Гидрофильность — Википедия (с комментариями)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Гидрофильность (от др.-греч. ὕδωρ — вода и φιλία — любовь) — характеристика интенсивности молекулярного взаимодействия вещества с водой, способность хорошо впитывать воду, а также высокая смачиваемость поверхностей водой. Наряду с гидрофобностью относится как к твёрдым телам, у которых оно является свойством поверхности, так и к отдельным молекулам, их группам, атомам, ионам.

Гидрофильность характеризуется величиной адсорбционной связи молекул вещества с молекулами воды, образованием с ними неопределённых соединений и распределением количества воды по величинам энергии связи.^[1] Широко используется в косметических целях (см. Гидрофильное масло).

Гидрофильностью обладают вещества с ионными кристаллическими решётками (оксиды, гидроксиды, силикаты, сульфаты, фосфаты, глины, стёкла и др.), вещества с полярными группами —ОН, —СООН, —NO₂ и др. Гидрофильность и гидрофобность являются частным случаем отношения веществ к растворителю — лиофильности, лиофобности.

Гидрофильность твёрдых тел может резко понижаться при адсорбции на их поверхности молекул ПАВ.

Гидрофильность и гидрофобность являются проявлением сил Ван-дер-Ваальса

См. также

Напишите отзыв о статье «Гидрофильность»

Литература

• Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелинa E. А. Коллоидная химия. — 3-е изд., перераб. и доп. — M.: Высшая школа, 2004. — 445 с. — ISBN ISBN 5-06-004100-X.
• Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учебник для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — M.: Химия, 1988. — 464 с.

Примечания

1. ↑ [books.google.com.ua/books?id=6M7KBQAAQBAJ&pg=PA181&lpg=PA181&dq=Derivatography+as+the+method+of+water+structure+studying+on+solid+mineral+surface&source=bl&ots=xggvr2tEA_&sig=s9s_TJHbbSGwJIEN_eI5zRf2iwE&hl=ru&sa=X&ved=0CBsQ6AEwAGoVChMI6bWtuK2AyQIVKSZyCh34dwrj#v=onepage&q=Derivatography%20as%20the%20method%20of%20water%20structure%20studying%20on%20solid%20mineral%20surface&f=false Biletskyi, V. ,Shendrik,T.,Sergeev,P.Derivatography as the method of water structure studying on solid mineral surface.//London-2012.Geomechanical Processes During Underground Mining — Proceedings of the School of Underground Mining , pp. 181.]

Ссылки

• [www.femto.com.ua/articles/part_1/0779.html Гидрофильность и гидрофобность] в [www.femto.com.ua Энциклопедии физики и техники]

Отрывок, характеризующий Гидрофильность

«Так уж всё кончено! – думал он. – И как это всё сделалось? Так быстро! Теперь я знаю, что не для нее одной, не для себя одного, но и для всех это должно неизбежно свершиться. Они все так ждут этого , так уверены, что это будет, что я не могу, не могу обмануть их. Но как это будет? Не знаю; а будет, непременно будет!» думал Пьер, взглядывая на эти плечи, блестевшие подле самых глаз его.
То вдруг ему становилось стыдно чего то. Ему неловко было, что он один занимает внимание всех, что он счастливец в глазах других, что он с своим некрасивым лицом какой то Парис, обладающий Еленой. «Но, верно, это всегда так бывает и так надо, – утешал он себя. – И, впрочем, что же я сделал для этого? Когда это началось? Из Москвы я поехал вместе с князем Васильем. Тут еще ничего не было. Потом, отчего же мне было у него не остановиться? Потом я играл с ней в карты и поднял ее ридикюль, ездил с ней кататься. Когда же это началось, когда это всё сделалось? И вот он сидит подле нее женихом; слышит, видит, чувствует ее близость, ее дыхание, ее движения, ее красоту. То вдруг ему кажется, что это не она, а он сам так необыкновенно красив, что оттого то и смотрят так на него, и он, счастливый общим удивлением, выпрямляет грудь, поднимает голову и радуется своему счастью. Вдруг какой то голос, чей то знакомый голос, слышится и говорит ему что то другой раз. Но Пьер так занят, что не понимает того, что говорят ему. – Я спрашиваю у тебя, когда ты получил письмо от Болконского, – повторяет третий раз князь Василий. – Как ты рассеян, мой милый.
Князь Василий улыбается, и Пьер видит, что все, все улыбаются на него и на Элен. «Ну, что ж, коли вы все знаете», говорил сам себе Пьер. «Ну, что ж? это правда», и он сам улыбался своей кроткой, детской улыбкой, и Элен улыбается.
– Когда же ты получил? Из Ольмюца? – повторяет князь Василий, которому будто нужно это знать для решения спора.
«И можно ли говорить и думать о таких пустяках?» думает Пьер.
– Да, из Ольмюца, – отвечает он со вздохом.
От ужина Пьер повел свою даму за другими в гостиную. Гости стали разъезжаться и некоторые уезжали, не простившись с Элен. Как будто не желая отрывать ее от ее серьезного занятия, некоторые подходили на минуту и скорее отходили, запрещая ей провожать себя. Дипломат грустно молчал, выходя из гостиной. Ему представлялась вся тщета его дипломатической карьеры в сравнении с счастьем Пьера. Старый генерал сердито проворчал на свою жену, когда она спросила его о состоянии его ноги. «Эка, старая дура, – подумал он. – Вот Елена Васильевна так та и в 50 лет красавица будет».

Гидрофобность (гидрофобный эффект)

Гидрофобность, гидрофобный эффект, hydrophobe (от древнегреческих P21,^8,`9,`1, «вода» и `6,a2,^6,_9,`2, – «страх, боязнь») – это наблюдаемая тенденция неполярных веществ ^[1] соединиться в водном растворе и исключить молекулы воды. Иными словами, гидрофобность – это свойство веществ, состоящих из неполярных молекул, формировать межмолекулярные агрегаты в водной среде, и, аналогичные этому эффекту, внутримолекулярные и межмолекулярные взаимодействия.

На макроскопическом уровне, гидрофобный эффект наблюдается, когда при смешивании, масло и вода формируют отдельные слои, или когда вода собирается в капельки на гидрофобных поверхностях, например на поверхности воска.

На молекулярном уровне, гидрофобный эффект является важной силой, отвечающей за образование биологических структур, в частности, сворачивание белков, белок-белковые взаимодействия, образование мембранных липидов ^[2], структуру нуклеиновых кислот ^[3] и взаимодействие белков ^[4] с малыми молекулами.

Гидрофобными являются молекулы жиров, алканов, масел. Материалы с гидрофобными свойствами используются, в том числе для очистки воды от нефти, удаления разливов нефти и химических процессов разделения неполярных и полярных и веществ.

Не совсем корректно использовать определение «гидрофобный» в качестве синонима к термину «липофильный» («жиролюбивый»). Несмотря на то, что гидрофобные вещества действительно липофильны, однако среди них есть и исключения в виде фторопласта и силиконов.

Причины гидрофобного эффекта сегодня не до конца не известны. Согласно сольвофобной теории ^[5] обращенно-фазовой хроматографии ^[6], гидрофобный эффект вызывается потерей водородных связей и высокозатратной энтропией ^[7] формирования впадины молекулами растворителя вокруг неполярных молекул (данные затраты можно минимизировать, собирая неполярные молекулы вместе). То есть: гидрофобные взаимодействия, в основном, являются энтропийным эффектом, вызванным разрывом динамических водородных связей между молекулами жидкой воды вследствие растворения неполярного вещества.

Углеводородная цепь или подобная ей неполярная группа или молекула способна образовывать водородные связи с водой.

Включение в воду поверхности, не способной к образованию водородных связей, вызывает разрыв 3D-сети водородных связей между молекулами воды. Для минимизации разрыва такой сети, водородные связи между молекулами воды переориентируются тангенциально к неполярной поверхности, что приводит к образованию структурированной водной «клетки» (иными словами, сольватной оболочки ^[8]) вокруг этой поверхности.

Существуют аминокислоты (например валин и тирозин), у которых R-группы неполярны, и, следовательно, гидрофобны. Если полипептидная цепь ^[9] содержит значительное количество подобных групп, то в водной среде данная полипептидная цепь стремится свернуться таким образом, чтобы гидрофобные группы сблизились максимально плотно, вытолкнув воду.

Подвижность молекул воды, формирующих указанную «клетку», ограничено. В сольватной оболочке малых молекул, подвижность уменьшается на величины порядка 10% (при растворении Xe, при комнатной температуре, подвижность уменьшается на 30%). Если говорить о длинных неполярных молекулах – вращающаяся и поступательная подвижность молекул воды в сольватной оболочке может уменьшаться в 2-4 раза. Так, при температуре 25 ° C, характерное время вращения молекул воды возрастает с 2 до 4-8 пикосекунд, что приводит к значительному уменьшению трансляционной и вращательной энтропии молекул воды, что делает процесс растворения неполярных молекул невыгодным, то есть подобный процесс повышает энергию Гиббса ^[10]. Если же неполярные молекулы агрегируют, поверхность их контакта с молекулами воды уменьшается, что минимизирует данный эффект.

Примечания

Примечания и пояснения к статье «Гидрофобность (гидрофобный эффект)».

При написании статьи о гидрофобности (гидрофобном эффекте) в качестве источников использовались материалы информационных и справочных интернет-порталов, сайтов новостей Cell.com, ScienceDirect.com, Nature.com, ScienceDaily.com, Phyche.ac.ru, Википедия, а также следующие печатные издания:

• Ивенс И., Скейлак Р. «Механика и термодинамика биологических мембран». Издательство «Мир», 1982 год, Москва,
• Камкин А. Г., Киселева И. С. «Физиология и молекулярная биология мембран клеток. Высшее профессиональное образование». Издательство «Академия», 2008 год, Москва,
• Кустов А. В. «Гидрофобные эффекты. Структурные, термодинамические, прикладные аспекты. Достижения последних лет». Издательство «Красанд», 2013 год, Москва.

Гидрофильное масло: кому, зачем и почему

Гидрофильное масло ещё не так давно штурмует отечественные рынки, но уже завоевало своих почитателей. Это чудо-средство удаляет макияж, очищает поры и избавляет от прыщиков и покраснений. Эка, удивили, — подумаете вы. Сейчас существует столько косметики для снятия макияжа и очищения кожи, что глаза разбегаются. Появление очередной новинки уже давно стало обыденным делом. Однако гидрофильное масло — это не хитрый ход повышения продаж, а действительно полезный и нужный продукт для нашей кожи.

 Что такое гидрофильное масло?

Термин «гидрофильный» означает водорастворимый. Говоря простым языком, гидрофильное масло — это субстанция, имеющая маслянистую структуру, но полностью растворяющаяся при контакте с водой.

Ещё одно свойство этого косметического средства состоит в том, что при смывании с лица оно захватывает все маслянистые выделения на коже, даже чужеродные. Остатки косметики, выделения сальных желез, грязь и прочие «бяки» удаляются вместе с пенной жидкостью, в которую превращается гидрофильное масло при взаимодействии с водой.

Важно знать: гидрофильное масло пришло к нам из Кореи, где оно используется всегда в комплексе с любым другим очищающим средством. Первый этап: очищение маслом, второй этап: умывание с пенкой или гелем.

Достоинства гидрофильного масла:

• эффективное удаление макияжа без травмирования кожи (особенно это касается ВВ-крема, который удаляется с лица полностью только этим средством)
• натуральный состав
• сохранение естественного баланса PH
• антибактериальное свойство
• антиоксиданты в составе
• омолаживающий эффект
• не закупоривает поры
• увлажняет

Для какого типа кожи применяют гидрофильное масло?

Это средство подходит для всех типов кожи. Но его конкретная ориентированность зависит от состава. На прилавках магазинов можно найти гидрофильное масло для жирной, сухой, чувствительной кожи, для эпидермиса, подверженного акне и т. д.

Недостатки гидрофильного масла:

• Легко испортить кожу, если по незнанию или забывчивости, не смывать «гидрофилку» гелем или пенкой для умывания.
• При удалении макияжа с глаз часто затекает под веки, создавая эффект плёнки. По этой причине профессионалы советуют выбирать для удаления косметики в этой деликатной области какое-либо другое средство
• Как и любой продукт может вызвать аллергическую реакцию.

Инструкция по применению гидрофильного масла:

Нанести эмульсию на кожу растирающими движениями. Подождать минутку, чтобы средство схватилось с загрязнениями. Затем нужно слегка намочить руки и круговыми движениями протереть лицо. В итоге масло должно превратиться в лёгкую пенку. Смыть остатки «гидрофилки» пенкой для умывания и водой.

Как сделать гидрофильное масло дома? Оказывается, очень просто. Рецепт домашней гидрофилки здесь.

Четыре продукта, которые помогут потерять вес и оставаться в тонусе

Давайте рассмотрим, что же такое гидрофильные волокна. Гидрофильные волокна хорошо впитывают воду, обеспечивая адсорбционную связь между молекулами вещества и молекулами воды. Благодаря этому образуются соединения с распределением количества воды по поверхности энергии связи.

При употреблении этих продуктов образуется гель вокруг кишечника, что улучшает переработку углеводов в организме, а также выработку инсулина за счет снижения всасывания глюкозы, сохраняя уровень сахара в крови.

Вот некоторые немаловажные продукты для организма.

Груши

Наверняка вы все слышали, что яблоко может зарядить энергией на весь день. Это верно, яблоко обладает неплохим составом, но груши имеют преимущество. В грушах содержится больше гидрофильных волокон чем в яблоках. Груша полезна, но ее надо употреблять вместе с кожурой. Кожура груши содержит антиоксиданты, которые предотвращают рак и снижают артериальное давление.

Апельсины

Апельсины полны гидрофильными волокнами. Следует запомнить, что апельсин полезен весь, а не только его сок, купленный в магазине или даже выжатый из свежего фрукта. Апельсин обладает богатым составом витамина С, но для получения максимального количества витамина не счищайте белое покрытие под шкуркой.

Овсяная каша

Овсяная каша – это самый насыщенный завтрак. В кашу можно добавить, семена чиа, это будет лучший способ начать день с хорошего питания. Овсяная каша тоже содержит волокна, до 6 граммов белка в порции, а также фосфор, калий, марганец и железо.

Брюссельская капуста

Брюссельская капуста, да и простая капуста, обладает большим количеством гидрофильных волокон. Этот продукт даст вам хорошее самочувствие. Ученые разных стран утверждают, что капуста снижает риск рака до 50 %.

Эти продукты помогут вам избавиться от лишнего веса, похудеть, не прибегая к изнурительным тренировкам и не причиняя вреда здоровью.

 

Поверхность гидрофильная — Энциклопедия по машиностроению XXL

V. Теория адгезии полимеров к поверхности гидрофильных минеральных  [c.181]

Единственным требованием к материалу, контактирующему с поверхностью гидрофильного минерального наполнителя, является наличие функциональных групп, по своему действию аналогичных потенциально слабому пограничному слою (как правило, воде) и способных изменять реологические свойства композиционного ма-  [c.213]

Однако, как показано на опыте, если приложить силу отрыва, равную капиллярным силам или даже больше их, то и при относительной влажности, близкой к 100%, все равно удаляются не все частицы. Так, при приложении силы в 4,26 дин отрывается примерно 78% общего числа стеклянных шарообразных частиц диаметром 80—100 ж/с. (Поверхности гидрофильны и неполное смачивание исключено.) Па-видимому, величина Н. влияющая на адгезию, определяется не только смачиваемостью поверхностей и влажностью окружающей среды, но и какими-то иными факторами, как, например, размером частиц, шероховатостью поверхности и др.  [c.84]

Обычно смачивание шероховатых поверхностей сопоставляют со смачиванием гладких поверхностей. Гидрофильные шероховатые поверхности смачиваются лучше, чем гидрофильные гладкие поверхности. Наоборот, смачивание гидрофобных шероховатых поверхностей ухудшается по сравнению со смачиванием гидрофобных гладких поверхностей. Смачивание шероховатых поверхностей  [c.213]

Если силы взаимодействия между молекулами жидкости меньше, чем силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела, то поверхность гидрофильна. В этом случае величина os 0 изменяется от -f 1 до О, угол смачивания — острый (менее 90°).  [c.11]

В гидрофобных полимерах, сорбирующих ограниченно малое количество воды, такое взаимодействие приводит к связыванию электролита, понижению его подвижности и торможению процесса переноса. В полярных полимерах, особенно при наличии гидрофильных наполнителей, вода ориентируется у полярных групп полимера или на поверхности гидрофильного наполнителя, образуя протяженные области, которые затрудняют свободный перенос молекул летучего электролита. К примеру, если коэффициенты проницаемости по отношению к воде полиэтилена и эпоксидной смолы являются величинами одного порядка, то значение коэффициента проницаемости для НС1 отвержденной эпоксидной смолы на два порядка меньше, чем полиэтилена. Значит, для защиты от действия водных растворов летучих электролитов более эффективными являются покрытия на основе полярных синтетических смол. Этим, кстати, и объясняется широкое применение покрытий на основе эпоксидных смол для защиты металлоконструкций на промышленных объектах.  [c.37]

Поверхности гидрофильные 313. Поверхности гидрофобные 315. Погашение света 610.  [c.490]

Это давно известный и широко применяющийся метод определения чистоты поверхности. У него много достоинств, но он не лишен и недостатков. Метод испытания на смачиваемость водой основан на способности металлической поверхности удерживать непрерывную пленку воды в том случае, если эта поверхность свободна от жировых загрязнений (поверхность гидрофильна при отсутствии заметных количеств жировых веществ). Этот  [c.229]

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) — вещества, способные накапливаться на поверхности соприкосновения двух тел (сред, фаз), понижая ее свободную энергию (поверхностное натяжение). Важнейшие ПАВ — водорастворимые органические соединения, молекулы которых состоят из двух частей полярной (гидрофильной) и неполярной (гидрофобной). ПАВ применяют в промышленности (например, при флотации), они входят в состав моющих средств, лаков и красок, пищевых продуктов.  [c.152]

