هیدروژل ها کاربرد های متنوعی در تصفیه آب، کشاورزی، ذخیره و تبدیل انرژی، تولید سنسو ها و اکچواتور ها و همچنین پزشکی دارند.
مواد تشکیل دهنده هیدروژل ها:
مواد اولیه اصلی برای تهیه هیدروژل ها شامل مونومرهای سنتزی یا طبیعی یا پلیمرها هستند.
روش تولید هیدروژل ها:
روش های پلیمرشدن متفاوتی بـرای تهیه هیدروژلها به کار گرفته میشوند که شـامل پلیمرشـدن رادیکالـی آزاد محلولی، تـوده، تعلیقـی، تعليقـي معکـوس، امولسیونی، تابشی یـا نورپلیمرشدن و انتقال زنجیر افزایشی جدایشی برگشتپذیر اسـت. محصولات به دست آمـده از ایـن روش هـا بـه شـکل ذرات کوچک، پـودر، الیاف، غشا، میکرودانه هـا و حتی مایعات تغییرشکل يافته هستند.
۱- پلیمر شدن محلولی:
در پلیمرشـدن محلولـی، مونومرهـای یونـی یا خنثی بـا عوامل شـبکه ای کننده چندعاملـی مخلـوط می شـوند. پلیمرشـدن گرمایـی بـا تابش UV یـا سـامانه آغازگر اکسایشـی شـروع می شـود. وجـود حلال، مزیـت اصلـی ایـن روش اسـت. چنانچـه مقـدار آب حين پلیمرشـدن بیـش از مقدار آب مربـوط بـه تـورم تعادلـی باشـد، جدایـی فـاز اتفـاق می افتد و هیدروژل هـای پلیمـری ناهمگـن تشـکیل می شـوند.
حلال های متـداول بـرای پلیمرشـدن محلولی شـامل آب، اتانـول، مخلوط آب – اتانول و بنزیل الکل اسـت.
حلال سـنتزی پس از تشـکیل ژل بـا تـورم هیـدروژل در آب حـذف می شـود. بـرای حـذف مونومرهـای واکنـش نـداده، اولیگومرها، عوامل شـبکه ای کننده، آغازگـر، پلیمـر محلول و استخراج شـدني و سـایر ناخالصی ها، هیدروژل های پلیمری تهیه شـده با آب مقطر شسـته می شـوند.
در دهه هـای گذشـته از ایـن روش بـرای تهیـه هیدروژل هـای پلیمـری مختلـف اسـتفاده مي شـد.
۲-پلیمرشدن تعلیقی:
پلیمرشـدن تعلیقـی از موفق تریـن روش هـا بـرای تهیـه هیدروژل هـای کـروی یـا میکـروذرات بـا انـدازه μm 1 تـا mm 1 اسـت. در ایـن روش، محلـول مونومـر بـرای تشـکیل ذرات ریـز مونومـر در ضدحلال پراکنـده شـده، بـا افـزودن پایدارکننـده پایدار می شـود. پلیمرشـدن بـا رادیکال های حاصل از تجزیـه گرمایی آغازگر شـروع می شـود.
سـپس، برای حذف مونومرهـای واکنـش نـداده، عامـل شـبکه ای کننده و آغازگـر، میکروذرات جدید تشـکیل شـده شسـته می شـوند.
شکل ذرات تشـکیل شـده تحت تأثیر گرانروی فاز مونومر اسـت، در حالی کـه اندازه ذرات بـا تنظیـم آبدوسـتی-آبگریزی عامل تعلیق کنتـرل می شـود.
برخـی از میکـروذرات هیدروژل هـای پلیمری پلی هیدروکسـی اتیل متاکریلات بـا ایـن روش تهیه می شـوند. همچنیـن، از پلیمرشـدن تعلیقـی معکـوس بـه دلیـل راحتـی حـذف مونومـر آکریل آمیـد سـمی باقی مانـده از پلیمـر به طـور گسـترده بـرای تهیـه هیدروژل هـای پلیمـری پلی آکریل آمیـد اسـتفاده می شـود.
۳- پلیمرشدن توده:
پلیمرشدن توده ساده ترین روش بوده که فقط شامل مونومر و آغازگرهای محلول در آب است. از مونومرهای وینیلی بسیاری برای تولید هیدروژل ها با خواص فیزیکی مدنظر برای کاربردهای معین استفاده می شود.
هیدروژل های توده با یک نوع مونومر یا مقدار کمی عامل شبکه ای کننده به بیشتر تهیه می شوند. معمولا فرمول بندی هیدروژل اضافه می شود. پلیمرشدن با پرتودهی، فرابنفش یا کاتالیزور شیمیایی شروع می شود.
