سنتز انواع هیدروژل ها و اطلاعاتی ناب و کاربردی درباره آن ها!
هیدروژل که اگر بخواهیم زبان شیرین پارسی را پاس بداریم، آبژل خطابش می کنیم؛ در حالت خشک یک ماده پلیمری، سِفت، نرم و شبه شفاف است. اگر مقداری آب به همین ماده جامد که از خصوصیات کُلی اش برایتان حرف زدیم، اضافه کنیم؛ یک ژل کاملا شفاف به دست می آید. این ژل، ماده سرنوشت سازی است که به طور گسترده در صنایع ریز و درشت؛ از کشاورزی و الکترونیک گرفته تا پزشکی و آرایشی و بهداشتی و… مورد استفاده قرار می گیرد. این ها را گفتیم تا شناختی هرچند مختصر درباره هیدروژل ها در ذهنتان ایجاد کنیم. اما ماجرا به همین جا ختم نمی شود و داستان آبژل ها بسیار طولانی تر از این حرف هاست. اگر مشتاق آشنایی بیشتر با این پلیمرهای آب دوست هستید، تا پایان با ما همراه باشید!
هیدروژل چیست؟
هیدروژل ها که شبکه ای زنجیره ای از پلیمرهای طبیعی یا مصنوعی آب دوست محسوب می شوند، گاها به صورت یک ژل کلوئیدی در دسترس هستند. منظور از آب دوست بودن این مواد، قدرت شگفت انگیز آن ها در جذب آب است. به گونه ای که می توان گفت بیش از 90 درصد ساختار آبژل ها را آب تشکیل می دهد. جالب است بدانید که آب، نقش فاز پخش کننده این مواد را بازی می کند.
اگر جویای ساختار آبژل های پرکاربرد هستید، باید خدمتتان عرض کنیم که آن ها دارای ساختاری سه بعدی از زنجیرهایِ پلیمریِ هیدرولیکیِ نگه داشته شده توسط پیوندهایِ عرضی هستند. از آن جا که این پیوندهای عرضی ذاتی اند، اجازه نمی دهند که تمام ساختار شبکه آبژل در آب تجزیه گردد. جالب است بدانید که حفظ پایداری هیدروژل در محیط های فیزیولوژی تابع فاکتورهای متعدد و متنوعی است که از جمله مهم ترین آن ها می توان به ساختار، نوع و درجه پیوند عرضی اشاره کرد.
آنچه باعث محبوبیت هیدروژل ها در میان صنایع گوناگون شده، ویژگی های منحصر به فرد و قابلیت های اعجاب انگیز آن ها است. شاید باورتان نشود، اما حقیقت این است که این زنجیرهای پلیمری از مقاومت بسیار زیادی در برابر فشار و کشیدگی برخوردار هستند. آن ها قابل شستشو بوده و هیچ حساسیتی به رطوبت نشان نمی دهند. این را از لقبِ آب دوست بودن هیدروژل ها به خوبی می توان فهمید. شما می توانید با اضافه کردن اندکی آب، حجم آبژل ها را افزایش دهید. چرا که آن ها آب اضافه شده را خیلی زود جذب نموده و این گونه بر حجم خود می افزایند!
حال که کم و بیش با هیدروژل ها و ویژگی های آنان آشنا شدیم، وقت آن فرا رسیده که به بررسی کاربردهای این مواد در صنایع بزرگ و کوچک بپردازیم. ادامه مطلب را از دست ندهید!
کاربردها
اگر بگوییم طیف کاربردهای این ژل ها در صنایع مختلف بسیار وسیع است، نه اغراق نموده و نه گزاف گفته ایم. این ماده که به وفور در حوزه زیست و پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد، با کارآمدی حیرت انگیز خود همه را به تعجب واداشته است. مایلید به اتفاق با برخی از مهم ترین کاربردهای هیدروژل در صنایع مختلف آشنا شویم؟
یکی از اساسی ترین کاربردهای هیدروژل که اهالی حوزه بیو به خوبی با آن آشنایی دارند، ساخت چاهک های پوشیده با هیدروژل برای کشت سلولی است. تولید هیدروژل های حساس به محیط که از ان ها تحت عنوان ژل هوشمند نیز یاد می کنند، یکی دیگر از مهم ترین کاربردهای این مواد محسوب می شود.
هیدروژل ها را به وفور در سیستم های دارورسانی مورد استفاده قرار داده و از آن ها برای جذب و لایه برداری از بافت های نکروتیک و فیبروتیک، استفاده می کنند. آن دسته از آبژل هایی که قادر به پاسخگویی به مولکول های خاصی همچون گلوکزها و آنتی ژل ها هستند، به طور گسترده به عنوان بیوسنسورها و نیز در DDS ها مورد استفاده قرار می گیرند.
شاید برایتان عجیب و غیر قابل باور به نظر برسد، اما حقیقت این است که پوشک های یک بار مصرف و نوار بهداشتی هایی که قادر به جذب بالا هستند؛ در ساختار خود مقداری هیدروژل دارند. این هیدروژل است که جذب ادرار را ممکن می سازد!