Примеры обсуждаемых задач приведены на рис. 2.18—2.21. На рис. 2.18 показаны равновесные формы пузырьков и капель на плоской поверхности. Характерным для этого случая является то, что сила тяжести как бы прижимает объем дискретной фазы к поверхности. На рис. 2.19 показаны очертания пузырьков и капель на плоской поверхности в условиях, когда сила тяжести стремится как бы оторвать объем от поверхности. Приведенные на рис. 2.18 и 2.19 картины охватывают случаи гидрофильной (0 71/2) поверхностей.  [c.102]

На рис. 2.20 показаны характерные случаи расположения жидкости в цилиндрических контейнерах при нормальной а и перевернутой б ориентации в поле массовых сил. (Здесь также представлены картины для гидрофильных и гидрофобных поверхностей.)  [c.103]

На рис. 3.7 показано еще одно интересное приложение анализа неустойчивости Тейлора. Если на поверхность жидкости в сосуде наложить жесткую сетку (гидрофобную или гидрофильную) с размерами ячейки менее Я., = 2лЬ (т.е. для воды менее 15 мм), то жидкость не будет вытекать из перевернутого сосуда. Это объясняется тем, что сетка ограничивает допустимые длины волн возмущений Я неустойчивость Тейлора устраняется.  [c.146]

Пленочная конденсация —это процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое на гидрофильной (хорошо смачиваемой жидкостью) поверхности твердого тела, при котором образуется сплошная пленка конденсата.  [c.251]

Поскольку практически все ингибиторы атмосферной коррозии, используемые при производстве антикоррозионной бумаги, гидрофильны, полной сушки поверхности металлоизделия, как это требуется перед консервацией маслами и консистентными смазками, можно не проводить. Это упрощает и удешевляет процесс консервации. Достоинством антикоррозионных бумаг, содержащих гидрофильный ингибитор, является возможность использования их в пересушенном состоянии в качестве водоотнимающего средства, позволяющего в ряде случае отказаться от силикагеля или любого другого типа осушителя, используемого по условиям поставки. Потребитель в своей работе должен учитывать эту возможность антикоррозионных бумаг.  [c.109]

Для полного смачивания поверхности вязкость адгезива должна быть низкой, а поверхностное натяжение — меньше критического поверхностного натяжения с омачиваемой поверхности. Хотя поверхности твердых минеральных наполнителей имеют высокие значения ус, тем не менее на гидрофильных поверхностях адсорбируется влага. Поэтому во влажной атмосфере наблюдаются плохое смачивание и растекание неполярного адгезива при соприкосновении с влажной поверхностью полярного субстрата. Напротив, полярные адгезивы способны либо поглощать воду, либо вытеснять ее в процессе химического взаимодействия на поверхности раздела, которое может быть усилено добавками полярных веществ к адгезиву.  [c.16]

Вода адсорбируется на поверхности гидрофильных окислов (ЗЮг, РегОз и А Оз) в виде гидроксильных групп, подобных М—ОН, и молекул, которые удерживаются поверхностными гидроксилами за счет водородных связей. Возможна также адсорбция, обусловленная взаимодействием слабых дисперсионных сил. Несмотря на общий для всех окислов характер адсорбции, химические свойства поверхности гидрофильных окислов существенно отличаются, что обусловлено гла)вным образом разным количествам ионных или ковалентных связей металл — кислород.  [c.89]

Е. Влияние силановых аппретов на водостойкость связи термопластичных полимеров с поверхностью гидрофильных минеральных наполнителей. ……………….. ………………………..206  [c.181]

IV. Взаимодействие силановых аппретов с поверхностью гидрофильных  [c.181]

A. Взаимодействие сйланолов с поверхностью минеральных веществ 210 Б. Характер связи между полимером и поверхностью гидрофильного  [c.181]

Структурой полимера на поверхности раздела (жесткостью или эластичностью) определяется его способность конкурировать с потенциально слабыми пограничными слоями (маслами или низкомолекулярными полимерами). Жесткость полимера исключает возможность образования водостойких связей между ним и поверхностью большинства гидрофильных минеральных наполнителей. Однако и каучукоподобные полимеры при увлажнении не сохраняют адгезию к поверхности гидрофильных минералов даже в присутствии эффективных силановых аппретов. Можно привести много примеров, иллюстрирующих важную роль структуры поверхности раздела.  [c.206]

IV. Взаимодействие силановых аппретов с поверхностью гидрофильных минеральных веществ  [c.207]

С участием воды, проникающей на эту поверхность в результате гидролиза без разрыва связей между полимером и поверхностью минерального наполнителя (рис. 8). Такой механизм обратимого гидролиза, зависящего от условий равновесия, объясняет все наблюдаемые явления адгезии на поверхности гидрофильных веществ в присутствии силановых аппретов.  [c.211]

Обратимые гидролитические связи между эластомерами и поверхностью гидрофильных минеральных веществ не устойчивы к воздействию влаги, даже если поверхность наполнителя модифицирована силанолами. Водостойкие связи возникают только в том случае, если структура модифицированной силаном поверхности раздела допускает равновесное связывание через жесткий или эластичный пограничный слой.  [c.217]

Применение силанов для связывания эластомеров с поверхностью гидрофильных минеральных наполнителей детально изучено, поскольку адгезия между ними имеет большое техническое значение и неверное толкование различных явлений приводит к неправильным выводам. Эффективность простого добавления силановых аппретов к полимеру или обработки силанами минерального наполнителя зависит от структуры полимера на поверхности раздела. Изменение структуры полимера на межфазной границе без модификации его полярными группами (например, силаноль-  [c.217]

При 0 = 0 имеет место абсолютная смачиваемость поверхности жидкостью, при 0 = я — абсолютная несмачиваемость. Принято считать поверхность гидрофильной (смачиваемой), если данная жидкость образует на ней угол 0 (я/2) поверхность считается гидрофобной. Жидкие щелочные металлы (при температурах, близких к температуре кипения при атмосферном давлении) и криожидкости смачивают металлические поверхности почти абсолютно (краевой угол близок к нулю). Гидрофобны по отношению к воде и к ряду других жидкостей парафин, фторопласт (тефлон). В табл. 1.15 приведены значения 0 для некоторых сочетаний жидкость — твердое вещество. Краевой угол смачивания весьма чувствителен к таким трудно контролируемым факторам, как шероховатость твердой поверхности, присутствие на ней или в жидкости посторонних примесей, особенно поверхностно-активных веществ. Увеличение шероховатости твердой поверхности увеличивает ее смачиваемость, т е. снижает значение 0 [51]. Для отдельных сочетаний твердое тело — жидкость в определенном интервале температур наблюдается зависимость 0 от температуры. В общем случае на гидрофильных поверхностях увеличение температуры приводит к улучшению смачиваемости (уменьшению 0), а на гидрофобных — к ухудшению смачиваемости (увеличению 0) [35].  [c.79]

Ориентация молекул антинакипина на пов-ер хности ра1здела твердая фаза — жидкость происходит таким образом, что своей полярной частью молекулы будут обращены к поверхности к,ристаллов или поверхности теплопередачи, если эти поверхности гидрофильны, углеводородной же частью они будут обращены в сторону малополярного растворителя.  [c.78]

СГ, а также хромированная сталь. Покрытие маслямой крас-жой сообщает стальной поверхности гидрофильность, что ари-водит к увеличению адгезии. Эти закономерности сохраняются в основном при влажности почвы от 20 до 45%.  [c.332]

Исследования показывают [201], что гидрофилизация материала HHHiaeT адгезию парафина. Поэтому для уменьшения адгезии парафина выбирают такие лакокрасочные покрытия, которые сообш,ают поверхности гидрофильные и олеофильные свойства. Влияние на адгезию слоя парафина свойств твердой поверхности исследовали при условии, когда внешнее воздействие направлено тангенциально к поверхности субстрата. Такое направление внешнего воздействия соответствует тангенциально направленному потоку нефти, движущемуся в трубопроводе. Этот поток и обусловливает отрыв слоя парафина. Результаты этих исследований следующие [201]  [c.253]

Не исключено также, что гидрофилизация поверхности стекла при воздействии агрессивных растворов, наряду с деструкцией в некоторой степени связана с явлением переориентации полисилоксановых макромолекул в поверхностном слое, причем гидрофильные части преимущественно обращены к полярной среде. Нельзя отрицать и возможность сорбции поверхностью гидрофильных компонентов из раствора.  [c.77]

Травление производят в растворах кислот или растворителях, состав которых подбирают применительно к природе пластмассы. Чаще детали из пластмасс протравливают в серной кислоте, которая взаимодействует с большинством из них, сообщая их поверхности гидрофильность и одновременно действуя как обезвоживающий агент и растворитель. Для травления применяют также двухкомпонентные смеси, которые обычно содержат серную кислоту и хромовый ангидрид. В таких смесях одновременно с травлением происходит и окисление поверхности, приводящее к частичному разрушению молекул поверхностного слоя вещества, что способствует повышению прочности сцепления покрытия с основой. Используют также растворы с двухромово кислым калием (калиевый хромпик) и бихроматом натрия, вводят поверхностноактивные вещества (ПАВ). Например, для травления пластмасс АВС, нилона, мелатиновых смол, бакелита и некоторых других применяют раствор, содержащий (вес. %) серную кислоту—77—92, хромовый ангидрид О— 4,72, воду —6—21,5, ПАВ (фтористоводородное соединение)— 0,1—0,2. Оптимальный удельный вес этого раствора — 1,69—1,74 (чем он меньше, тем травление идет медленнее), I = 20— 70° С, т = 0,5—30 мин. Хром в растворе должен быть в шестивалентном состоянии, накапливание трехвалентного хрома не допускается. После травления детали промывают в горячей воде и для ней-, трализации кислоты и удаления соединений хрома обрабатывают в течение 5 с в 10—15%-м растворе едкого натра при 70—100° С. Затем для нейтрализации щелочи детали погружают на 10—30 с в 10%-й раствор плавиковой кислоты и промывают в течение 5—6 с в дистиллированной воде. Благодаря этому обрабатываемая поверхность приобретает гидрофильные свойства. В травильные растворы иногда вводят фосфорную кислоту. Один из таких растворов содержит серную кислоту —150 мл, калиевый хромпик — 10 г, фосфорную кислоту — 50 мл, воду — 80 мл / = 70° С, т == 10 мин. Изделия из пластмассы СНП-2 обрабатывают в растворе, содержащем ка-  [c.264]

Установлено, что адсорбция пеногасителя твердой фазой понижает его действие. Для защиты пеногасителя от адсорбции шламом могут быть применены различные защитные коллоиды, в том числе сульфит-целлюлозные щелоки. Совместный мокрый помол на впбромельнице диам ида и сульфитцеллюлозного щелока значительно повышает эффект защиты пеногасителя от сорбции шламом, так как при этом гидрофобный пеногаситель сорбирует на своей поверхности гидрофильный сульфитцеллюлозный щелок. В результате пеногаситель приобретает гидрофильные свойства и равномерно распределяется в объеме воды.  [c.72]

Обычно подобные коррозиош ые процессы наблюдаются вблизи границы раздела двух несмешивающихся (раз в виде углевояород-вод-ный электролит. В таких сисемах под воздействием имеющейся на поверхности металла оборудования гидрофильной окисной плёнки происходит избирательное сючивание металла тонкой плёнкой электролита с вогнутым мениском (рис. I. ). Эта плёнка, как правило, имеет очень малую толщину (порядка 10 — 10 м). В связи с тем, что в углеводородной (разе значительно лучше растворяются кислород и. другие газы, чем в водном электролите, происходит резкое увеличение скорости коррозии под тонкой плёнкой электролита и коррозионный процесс локализуется вблизи границы раздела фаз. При атом скорость коррозии значительно превышает скорость коррозии при полном погружении металла в электролит,  [c.7]

Разряд в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика называют поверхностным разрядом или поверхностным перекрытием. Внесение твердого диэлектрика в воздушный промежуток существенно снижает его разрядное напряжение, даже если цилиндрический образец поместить между параллельными пластинами, создающими в промежутке однородное поле. Хотя в этом случае образующие цилиндра совпадают с направлением силовых линий электрического поля и поэтому поле, казалось бы, должно оставаться однородным, разряд всегда развивается в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика при более низком напряжении, чем в чисто воздушном промежутке без цилиндра из твердого диэлектрика. На рис. 23.6 приведены зависимости напряжения поверхностного разряда в воздухе вдоль изоляционных цилиндров из различных твердых диэлектриков при частоте 50 Гц от высоты цилиндра (длины разрядного промежутка). Снижение разрядного напряжения обусловлено нарушением однородности электрического поля, так как пленка влаги на поверхности диэлектрического цилиндра имеет неодинаковую толщину в различных участах вдоль длины образца, в результате чего напряжение вдоль цилиндра распределяется неравномерно. Поэтому гидрофобный (несмачивающийся) парафин в меньшей степени снижает разрядное напряжение по сравнению с чисто воздушным промежутком, чем гидрофильный (смачивающийся) фарфор или стекло. При  [c.547]

Особый вид волокнистого материала представляют собой плетеные или вязаные чулки (пустотелые шнуры), являющиеся основой лакированных трубок. Структура волокнистых материалов предопределяет некоторые их видовые свойства. К числу таковых относятся большая поверхность при сравнительно малой толш,ине в исходном состоянии, неоднородность, вызванная наличием макроскопических пор, т. е. промежутков между отдельными волокнами и нитями и связанная с ней гигроскопичность. Сами растительные волокна обладают известной пористостью, микроскопической и субмикроскопической, которую образуют, например, мельчайшие капилляры. Некоторые волокнистые материалы имеют в своем составе гидрофильные ( водолюбивые ) составные части, способные поглощ,ать влагу из воздуха, набухая при этом и образуя коллоидные системы примерами таких (объемно-гигроскопичных) волокон является клетчатка и др. Материалы, состоящие из волокон, не обладающих объемной гигроскопичностью, как правило, абсорбируют влагу из воздуха за счет наличия пор и смачиваемости поверхности волокон водой, что вследствие сильно развитой поверхности волокон может послужить причиной значительной общей гигроскопичности. Само собой понятно, что материалы из объемно-гигроскопичных волокон будут обладать особенно большой гигроскопичностью. У тканей электрическая прочность определяется пробоем воздуха в макроскопических порах. В бумагах и картонах образование крупных сквозных пор менее вероятно. Так или иначе, но наличие воздушных пор приводит к тому, что все пористые волокнистые материалы обладают сравнительно низкой электрической прочностью, тем меньшей, чем меньше структурная плотность материала. В связи с вышеописанными общими свойствами волокнистых материалов в большинстве случаев их применения требуется пропитка, в результате которой повышается электрическая прочность и снижается скорость поглощения влаги.  [c.164]

После обезжиривания следует травление Эта операция обеспечивает возможность получения прочно сцепленных металлических покрытий В результате химическом обработки в растворах со держащих сильные окис тители поверхностный слои пластмассы частично разрушается с образованием мнкрошероховатости и изменяется химическая природа выходящих па поверхность полимерных молекул Поверхностный слой начинает легко смачиваться водой (становится гидрофильным) вследствие образования полярных групп  [c.36]

10.6 Понятие о поверхностно-активных веществах

Введение в гидрогели и некоторые недавние применения

1. Введение

Гидрогель — это трехмерная (3D) сеть гидрофильных полимеров, которые могут набухать в воде и удерживать большое количество воды, сохраняя структуру за счет химических или физическое сшивание отдельных полимерных цепей. О гидрогелях впервые сообщили Вихтерле и Лим (1960) [1]. По определению, вода должна составлять не менее 10% от общего веса (или объема), чтобы материал был гидрогелем.Гидрогели также обладают степенью гибкости, очень похожей на естественные ткани, благодаря значительному содержанию воды. Гидрофильность сети обусловлена ​​наличием гидрофильных групп, таких как -NH ₂ , -COOH, -OH, -CONH ₂ , -ConH- и -SO ₃ H.

Гидрогели подвергаются значительный объемный фазовый переход или фазовый переход гель-золь в ответ на определенные физические и химические стимулы. Физические стимулы включают температуру, электрические и магнитные поля, состав растворителя, интенсивность света и давление, в то время как химические или биохимические стимулы включают pH, ионы и определенные химические составы.Однако в большинстве случаев такие конформационные переходы обратимы; следовательно, гидрогели способны вернуться в свое исходное состояние после реакции, как только триггер будет удален. Реакция гидрогелей на внешние раздражители в основном определяется природой мономера, плотностью заряда, боковыми цепями и степенью поперечных связей. Величина реакции также прямо пропорциональна приложенному внешнему стимулу.

Существует множество оригинальных статей, обзоров и монографий, посвященных синтезу, свойствам и применению гидрогелей.В этой главе рассматриваются фундаментальные аспекты и области применения гидрогелей.

2. Классификации гидрогелей

В литературе приводится ряд классификаций гидрогелей и представлено несколько видов. Гидрогели в основном образуются из биополимеров и / или полиэлектролитов. Что касается определений типов гидрогелей, согласно источнику, гидрогели можно разделить на те, которые образованы из природных полимеров, и те, которые образованы из синтетических полимеров [2]. В зависимости от ионных зарядов связанных групп гидрогели могут быть катионными, анионными или нейтральными.Типы сшивающих агентов также могут быть критериями для классификации.

Гидрогели могут быть физическими, химическими или биохимическими. Физические гели могут превращаться из жидкости в гель в ответ на изменение условий окружающей среды, таких как температура, концентрация ионов, pH, или других условий, таких как смешивание двух компонентов. В химических гелях используется ковалентная связь, которая обеспечивает механическую целостность и устойчивость к разрушению по сравнению с другими слабыми материалами. В биохимических гидрогелях биологические агенты, такие как ферменты или аминокислоты, участвуют в процессе гелеобразования.

Рисунок 1.

Классификация гидрогелей на основе различных свойств.

