هیدروژل ها،قسمت دوم(خواص،کاربرد)

نویسنده: فاطمه حاجی محمدی

 

خواص هیدروژل ها:

 

ظرفيت نگهداري آب و تراوايي، مهم ترين مشخصه هاي هيدروژل هاست. هیدروژل های پلیمری شبکه ای شده وقتـی در آب یا حلال قـرار می گیرنـد، متـورم می شـوند، اما حل نمی شـوند.

خاصيـت تـورم کـه معمـولا تـورم بـرای تعریـف هیـدروژل بـه کار مـیرود، بـه عوامـل زیـادی ماننـد چگالـی شـبکه، ماهیـت حـلال و پارامترهـای برهم کنـش حلال-پلیمــر بســتگی دارد.

ظرفیــت جــذب آب هیــدروژل بــه تعــداد گروه هــای آبدوســت و چگالــی شبکه ای شــدن وابســته اســت. ظرفیــت نگــهداری آب در هیــدروژل بــا افزایــش تعــداد گروه هـای آبدوسـت زیـاد و بـا ازدیـاد چگالـی شبکه ای شـدن کــم می شــود.

درصــد تــورم هیدروژل هــا به طــور مســتقیم بـا مقـدار آب جـذب شـده متناسـب بـوده و از ویژگـی مهـم ایـن ترکیبـات در کاربردهـای مختلـف اسـت .

خــواص مكانيكــي هيدروژل هــا نيــز به ويــژه در كاربردهــاي دارويــي و زيست پزشــكي بســيار مهــم اســت، بــا تغييــر چگالــي شبكه اي شــدن مي تــوان بــه هيدروژلــي بــا خــواص مكانيكــي مدنظــر دســت يافــت.

همچنيــن، بــراي كاربــرد هيدروژل هــا در زمینه هــاي پزشــکی مهــم اســت کــه هیــدروژل، زیست ســازگار و غیرســمی باشــد.

آغازگرهــا، حلال هــای آلــی، پايدارکننده هــا، امولســیون كننده ها، عوامــل شــبكه اي كننده و مونومرهــای واكنــش نــداده مصرفــي در واكنــش پلیمرشــدن ممكــن اســت، ســمي باشــند. از ايــن رو، ايــن مــواد شــیمیایی ســمي، به ويــژه در كاربردهــاي زيســتي، بايــد به كمــك فرایندهــای تصفیــه ماننــد شست وشــو بــا حـلال یــا دیالیــز حــذف شــوند.

 

 

کاربرد هیدروژل ها:

 

هیدروژل هـا بـه دلیـل خـواص و قابليت هـاي منحصـر به فـرد در صنایـع مختلـف از جملـه غذایـی، بسـته بندی، داروسـازي، کشــاورزی و به عنــوان جــاذب بــرای حــذف آلاینده هــا در کاربردهــای زیســت محیطی و نيــز در ســاخت دســتگاه های فنـی و الکترونیکـی اسـتفاده می شـوند.

 

۱- کاربرد در زیست پزشکی:

 

هیدروژل هــا بــه دلیــل زیست ســازگاری و جــذب مقــدار زیــادی آب در زمینه هــای زیست پزشــکی به طــور موفقیت آمیــزی اســتفاده شــده اند.

هیدروژل هــا رفتــار اعضـای بـدن انسـان را در پاسـخ بـه تغییـر شـرایط محیطـی ماننــد دمــا، pH ،آنزیــم و میــدان الکتریکــی تقلیــد می کننــد کــه موجــب اســتفاده از ایــن ترکیبــات در کاشــتنی هااندام هــای مصنوعــی، گیره هــای رباتــی ،دســتگاه های تشــخیصی بــرای ماهیچه هــای مصنوعــی و بســیاری از کاربردهــای دیگــر شــده اســت.

 

۲- کاربرد در دارورسانی:

 

کاربرد هیدروژل در پزشکی از مهم ترین و رو به رشد ترین کاربرد های هیدروژل است. جذب آب و خصوصیات مشابه به بافت های بدن، سبب کاربرد گسترده هیدروژل در مهندسی بافت شده است.

برای مثال، هیدروژل های قابل تزریق را می توان بدون نیاز به جراحی و تنها از طریق یک سرنگ، به درون بدن بیمار وارد نمود. این هیدروژل ها می توانند حاوی انواع مواد دارویی، مولکول های زیستی و سلول باشند. در درمان بیماری های سیستم اعصاب مرکزی (CNS) که محدودیت های زیادی وجود دارد، استفاده از هیدروژل های قابل تزریق و زیست تخریب پذیر بسیار امید بخش است.

در این روش، بدون استفاده از روش های تهاجمی (invasive) مانند جراحی، امکان رهایش انواع مولکول های درمانی و یا سلول ها به سیستم عصبی وجود دارد. به ویژه اینکه استفاده از هیدروژل های بر پایه پلیمر های زیست تخریب پذیر نیاز به جراحی برای برداشتن هیدروژل را نیز برطرف می نماید.

