Hidrojeller çapraz bağlı polimer ağlarıdır. Hidrojellerin polimerik yapısı sayesinde çevresel değişikliklere duyarlı ve biyouyumludur. 

Ayrıca yüksek emme kapasitesine, gelişmiş absorpsiyon özelliğine sahiptirler. Çeşitli polimerik bileşenler ve üretim yöntemleri ile farklı özellikler kazanabilirler. Hidrojeller pH, sıcaklık, çözücü bileşimi, enzimler, elektrik alanları ve ışığa karşı duyarlı olabilir.

Giriş

Son yıllarda bilim, mevcut sorunlara çözüm yaratması amacı ile değişik malzemeler ortaya çıkardı. Bu heyecan verici malzemelerin başında da hidrojeller gelmektedir. Hidrojeller termoset polimerlerden olup yüksek abzorpsiyon özelliğine sahiptirler. Ayrıca deforme olabilirlikleri yüksek, yumuşak ve elastiktir. Yüksek su içerikleri sayesinde çok çeşitli kimyasal ve biyolojik moleküllere geçirgenlik sağlarken, optik ve akustik dalgalara da şeffaflık sağlamaktadır.  Hidrojellerin polimer ağı, ağdaki polimer türlerine bağlı olarak hidrofilik veya hidrofobik olabilir. En önemlisi, hidrojeller polimer zincirlerinden oluştuğu için biyouyumlu malzemelerdir. Hidrojellerin çevreye değişikliklerine duyarlı doğası olması sebebi ile ilaç dağıtım sistemleri, doku mühendisliği, optik, teşhis ve görüntüleme gibi birçok farklı uygulama alanlarında kullanımı mevcuttur. Hidrojeller, pH, sıcaklık, çözücü bileşimi, enzimler, elektrik alanları ve ışık gibi çevresel koşullardaki değişikliklere yanıt olarak büyük şişme ve kalıcı davranışlar gösterir. Hidrojellerin özellikleri, farklı hazırlama yöntemleri ve ağ yapısında farklı tipte polimerler kullanılması manipüle edilebilir.

Hidrojellerin Sınıflandırılması

Hidrojeller farklı özelliklerine göre sınıflandırılırlar. Bu sınıflandırma boyutlarına, fiziksel yapısına, iyon yükünei yapısal ve mekanik özelliklerine, sentez yöntemine ve yapılarındaki bağ türlerine bağlı olarak yapılabilir. Boyuta göre sınıflandırma yapıldığında 3 çeşidi vardır. Bunlar; Makrojeller, mikrojeller ve nanojellerdir. Daha küçük boyuta sahip olmalarından dolayı nanojeller ve mikrojeller makrojellere göre daha avantajlıdır. Sentez yöntemine göre sınıflandırma yapıldığında ise homopolimerler, copolimerler ve multipolimerler olarak adlandırılırlar. Homopolimer hidrojeller sadece bir tip hidrofilik monomerden hazırlanır; kopolimer hidrojeller iki tip monomer içerir ve çoklu polimer hidrojeller üç veya daha fazla monomerden hazırlanır. Yapıda bulunan polimerik ağların fiziksel yapısına göre amorf veya yarı kristal, hidrojen bağına sahip hidrojeller, süpermoleküller, ve hidrokolloid topaklar olarak da sınıflandırılabilirler. Hidrojeller, polimer ağlarındaki iyonik yüklere bağlı olarak anyonik, katyonik, nötr ve amfolitik olabilir. Sentez yolları sayesinde hidrojeller, kimyasal veya fiziksel olarak sentezlenmiş hidrojeller olarak kategorize edilebilir.