Также возможно разделение гидрогелей на группы в зависимости от их структуры: аморфные, полукристаллические, кристаллические и гидроколлоидные агрегаты [3]. На рисунке 1 четко представлена ​​классификация гидрогелей на основе их источника и свойств, а также подробная классификация на основе их реакции, то есть физически, химически и биохимически чувствительных гидрогелей (рисунки 2 и 3).

Рис. 2.

Образование гидрогеля in situ с использованием химического сшивания и ионного взаимодействия между альгинатом и ионами кальция [61, 62].

Рисунок 3.

Образование гидрогеля in situ с использованием ферментативной реакции перекрестного связывания с пероксидазой хрена (HRP) и h3O2 [62].

3. Синтез гидрогелей

Основываясь на способах получения, гидрогели можно разделить на гомополимеры, сополимеры, полупроникающие сети (полу-IPN) и взаимопроникающие сети (IPN).В таблице 1 приведены некоторые примеры.

(HEMA)

Свободнорадикальная фотополимеризация

9006 0 [4–7]

900 Сополимер акриламида и акриловой кислоты

Таблица 1.

Некоторые примеры методов синтеза и применения гидрогелей.

Гомополимеры содержат в своей структуре только один тип мономера, и в зависимости от природы мономера и технологии, используемой для полимеризации, они могут иметь поперечно-сшитую структуру (рис. 4).

Рис. 4.

Структуры (а) HEMA и (б) TEGDMA.

Сополимерные гидрогели состоят из двух типов мономеров, из которых по крайней мере один является гидрофильным по природе (рис. 5–7).

Рисунок 5.

Синтез макромономера поли (е-капролактон) -HEMA.

Рис. 6.

Синтез сополимера поли (2-гидроксиэтилметакрилата) привитого поли (е-капролактон).

Рисунок 7.

Метод дициклогексилкарбодиимида (DCCI) для синтеза PEG-содержащих макромономеров.

Полу-ВПС образуется, когда линейный полимер проникает в другую сшитую сеть без каких-либо других химических связей между ними. Полу-IPN могут более эффективно сохранять быстрые скорости кинетической реакции на pH или температуру из-за отсутствия ограничивающей взаимопроникающей эластичной сети, при этом обеспечивая такие преимущества, как измененный размер пор, медленное высвобождение лекарства и т. Д.

Объединение двух полимеров может привести к образованию IPN при условии, что один из них уже присутствует в растворе, а другой синтезирован или сшит in situ. Этот процесс осуществляется путем приготовления раствора мономеров и инициаторов и последующего погружения предварительно полимеризованного гидрогеля в этот раствор. Размер пор и поверхностные свойства IPN могут быть изменены для контроля кинетики высвобождения лекарственного средства, взаимодействия гидрогеля с окружающей средой и его механических свойств.

Здесь стоит отметить самособирающиеся пептидные системы, которые представляют собой молекулы на основе синтетических аминокислот, которые претерпевают золь-гель переход при достижении нейтрального pH и ионной концентрации. Эти системы не используют сшивающие агенты; следовательно, они могут безопасно инкапсулировать клетки и / или лекарства, не подвергая их воздействию токсичных агентов [49] (рисунки 8 и 9).

Рисунок 8.

Формирование гидрогеля in situ с использованием фото-сшивки.

Рисунок 9.

Образование гидрогеля путем сшивания звездчатого ПЭГ и гепарина.

4. Некоторые распространенные типы гидрогелей

Чувствительные к окружающей среде гидрогели, также называемые «интеллектуальными» или «умными» гидрогелями, в настоящее время являются предметом значительных научных исследований в различных областях, включая биомедицину, биотехнологию, фармацевтику и разделение. В этом разделе мы представим четыре класса наиболее часто используемых гидрогелей.

4.1. pH-чувствительные гидрогели

Любой pH-чувствительный полимер структурно содержит висящие кислотные (например, карбоновые и сульфоновые кислоты) или основные (например,грамм. соли аммония) группы, которые реагируют на изменение pH в окружающей их среде за счет увеличения или уменьшения протонов. Полиэлектролиты — это полимеры, которые имеют большое количество таких ионизируемых групп. Анионные полиэлектролиты, такие как поли (акриловая кислота) (PAA), депротонируются в основных условиях окружающей среды, а затем сильно увеличивается электростатическое отталкивание между цепями, что позволяет молекулам воды проникать, вызывая резкое набухание гидрогеля. Однако в кислой среде кислотный полимер протонирует, что приводит к уменьшению плотности заряда и коллапсу объема полимера (рис. 10).Напротив, катионные полиэлектролиты, такие как поли ( N, N 9-диэтиламиноэтилметакрилат), становятся ионизированными и набухают при кислом pH (рис. 10). Амфифильные гидрогели содержат как кислотные, так и основные части; поэтому они демонстрируют двухфазные переходы как в кислой, так и в основной среде, а не в нейтральной среде. Рисунок 11 ясно демонстрирует поведение полиэлектролитных гидрогелей при фазовом переходе. Стоит отметить, что фазовый переход из сжатого состояния в расширенное состояние происходит в небольшом диапазоне, близком к кажущейся константе диссоциации p K _a гидрогеля, который в основном идентичен p K _a ионизируемого вещества. группы.Примерно при видимом p K _a полимера начинается ионизация, и электростатическое отталкивание тех же зарядов, присутствующих в полимерной сети, вызывает резкое набухание гидрогеля. Если ионизация ионизируемого компонента завершена, процесс набухания прекращается, и дальнейшее повышение pH только увеличивает ионную силу [7, 8]. Диапазон pH фазового перехода можно модулировать путем выбора ионизируемой части с p K _a , соответствующей желаемому диапазону pH, или путем включения гидрофобных фрагментов в основную цепь полимера [10].

Рисунок 10.

pH-зависимая ионизация полиэлектролитов. (а) Поли (акриловая кислота) и (б) поли (N, N’-диэтиламиноэтилметакрилат).

Рис. 11.

Поведение полиэлектролитных гидрогелей при фазовом переходе. Кислотные гидрогели (□) ионизируются депротонированием в щелочных растворах. Основные гидрогели (○) набухают в кислых растворах из-за ионизации их основных групп протонированием. Амфифильные гидрогели (Δ) содержат как кислотные, так и основные группы, поэтому имеют двухфазные переходы.

Ионизация полиэлектролита происходит аналогично кислотным или основным группам одноосновных кислот или однооснований, но из-за электростатических эффектов соседних групп он будет иметь константу диссоциации ( K _a ), отличную от соответствующих одноосновных кислот или однооснований.

На степень набухания влияет любой фактор, который изменяет это электростатическое отталкивание, включая pH, ионную силу и тип противоионов. На рисунке 12 показано это явление. На этом рисунке гидрогель состоит из двух фаз: одна фаза разделена, гелеобразная и образована взаимодействиями полимер-полимер.В этом состоянии имеет место максимальная гидрофобность и происходит усадка гидрогеля. Во второй фазе взаимодействия между растворителем и полимером создают смешанную фазу, в которой полимер и водный раствор хорошо перемешиваются. На этой второй фазе наблюдается максимальное значение гидрофильности и набухания [7].

Рисунок 12.

Поведение фазового перехода гидрогелей, реагирующих на раздражители.

Различное поведение чувствительности к pH и степени набухания могут быть достигнуты при использовании различных мономеров.Наиболее часто изучаемые ионные полимеры для рН-чувствительного поведения включают поли (акриламид) (PAAm), PAA, поли (метакриловую кислоту) (PMAA), поли (диэтиламиноэтилметакрилат) (PDEAEMA) и поли (диметиламиноэтилметакрилат) (PDMAEMA). Сообщалось также о полимерах, содержащих производные фосфорной кислоты.

4.2. Термочувствительные гидрогели

Термочувствительные гидрогели (термогели) представляют собой водные растворы мономеров / полимеров, которые обладают способностью образовывать гель при изменении температуры и обладают слегка гидрофобными характеристиками из-за наличия таких групп, как метил, этил и пропил, который предпочтительно взаимодействует с молекулами воды посредством водородных связей, вызывающих набухание гидрогеля.Эти водородные связи коррелируют с температурой. Структуры некоторых термочувствительных гидрогелей показаны на рисунке 13.

Рисунок 13.

Структуры некоторых термочувствительных полимеров.

Как видно, общей характеристикой термочувствительных полимеров является наличие гидрофобных групп. Большинство полимеров повышают растворимость в воде при повышении температуры. Однако в некоторых случаях растворимость в воде уменьшается с повышением температуры (обратная или отрицательная температурная зависимость) [9].Это необычное поведение вызывает явление фазового перехода полимера, когда температура повышается до критического значения, называемого «нижняя критическая температура раствора» или НКТР, который является энтропийным процессом. В случае гидрогелей с отрицательной термочувствительностью, непосредственно ниже НКТР, вода является хорошим растворителем для полимера, а взаимодействия водородных связей между полимером и молекулами воды приводят к усиленному растворению в воде. Однако, когда температура превышает НКТР, эти взаимодействия нарушаются, полимерные цепи схлопываются, а затем осаждаются в среде [10, 11].Эти типы гидрогелей содержат полимерные цепи, которые либо обладают умеренно гидрофобными сегментами (если они слишком гидрофобны, полимерные цепи вообще не растворяются в воде), либо содержат смесь гидрофильных и гидрофобных групп.

Рисунок 14.

Некоторые примеры поли (органофосфазеновых) термогелей.

При повышении температуры положительные термочувствительные гидрогели демонстрируют прямо противоположное поведение отрицательных термочувствительных гидрогелей. НКТР гидрогелей можно модулировать для увеличения путем добавления гидрофильного компонента или для уменьшения путем добавления гидрофобного компонента.Благодаря этому свойству термочувствительные гидрогели набухают ниже НКТР и разрушаются в водной среде выше этой температуры, что делает их пригодными для контролируемой доставки лекарств. Среди прочего, поли ( N -изопропилакриламид) (PNIPAM) является наиболее изученным термочувствительным гидрогелем в исследованиях тканевой инженерии. Это связано со способностью ПНИПАМ выдавливать абсорбированное лекарство, когда температура близка к температуре человеческого тела [19].

Другими примерами термочувствительных гидрогелей являются коллаген, агароза, гиалуроновая кислота, поли (органофосфазены) и хитозан [58, 59] (рис. 14).

4.3. Электрочувствительные гидрогели

Электрочувствительные гидрогели, как следует из названия, сжимаются или набухают в присутствии приложенного электрического поля. Как и pH-чувствительные гидрогели, они обычно состоят из полиэлектролитов. Под действием электрического поля в сети возникает сила, действующая на противоионы и неподвижные заряженные группы, которая притягивает подвижные ионы к электродам. В результате гидрогель может набухать и регионально сжиматься на катоде и аноде соответственно.Это явление приводит к изгибу гидрогеля, который вызван разницей концентрации ионов внутри сети гидрогеля и культуральной среды и может быть объяснен теорией осмотического давления Флори [12-17]. Степень изгиба зависит от структуры гидрогеля и характеристик электрического поля, включая силу, направление и продолжительность электрического воздействия. Электрочувствительные гидрогели могут избирательно быть проницаемыми для определенного размера молекул и регулировать проницаемость для воды, расширяясь и сужаясь в размере микропор при электростимуляции [18].Поскольку электрочувствительные гидрогели могут преобразовывать электрическую энергию в механическую и имеют многообещающие применения в биомеханике, зондировании, преобразовании энергии, гашении звука, химическом разделении, контролируемой доставке лекарств [33] и тканевой инженерии [20, 21], эти полимеры представляют собой все более важный класс умных материалов. Гидрогели акриламида и производных карбоновых кислот, таких как PAA, используются в качестве электрочувствительных и биосовместимых устройств на основе умных мышц [22, 23].

4.4. Светочувствительные гидрогели

Светочувствительные гидрогели претерпевают изменение своих свойств при облучении светом соответствующей длины волны. Обычно эти изменения являются результатом индуцированных светом структурных преобразований определенных функциональных групп вдоль основной или боковых цепей полимера. Светочувствительные гидрогели могут расширяться и сжиматься под воздействием ультрафиолета (УФ) или видимого света. Видимый свет имеет множество преимуществ по сравнению с ультрафиолетовым светом, включая широкую доступность, низкую стоимость, простоту манипуляций и чистую работу.Механизм изменения объема гидрогелей под действием видимого света основан на индукции изменений температуры за счет включения светочувствительной функциональной группы (хромофора) (например, тринатриевой соли хлорофиллина меди) в полимерную сеть. Под воздействием определенной длины волны хромофор поглощает свет, который затем локально рассеивается в виде тепла, увеличивая «локальную» температуру гидрогеля [26]. Результирующее изменение температуры приводит к изменению набухания термочувствительного гидрогеля [9].Из-за тепловой природы инфракрасного излучения его также можно использовать для вызова реакции гидрогеля в отсутствие хромофоров. Если дополнительная функциональная группа, такая как ионизируемая часть PAA, включается в сеть гидрогеля, светочувствительные гидрогели также становятся чувствительными к изменениям pH. Этот тип гидрогеля может быть уменьшен под воздействием видимого света, а его можно вызвать набуханием, увеличивая pH. Чувствительные к УФ-излучению гидрогели можно синтезировать путем введения молекулы лейкопроизводного в полимерную сеть.Лейкопроизводные обычно нейтральны, но диссоциируют на ионные пары под воздействием ультрафиолета. При фиксированной температуре гидрогели прерывисто набухали в ответ на УФ-облучение, но уменьшались при удалении УФ-света [24]. Были предложены возможности применения светочувствительных гидрогелей для создания искусственных мышц [25, 64], обратимых клапанов в микрофлюидных устройствах [65] и временной доставки лекарств.

5. Применение гидрогелей

Гидрогели используются во многих областях.Это связано с их особой структурой и совместимостью с разными условиями использования. Гибкость гидрогелей, обусловленная их содержанием воды, позволяет использовать их в различных условиях, от промышленных до биологических, и биосовместимость материалов, используемых для их производства, а также их химическое поведение в биологических средах, которое может быть нетоксичным. , расширяет их применение в медицинских науках.

Основные области применения и некоторые примеры использования гидрогелей перечислены ниже.Обратите внимание, что это не полный список, но он рассматривает наиболее практические применения гидрогелей в медицине и промышленности.

5.1. Доставка лекарств

Системы контролируемой доставки лекарств (DDS), которые используются для доставки лекарств с определенной скоростью в течение заранее определенных периодов времени, были использованы для преодоления ограничений обычных лекарственных форм. Великолепные свойства гидрогелей делают их отличным выбором для доставки лекарств. Структуры гидрогеля с высокой пористостью можно получить, контролируя два фактора: степень сшивки в матрице и сродство гидрогеля к водной среде, в которой происходит набухание.Благодаря пористой структуре гидрогели обладают высокой проницаемостью для различных видов лекарств, поэтому лекарства могут быть загружены и, в соответствующих условиях, высвобождены [27]. Возможность высвобождения фармацевтических препаратов в течение длительных периодов времени (замедленное высвобождение) является основным преимуществом, полученным от гидрогелей при исследованиях доставки лекарств, что приводит к доставке высокой концентрации активного фармацевтического вещества в определенное место в течение длительного периода времени.

Как физические (электростатические взаимодействия), так и химические (ковалентное связывание) стратегии могут быть использованы для усиления связывания между загруженным лекарственным средством и матрицей гидрогеля для увеличения продолжительности высвобождения лекарства.Гидрогели могут хранить и защищать различные лекарства от агрессивных сред и высвобождать их с желаемой кинетикой высвобождения. Высвобождение лекарственного средства может быть активировано по требованию локальными изменениями pH, температуры, присутствием определенных ферментов или удаленными физическими раздражителями.

5.1.1. pH-чувствительные гидрогели в DDS

Поскольку изменение pH происходит во многих специфических или патологических участках тела, это один из важных параметров окружающей среды для DDS. В организме человека наблюдается колебание pH в желудочно-кишечном тракте, а также в некоторых конкретных областях, таких как определенные ткани (и опухолевые области) и субклеточные компартменты.В pH-чувствительных DDS используются как кислотные, так и основные полимеры. PAA, PMAA, поли (L-глутаминовая кислота) и полимеры, содержащие сульфонамид, являются наиболее часто используемыми кислотными полимерами для доставки лекарств. Типичные примеры основных полиэлектролитов включают поли (2- (диметиламино) этилметакрилат) и поли (2- (диэтиламино) этилметакрилат), поли (2-винилпиридин) и биоразлагаемый поли (β-аминоэфир).

pH-чувствительные гидрогели также использовались для целей экстракции и определения по разным методикам [28–31].

5.1.2. Термочувствительные гидрогели в DDS

Термочувствительные полимеры, такие как системы, чувствительные к pH, открывают множество возможностей в биомедицине.

Среди многих термочувствительных полимеров много применений находят поли ( N -изопропилакриламид) (PNIPAAm) и поли ( N, N -диэтилакриламид) (PDEAAm). PDEAAm имеет низкое значение LCST (критическая температура, ниже которой компоненты раствора любого состава смешиваются) в диапазоне 25–32 ° C, что близко к нормальной температуре тела.

5.2. Удаление красителей и ионов тяжелых металлов

Загрязнение тяжелыми металлами обычно обнаруживается в сточных водах многих промышленных процессов и, как известно, представляет серьезную угрозу для здоровья населения и экологических систем. Удаление ионов тяжелых металлов из различных водных ресурсов представляет большой научный и практический интерес.

Синтетические сшитые полиакрилатные гидрогели были использованы для удаления токсичных тяжелых металлов из водных сред [27]. Однако применение этих синтетических материалов в больших масштабах не может быть практическим решением, поскольку они очень дороги.

Загрязнение, вызванное ионами тяжелых металлов, можно удалить с помощью хорошо известных процессов адсорбции, которые, наряду с гибкостью конструкции и эксплуатации, дают преимущество повторного использования очищенных стоков. Также из-за общей обратимости процесса адсорбции обычно можно регенерировать адсорбент, чтобы сделать процесс наиболее рентабельным.