انتخاب آغازگر مناسب به نوع مونومرها و حلال استفاده شده بستگی دارد. سرعت و درجه زیاد پلیمرشدن به دلیل غلظت زیاد مونومر اتفاق می افتد. با وجود این، گرانروی واکنش به طور محسوسی با درصد تبدیل افزایش می یابد که موجب تولید گرما طی پلیمرشدن می شود. با کنترل واکنش در درصدهای تبدیل کم می توان از این مشکلات اجتناب کرد. پلیمرشدن توده مونومرها برای ایجاد هیدروژل همگن، موجب توليد ماتریس پلیمری شفاف و شیشه ای مي شود که بسیار سخت است. هنگام غوطه وری ژل در آب، ماتریس شیشه ای متورم شده و نرم و انعطاف پذیر می شود. مزیت پلیمرشدن توده این است که در این روش پلیمر با وزن مولکولی و خلوص زیاد به شکل های مختلف مانند فیلم، غشا، ذرات و امولسیون، تولید می شود. هیدروژل های پلی آکریلاتی با این روش تهیه می شوند.
دسته بندی هیدروژل ها:
۱-براساس منبع تهیه و خواص فیزیکی:
هیدروژل هـا براسـاس منبع تهیه در انواع طبیعی و سـنتزی وجود دارنـد. دو گـروه مهـم از پلیمرهـای طبیعی برای تهیـه هیدروژل شـامل پروتئین هـا ماننـد کلاژن و ژلاتیـن و پلی سـاکاریدها مانند نشاسـته، كيتوسـان، آلژينات و آگاروز هسـتند. پلیمرهای سنتزی بـرای تشـکیل هیدروژل هـا بـا روش هـای پلیمرشـدن شـیمیایی سـنتی تهیـه می شـوند.
هیدروژل هـا براسـاس سـاختار فیزیکـی شـبکه نیز بـه انواع بی شـکل ، نیمه بلـوری و بلوری دسـته بندی می شـوند.
۲- براساس ترکیب بندی پلیمر:
از لحاظ ترکیب بندی پلیمر نیز هیدروژل ها به گروه های زیردسته بندی میشوند:
۱- هیدروژل هــای هوموپلیمــری كــه بــه شــبکه های پلیمــری حاصــل از یــک نــوع مونومــر آبدوســت گفتــه می شــود و بسـته بـه ماهیـت مونومـر و روش هـای پلیمرشـدن شـبکه ای مي شــوند.
۲- هیدروژل هـای کوپلیمـری كـه از دو نـوع مونومـر یـا بیشـتر بــا حداقــل یــک جــزء آبدوســت تشــکیل می شــوند و بــا صورت بنــدی تصادفــی، قطعــه ای یــا متنــاوب در زنجیــر شــبکه پلیمــر قــرار می گیرنــد.
۳-هیدروژل هــای شــبکه هاي پلیمــری درهم نفوذکننــده كـه دسـته مهمــی از هیدروژل هــا بــا ترکیبــی از دو پلیمــر طبیعــی یــا سـنتزی هسـتند و حداقـل یکـی بـا وجـود دیگـری سـنتر یـا ً بـا غوطـه وری شـبک های می شـود .
۳- براساس بار الکتریکی شبکه:
هیدروژل هـا براسـاس وجـود بـار الکتریکـی روی زنجیرهـای شبکه ای شــده بــه چهــار گــروه غیریونــی (خنثــی)، یونــی (کاتیونــی یــا آنیونــی)، الکترولیــت دومحیط دوســت داراي هــر دو گــروه اســیدی یــا بــازی و دویونی هــا یــا پلی بتائین هــا داراي هــر دو گروه هــای آنیونــی یــا کاتیونــی در هــر واحــد تکرارشــونده ســاختاری دســته بندی می شــوند.
۴- براساس ظاهر فیزیکی:
هیدروژل هــا از لحــاظ شکل شناســی بــه شــکل ذره، پــودر، ماتریــس، فیلــم، غشــا یــا امولســیون وجــود دارنــد کــه بــه روش تهیــه آن هــا بســتگی دارد.
۵- براساس پاسخگویی به محرک:
بر اساس کاربردهای متفاوت، هیدروژل می‌تواند به محرک‌های محیطی مختلف پاسخگو باشد. بر همین اساس طبقه بندی مهم هیدروژلها به شرح زیر است:
۱-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.
۲٫ 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.
از دیگر انواع هیدروژلها، هیدروژل‌های حساس به نور، حساس به جریان و حساس به مواد شیمیایی هستند.
۶- براساس ماهیت عامل شبکه ای کننده :
هیدروژل هــا براســاس ماهیــت اتصــالات عرضــی بــه دو گــروه فیزیکــی یــا شــیمیایی دســته بندی می شــوند.
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.