Hidrojellerin Hazırlanışı

Hidrojel hazırlama için yıllar boyunca birkaç farklı yöntem araştırılmıştır. En yaygın teknikler fiziksel çapraz bağlama, kimyasal çapraz bağlama ve ışınlama polimerizasyonudur. Farklı üretim yöntemleri, farklı bileşimlere, boyutlara ve morfolojilere sahip çok çeşitli hidrojeller oluşturur. Ayrıca, farklı fonksiyonel başlatıcıların veya mikro başlatıcıların kullanılması, farklı fonksiyonel grupların hidrojel yapısına dahil edilmesini sağlar.

Fiziksel Çapraz Bağlama

Fiziksel çapraz bağlama yöntemi çekici bir hazırlama yöntemidir, çünkü çapraz bağlama maddesi gerektirmeyen nispeten kolay bir yoldur. Çapraz bağlama maddelerine ihtiyaç duyulmaması, hidrojel yapısında istenmeyen malzeme birikimini ve kullanımdan önce bunların çıkarılmasını önler. Hidrokolloid seçiminin ayarlanması, konsantrasyon ve PH seçimi hidrojele çeşitli özellikler sağlar. Bununla birlikte, fiziksel çapraz bağlama ile hazırlanan hidrojellerin oldukça kırılgan olduklarını, çünkü yapılarındaki polimerlerin hidrojen bağları, hidrofobik veya iyonik etkileşimler gibi zayıf etkileşimlerle bağlandığını belirtmek önemlidir. Bir polimer çözeltisinin ısıtılması veya soğutulması, iyonik etkileşimler, kompleks koaservasyon, hidrojen bağı, ısıdan kaynaklanan olgunlaşma veya kümeleşme ve donma-çözülme döngüleri gibi fiziksel çapraz bağlama için farklı yöntemler vardır.

Kimyasal Çapraz Bağlama

Kimyasal çapraz bağlanma, bir çapraz bağlayıcının varlığında meydana gelir ve monomerlerin polimerizasyonu veya polimer öncüllerinin çapraz bağlanması sırasında polimer zincirlerinin kovalent bağını içerir. Doğal ve sentetik polimerlerin çapraz bağlanması, hidroksil, karboksilik ve amin grupları gibi bazı fonksiyonel grupların, aldehitler, glutaraldehid, epiklorohidrin, adipik asit dihidrazid ve polialdehitler gibi çapraz bağlayıcılarla reaksiyonu ile elde edilebilir.

Işınlama ile Polimerizasyon

Hidrojeller ayrıca ışınlama yöntemi ile polimerizasyon yoluyla da hazırlanır. Polimerler üzerinde radikaller elde etmek için doymamış polimer çözeltisine gama ve elektron ışını gibi yüksek enerjili ışınlama uygulanır. Bu makroradikallerin rekombinasyonu, kovalent bağların oluşmasıyla sonuçlanır ve son olarak çapraz bağlı bir yapı oluşur.

Diğer Hazırlama Yöntemleri

Yukarıda belirtilen yöntemlere ek olarak, hidrojeller aşılama, yoğunlaştırma ve enzimatik reaksiyonlar yoluyla hazırlanabilir. Aşılama, monomerlerin önceden oluşturulmuş bir polimer zincirine polimerizasyonunu içerir. Bu polimerizasyon kimyasal bileşikler veya ışınlama ile başlatılabilir. Yoğuşma reaksiyonu yöntemi genellikle, karboksilik asitler veya bunların türevleri ile hidroksil grupları / aminler içeren hidrojellerin hazırlanması için uygulanır.

Selüloz Nanokristallerin tıp uygulamaları hakkında bilgi almak için blog yazımızı ziyaret edin.

Farklı Hidrojel Çeşitleri Nelerdir?