Было изучено использование гидрогелей в качестве адсорбентов для удаления тяжелых металлов, восстановления красителей и удаления токсичных компонентов из различных стоков.Адсорбенты с карбоксильными, сульфоновыми, фосфоновыми и азотными группами на поверхности способствуют адсорбции ионов металлов [77].

Гидрогели оказались отличным адсорбентом красителей с чрезвычайно высокой адсорбцией метиленового синего.

Среди гидрогельобразующих материалов полиэлектролиты имеют особое значение для удаления ионов тяжелых металлов. Многие применения полиэлектролитов в этой области связаны с их способностью связывать противоположно заряженные ионы металлов с образованием комплексов.

Фактически, наличие как катионных, так и анионных зарядов на микро- или наногеле дает дополнительные преимущества для одновременного удаления двух различных частиц. Гидрогели — это универсальные и жизнеспособные материалы, которые потенциально могут применяться в окружающей среде.

Производные хитозана, альгината, крахмала и целлюлозы — это гидрогели на основе биополимеров, которые использовались для удаления ионов металлов из водных сред. Было показано, что на механизм сорбции и сорбционную емкость ионов тяжелых металлов влияют функциональные группы гидрогеля.Это происходит из-за участия в удалении ионов металлов других процессов, таких как хелатирование и ионный обмен, а не простой сорбции [78, 79].

Гидрогели на основе хитозана применимы для удаления ионов тяжелых металлов из-за наличия в их структуре множества амино (NH ₂ ) и гидроксильных (ОН) групп. Эта применимость обусловлена ​​склонностью ионов металлов образовывать хелаты с так называемыми аминогруппами. Но после реакции хитозана с сшивающими агентами его щелочность, связанная с адсорбционной способностью, снижается.Химическая модификация этих функциональных групп может улучшить не только адсорбционную способность, но и физико-химические свойства хитозана [79, 80]. Исследователи использовали различные подходы для модификации хитозана, включая использование сложных эфиров аминокислот, оксо-2-глутаровой кислоты, пиридила, этилендиамина, карбодиимида, ароматических полиимидов, функционализированных амином магнитных наночастиц и глицина [81–83]. В этих исследованиях показано, что как адсорбционная способность, так и механическая стойкость гидрогелей на основе хитозана улучшаются после модификации функциональных групп.

5.3. Каркасы в тканевой инженерии

Тканевая инженерия определяется как комбинация материалов, инженерии и клеток для улучшения или замены биологических органов. Для этого необходимо найти подходящие типы клеток и культивировать их в подходящем каркасе в соответствующих условиях. Гидрогели являются привлекательным материалом для каркасов, потому что их структуры подобны внеклеточному матриксу многих тканей, их часто можно обрабатывать в относительно мягких условиях, и их можно доставлять минимально инвазивным способом [32].Адекватная конструкция строительных лесов и выбор материала для каждого конкретного применения зависят от нескольких переменных, включая физические свойства, свойства массопереноса и биологические свойства, и определяются предполагаемым применением строительных лесов и средой, в которой будут размещены строительные леса. Например, тип каркаса, используемого для изготовления искусственной кожи, должен отличаться от того, что используется для искусственной кости, и, следовательно, необходимы другие структуры для материалов.

Как синтетические, так и природные материалы могут использоваться для образования гидрогелей для каркасов тканевой инженерии.

Синтетические гидрогели интересны тем, что их химию и структуру легко контролировать и, таким образом, изменять их свойства. Примерами полимерных синтетических материалов, которые могут быть использованы для образования гидрогелей, являются поли (этиленоксид) (ПЭО), поли (виниловый спирт) (ПВС) и полипропиленфумарат (ППФ) [33] (Рисунок 15).

Рис. 15.

Структура синтетических гидрогельобразующих полимеров: (а) ПЭО, (б) ПВС (100% гидролизованный) и (в) ППФ.

Природные гидрогельобразующие полимеры являются другими кандидатами для использования в каркасах тканевой инженерии, поскольку они либо являются компонентами естественного внеклеточного матрикса, либо обладают свойствами, аналогичными этим матрицам, и взаимодействуют благоприятным образом in vivo.Примерами являются альгинат и хитозан [32–34] (Рисунок 16).

Рис. 16.

Структура природных гидрогельобразующих полимеров: (а) альгинат и (б) хитозан.

Гидрогели используются для трех целей в тканевой инженерии. Их можно использовать в качестве агентов для заполнения пустующих пространств, носителей для доставки биоактивных молекул и трехмерных структур, которые действуют как опора для клеток и помогают формированию идеальной ткани.

Агенты для заполнения пустот (агенты, заполняющие пространство) включают каркасы, которые обеспечивают наполнение, предотвращают слипание или действуют как биоадгезивы [33].Для достижения этой цели основные требования к конструкции гидрогеля — это способность сохранять желаемый объем и структурную целостность в течение необходимого времени.

Гидрогелевые каркасы на основе альгината, хитозана и коллагена демонстрируют возможность использования в качестве общих наполнителей. Синтетические гидрогели часто используются в качестве антиадгезионных материалов, потому что клетки не имеют рецепторов адгезии к ним, а белки часто не легко абсорбируются ими, если они разработаны соответствующим образом. Полиэтиленгликоль (ПЭГ) используется для предотвращения послеоперационных спаек [32, 33].

Гидрогели, состоящие из хитозана и производных хитина, в настоящее время используются в качестве биологических адгезивов в хирургических процедурах для заделки небольших ран, из которых могут вытекать воздух и биологические жидкости, а также для повышения эффективности повязок на раны [37, 38].

Другое применение каркасных гидрогелей, которое весьма отличается, включает их использование в качестве носителей для стабилизации и доставки биоактивных молекул к тканям-мишеням и для инкапсуляции секреторных клеток. В настоящее время большинство лекарств доставляются пациентам системно без использования каркаса, поэтому для достижения желаемого местного эффекта обычно требуются большие дозы из-за ферментативного разложения лекарства и неспецифического поглощения другими тканями.Это дорогостоящий процесс и может вызвать серьезные побочные эффекты. Кроме того, многие факторы, которые необходимы или полезны для ткани-мишени, могут быть токсичными для других тканей. Таким образом, носитель или каркас, обеспечивающий местную и специфическую доставку к желаемому участку ткани, очень желателен во многих ситуациях. Ионно-сшитые альгинатные гидрогели и сшитые глутаральдегидом коллагеновые губки являются одними из примеров, отвечающих этому требованию [39, 40].

Поскольку гидрогели представляют собой трехмерные сети полимеров с высокой степенью гидратации, они могут обеспечивать химические и механические сигналы, а также среду для прикрепления, размножения и дифференциации клеток; таким образом, они подходят для целей доставки клеток и развития тканей.В настоящее время гидрогелевые каркасы используются для производства широкого спектра тканей, включая хрящи, кости, мышцы, жир, печень и нейроны. В зависимости от типа желаемой ткани можно использовать различные виды гидрогелей. Например, альгинат использовался более широко, чем другие гидрогели, для оценки потенциала гидрогелевых каркасов in vivo для конструирования хряща, а также в качестве матриксов шванновских клеток в области трансплантации нервов, а коллаген использовался для конструирования крупных кровеносных сосудов [33] .

5.4. Контактные линзы

Ключевой областью использования синтетических гидрогелей для биоприложений является офтальмология, особенно контактные линзы. Контактная линза — это небольшое оптическое устройство, которое помещается непосредственно на роговицу для изменения ее оптической силы. Первую концепцию использования контактных линз описал Леонардо да Винчи в 1508 году; это заключалось в погружении глаза в таз с водой. В конце 1960 года профессором Отто Вихтерле были разработаны линзы из поли (2-гидроксиэтилметакрилата) (PHEMA); это изобретение представляет собой наиболее важный шаг в развитии контактных линз и начало эры мягких линз [41].

Непосредственное размещение контактных линз на поверхности роговицы предотвращает обмен атмосферного кислорода и тем самым нарушает естественный физиологический метаболизм роговицы, известный как гипоксический стресс, поэтому хорошие контактные линзы должны иметь максимальную проницаемость для кислорода. Механическое воздействие на роговицу вызывает те же проблемы, что и гипоксический стресс, такие как митоз эпителиальных клеток, повышенная активность протеазы и гликозидазы, чувствительность роговицы и изменения гидратации и прозрачности роговицы.Чтобы уменьшить эти напряжения, необходим правильный выбор материалов контактов и их формы.

Гидрогели, используемые для производства контактных линз, могут удовлетворить большинство требований, необходимых при использовании в различных физиологических условиях. Для гидрогелевого материала, который используется в качестве контактных линз, есть некоторые требования, чтобы сделать его комфортным во время использования. Эти потребности включают количество воды, хорошие механические свойства, проницаемость для кислорода, смачиваемость поверхности, хорошие оптические свойства, устойчивость к гидролизу и стерилизации, отсутствие токсичности и достаточную биологическую толерантность для живых клеток.

Чтобы увеличить содержание воды в гидрогеле и добиться усиленного эффекта набухания, можно использовать различные типы мономеров. К ним относятся дигидроксиметакрилаты, метакриловая кислота, акриламиды и многие другие мономеры.

Силикон-гидрогели представляют собой самостоятельную группу материалов для контактных линз. Развитие основных гидрогелей привело к производству этого класса, и они обладают хорошими свойствами набухания и высокой проницаемостью для кислорода, что делает их пригодными для использования в линзах.Эти свойства обусловлены их структурой, в которой гидрофобные силиконы связаны с гидрофильными цепями таким образом, что получаемый композит становится пригодным как механически, так и оптически.

Высокая проницаемость для кислорода достигается с помощью силоксиметакрилатного мономера, обычно называемого «ТРИС». Метиленовые группы в структуре ТРИС представляют собой участки гидрофильной модификации (рис. 17).

Рис. 17.

Структура мономера силоксиметакрилата (ТРИС).

В структуру полимера можно включить линейные или разветвленные гидрофильные полимерные цепи, чтобы образовать взаимопроникающую сеть, чтобы уменьшить высыхание линзами при их обычном использовании. Это означает, что «смачивающие цепи» фиксируются только физическими связями без каких-либо ковалентных прикреплений к узорчатой ​​сети гидрогелей [43].

5.5. pH-сенсоры

Полимеры или гидрогели, реагирующие на раздражение, могут значительно изменять свой объем в ответ на небольшие изменения определенных параметров окружающей среды.Катионные полиэлектролиты больше растворяются (набухают) при низких значениях pH, а анионные полиэлектролиты — наоборот, что связано с ионизацией [44].

В датчиках pH-чувствительных гидрогелей используются датчики двух типов: датчики, основанные на механической работе, выполняемой за счет набухания и сжатия гидрогеля, и датчики, наблюдающие изменения свойств свободно набухающих гелей [45].

Способность гидрогелей деформировать или механически деформировать преобразовательный элемент, приводя к изменению особого свойства этого элемента или к изменению обнаруживаемого расстояния, является основой работы преобразователей, основанной на механической работе гидрогеля.Они классифицируются как оптические преобразователи, включая отражающие диафрагмы и датчики с волоконной решеткой Брэгга, и механические преобразователи, в том числе микрокантилеверы и преобразователи с изгибающейся пластиной.

Преобразователи свободно набухающих гелей должны непосредственно наблюдать изменения одного или нескольких свойств гидрогеля и включать оптические, кондуктометрические и колебательные преобразователи. Оптические преобразователи могут напрямую измерять изменения оптических свойств гидрогелей. Другой подход основан на наблюдении за специальными пломбами или поверхностными покрытиями, которые изменяются или перемещаются из-за набухания гидрогеля.Осциллирующие преобразователи — это устройства, которые постоянно изменяют свою резонансную частоту. Изменение свойств нагрузки приводит к сдвигу этой резонансной частоты. Это может сопровождаться изменением амплитуды сигнала. Кондуктометрические преобразователи основаны на измерении проводимости гидрогеля при изменении степени набухания [44].

5.6. Биосенсоры

Объединение физических и химических сенсоров дает биосенсор. Есть два определения того, что может делать биосенсор: его можно рассматривать как устройство, которое может определять и сообщать о биофизических свойствах исследуемой системы, или устройство, которое может предоставлять полезную аналитическую информацию путем преобразования биохимических данных.Общим аспектом для всех биосенсоров является наличие части биологического распознавания, которая позволяет анализировать биологическую информацию. Биосенсоры становятся все более и более важными как практические инструменты, охватывающие широкий спектр областей применения, включая тестирование на месте, домашнюю диагностику и мониторинг окружающей среды. Часть биологического распознавания, известная как биоэлемент, состоит из различных структур, таких как ферменты, антитела, живые клетки или ткани, но дело в ее специфичности по отношению к одному аналиту и нулевой реакции на другие мешающие факторы.Существуют различные методы связывания биомолекул с сенсорами, включая захват мембранами, физическую адсорбцию, улавливание в матрице или ковалентное связывание [42, 44].

Высокое содержание воды и гидрофильная природа гидрогелей схожи с компонентом, заполняющим пустоты внеклеточного матрикса, и делают их биологически совместимыми. Следовательно, очевидное применение гидрогелей в биосенсорах — это функция защиты и покрытия частей сенсора для предотвращения нежелательного взаимодействия с биологическими молекулами или клетками.Гидрогели можно использовать в качестве иммобилизационных матриц для биочувствительных элементов и обеспечить отличную среду для ферментов и других биомолекул, чтобы сохранить их активную и функциональную структуру.

Взаимодействие между анализируемым веществом и чувствительным элементом приводит к изменению объема в ответ на целевой компонент, и это изменение объема является основой распознавания в датчиках на основе гидрогеля (рис. 18).

Рисунок 18.

Увеличение объема гидрогелевого биосенсора в ответ на аналит.

В зависимости от природы анализируемого вещества используются несколько типов чувствительных элементов, но эти элементы можно разделить на две отдельные группы: молекулярные взаимодействия и живые сенсоры.

Молекулярные взаимодействия, используемые для определения аналитов, охватывают различные механизмы. Один из них — фермент-субстратные взаимодействия. Поскольку ферменты очень специфичны и эффективны в своих реакциях с субстратами, их можно использовать для точного определения желаемых концентраций аналитов. Существует множество примеров различных сенсоров, основанных на взаимодействиях фермент-субстрат в матрицах гидрогелей, включая обнаружение спиртов в органической фазе, аминокислот, аммиака, мочевины, глюкозы, перекиси водорода и т. Д.Чувствительные к глюкозе гидрогели, которые способны долгое время действовать как депо инсулина в ответ на повышенный уровень глюкозы в крови и автоматически высвобождать дозы инсулина в подходящее время, являются многообещающей разработкой и могут устранить необходимость в частых инъекциях и, следовательно, обеспечить более удобное лечение вариант, который повысит эффективность лечения и качество жизни сотен миллионов людей. Набухание гидрогеля в присутствии молекул глюкозы делает возможным контролируемое высвобождение инсулина [46] (рис. 19).

Рис. 19.

Механизм набухания чувствительного к глюкозе гидрогеля на основе конканавалина А.

Сенсоры на основе антител и антигенов, которые представляют собой устройства на основе аффинности с сочетанием иммунохимических реакций, представляют собой еще один класс группы молекулярных взаимодействий. Общий принцип работы этих датчиков основан на специфическом иммунохимическом распознавании антител (или антигенов), иммобилизованных на датчике к антигену (или антителам), которые выдают сигналы, которые зависят от концентрации анализируемого вещества.Для обнаружения анализируемого вещества можно использовать микрогравиметрию кристаллов кварца (QCM), поверхностный плазмонный резонанс (SPR) или электрохимические методы.

Есть несколько других примеров определения аналитов на основе молекулярного взаимодействия, таких как нуклеотиды, олигонуклеотиды, ДНК и т. Д.

Другая группа сенсорных элементов — живые сенсоры. Они представляют собой комбинации гидрогелей с живыми клетками и микроорганизмами для формирования композитов «живые клетки-полимеры» для применения в биосенсорных исследованиях. Микроорганизмы могут обнаруживать широкий спектр химических веществ, они поддаются генетической модификации и имеют широкий рабочий диапазон pH и температур, что делает их идеальными в качестве биологических сенсорных материалов.Трехмерные структуры, высокое содержание воды и биосовместимость — основные преимущества гидрогелей, которые обеспечивают способность захватывать клетки или бактерии внутри своих сетей, позволяя им обмениваться газами с высокой скоростью и питать захваченные клетки, и, таким образом, обеспечивают возможность использования композиты клетка-полимер в биосенсоре. Примером может служить использование Arxula adeninivorans LS3 в качестве элемента биологического распознавания для быстрого определения концентрации биоразлагаемых загрязнителей в сточных водах на кислородном электроде типа Кларка [47, 48].

Есть два разных метода использования гидрогелей в биосенсорах: они могут быть нанесены на поверхность сенсорного устройства, такого как электрод, или использоваться в качестве трехмерной матрицы или поддержки для поддержания биоэлементов, таких как клетки. Сохранение клеток в течение определенных периодов времени в гидрогелевой матрице и определение патогенов — другие примеры применения в этой группе (рис. 20).

Рис. 20.

Схематическая диаграмма микробного датчика LS3 A. adeninivorans иллюстрирует потребление растворенного кислорода микробами (а) до и (б) после добавления биоразлагаемого загрязнителя.

5.7. Инъекционный гидрогель для регенерации спинного мозга

Повреждение спинного мозга (ТСМ) представляет собой сложную регенеративную проблему из-за множественных аспектов торможения роста, возникающих после травмы ткани спинного мозга. Многие из этих повреждений не повреждают твердую мозговую оболочку, а некоторые аксоны еще живы в месте повреждения и могут быть восстановлены. В таких условиях введение предварительно отформованной рамы или DDS в поврежденный спинной мозг хирургическими операциями может вызвать последующее поражение.Альтернативой этому методу является использование каркасов, формирующих in situ. После инъекции в поврежденную область спинного мозга происходит быстрое преобразование вязкоупругого гидрогеля из жидкой формы в гель и адаптация к ткани места повреждения [49].