سایر کاربردهای هیدروژل در صنایع مختلف به قرار زیرند:
- ساخت لنزهای تماسی
- ساخت الکترودهای پزشکی نظیر EEG و ECG
- تولید مواد منفجره ژل آب
- تولید پمادهای سوختگی و درمان زخم های مزمن نظیر زخم های دیابتی
- تولید گرانول نگهدارنده رطوبت خاک در نواحی خشک
- شبیه سازی بافت های مخاطی حیوانی
- …
طبقه بندی های مختلف
هیدروژل ها را در یک طبقه بندی کلی به دو دسته فیزیکی و شیمیایی تقسیم بندی می کنند. البته طبقه بندی این پلیمرهای آب دوست بر اساس ساختارشان نیز صورت می پذیرد که در آن هیدروژل ها را به انواع زیر تقسیم می نمایند:
- تجمعات آمورف یا بی شکل
- نیمه بلوری
- کریستالی
- هیدروکلوئیدی
این دسته از مواد را بر اساس بارهای موجود بر روی گروه های متصل به سه نوع کاتیونی، آنیونی و خنثی دسته بندی می کنند. در این روش ملاک طبقه بندی آبژل ها عامل اتصال عرضی می باشد.
سنتز هیدروژل ها
نخست بگذارید برای روشن شدن موضوع واژه سنتز را برایتان معنا کنیم تا درک سنتز هیدروژل برایتان ساده تر شود.
سنتز در لغت به معنای ایجاد کردن است. در این فرآیند دو یا چند جزء را ترکیب نموده و بدین ترتیب یک موجودیت را تولید می نمایند. این عمل در بخش های مختلفی همچون پروتئین، ژن، DNA و… رخ می دهد. تکنیک های متعدد و متنوعی وجود دارند که در راستای سنتز هیدروژل ها مورد استفاده قرار می گیرند. از جمله مهم ترین این تکنیک ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- اتصال متقابل شیمیایی و فیزیکی
- پیوند پلیمریزاسیون
- پیوند متقابل رادیوگرافی
- …
اتصال متقابل شیمیایی و فیزیکی یکی از کاربردی ترین و متداول ترین تکنیک هایی است که در راستای سنتز هیدروژل ها مورد استفاده قرار می گیرد. در طی این روش، آبژل ها با به کارگیری روش های تعاملات یونی، پلیمریزاسیون رادیکال آزاد و دیگر روش های موجود در این زمینه سنتز می شوند. در روش اتصال متقابل فیزیکی، هیدروژل ها از برهم کنش میان دو پلیمر دارای بارهای ناهمنام با یک پلیمر و مولکول کوچک دیگر ساخته می شوند. این در حالی است که در اتصال شیمیایی، مواد مذکور حاصل اتصالات عرضی، پیوندهای کووالانسی بین زنجیره های پلیمری در پلیمریزاسیون با مونومرهای دارای وزن مولکولی ناچیز هستند.
در سنتز هیدروژل به روش پلیمریزاسیون نیز مونومرها به اتصال دهنده های عرضی متصل شده و از این طریق، این ماده آب دوستِ کاربردی را تشکیل می دهند.
چرا هیدروژل ها؟!
شاید این سوال ذهنتان را به خود درگیر کرده باشد که با وجود پلیمرهای کاربردی ای که یکی از یکی بهتر و کامل ترند، چرا استفاده از آبژل ها در حوزه هایی نظیر پزشکی و بیو رواج پیدا کرده است؟
به هزار و یک دلیل که برخی از آن ها را در ادامه برایتان آورده ایم.
سال 1950 بود که پای آبژل ها به دنیای پزشکی باز شد. در آن زمان ژل پلی 2- هیدروکسی اتیل متاکریلات را در ساخت لنزهای تماسی مورد استفاده قرار داده و به این نتیجه رسیدند که هیدروژل ها برای استفاده در علم پزشکی بی نظیرند. می دانید چرا؟
چون این ژل ها از خاصیت ترشوندگی اعجاب انگیزی بهره مندند، رفتار الاستیکی آن ها بسیار قابل قبول و زیست سازگاری آن ها زبانزد خاص و عام است. تمام این موارد دست به دست هم داده و این پلیمرهای سنتزی را به پلیمرهایی مشابه بافت های بدن تبدیل نموده اند. این گونه بود که تحقیقات بسیاری در راستای گسترش استفاده از این مواد در کاربردهای پزشکی صورت پذیرفت و از حق نگذریم، نتایج ایده آلی رقم زد.
یکی از مهم ترین فاکتورهایی که موفقیت یک بیومتریال را تحت تاثیر قرار می دهد، میزان زیست سازگاری آن است. هیدروژل ها ثابت کرده اند که در زمینه زیست سازگاری حرف اول را می زنند و رقیب ندارند. پس اصلی ترین دلیل حضور پر رنگ آن ها در کاربردهای پزشکی همین امر است!