Hidrojellerin benzersiz şişme mekanizması, pH, sıcaklık, çözücü bileşimi, enzimler, elektrik alanları ve ışık dahil olmak üzere çeşitli farklı dış etkilerle uyarılabilir. Bu etkilerden bir veya daha fazlasının uyarılması, önemli bir hacim değişikliğine yol açan kimyasal bir mekanizmayı tetikler. Bu şişme sayesinde hidrojeller çok miktarda su veya diğer biyolojik sıvıları emebilir.

pH duyarlı Hidrojeller

Ortamlarındaki pH değişimi, pH'a duyarlı hidrojelleri ani bir hacim değişikliğine uğratır. PH'a duyarlı hidrojeller, protein ağlarında iyonlaşabilir asidik ve bazik gruplar içerir. Ortamdaki bir pH değişikliği, hidrojelin asidik ve bazik bölgelerinden proton alımına veya salınmasına neden olur.

Bu proton hareketi çözeltide bir iyon gradyanı ve en önemlisi hidrojel yapısı üzerinde bir ozmotik basınç oluşturur. Ozmotik basınç, istenen hacim değişikliğine yol açar. Hidrojel üzerindeki ozmotik basınç dengelenene kadar şişme devam eder. Anyonik hidrojeller yüksek pH seviyelerinde şişerken, katyonik hidrojeller düşük pH seviyelerinde şişer. pH ile indüklenen şişlik ve kalıcılık geri dönüşümlüdür ve tekrarlanabilir. Hidrojellerin şişme ve büzülme özellikleri, monomerler veya divinil eter, maleik anhidrit, 2-akrilamido-2-metil-1-propan sülfonik asit (AMPS), poli (etilen-ko-maleik) gibi anyonik polimerler eklenerek uyarlanabilir veya kontrol edilebilir. anhidrit), poli (akrilik asit), poli (maleik anhidrid), sülfonatlı poli (etilen glikol) ve pentasan polisülfat, vb.

Sıcaklığa duyarlı Hidrojeller

Sıcaklığa duyarlı hidrojeller en çok çalışılan hidrojel yapılardır. Üç tip sıcaklığa duyarlı hidrojel vardır; pozitif sıcaklığa duyarlı hidrojeller, negatif sıcaklığa duyarlı hidrojeller ve termal olarak tersinir hidrojeller. Sıcaklığa duyarlı hidrojeller kendi ağlarında hem hidrofobik hem de hidrofilik grupları içerir. Düşük kritik çözelti sıcaklığında (LCST) veya üst kritik çözelti sıcaklığında (UCST) şişer veya küçülürler. LCST'den düşük sıcaklıklarda, su molekülleri ile hidrojelin hidrofilik kısımları arasındaki hidrojen bağları daha güçlüdür, bu da polimerin suda daha iyi çözülmesine yol açar. Bununla birlikte, sıcaklık yükseldiğinde, hidrojen bağları zayıflar ve polimer zincirinin hidrofobik bölümleri arasındaki etkileşim güçlenir, bu da polimer zincirinin hidrofobik etkileşimler yoluyla birleşmesi nedeniyle hidrojel büzülmesine yol açar. En popüler sıcaklığa duyarlı hidrojeller poli (N-izopropil akrilamid) esaslıdır. Bu hidrojel, yaklaşık 33 ° C'lik bir geçiş sıcaklığı sergiler. Bu sıcaklıkta, hidrojel ani bir büzülmeye maruz kalır. İyi bilinen bir diğer sıcaklığa duyarlı hidrojel, PNIPAAm olarak kısaltılan poli (N-izopropil akrilamid) 'dir. Bu hidrojel, sulu çözeltide 32 ° C'de keskin bir hidrofilik-hidrofobik geçişe sahiptir.

Işığa Duyarlı Hidrojeller

Işığa duyarlı hidrojeller, UV ışığı veya görünür ışık ile uyarılabilir. Bazı UV ışığına duyarlı hidrojeller, UV radyasyonu altında iyonize olan leoko siyanür içerir. Leoco siyanürün iyonlaştırılması üzerine, hidrojel üzerinde ozmotik basınç oluşur. Tıpkı pH'a duyarlı hidrojeller gibi, bu ozmotik basınç da hidrojel ağının şişmesi ile dengelenir. Işığa duyarlı diğer hidrojeller genellikle sıcaklığa duyarlı hidrojellere dayanır. Işığa duyarlı hidrojeller, ışığı emerek ve sonra yayan ortam sıcaklığını artıran kromoforlar içerir. Bu noktadan itibaren ışığa duyarlı hidrojeller tıpkı sıcaklığa duyarlı hidrojeller gibi davranır.