Небольшие промежутки между тканью спинного мозга и даже рассеченными частями, образовавшимися после ТСМ, будут заполнены путем преобразования жидкого гидрогеля в гелевую форму in vivo. Гель, который теперь служит каркасом, устраняет свободные места и образует шаблон для регенерации поврежденной ткани пуповины, помогая проникновению клеток и матриксу.Таким образом, нет необходимости создавать предварительно сформированные каркасы для каждого пациента индивидуально, и можно избежать отсоединения жизнеспособной ткани в месте повреждения для имплантации предварительно сформированного каркаса, что может вызвать дальнейшее повреждение и потерю функциональности [50, 51] (Рис. 21).

Рисунок 21.

Введение жидкого гидрогеля в место повреждения.

Инъекционные материалы в жидком состоянии могут быть однородно смешаны с клетками и другими терапевтическими средствами перед доставкой в ​​место повреждения.Механические свойства гелевых каркасов могут более точно соответствовать свойствам ткани спинного мозга по сравнению с большинством предварительно сформированных матриц биоматериалов [49, 51].

Существуют некоторые требования к конструкции и использованию инъекционных систем, основанные на их функциях и параметрах конструкции.

Их функции включают [49, 52–54]:

1. Создание основы для клеточной инфильтрации и прорастания аксонов. Сам гелевый материал будет служить мостом для очага поражения.

2. Инкапсуляция лекарств и поддержание биоактивности на протяжении всего гелеобразования и высвобождения. Системы для инъекций могут обеспечивать устойчивую и регулируемую доставку этих агентов локально к месту поражения.

3. Поддержка суспендированных популяций клеток перед инъекцией, на протяжении всего процесса отверждения и в пределах участка поражения. Клеточная терапия более эффективна, когда проводится и поддерживается локально в травмированной области, чем системная (рис. 22).

Рисунок 22.

Функции инъекционных гидрогелей.

Важность конструктивных параметров проистекает из трудности выделения эффектов сшивания и зависящих от концентрации макромеров свойств материала, таких как механическая жесткость, размер ячеек или пор, скорость разложения и плотность биоактивного лиганда.

Параметры дизайна включают биосовместимость использованных материалов с тканью поврежденного участка, мягкие условия затвердевания, подходящую пористость и размер ячеек разработанного каркаса, механические свойства гелевого материала, скорость разложения и биологическую активность [55–57].

Инъекционные гидрогели могут быть натуральными или синтетическими, со своими преимуществами и недостатками. Их также можно отнести к физическим и химическим гелям [49, 62].

Как правило, физические гидрогели имеют слабые механические свойства; таким образом, для преодоления этого недостатка использовалась комбинация химического и физического поперечного сшивания. Например, макромеры PNIPAAm-со-глицидилметакрилата (GMA) и полиамидоамина (PAMAM) претерпевают двойное отверждение в процессе физического и химического гелеобразования и образуют инъекционный гидрогель со-глицидилметакрилат PNIPAAm (GMA) / полиамидоамин (PAMAM) [58].

Инъекционные гидрогелевые системы минимально инвазивны и удобны для пациента. Клетки или биоактивные молекулы легко смешивать с растворами полимеров, и эти смеси находятся на месте и легко образуют трехмерные микросреды в любых желаемых формах дефектов.

5,8. Суперконденсаторные гидрогели

Быстрое развитие индустрии портативного электронного оборудования, такого как носимые устройства, дисплеи произвольной формы и даже прозрачные мобильные телефоны, требует производства гибких, прозрачных, легких и эффективных устройств хранения [73].С этой целью ключевой проблемой является одновременное включение механической прочности, оптического пропускания и электронной проводимости [74]. Из-за важности высокопроизводительных гибких суперконденсаторов технология суперконденсаторов все еще быстро развивается. Недавно было продемонстрировано несколько стратегий для гибких суперконденсаторов, включая нанесение покрытия на активные материалы, такие как RuO2 [66], MnO2 [67], V2O5 [68], NiOH [69] и графеновые нанолисты [70], на проводящие волокна путем электрохимического осаждения. литье и изготовление гидрогелевых или аэрогелевых пленок на основе графена [73].Однако эти способы страдают рядом недостатков, препятствующих их крупномасштабному коммерциализации, таких как высокая стоимость благородных металлов или дорогостоящих углеродных материалов-носителей, ограниченная ионная / электронная проводимость, плохая механическая гибкость и масштабируемые условия электрохимического синтеза.

Электропроводящие полимерные гидрогели демонстрируют большой потенциал для ожидаемой интеграции из-за их превосходной границы раздела твердое тело-жидкость, хороших электрических характеристик и механической гибкости и представляют собой многообещающую материальную платформу для появляющихся гибких устройств накопления энергии [71, 72].Проводящие полимеры, такие как полианилин, полипиррол и их производные, обеспечивают уникальные электрические свойства металлов или полупроводников, а также привлекательные свойства, присущие обычным полимерам, такие как простота синтеза и гибкость в обработке; поэтому гидрогели суперконденсаторов привлекают большое внимание как новые источники энергии [73]. Гибкие твердотельные суперконденсаторы обеспечивают высокую удельную мощность, длительный срок службы и потенциал для достижения относительно высокой плотности энергии.

Shi et al. недавно синтезировали трехмерный наноструктурированный проводящий полипиррольный гидрогель методом межфазной полимеризации [73]. Высокоэффективный гибкий твердотельный суперконденсатор продемонстрировал многообещающие емкостные свойства и хорошую электрохимическую стабильность при длительном циклировании. К настоящему времени многие аспекты, такие как проводимость и морфология проводящих полимерных гидрогелей, были тщательно изучены. Однако сочетание растяжимости и прозрачности является уникальным, и прежде не удавалось достичь особенно долгой стабильности.В связи с этим Hao et al. продемонстрировали простую и продуманную стратегию изготовления структурно растяжимых, электропроводящих и оптически полупрозрачных гибридных гидрогелевых сетей α-циклодекстрина, полиакриламида и полианилина в качестве электродов, которые демонстрируют высокие характеристики в применении в суперконденсаторах [74].

Гидрогели от основ до применения

1. Введение

Суперабсорбенты были впервые разработаны в начале 1960-х годов в Министерстве сельского хозяйства США путем прививки акрилонитрила (AN) на кукурузный крахмал и омыления продукта.За последние десятилетия значительный прогресс был достигнут в области гидрогелей как функциональных биоматериалов. С тех пор в группе основных мировых участников рынка суперабсорбентов Dow Chemical, Hercules, General Mills Chemical, DuPont, National Starch & Chemical, Enka (Akzo), Sanyo Chemical, Sumitomo Chemical, Kao, Nihon Starch и Japan Exlan должны быть упомянутым.

Полимерные суперабсорбенты, широко известные как гидрогели, представляют собой трехмерные (3D) сшитые высокомолекулярные соединения, способные поглощать жидкости в количествах, от 10 до 100 раз превышающих их сухую массу.Они гидрофильные, сшитые и набухающие в воде полимерные материалы. Их иногда называют умными гидрогелями, поскольку они могут поглощать до 1000 г воды. В литературе представлен ряд классификаций гидрогелей. По физико-химическим свойствам гидрогели можно разделить на разные режимы. Есть две основные группы суперабсорбентов. Первая группа — это физические гидрогели, называемые обратимыми, и они имеют трехмерную сеть, в которой полимерные цепи связаны электростатическими силами, водородными связями и гидрофобными взаимодействиями.Эти гели нестабильны и при нагревании могут быть преобразованы в полимерную смесь, например, желатин и агар. Вторая группа включает химически стабильные гели с трехмерной сеткой, в которых полимерные цепи связаны стабильными ковалентными связями. И крахмал, и виниловые мономеры, такие как акриловая кислота, акриламид, акрилонитрил и поливиниловый спирт, представляют интерес, поскольку они содержат ряд гидрофильных функциональных групп в своих структурах, таких как гидроксильные и карбоксильные группы. Ионная фаза гидрогелей обычно состоит из обеих групп, связанных с полимерными цепями (которые могут быть ионизированы), и ряда мобильных ионов — противоионов и соионов (из-за присутствия растворителя, окружающего гидрогель).Что касается источника, они могут быть природными, синтетическими и гибридными, что касается сшивки, они связаны физически и химически, а что касается разлагаемости, они могут быть биоразлагаемыми и небиоразлагаемыми. Гомополимерные, сополимерные и взаимопроникающие сети (IPN) можно распознать по способу получения [1, 2]. Гомополимерные гели содержат те же мономеры, которые являются основными структурными единицами. Сополимерные гели содержат два или более различных типа мономеров, по меньшей мере, с одним гидрофильным компонентом, тогда как взаимопроникающие полимеры или двойные сетки образуются путем набухания первой сетки в растворителе, содержащем мономеры, который затем формирует вторую структуру переплетающейся сетки.Двойные сети будут либо гидрофобными, либо гидрофильными, либо их комбинацией [3–5]. В зависимости от зарядов связанных групп гидрогели могут быть ионными (катионными или анионными), нейтральными, амфотерными (амфолитическими), содержащими как кислотные, так и основные группы, а также цвиттерионными (полибетаины), содержащими как анионные, так и катионные группы в каждой структурной повторяющейся единице. Гидрогели отклика биохимически (антигены, ферменты, лиганды), химически (pH, состав растворителя, ионная сила, молекулярные формы) или физически (температура, электрическое или магнитное поле, свет, давление, звук) чувствительны.

Типы сшивающих агентов также могут быть критерием классификации. Также возможно разделение гидрогелей на группы по их структуре: аморфные, полукристаллические, кристаллические и гидроколлоидные агрегаты [6].

Явление абсорбции жидкости является результатом разделения сети полимерных цепей, что проявляется в набухании полимерного материала, принимая гелеобразную форму [1]. Гидрогели с характерными свойствами, такими как желаемая функциональность, обратимость, стерильность и биосовместимость, удовлетворяют как материальным, так и биологическим требованиям для лечения или замены тканей и органов или функции живых тканей, а также для взаимодействия с биологической системой.В течение многих лет количество составов гидрогелей неуклонно росло, и были решены такие проблемы, как низкая растворимость, высокая кристалличность, небиоразлагаемость, неблагоприятные механические и термические свойства. Это было связано с комбинацией природных и синтетических полимеров, характеризующихся лучшим биоразложением, растворимостью, кристалличностью и биологической активностью. Чтобы избежать распада (гидрофильная линейная полимерная цепь гидрогеля может растворяться в воде из-за термодинамической совместимости полимера и воды) были предложены различные сшитые агенты.Сшивание может происходить in vitro, , во время приготовления или in vivo ( in situ, ) после нанесения. Гидрофильность гидрогелевой сетки обусловлена ​​наличием гидрофильных групп, таких как -NH ₂ , -COOH, -OH, -CONH ₂ , -CONH- и -SO ₃ H, капиллярным эффектом и осмотическим давлением. Он может быть химическим или физическим по природе. В случае химического сшивания полимерные цепи ковалентно связаны с помощью сшивающего агента, тогда как в случае физического сшивания водородное связывание, гидрофобное взаимодействие, ионное комплексообразование, модификация объема после обработки, изменение формы, биодеградация имеют место [7].

Следует помнить, что набухание гидрогелей — сложный процесс, состоящий из нескольких этапов. На первом этапе полярные гидрофильные группы матрицы гидрогеля гидратируются водой, которая появляется в виде первично связанной воды. На втором этапе вода также взаимодействует с открытыми гидрофобными группами, и образуется вторичный слой связанной воды. Как первичная, так и вторичная связанная вода составляет общую связанную воду. На третьем этапе осмотической движущей силе сети к бесконечному разбавлению противодействуют физические или химические поперечные связи, поэтому дополнительная вода абсорбируется.Вода, абсорбированная при равновесном набухании, называется объемной водой или свободной водой, которая заполняет пространства между сеткой или цепочками и центром более крупных пор. Количество воды, поглощаемой гидрогелем, зависит от температуры и конкретных взаимодействий между молекулами воды и полимерными цепями. В таблице 1 приведены детали классификации гидрогелей.

Таблица 1.

Критерий классификации гидрогелей.

2. Получение гидрогелей

Гидрогели могут быть получены в виде пленок, мембран, стержней, сфер и эмульсий. Их можно разделить на три категории: привитые полимеры крахмал-полиакрилонитрил (сополимеры крахмала), сополимеры винилового спирта и акриловой кислоты (поливиниловые спирты) и сополимеры акриламида и акрилата натрия (сшитые полиакриламиды) [8, 9] . Они могут быть физическими или химическими. Физические гели получаются благодаря физической природе процесса сшивания.Это достигается за счет таких физических процессов, как гидрофобная ассоциация, агрегация цепей, кристаллизация, комплексообразование полимерной цепи и водородная связь. С другой стороны, химический процесс, то есть химическое ковалентное сшивание (одновременно или постполимеризация), используется для получения химического гидрогеля. Физические гидрогели обратимы из-за конформационных изменений, тогда как химические гидрогели являются постоянными и необратимыми из-за изменений конфигурации. Другая категория — это гидрогели с двойной сеткой (взаимопроникающие сети), образованные комбинацией сшитых физических и химических гидрогелей за счет электростатического взаимодействия.В последнее время их применяют для преодоления недостатков использования только физических или химических гидрогелей с высокой способностью поглощать жидкость в широком диапазоне pH и более высокой чувствительностью к изменениям значения pH по сравнению с химическими гидрогелями.

Гидрогели делятся на два основных класса: природные, содержащие две основные группы на основе полипептидов (белков) и полисахаридов, и искусственные [10, 11]. Природные гидрогели обычно получают путем добавления некоторых синтетических частей на натуральные субстраты, например.ж., привитая сополимеризация виниловых мономеров на полисахаридах. Синтетический путь производства большинства синтетических гидрогелей — это свободнорадикальные многофункциональные виниловые мономеры. Каждый мономер содержит двойную углеродную связь, по которой активный центр может распространяться с образованием полимерных цепей. Реакция активных центров также зависит от растворителей, условий реакции, а также от конкретных мономеров и может быть инициирована различными факторами: теплом (термические инициаторы), светом (фотоинициаторы), ферментами (биоинициаторы) или электронными лучами.Как правило, водорастворимые природные или синтетические полимеры сшиты с образованием гидрогелей несколькими способами, такими как (i) связывание полимерных цепей с помощью химической реакции, (ii) использование ионизирующего излучения для образования свободных радикалов основной цепи, которые могут рекомбинировать в качестве поперечных соединений и (iii) физически взаимодействующих, таких как электростатика, сцепления и взаимодействия кристаллитов [12, 13]. Для образования гидрогелей можно использовать любую из различных методик полимеризации, включая полимеризацию в массе, растворе и суспензии.Три основных компонента гидрогелей — это мономеры, инициаторы и сшивающие агенты, которые могут быть разбавлены водой или любым растворителем для регулирования теплоты полимеризации. Однако его недостаток проявляется в виде примесей, оставшихся от процесса получения, содержащих непрореагировавшие мономеры, инициаторы, сшивающие агенты и побочные продукты. Гидрогели обычно получают из полярных мономеров как природного, так и синтетического происхождения путем привитой полимеризации, полимеризации с поперечными связями, образования сетки в водной среде и методами радиационного сшивания.Их краткая характеристика представлена ​​ниже.

Полимеризация в растворе (где полимеризационная среда представляет собой подходящий растворитель, который растворяет как мономеры, так и инициатор) и суспензионная полимеризация (при которой образующие мономер капли с инициатором в них полностью нерастворимы и суспендированы в растворе) являются наиболее распространенными методами. для производства разнообразных гидрогелевых сеток путем взаимодействия гидрофильных мономеров с многофункциональными сшивающими агентами и добавленными инициаторами.

Реакция полимеризации часто инициируется излучением, ультрафиолетом или химическими катализаторами. Сшивание полимеров происходит из-за химической реакции, ионизирующего излучения или физических взаимодействий, таких как запутывание, электростатика или образование кристаллитов. В случае суспензионной полимеризации мономеры и инициатор диспергируются в органической фазе. Свойства гидрогеля зависят от вязкости раствора мономера, скорости перемешивания, конструкции ротора и типа диспергатора [1, 14].В последнее время также используются радиационная полимеризация и прививка. В случае блочной полимеризации к жидкому мономеру инициатор добавляют непосредственно, и полученные гидрогели характеризуются присущей им слабой структурой, поэтому их часто прививают. Метод суспензионно-гелеобразования (метод микрокапсул) был также описан для приготовления макропористых полимерных гидрогелей [15]. Водную суспензию получают путем диспергирования микрокапсул в качестве шаблона пор (порогена) в водном растворе до геля, содержащем мономеры и сшивающие мономеры.Затем приготавливают композитный гидрогель, содержащий распределенные микрокапсулы, сополимеризацией водного раствора до геля. Наконец, макропористый гидрогель получают путем разрушения структуры микрокапсул, диспергированных в композитном гидрогеле, с помощью химической обработки. Метод суспензионного гелеобразования проводится с использованием только малотоксичных и недорогих физически сшитых микрокапсул, таких как гель альгината кальция. Привитая сополимеризация, приводящая к развитию физических и химических свойств гидрогелей, делает их отличными интеллектуальными материалами [16–18].

Гидрогели, полученные из микробных поли (γ-глутаминовой кислоты) и поли (ε-лизина), могут быть получены с помощью γ-облучения. Эти микробные поли (аминокислоты) растворимы в воде, гидродеградируемы и биоразлагаемы [19]. Также описана свободнорадикальная полимеризация различных виниловых мономеров и анилина на камеди гхатти (Gg) в различных условиях реакции [18]. Полианилин (ПАНИ) представляет собой привлекательный проводящий полимер благодаря простым методам синтеза, высокой стабильности, переменной структуре, а также уникальным оптическим, магнитным, электрическим, электрохимическим и электромеханическим свойствам.Чтобы оптимизировать их свойства, параметры реакции, такие как время синтеза, тип растворителя, pH, мощность микроволн, количество сшивающего агента, концентрация анилина, концентрация инициатора, концентрация мономера и процент набухания могут быть изменены. Как радиационные, так и термические методы поперечного сшивания недорогие, безопасные, не требуют стадии очистки и приводят к стерильным гидрогелям, если используется подходящая комбинация гидрофильных полимеров. Существует множество статей и обзоров, посвященных синтезу гидрогелей [20].