 

۳- هیدروژل در مهندسی بافت

 

هیدروژل ها را می توان به گونه ای طراحی نمود که خواص مکانیکی آن شبیه به بافت های بدن باشد. لذا استفاده از آن به عنوان داربست در مهندسی بافت بسیار گسترده بوده است. خواص هیدروژل ها به فاکتورهای متعددی مانند جنس پلیمر، اصلاحات شیمیایی، جنس و دانسیته اتصالات عرضی، مقدار جذب آب و شرایط محیطی بستگی دارند. استفاده از هیدروژل ها در مهندسی بافت به منظور پر کردن فضای خالی، رهایش مواد فعال زیستی و سازماندهی سلول ها است. بعلاوه از آنها می توان برای کشت سلول و همچنین تولید صفحه سلولی (cell sheet) استفاده نمود. برای نمونه، ™HyStem یک هیدروژل نیمه سنتزی بر پایه هیالورونیک اسید (HA) است که برای کشت سلول های بنیادی ومهندسی بافت قابل استفاده است.

هیدروژل های مورد استفاده در مهندسی بافت بایستی زیست سازگار باشند تا به بافت های سالم آسیبی وارد نکرده و باعث تحریک سیستم ایمنی بدن نشوند. پلیمر های مصنوعی زیست سازگار مانند پلی اتیلن گلیکول، پلی وینیل الکل، پلی اکریلیک اسید و پلیمرهای طبیعی مانند آگارز، دکستران، ژلاتین و فیبرین در مهندسی بافت به صورت وسیعی استفاده شده اند. بعلاوه، با اصلاحات شیمیایی جزئی این پلیمرها می توان قابلیت استفاده از آنها را افزایش داد. برای نمونه با قرار دادن گروه های متاکریلات روی زنجیره های ژلاتین، پلیمری با قابلیت پخت نوری به نام ژلاتین متاکریلات (GelMA) ساخته می شود. از این پلیمر برای تولید جوهر زیستی (bioink) استفاده می شود. از جوهر های زیستی برای چاپ سه بعدی زیستی استفاده می شود.

ویسکوزیته برخی پلیمر ها مانند پلی- ان- ایزوپروپیل اکریل آمید (PNIPAM) با دما افزایش می یابد. این حساس به دما در دمای محیط مایع بوده ولی در دمای نرمال بدن به حالت ژل تبدیل می شوند. پلورونیک یا پلوکسامر نیز یکی دیگر از پیلیمر های حساس به دما است. این پلیمرها برای تولید هیدروژل های تزریقی مفید هستند.

 

۴- کاربرد هیدروژل ها در زیست فناوری:

 

بسـیاری از روش هـای شناسـايي و تجزیـه اي متـداول حساسـیت تشـخيص زيـاد دارنـد. امـا، اغلـب آن هـا بـه دلیـل داشـتن روش چندمرحلـه ای گـران و زمان بـر هسـتند. طبـق تعریـف آیوپـاک، زیست حســگر عبــارت از مجموعــه ابزارهایــی اســت کــه بــا اســتفاده از واکنش هــای زیست شــیمیایی ویــژه، به واســطه آنزیم هــا، بافت هــا، ســلول ها یــا هرعنصــر شــیمیایی ماده بــه شــکل الکتریکــی، اُپتیکــی یــا گرمایــی مدنظــر را معمــولا آشــکار می کنــد.

هیدروژل هــا به عنــوان غشــاهای ماتریــس فــوري در حس گرها بــا سختی، کشســانی و ضريــب شكســت مدنظــر بــه کار گرفتــه شــده اند.

 

۵- کاربرد هیدروژل ها در صنعت بسته بندی:

 زیســت پلیمرها به طــور مســتقيم از زیســت موادي نظیــر پروتئین هــا، پلی ســاکاریدها و لیپیدهــا اســتخراج می شــوند. همچنیـن، برخـی از هيدروژل هـا بـا سـنتز شـیمیایی کلاسـیک ماننــد پلی لاکتیــک اســید تولیــد شــده کــه در توســعه ســاختارهای جدیــد بــراي گســترش کاربردهــای بســته بندی غذایــی از زیســت پلیمرها اســتفاده می شــوند، امــا بــه دلیــل گرانــی، اســتحکام کــم و مقاومــت ضعیــف در برابــر آب از مــواد پزشــکی عقــب افتــاده اســت.

 

کاربرد در صنعت کشاورزی:

 

به تازگــی رويكــرد جالبــي شــامل رهایــش کنتــرل شــده مــواد مغــذی از هیدروژل هــای بارگــذاری شــده بــا کــود بـه داخـل محصـولات زراعـی بررسـی شـده اسـت. بخـش زیــادی از کــود اعمــال شــده بــه خــاک بــا شست وشــو، به طـور عمـده در خاک هـای بسـیار متخلخـل، در اثـر فراینـد شــیمیایی و بــاران بیــش از حــد از دســت مــی رود. تعــدادی پلی ســاکاریدهای مختلــف ماننــد کیتوســان، پکتیــن وکربوکســی متیــل ســلولوز بــرای تهیــه هیدروژل هــا به عنــوان سـامانه رهایـش کـود بـرای تقویـت خـاک اسـتفاده شـده اند.