Elektro-Hassas Hidrojeller

Elektro-duyarlı hidrojeller, uygulanan bir elektrik alanı altında şişer veya büzülür. Bu hidrojellerin şişme mekanizması pH'a duyarlı hidrojellere benzer. Bununla birlikte, elektrik alanı çözeltideki iyonları çeşitli yollarla manipüle edebilir ve hidrojel şişmesini istendiği gibi yönlendirebilir. Örneğin, iyon hareketinin manipülasyonu yoluyla hidrojelin bir tarafı şişerken diğer tarafı küçülür. Şimdiye kadar, poli (vinil gibi birçok sentetik polimer elektrosensitif hidrojellerin sentezi için alkol) / poli (sodyum akrilat-ko-sodyum maleat), akrilik asit / vinil sülfonik asit kopolimeri ve sülfonatlı polistiren kullanılmıştır.

Mekanik Duyarlı Hidrojeller

Mekanik olarak duyarlı hidrojeller esas olarak sürfaktanlar kullanılarak sentezlenir. Bu hidrojeller sert nanotel benzeri agregadan oluşan mikro yapılar içerir. Bu mikro yapılar mekanik olarak hassas davranışın temelini oluşturur.

Enzim Duyarlı Hidrojeller

Bazı hidrojel grupları, bir katalizör veya enzim molekülü tarafından tetiklendiklerinde bir faz geçişine uğrarlar. Çoğu araştırma, son beş yıl içinde proteaz ve glikosidaza duyarlı polimer hidrojellerine odaklanmıştır.

Hidrojellerin Önemi Nedir?

Hidrojellerin önemi, mükemmel şişme / büzülme özellikleri, biyouyumluluk ve çevresel değişikliklere duyarlı olmalarından kaynaklanmaktadır. Hidrojeller, pH, sıcaklık, çözücü bileşimi, enzimler, elektrik alanları ve ışık gibi farklı uyaranlara yanıt olarak şişer veya küçülür. Hidrojellerin bu duyarlı davranışı, farklı hazırlama yöntemleri ve polimer ağlarında farklı bileşenler kullanılarak manipüle edilebilir.

Sonuç

Hidrojeller, son on yılda geliştirilen yeni malzemeler vaat ediyor. Hem katı hem de sıvı benzeri sistemlerin benzersiz özelliklerle sonuçlanan davranışlarını sergilerler.  Polimerlerin aktif doğası nedeniyle, inorganik bileşikler veya ilaçlar gibi istenen malzemelerin hidrojel yapısına dahil edilmesi de mümkündür. Hidrojellerin bu umut verici özellikleri, araştırmacılar tarafından sömürülme ve çeşitli farklı sorunlara çözüm sağlama potansiyeline sahiptir.

Daha fazlası için blog yazılarımızı buradan inceleyebilirsiniz.

Referanslar

1. nanografi.com/hydrogels

2. Mahinroosta, M., Farsangi, Z. J., Allahverdi, A., & Shakoori, Z. (2018). Hydrogels as intelligent materials: A brief review of synthesis, properties and applications. Materials today chemistry, 8, 42-55.

3. Varaprasad, K., Raghavendra, G. M., Jayaramudu, T., Yallapu, M. M., & Sadiku, R. (2017). A mini review on hydrogels classification and recent developments in miscellaneous applications. Materials Science and Engineering: C, 79, 958-971.

4. Sahua, N. K., Gilsb, P. S., Rayb, D., & Sahoo, P. K. (2012). ISSN 2277–7164 Hydrogels: A Review.