3. Методы исследования гидрогелей

Инфракрасный анализ с преобразованием Фурье (FTIR) может использоваться для анализа структуры гидрогеля, типа функциональных групп, различных стадий биодеградации, кристаллизационной деформации полимеров, влагопоглощающих свойств, для характеристики прикрепленные биомолекулы, характер взаимодействия между компонентами и др. [21–23]. В методике спектроскопии FTIR-ATR (ослабленное полное отражение) луч инфракрасного света проходит через кристалл НПВО таким образом, что он хотя бы один раз отражается от внутренней поверхности, контактирующей с образцом (более плотная среда — кристалл алмаза , включающие германий, КРС-5 и селенид цинка или кремний, характеризующиеся высоким показателем преломления и более редкой средой в виде тонкой пленки образца) должны контактировать друг с другом.Это отражение формирует исчезающую волну, которая распространяется внутрь образца. Этот метод используется для анализа как твердых, так и жидких проб. Например, в случае гидрогелей хитозана (CS), итаконовой кислоты (IA) и метакриловой кислоты (MAA) характеристические полосы связаны с валентными колебаниями N − H и −OH, а также с полосами, связанными с процессом поглощения Zn (II) были выделены. Также было обнаружено, что валентные колебания, связанные с карбоксильными группами (C = O), ослабевают после поглощения Zn (II) и сильная полоса поглощения при 1712 см ^-1 смещается в нижнее волновое число 1705 см ^-1 .Полоса поглощения при 1540 см ^-1 , отнесенная к ионным взаимодействиям между CS и кислотами, и полоса поглощения при 1165 см ^-1 , отнесенная к полосам поглощения деформации групп -OH, были усилены и сдвинуты на более высокие волновые числа после поглощения Zn (II). На основании спектров FTIR незагруженных и нагруженных гидрогелей представляется, что группы -NH ₂ , -OH и -COOH участвуют в связывании ионов Zn (II). Это подтверждает тот факт, что преобладающим типом связывания с гидрогелем являются химические взаимодействия, поскольку наблюдается сигнал, соответствующий аниону -COO [24].

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) может использоваться для оценки топографии поверхности гидрогелей и изменений химического состава поверхности после полимеризации, абсорбции и взаимодействия с активными агентами. Видны случайно сгруппированные зерна различных размеров. Еще одно следствие агломерации — появление очень крупных зерен, смещение которых оставляет после себя огромные дыры.

Метод рентгеновской дифракции (XRD) позволяет определить плоскость сетки и рассчитать размер кристаллографической ячейки.Испытания также проводятся с помощью малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS) и широкоугольного рентгеновского рассеяния (WAXS), а также дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC). Дифференциальная сканирующая калориметрия — это метод, с помощью которого измеряется разница между температурой образца и эталонных образцов. Его можно использовать для определения температур стеклования ( T _г ). Температура стеклования различна для каждого полимера, но многие полимеры имеют температуру выше T _г при комнатной температуре.Стеклование полимера связано с тепловой энергией, необходимой для изменения конформации молекул на микроскопическом уровне, и при температуре выше T _г имеется достаточная тепловая энергия для возникновения этих изменений. Однако переход не является резким и термодинамически четко определен. Следовательно, T _g зависит от архитектуры полимера, и существует несколько факторов, влияющих на переход: длина цепи, гибкость цепи, боковые группы, разветвление, поперечное сшивание, комплексообразование.Установлено, что в случае полимерных комплексов металлов T _г и температура разложения увеличивается. Например, температура разложения полимерного комплекса Cu (II) составляет 280 ° C, а температура T _г составляет около 140 ° C. Это свидетельствует о том, что термическая стабильность повышается за счет включения металла в органическую основу. Кроме того, вариант T _г полимера с включенным металлом зависит от количества ионов металла и сшивающего эффекта полимеров.На основе термогравиметрического анализа (ТГА) также можно проиллюстрировать механизм разложения гидрогелей. Первоначальная незначительная потеря веса происходит за счет удаления влаги и летучих компонентов; однако максимальная потеря веса происходит из-за устранения боковых цепей, разложения полимера основной цепи или разрушения сшитой структуры. Максимальная потеря веса, наблюдаемая после первой стадии разложения сшитых образцов, свидетельствует о химической модификации гидрогелей.Во многих случаях результаты, полученные с помощью метода ТГА и сканирующей электронной микроскопии (SEM), согласуются с улучшением термической стабильности после прививки и сшивания. В случае сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) электронный луч, представляющий собой коллимированный поток ускоренных электронов, фокусируется магнитными линзами. В случае эмиссионного сканирующего электронного микроскопа используется электронный пучок диаметром 10–50 нм. Что касается туннельного сканирующего микроскопа, ток, протекающий между содой и исследуемым материалом из-за туннельного эффекта, регистрируется, в то время как полевой сканирующий микроскоп регистрирует изменения электрического поля.Излучение, проходящее через материал, отраженное его поверхностью или рассеивающееся, содержит информацию о структуре и после синхронизации с падающим лучом используется для получения изображения. Изображения, полученные с помощью растрового электронного микроскопа, позволяют анализировать трехмерную структуру исследуемых материалов при увеличении от 20 до 100 000 раз. Используя метод SEM, можно наблюдать изменение морфологии поверхности из-за образования ковалентных связей между различными полимерными цепями, структуру материала и его пористость, а также сшивание.Внутренняя морфология синтезированных гидрогелей может быть исследована с помощью анализа поперечного сечения SEM. Например, в статье Sato et al. [15], поверхность макропористых гидрогелей в виде срезов размером менее 1 мм анализировалась с помощью стереомикроскопа. Что касается анализа SEM, набухшие образцы сушили вымораживанием, чтобы избежать усадки в процессе сушки, и замораживали с использованием жидкого азота. Затем их сушили при пониженном давлении и покрывали платиной и палладием. Гидрогели имеют разную морфологию в зависимости от процесса синтеза.Некоторые из них имеют взаимосвязанную трехмерную пористую структуру, тогда как другие имеют довольно неправильную структуру с очень большими полностью пустыми пространствами.

Что касается квазиупругого рассеяния света (QELS), то используется монохроматическое лазерное излучение. Луч монохроматического лазерного излучения отражается от поверхности образца и образует множество когерентных элементарных волн, исходящих от различных микроскопических элементов поверхности. В результате интерференции волн образуются так называемые интерференционные полосы разной интенсивности.Микрокапли воды, содержащиеся в гидрогелевом материале, вызывают дополнительные волны, отражаясь от поверхности падающего света.

Водоудерживающая способность и гидродеградация гидрогелей очень важны, особенно в связи с трудностями обработки отходов гидрогелей существующими методами из-за включения значительного количества абсорбированной воды [19]. Исследования гидролитического разложения гидрогелей можно проводить при различных температурах до 100 ° C. После помещения в деионизированную воду образцы гидрогеля нагревали и фильтровали.Количество геля, растворенного в воде, можно измерить с помощью анализатора общего органического углерода (метод TOC). Степень разложения может быть рассчитана из отношения количества отфильтрованного ТОС к общему количеству ТОС геля. Например, гидрогели не разлагались при выдержке при 40 ° C в течение 3 часов. При повышении температуры среды до 100 ° C гель разложился до 90% за 1 час. В случае 60 и 80 ° C скорость разложения увеличивалась (разлагалось 40 и 20% гидрогеля). Это было связано с тем, что плотность полимерной сетки уменьшалась из-за разрыва основной цепи полимера и увеличивалось количество удаляемого деградированного полимера.

3.1. Механические свойства

Исследование сшивки и механической прочности (сжимаемость при разрыве) основано на измерении максимального усилия зажима, изменения растворимости полимера во времени с помощью тестеров сжатия. Обычно образцы гидрогеля нарезают кубиками. Образец помещали на пластину для образцов прибора для испытания на сжатие. Плунжер сжатия опускался со скоростью 1 мм / 5 с для сжатия образца. Для гидрогелей прочность на сжатие возрастала с увеличением концентрации мономера и уменьшением дозы γ-облучения, а также с уменьшением удельного содержания воды [19, 22, 23].Гидрогели проявляют более высокую прочность на сжатие в случае более высокой концентрации мономера или большей дозы облучения. Это указывает на то, что более высокая сшитая плотность вызывает более высокую прочность гидрогеля на сжатие. Сшивание связано с набуханием ( P _s ). Он меняется в зависимости от температуры, pH и ионной силы.

4. Заявка

Согласно отчету Global Industry Analysts, Inc., мировой спрос на суперабсорбирующие полимеры достигнет 1.9 миллионов метрических тонн в ближайшие годы. Быстрый рост спроса будет наблюдаться на развивающихся рынках и в новых приложениях [25, 26]. Водорастворимые полимеры, такие как поли (акриловая кислота), поли (виниловый спирт), поли (винилпирролидон), поли (этиленгликоль), полиакриламид и некоторые полисахариды, являются наиболее распространенными системами, используемыми для образования гидрогелей [27–31]. Эти водорастворимые полимеры нетоксичны. Их физико-химические свойства, такие как хорошая стабильность как в среде набухания, так и во время хранения, способность к повторному смачиванию, хорошая впитывающая способность (максимальное равновесное набухание), хорошая скорость впитывания, размер и пористость частиц, нейтральный pH, бесцветность, запах, фотостабильность, низкое содержание растворимых и остаточных мономеров и нетоксичность, максимальная биоразлагаемость без образования токсичных групп и, наконец, низкая цена делают их пригодными для различных применений [32, 33].Среди прочего, наиболее важными являются сельское хозяйство, доставка лекарств, герметизация, обезвоживание угля, производство искусственного снега, пищевые добавки, фармацевтика, микрофлюидный контроль, биомедицинские применения, тканевая инженерия и регенеративные лекарства, диагностика, биомиметика, биосенсор / биоактуатор, биосепарация и искусственная кожа. и мышцы, повязка на раны, разделение биомолекул или клеток и барьерные материалы для регулирования биологических адгезий и биосенсора.

Следует отметить, что невозможно производить гидрогели со всеми этими характеристиками, хотя могут быть достигнуты некоторые свойства, такие как пористость, реакция на pH или температуру, например, наименьшее повторное смачивание, наибольшая скорость поглощения и наименьший остаточный мономер должен характеризовать мономеры, используемые для доставки лекарств и производства средств личной гигиены [34–37].В случае pH-чувствительных гидрогелей (анионных или катионных) они должны содержать группы, которые могут принимать или отдавать протоны в ответ на изменение pH. Анионные гидрогели обладают карбоксильными или сульфоновыми группами, и депротонирование происходит при pH выше p K _a , что вызывает их ионизацию. Это, в свою очередь, увеличивает набухание гидрогеля. Катионные гидрогели содержат аминогруппы. В этом случае ионизация происходит при pH ниже p K _b и наблюдается повышенное набухание.Было обнаружено, что концентрация, ионный заряд, значение p K _a или p K _b , тип активных групп, гидрофильность или гидрофобность, степень ионизации как гидрогеля, так и раствора очень важны. Что касается температурно-зависимых гидрогелей, их способность набухать и сжиматься при изменении температуры. Когда температура ниже верхней критической температуры раствора, гидрогели сжимаются и высвобождают растворители из матрицы, и происходит процесс дегидратации.При более высоких температурах наблюдается обратный процесс (набухание). В группе положительно-температурных гидрогелей встречаются гидрогели на основе сополимера полиакриламида и n, -бутилметакрилата (AAm-co-BMA), а также производные хитозана [27]. Группа гидрогелей с отрицательной температурой включает гидрогели с двумя гидрофильными (-CONH-) и гидрофобными (R) частями.

4.1. Сельское хозяйство и садоводство

В последнее время большое внимание привлекли исследования по использованию суперабсорбентов в качестве материалов для управления водными ресурсами в сельском хозяйстве и садоводстве.В сельском хозяйстве основная роль гидрогелей — высвобождение питательных веществ в почву. Гидрогели можно пропитать компонентами удобрений (например, растворимым фосфатом, ионами калия, соединениями азота). Химические вещества, попавшие в полимерную сеть, не могут быть немедленно вымыты водой, они постепенно попадают в почву, а затем поглощаются растениями. Самый простой способ использования суперабсорбентов в сельском хозяйстве — их смешивание с почвой. Введение поперечно-сшитых гидрогелей в корневую зону растений выделяет не только минеральные удобрения, но и пестициды.Таким образом, они используются в США в год для посева 400 000 гектаров. С этой целью использовались полиакриламид, поли (акриловая кислота) или полиметакрил и их производные, гораздо реже сшитый поли (виниловый спирт) и химически модифицированные полимеры на основе полисахаридов, такие как хитозан, пектин и карбоксиметилцеллюлоза [ 5, 38–46]. Однако использование последних значительно ограничено из-за их быстрой биоразлагаемости в почве [47]. Суперабсорбенты увеличивают влагоемкость почвы, в то же время противодействуя потерям из-за просачивания и испарения [48–50].Они противодействуют быстрым изменениям влажности почвы, действуя как буферная вода. Они также перекрывают каналы для потери воды с поверхности почвы. Эффективность процесса зависит от свойств почвы, таких как аэрация, температура и перенос питательных веществ, водопоглощение и преобразование, которые влияют на рост растений. Следовательно, можно рекомендовать применение гидрогелей на основе целлюлозы для контролируемого высвобождения воды и питательных веществ в засушливых и пустынных районах. Основное преимущество — контролируемое высвобождение воды, длительное поддержание влажности почвы, увеличение пористости почвы и, следовательно, лучшее насыщение кислородом корней растений.Было подтверждено, что количество влаги, удерживаемой в почве, зависит от концентрации суперабсорбирующих матриц на основе целлюлозы. Преимуществами этого типа гидрогелей также являются экологически чистые источники, высокая удерживающая способность, низкая стоимость и способность к биоразложению. Более того, их применение помогает снизить потребление воды для орошения, снижает смертность растений, улучшает удержание удобрений в почве и увеличивает скорость роста растений [51–54].

Что касается удобрений с медленным высвобождением в сочетании с суперабсорбентами для получения свойств медленного высвобождения и удержания воды, то они хорошо описаны в литературе.Как правило, удобрения и суперабсорбенты комбинируются двумя способами. В первом способе удобрения смешиваются с суперабсорбентами. При втором подходе к реакционной смеси добавляют удобрения и полимеризуют in situ , в результате чего они захватываются суперабсорбентами. Эти два метода всегда приводят к более высокой скорости высвобождения [55, 56].

Гидрогели также используются при выращивании саженцев. Суперабсорбенты позволяют снизить затраты, связанные с содержанием растений, повысить выживаемость посаженных культур и позволяют неинвазивно защищать рассаду различными видами вакцин, направленных на обеспечение лучшего развития растений [54].

Гидрогели как компоненты садовых субстратов увеличивают влагоемкость твердой фазы. Во время полива или дождя они связывают воду в почве, не позволяя ей просачиваться в более глубокие слои. В результате вода постоянно поступает к растениям, ограничивая водный стресс у растений [55–57]. Следует отметить, что необходимы дальнейшие исследования, поскольку большинство суперабсорбентов основано на чистом поли (метакрилате), и поэтому они слишком дороги и не подходят для солесодержащих воды и почв.Неионные полимеры имеют гораздо более низкое поглощение, но они также менее чувствительны к ионам в воде. В связи с этим многие авторы предлагают вводить неорганические глины, такие как каолин, бентонит, монтмориллонит и др., В чистые полимерные суперабсорбенты, чтобы улучшить свойство набухания, прочность гидрогеля и снизить производственные затраты [58–61].

Гидрогели также можно использовать в качестве носителя пестицидов. Например, хитозан обладает антимикробными и инсектицидными свойствами. В смеси с другими активными веществами его можно использовать в качестве матрицы для переноса биоинсектицидов, предназначенных, например, для борьбы с размножением личинок насекомых.Аналогичным образом были приготовлены, охарактеризованы и оценены микрокапсулы альгината и хитозана как система-носитель для имидаклоприда, синтетических аналогов брассиностероидов и производных диосгенина, азадирахтина и т. Д. Бионанокомпозитные материалы на основе хитозана, а также хитозана и смесей глины (с монтмориллонитом). используются как абсорбенты гербицидов [57, 58].

4.2. Пищевая промышленность и упаковочная промышленность

По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций (ФАО), численность мирового населения увеличилась до 9 человек.1 миллиард к 2050 году будет связан с увеличением мирового производства продуктов питания на 70% и удвоением производства продуктов питания в развивающихся странах [62–64]. Применение гидрогелей обеспечивает как экономические, так и экологические преимущества, поскольку позволяет избежать загрязнения грунтовых вод. Из-за использования слишком большого количества удобрений водоснабжение загрязняется. Это также может привести к эвтрофикации — ситуации, когда в воде растворенного кислорода недостаточно для выживания водных организмов. Использование удобрений с покрытием — многообещающая альтернатива для улучшения многих аспектов внесения удобрений на основе концепции контролируемого высвобождения.Основными преимуществами использования гидрогелей с контролируемым высвобождением являются регулярная и непрерывная доставка питательных веществ, низкочастотное внесение удобрений и устранение повреждения корней из-за высоких концентраций соли [65–67].

Эффективное производство продуктов питания — неотъемлемая часть продовольственных складов. Развитие концепции длительного хранения пищевых продуктов связано с использованием полимеров различного химического состава и структуры. Помимо требуемых эксплуатационных свойств, таких как химическая стойкость, физико-механические и технологические свойства, полимерные материалы, используемые в непосредственном контакте с пищевыми продуктами, также должны соответствовать высоким гигиеническим требованиям.Для этого были использованы типичные синтетические полимеры, а также широко распространенные в природе биополимеры в виде целлюлозы, крахмала, натурального каучука, шелка и различных смол. Помимо полимерного связующего, из этих компонентов производятся пластификаторы, наполнители, красители, порообразователи, смазочные вещества и другие компоненты. Самый популярный способ получения разлагаемых смесей — это смешивание натуральных и синтетических полимеров или включение неорганических наполнителей [68–70]. Гидрогели также можно применять для производства эффективных биополимерных упаковочных материалов с желаемыми свойствами.Жесткие и жесткие линейные полисахариды, смешанные с белками, имеют тенденцию образовывать гели в виде листов, мембран и покрытий [71]. Для упаковки используются несколько биополимеров, таких как крахмал, целлюлоза, хитозан, поли (молочная кислота) (PLA), поли (капролактон) (PCL), поли (гидроксибутират) (PHB). Современная тенденция в пищевой упаковке — использование смесей различных биополимеров, таких как смеси крахмал-PLA и смеси крахмал-PCL. Более глобулярные и гибкие полисахариды образуют сферические структуры [26].Перспективные применения гидрогелей в пищевой промышленности включают улучшенную упаковку (барьеры для газа и влаги), антибактериальную упаковку, мониторинг состояния продукта, нанодобавки, увеличенный срок хранения, защиту от окисления и маскировку задач.

4.3. Биомедицинские применения

Впервые поли-2-гидроксиэтилметакрилат (PHEMA) в качестве синтетического биосовместимого гидрогеля был использован для контактных линз в 1960 году. Жесткие контактные линзы в основном основаны на гидрофобных материалах, таких как полиметилметакрилат (PMMA). или поли (гекса-фторизопропилметакрилат) (HFIM), тогда как мягкие линзы основаны на гидрогелях.В настоящее время делается много попыток получить линзы с хорошей кислородной проницаемостью. С этой целью гидрофильные мономеры: 4-трет-бутил, 2-гидроксициклогексилметакрилат, метакрилоиламино-4-трет-бутил-2-гидроксициклогексан и 4-трет-бутил, 2-гидроксициклопентилметакрилат с HEMA и N-винил-2- пирролидон (НВП) [72].

Гидрогели широко используются при лечении ран. Большие раны приводят к риску инфицирования и потере большого количества жидкости. Доказано, что гидрогели хитозана и их производные ускоряют деление фибробластов и продукцию цитокинов.Количество коллагена в ранах, обработанных хитозановыми материалами, ниже, поэтому рост тканей происходит не так быстро и наблюдается образование мелких рубцов. Хитозан гипоаллергенен и обладает естественными антибактериальными свойствами, что также способствует его использованию в полевых повязках [73, 74].

Бинты были представлены компанией HemCon, Inc., которая разрабатывает рыночные технологии для остановки сильного кровотечения при травмах кожи и органов. В отличие от марли повязки из гидрогелей хитозана взаимодействуют с клетками крови (молекулы хитозана несут положительный заряд).Все наши клетки, наши клетки крови, внешние мембраны имеют отрицательные заряды. Отрицательный заряд клеток крови притягивается положительным зарядом хитозана. Как только они соприкасаются друг с другом, они сливаются и образуют плотно прилегающий сгусток на поверхности раны. Бинты HemCon ^® удобно упакованы, стабильны при комнатной температуре и просты в использовании. Будучи чрезвычайно прочными и гибкими, они могут использоваться на неровных поверхностях раны. Они также не выделяют тепла и легко удаляются водой.Другими примерами являются Granugel ^® (ConvaTec), Intrasite Gel ^® (Smith & Nephew), Purilon Gel ^® (Coloplast), Aquaflo (Covidien) или Woundtab ^® (First Water) [14].

Применение иммобилизации клеток в альгинатных гидрогелях для получения искусственных органов также очень важно. Гидрогели стимулируют поведение человеческих органов, и они чувствительны к изменениям таких условий, как pH, температура, ферменты и электрическое поле. Тот факт, что они являются гидрофильными по природе из-за реактивных групп, таких как -OH, -COOH, -NH ₂ , -CONH ₂ , -SO ₃ H, позволяет им также поглощать или удерживать большие количества воды. как содержать биоактивные материалы в своей сети.Их можно использовать в системах с контролируемым высвобождением без необходимости их удаления из-за их биосовместимости. Таким образом, наблюдается разработка pH-чувствительных биоразлагаемых и биосовместимых гидрогелей на основе полисахаридов, полипептидов и белков. Например, трансплант-сополимеры на основе полисахаридов / полианилина продемонстрировали свой потенциал для эффективного использования в различных биомедицинских целях в качестве медицинских имплантатов, протезных мышц или органов, диагностических устройств для искусственных мышц, стабилизации костных имплантатов и уменьшения тромбозов [75, 76].Используемые для изготовления мочевых катетеров, они предотвращают бактериальную колонизацию на поверхности и обеспечивают гладкую и скользкую поверхность, улучшая ее биосовместимость. Одно из перспективных применений гидрогелей было предложено Кало и Хуторянским [14]. Гидрогели можно использовать для преобразования электрохимических стимулов в механическую работу, то есть обратимое сокращение и расслабление под действием физико-химических стимулов для развития искусственных мышц, которые функционируют подобно мышцам и тканям человека, но с мышцами с электрическим приводом.Гидрогели, полученные из природных полимеров, таких как агароза, благодаря своей биосовместимости и мягким условиям гелеобразования делают их пригодными для применения в тканевой инженерии.

Гидрогели также применяются для регуляции инсулина при диабете, лечения гемофилии B, почечной недостаточности (удаление мочевины), печеночной недостаточности, выработки интерферона, лечения болезни Паркинсона, гипокальциемии и хронической боли [77–79].

4.4. Гидрогели в лечении рака

Достижения в химиотерапии привели к разработке многих инновационных гидрогелей для доставки лекарств, которые значительно улучшили прогноз и качество жизни онкологических больных.Peppas et al. [80] и Nguyen et al. [81] сообщили о применении привитых сополимерных гидрогелей PEG – PLGA для лечения рака и визуализации рака с использованием светочувствительных полимеров со свойствами чувствительности к стимулам для потенциальных биомедицинских приложений. Kanamala et al. [82] указывают на то, что pH-чувствительные гидрогели для нацеленной на опухоль доставки лекарств предоставили новую стратегию устранения ограничений традиционной химиотерапии, т.е. липосомы, покрытые полимером HPMA, для нацеливания на внеклеточный pH опухоли _ex .Casolaro et al. [83] синтезировали и изучили два акриловых гидрогеля в качестве биоматериала для загрузки и высвобождения химиотерапевтического агента цисплатина. Гидрогель, реагирующий на двойные стимулы, улучшил высвобождение видов платины (II) для химиотерапии солидных опухолей.

Наиболее интересный подход к лечению рака поджелудочной железы был предложен David et al. [84]. Рак поджелудочной железы — это смертельная форма новообразования с самым высоким уровнем смертности среди различных видов рака. Они разработали новый материал путем комбинации кверцетина и 5-фторацила, нанесенного на наночастицы хитозана.Система-носитель с двойной загрузкой лекарственного средства проявляла значительную токсичность в отношении клеток рака поджелудочной железы как в двумерных (2D), так и в трехмерных культурах.

В случае врожденных аномалий, травм или резекций опухолей применяются как биосовместимые носители, так и специальные вещества для восстановления кости. Сообщается, что многие методы с применением тканевой инженерии способствуют остеогенезу с помощью соответствующих каркасов для регенерации кости. Fujioka-Kobayashi et al. [85] создали систему доставки лекарств, которая позволяет контролируемое высвобождение белков — наногелей пуллулана, несущих холестериновые и акрилоильные группы (CHPOA).Они были агрегированы с образованием быстроразлагаемых гидрогелей (CHPOA / гидрогели) путем сшивки с тиолсодержащим полиэтиленгликолем. Два различных фактора роста, BMP2 и рекомбинантный фактор роста фибробластов 18 человека (FGF18), были применены к дефекту кости черепа критического размера для восстановления кости с помощью системы CHPOA / гидрогель. Система CHPOA / гидрогель может успешно доставить два разных белка к дефекту кости, чтобы вызвать эффективное восстановление кости. Комбинация системы CHPOA / гидрогель с факторами роста FGF18 и BMP2 может быть шагом на пути к эффективной инженерии костной ткани.

4.5. Удаление ионов тяжелых металлов

В случае удаления ионов тяжелых металлов можно учитывать различные физико-химические свойства гидрогелей [86–91]. Гидрогели (с магнитными свойствами и без них) на основе природных полисахаридов для удаления Cd (II) из водных растворов описаны в [92]. Гидрогели на основе хитозана были синтезированы с добавлением известных количеств хитозана, акриловой кислоты и метилен-бисакриламида в присутствии инициатора в виде наночастиц персульфата аммония и магнетита.Было обнаружено, что процесс сорбции меняется при добавлении магнетита в процессе синтеза гидрогелей. Что касается времени контакта, pH, начальной массы гидрогеля и начальной концентрации ионов Cd (II), было обнаружено, что гидрогели без магнитных свойств могут применяться для очистки воды и промышленных стоков, загрязненных Cd (II), более эффективно, чем с магнитными свойствами. Применение нового pH-чувствительного гидрогеля на основе хитозана в качестве сорбента для ионов Zn (II) из синтетических растворов сточных вод описано в статье Milosavljević et al.[93]. Было исследовано влияние различных переменных, таких как pH, температура, время контакта и начальная концентрация, на поглощение ионов Zn (II). Варьировали концентрацию абсорбата (4,6, 9,2 и 14,1 мг / л), pH, время поглощения (0,5–48 ч) и температуру (25, 37 и 45 ° C). Установлено, что максимальное поглощение ионов Zn (II) происходит при pH 5,5. Значение получено для максимальной сорбционной емкости 105,5 мг / г при 25 ° C. Гидрогель можно регенерировать с помощью 0,01 моль / л HNO ₃ .

Поглощение ионов Cu (II) из водных растворов гидрогелями поли (акриловая кислота-соакриламид), полученными радикальной полимеризацией в растворе, исследовали Orozco-Guareño et al.[94]. Они обнаружили, что гидрогель с меньшим количеством сшивающего агента показал самую высокую способность по отношению к Cu (II) 121 мг / г. Влияние pH раствора на эффективность процесса без растворения гидрогелей не наблюдалось. Результаты кинетики поглощения Cu (II) показали, что равновесие достигается в течение 30 мин. Данные о равновесии поглощения лучше соответствовали модели изотермы Ленгмюра. Однако влияние количества сшивающего агента было отражено в плохой аппроксимации этого уравнения изотермы, связанной с более узким межцепочечным пространством.Было высказано предположение, что ионы Cu (II) координировались через карбоксильные и амидные функциональные группы с образованием тетрадентатного поверхностного комплекса меди [94].

4.6. Удаление красителей

Гидрогели на основе (мет) акрилатов были использованы для удаления катионных красителей, например, (поли (метакриловая кислота) -привитая целлюлоза / бентонит), поли (метакрилат-акриловая кислота-винилацетат) и хитозан-прививки. -поли (акриловая кислота) для удаления метиленового синего; поли (акриловая кислота-акриламид), полу-IPN поли (акриловая кислота-акриламид-метакрилат) и амилаза и смола на основе поли (глицидилметакрилата) -сшитого прививки на основе акрилата для удаления кристаллического фиолетового, желтого 28 (BY28) [95– 97].Положительные значения энтальпии, отрицательные значения энтропии выявляют благоприятные, самопроизвольные, эндотермические процессы. Установлено, что изотермы сорбции Ленгмюра и Фрейндлиха лучше всего описывают экспериментальные данные. Максимальная сорбционная емкость, соответствующая полному покрытию монослоя, достигла 102 мг / г и 157 мг / г для гидрогелей на основе поли (метакриловой кислоты) со степенью нейтрализации мономера 0 и 80% соответственно. Также гидрогели на основе гуаровой камеди, такие как сшитые гидрогели на основе гуаровой камеди и акриловой кислоты (Gg-AA), были взаимопроникновены с PANI и оценены на проводимость, антибактериальные свойства и применение поглощения красителя [98].

5. Перспективы

Расширение знаний о гибридных или композитных гидрогелевых материалах позволяет создавать очень полезные гидрогелевые материалы с памятью формы и самовосстановления, реагирующие на раздражители. Это следствие подхода, при котором необходимы минимально инвазивные методы лечения. На переднем плане находятся те, которые определяют немедленное изменение от раствора с низкой вязкостью перед инъекцией и быстрое образование прочной сети. in situ. требует тщательного выбора подходящих сшивающих агентов, возможностей для модуляции профилей высвобождения и деградации после введения гидрогеля, защиты фармацевтических препаратов. препараты в микро- и наночастицах и др.Такие материалы также очень интересны в качестве сорбентов, потому что во время процесса набухания сетчатая структура имеет тенденцию быть более обширной, что обеспечивает доступ различных молекул к активным центрам. Следует отметить, что их можно легко и полностью регенерировать без значительного изменения их свойств.

5.1. Электропроводящие гидрогели и биосенсоры

Электропроводящие гидрогели представляют собой полимерные смеси или сети, которые объединяют интегрально проводящие электроактивные полимеры (CEP) с гидратированными гидрогелями.Электропроводящие гидрогели относятся к классу многофункциональных интеллектуальных материалов, которые сочетают в себе свойства составляющих материалов для создания технологически важных свойств для устройств и систем в качестве мембранного слоя биораспознавания в различных биосенсорах. В качестве примера можно привести биосенсоры гидрогелей на основе поли (НЕМА) и поли (анилина) (ПАНИ) со встроенным рекомбинантным цитохромом P450-2D6 и поли (НЕМА)], а также полипиррольных (PPy) гидрогелей со встроенными специфическими для аналитов можно упомянуть фермент.Такие полимеры имеют потенциальное применение в биоактивных покрытиях электродов и электрохимических устройствах.

5.2. Индикаторы

pH-чувствительные гидрогели могут применяться в современных аналитических методах, таких как дисперсионная твердофазная экстракция (DSPE), также известная как QuEChERS (быстрый, простой, дешевый, эффективный, прочный и безопасный), полутвердо-жидкая дисперсионная микроэкстракция (SSLDM) , дисперсионная жидкостно-жидкостная микроэкстракция (DLLME) и твердофазная экстракция (SPE), которые часто применяются для анализа нескольких остатков активных веществ, растительных экстрактов, пестицидов и т. д.Во многих случаях некоторые из них не содержат органических растворителей и поэтому классифицируются как зеленый аналитический метод (в этом случае не применяются высокотоксичные хлорированные экстрагенты на основе растворителей). Например, рН-чувствительные гидрогели были приготовлены из конъюгированного с катехином альгинатного гидрогеля и пирокатехинового фиолетового красителя [98]. Химическая и механическая стабильность в широком диапазоне значений pH, а также простой метод синтеза обуславливают их применение в качестве датчиков видимого света для защиты от коррозионных жидкостей (кислот и щелочей), а также радиоактивных соединений, опасных отходов и инфекционных микроорганизмов и контроля за ними.

6. Гидрогели при контролируемом высвобождении удобрений, хелатированных биоразлагаемым комплексообразователем IDS

Гидрогели нашли применение в качестве удобрений с медленным высвобождением, хотя добавление удобрений обычно вызывает снижение гидратации и влияет на их физические свойства. Другой аспект заключается в том, что большинство традиционных гидрогелей представляют собой продукты на основе полиакрилатов, поэтому они не поддаются биологическому разложению и рассматриваются как потенциальные загрязнители для почвы [99, 100]. Наша исследовательская группа недавно сосредоточила внимание на применении гидрогелей для контролируемого высвобождения удобрений на основе биоразлагаемых комплексообразователей.Доказано, что коммерческие гидрогели Luquasorb 1160 и Luquasorb 1280 могут быть использованы для абсорбции комплексов Cu (II), Zn (II), Mn (II) и Fe (III) с ИДС [101].

Было обнаружено, что скорость поглощения питательных веществ (макро- и микроэлементов) растениями зависит не только от возраста растений, но и от формы, в которой элемент поступает, и концентрации раствора. Микроэлементы применяются в виде простых комплексов или хелатов. Некоторые соединения используются в качестве комплексообразователей.Они могут быть как натуральными, так и синтетическими. В этой группе лимонная, муравьиная, аскорбиновая, пропионовая, винная, янтарная, молочная, глюконовая и салициловая кислоты или их соли K, Na и NH ₄ ⁺ , лигносульфонаты, природные и синтетические аминокислоты (глицин, цистеин и глутамин), этилендиаминтетрауксусной кислоты. Например, лимонная кислота — это естественный биоразлагаемый хелатор. Комплексы лимонной кислоты нестабильны в кислой среде из-за наличия карбоксильных групп. EDTA образует прочные водорастворимые хелаты с ионами поливалентных металлов в довольно широком диапазоне pH [102].

Жидкие удобрения, применяемые для подкормки растений, должны характеризоваться определенными свойствами, такими как соответствующее содержание и соотношение макро- и микронутриентов. Кроме того, лиганд изолирующего агента должен претерпевать метаболическое превращение или биодеградацию. Поэтому в настоящей статье был предложен новый комплексообразователь для связывания ионов питательных веществ. ISD характеризуется превосходной биоразлагаемостью.

Этот новый биоразлагаемый комплексообразующий агент, также известный как Baypure CX 100 (Laxness, Германия) или тетранатриевая соль ( N -1,2-дикарбоксиэтил) -d, 1-аспартат кислоты.Иминодисукциновая кислота относится к группе биоразлагаемых комплексообразователей нового поколения. Он экологически чистый и нетоксичный. Его получают путем термической полимеризации аспарагиновой кислоты и характеризуются чрезвычайно быстрой биодеградацией, которая составляет примерно 80% всего за 7 дней [103–105]. Он может растворяться в воде в любом соотношении. Его способность образовывать растворимые комплексы с ионами металлов, растворенными в воде, находится в диапазоне от 4 до 10. Образование комплексов IDS с ионами металлов можно описать следующим образом (уравнение.(1)):

M2 ++ Hnidsn − 4 → MHnidsn − 2E1

, где ids — иминодисукциновый лиганд, M — ион металла, n = 0–3. IDS — пентадентатный комплексообразующий агент. Он образует хелаты октаэдрической структуры со многими ионами металлов. Например, для иона Cu (II) известны следующие комплексы: [Cu (Hids)] ^— , [Cu (ids)] ^2–)] ^— , [Cu (OH) (ids) ] ³⁻. Константы устойчивости комплексов металлов с ИДС приведены в [106, 107].В нашей предыдущей работе [108] влияние химических условий на гидрогель, кинетику и поведение поглощения по отношению к ионам Cu (II), Zn (II), Mn (II) и Fe (III) в присутствии хелатирующего агента новое поколение, т.е. IDS. Исследования были проведены для изучения влияния дозы сорбента, pH раствора, начальной концентрации, а также времени контакта фаз и температуры на эффективность поглощения. Также были определены кинетические параметры на основе кинетических моделей: псевдопервого порядка (PFO), псевдовторого порядка (PSO) и внутричастичной диффузии (IPD).Из линейной зависимости изотерм Ленгмюра и Фрейндлиха определены максимальные абсорбционные способности и константы исследуемого гидрогеля по отношению к комплексам Cu (II), Zn (II), Mn (II) и Fe (III) с IDS. определяется. В настоящее время исследованы новые гидрогели, такие как TerraHydrogel ^® Aqua, THA (Terra, Польша), Agro ^® гидрогель, AH (EverChem, Польша) и гидрогель Zeba ^® , ZH (Agrecol, Польша). Их физико-химические свойства приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Физико-химические свойства гидрогелей THA, AH и ZH.

Сокращение: нет данных, не имеется.

На первом этапе исследований измерялась способность удерживать влагу ( Q _h3O %) в момент времени t . Для определения водопоглощающей способности гидрогелей применяли гравиметрический метод. Было обнаружено, что Q _h3O % значения были изменены с 34 до 89% для THA после измеренных временных интервалов [104].Для гидрогелей AH и ZH они были следующими: от 25 до 73% и от 12 до 87% соответственно (рисунок 1).

Рисунок 1.

Сравнение водопоглощающей способности Qh3O% гидрогелей (a) THA, (b) AH и (c) ZH.

На следующем этапе гидрогели THA, AH и ZH погружали в раствор NaCl (начальные концентрации в диапазоне 0,2–1,5 М) при комнатной температуре для достижения равновесия набухания. Через 24 часа образцы отделяли от раствора фильтрацией.Раствор NaCl ( Q _NaCl % ) абсорбционную способность гидрогелей THA, AH и ZH определяли путем взвешивания набухших и сухих образцов. Все эксперименты проводились трижды для получения средних значений. Было установлено, что значения Q _NaCl % были равны 10, 8 и 15% для 1,5 М раствора NaCl соответственно. Полученные результаты представлены на рисунке 2.

Рисунок 2.

Сравнение абсорбционной способности NaCl QNaCl% гидрогелей (а) THA, (b) AH и (c) ZH.

После погружения в воду и растворы NaCl полимерная сетка с отрицательным зарядом из-за наличия карбоксильных групп может поглощать и удерживать большой объем воды или солевых растворов. Как следует из литературных данных [25, 109], скорость переноса раствора может быть намного ниже, чем релаксация полимерных цепей (диффузия Фика), либо диффузия протекает очень быстро по сравнению с процессом релаксации (скорость движения воды определяется величиной релаксации), как и в промежуточном случае, скорости диффузии и релаксации сопоставимы.Эти оценки могут быть основаны на уравнении (Уравнение (2))

, где м _т — масса воды, поглощенной за время т , м _∞ — масса вода или раствор NaCl, абсорбированные при равновесии, k — характеристическая константа полимера, а n — показатель степени диффузии. Для n <0,5 скорость переноса раствора определяется механизмом диффузии Фика, для n > 0.5 динамическое набухание полимеров является основным фактором. В случае n = 0 массоперенос не зависит от времени.

Максимальное количество воды, поглощаемой THA, составляет 190 г / г для дистиллированной воды и 119 г / г для 1,5 М раствора NaCl во время его 1-го цикла гидратации (Рисунок 1). Для гидрогеля AH эти значения следующие: 165 г / г для дистиллированной воды и 98 г / г для 1,5 М раствора NaCl, для гидрогеля ZH они самые низкие: 131 г / г для дистиллированной воды и 72 г / г для 1,5. Раствор NaCl M.Было обнаружено, что абсорбция воды гидрогелями AH, ZH и THA быстрее в дистиллированной воде по сравнению с NaCl. Сравнивая полученные результаты, воспроизведенные в три этапа, было доказано, что первый этап гидратации был самым быстрым (данные не представлены). Набухание полимера в случае солевых растворов меньше из-за разницы осмотического давления.

Статические (периодические) испытания абсорбции комплексов металлов с IDS были выполнены путем нанесения 0,1 г гидрогелей THA, AH и ZH и 50 см. ³ комплексов Cu (II) с раствором IDS (в системе M (II) : IDS = 1: 1) в коническую колбу размером 100 см ³ и механически встряхивают на лабораторном шейкере в течение 1–120 мин.Процедуру повторяли трижды. Образцы встряхивали на лабораторном шейкере типа 357 (Elpin Plus). Скорость перемешивания составляла 180 об / мин. PH измеряли с помощью pH-метра CPI-505 (Elmetron, Польша). Концентрацию комплексов Cu (II) с ИДС в фильтрате определяли с помощью оптико-эмиссионного спектрометра с индуктивно связанной плазмой ICP-OES типа 720 ES (Varian, Австралия).

Количество комплексов Cu (II) с ИДС, абсорбированных на гидрогелях THA, AH и ZH, рассчитывали по разнице между исходной концентрацией и равновесной.Скорость абсорбции комплексов выражается в процентах от количества ионов металлов, абсорбированных по истечении определенного времени, относительно времени, необходимого для состояния равновесия. Это можно описать следующим образом (уравнение (3)):

Поглощающая способность ( qe _e , мг / г) THA, AH, ZH кинетическое уравнение первого порядка для гидросистемы представлена ​​как (уравнение. (4):

, где c ₀ — начальная концентрация комплексов M (II) с раствором IDS (мг / дм ³ ), c _t — концентрация M (II / III) комплексов с ИДС в водной фазе в момент времени т (мг / дм ³ ), V — объем раствора (дм ³ ) и м _д масса высушенного гидрогеля (г).Примерные результаты сорбции комплексов Cu (II) -IDS на THA представлены на рисунках 3 и 4.

Данные показывают, что количество ионов Cu (II), сорбированных гидрогелем THA, увеличивается с увеличением концентрации комплексов. . Процент абсорбции ( S %) также увеличивается с увеличением концентрации. Для комплексов Cu (II) -IDS при концентрации 100 мг / дм ³ время достижения равновесия составляет 10 мин, тогда как для концентрации 200 мг / дм ³ и 1 час равновесие достигается примерно за 20 мин. для 300 мг / дм ³ .

Рисунок 3.

Сравнение S% ионов Cu (II) в присутствии IDS при различных начальных концентрациях: (а) 100 мг / дм3, (б) 200 мг / дм3 и (в) 300 мг / дм3 на гидрогеле THA (0,1 г THA, 250–500 мкм, 100 см3 раствора Cu (II) -IDS, pH 6, 298 K).

Рисунок 4.

Сравнение кинетики поглощения ионов Cu (II) в присутствии IDS при различных начальных концентрациях: (а) 100 мг / дм3, (б) 200 мг / дм3 и (в) 300 мг / дм3 на гидрогеле THA (0,1 г THA, 250–500 мкм, 100 см3 раствора Cu (II) -IDS, pH 6, 298 K).

Для оценки кинетических параметров использовались модели псевдопервого (PFO) и второго порядка (PSO) [110, 111]. Кинетическое уравнение псевдопервого порядка представлено как (Уравнение (5))

log (qe − qt) = logqe− (k1t / 2.303) E5

, где q _e и q _t обозначают количество абсорбции в состоянии равновесия и в момент времени t (мг / г), соответственно; k ₁ — константа скорости абсорбции псевдопервого порядка (1 / мин).На основе графика log ( q _e — q _t ) от t были рассчитаны кинетические параметры. Модель псевдо второго порядка выражается как (уравнение (6))

, где qe и qt обозначают количество абсорбции в состоянии равновесия и в момент времени t (мг / г), соответственно; k ₂ — константа скорости абсорбции псевдо второго порядка (г / мг мин). Кинетические параметры рассчитывались на основе графиков т / кварта vs. т . Сравнение кинетики поглощения ионов Cu (II) в присутствии IDS при различных начальных концентрациях на гидрогеле THA, рассчитанное с помощью псевдопервой и псевдо второй кинетических моделей, представлено на рисунках 5 и 6.

Рисунок 5.

Сравнение кинетика поглощения ионов Cu (II) в присутствии IDS при различных начальных концентрациях: (а) 100 мг / дм3, (б) 200 мг / дм3 и (в) 300 мг / дм3 на гидрогеле THA, подогнанном псевдопервым кинетическая модель (0,1 г THA, 250–500 мкм, 100 см3 раствора Cu (II) -IDS, pH 6, 298 K).

Рис. 6.

Сравнение кинетики поглощения ионов Cu (II) в присутствии IDS при различных начальных концентрациях на гидрогеле THA в соответствии с псевдосекундной кинетической моделью (0,1 г THA, 250–500 мкм, 100 см3 Раствор Cu (II) -IDS, pH 6, 298 K).

Определенные кинетические параметры процесса свидетельствуют о том, что его протекание согласуется с механизмом реакции, типичным для реакции псевдовторого порядка при сорбции комплексов Cu (II) с ИДС, что подтверждается высокими значениями коэффициентов корреляции и расчетные сорбционные емкости согласуются с экспериментальными данными.Данные кинетической сорбции были лучше согласованы с использованием псевдосекундной кинетической модели, которая дала наилучшие коэффициенты корреляции R ² (> 0,99) и константу скорости k ₂ в диапазоне 0,002–0,035 для комплексы Cu (II) -IDS. Полученные данные также показывают, что константа скорости k ₂ уменьшается с увеличением исходной концентрации Cu (II) –IDS, что подтверждает увеличение времени достижения сорбционного равновесия с увеличением начальной концентрации.

Кроме того, экспериментальные данные были проанализированы в соответствии с кинетикой Вебера-Морриса (уравнение (7)), т. Е. Моделью внутричастичной диффузии (IPD), приведенной ниже [112]:

, где ki — скорость внутричастичной диффузии константа (мг / г мин ^0,5 ), C — точка пересечения, отражающая эффект пограничного слоя.

Сравнение кинетики поглощения ионов Cu (II) в присутствии IDS при различных начальных концентрациях на гидрогеле THA, подогнанное псевдопервой и псевдо второй кинетической моделями, а также моделями Вебера-Морриса, представлено на рисунках 5 и 7.

Рис.7. (II) -IDS, pH 6, 298 K).

Также было замечено, что процесс поглощения можно разделить на три стадии, где наклон соответствует скорости поглощения. На первом этапе линия регрессии с короткими пересечениями почти прошла через начало координат, предполагая, что внутричастичная диффузия не является единственным этапом контроля скорости.Более резкий наклон связывали с диффузией исследуемых комплексов на внешнюю поверхность гидрогелей или пограничный диффузионный слой. Вторая стадия подразумевала постепенное поглощение, при котором скорость внутричастичной диффузии контролировалась. По мере увеличения времени контакта влияние внешнего массопереноса на регулирование скорости абсорбции становится все более очевидным. На третьей стадии внутричастичная диффузия замедлялась из-за низкой концентрации комплексов Cu (II) -IDS. Можно сделать вывод, что внутричастичная диффузия играет доминирующую роль на первой стадии процесса сорбции.

Гидрогели THA, AH и ZH также характеризовались определением pH точки нулевого заряда pH _zpc с использованием метода дрейфа pH. Их pH в 0,01 М растворе NaCl регулировали от 2 до 12, добавляя 0,1 М NaOH и 0,1 М HCl. 0,2 г THA, AZ и ZH добавляли к 50 см ³ раствора и через 24 часа измеряли конечный pH. Как следует из предыдущих исследований, определенное значение pH _zpc для гидрогеля THA равнялось 6,9 [104]. Для гидрогелей AZ и ZH эти значения были равны 7.4 и 6.5. При pH> pH _zpc поверхностный заряд будет отрицательным, а при pH zpc положительным, и поэтому pH влияет на процесс сорбции. Во всем диапазоне pH 2–11 THA оказался наиболее эффективным для удаления комплексов Cu (II) -IDS. Как правило, абсорбция более благоприятна при значениях pH 4–10 и уменьшается при значениях pH 2 и 13. Аналогичные результаты были получены для гидрогелей AH и ZH. Однако наблюдалась небольшая потеря массы используемых гидрогелей.Поэтому для исследования стабильности (потери массы) использованных гидрогелей образцы погружали при комнатной температуре в буферные растворы с pH 1,96, 4,01, 7,0, 9,0 и 11,0 на 3 часа. Потерю массы определяли, как и ранее, гравиметрическим методом. Установлено, что при pH 11 потеря массы была наибольшей и составила 36 и 24% для гидрогелей AZ и ZH соответственно. Можно заметить, что степень набухания гидрогелей увеличивается при pH более 1,96 и резко уменьшается для образцов при pH 11.0. При pH 1,96 водородная связь между группами -OH, -CO и -COOH увеличивает плотность сшивки и, следовательно, приводит к небольшому коэффициенту набухания, особенно для гидрогеля AH. При pH 7,0 карбоксильные группы диссоциируют и водородные связи разрушаются. Между полимерными цепями возникает электростатическое отталкивание, и гидрогели THA, AH и ZH имеют тенденцию к набуханию. При pH более 7,0 полимерные цепи быстро набухают, и происходит депротонирование основных групп и диссоциация карбоксильных групп кислотных групп.

Рис. 8.

Сканирование с помощью СЭМ THA до сорбции комплексов Cu (II) –IDS.

Для использованных гидрогелей изображения сканирующей электронной микроскопии также были записаны с использованием микроскопа Quanta 3D FEG (FEI). Инфракрасные спектры ТГК с преобразованием Фурье получали с использованием метода ослабленного полного отражения (FTIR-ATR) и измеряли с помощью спектрометра FTIR Carry 630 (Agilent Technologies). Полосы при 3400 см ⁻¹ ( ν _as NH ₂ ), 3190 см ⁻¹ ( ν _с NH ₂ ) и 1687 см ⁻¹ (C = O) характерны для акриламидного звена.Характерные валентные 2 колебания при 1453 см ⁻¹ , связанные с присутствием группы –CH ₂ , а также симметричные и асимметричные валентные колебания карбоксилат-иона (COO ⁻¹ ) при 1399 и 1553 см ^{— 1} также видны [113, 114].

Следует отметить, что образцы были приготовлены до процесса сорбции (рис. 8).

7. Выводы

Сшитые гидрофильные полимеры способны поглощать большие объемы воды и солевых растворов.Таким образом, они могут найти широкое применение в биоинженерии, биомедицине, пищевой промышленности и очистке воды, а также в процессах разделения. Их также применяют при производстве удобрений замедленного высвобождения. В настоящей статье было представлено применение биоразлагаемого комплексообразователя иминодисициновой кислоты (IDS) для сорбции Cu (II) с использованием коммерчески доступных гидрогелей. Было обнаружено, что с увеличением времени контакта фаз и концентрации эффективность сорбции возрастает.Равновесное состояние устанавливается при времени контакта фаз около 10–20 мин в зависимости от комплексной концентрации исходного раствора. Определенные кинетические параметры процесса указывают на то, что его протекание согласуется с механизмом реакции, типичным для реакции псевдовторого порядка в случае сорбционных комплексов Cu (II) с ИДС, что подтверждается высокими значениями коэффициентов корреляции и рассчитанными значениями сорбции. емкости согласуются с экспериментальными данными.TerraHydrogel ^® Aqua, THA гидрогель может найти применение в контролируемом высвобождении удобрений на основе биоразлагаемого комплексообразователя.

Изменения гидрофильных / гидрофобных свойств мембраны из полиакрилонитрила / ацетата целлюлозы из нановолокна

[1]
Юн, К., Сяо, Б.С. И Чу, Б .: Журнал мембрановедения 338 (2009), 145.

[2]
Рамакришна, С., Fujihara, K., Teo, W., Lim, T. & Ma, Z .:, Введение в электроспиннинг и нановолокна, World Scientific, (2005) Сингапур.

[3]
Вс, Б., Long, Y.Z., Zhang, H.D., Li, M.M., Duvail, J.L., Jiang, X.Y. И Инь, Х.Л.,: Progress in Polymer Science 39 (2014), 862.

[4]
Люнг, В.W., Hung, C. & Yuen, P.: Технология разделения и очистки 71 (1), (2010) 30.

[5]
Чен, В., Су, Ю., Чжэн, Л., Ван, Л. и Цзян, З.,: Журнал мембранной науки 337 (2009), 98.

[6]
Хаддад, Р., Ферджани Э., Рудесли М.С. И Дератани, А.,: Опреснение 167, (2009), 403.

[7]
Натарадж, С.К., Ян, К.С. И Аминабхави Т.М .: Прогресс науки о полимерах 37 (2012), 487.

[8]
Латте, С.С., Гурав, А.Б., Марути, К.С. и Вхаткар, Р.С.: Журнал поверхностных инженерных материалов и передовых технологий 2 (2012) 76.

DOI: 10.4236 / jsemat.2012.22014

[9]
Хуанг, Ю., Саркар, Д. И Чен, X.G .: Прил. Серфинг. Sci. 356, (2015) 1012.

определение гидрофильности в Медицинском словаре

Соммерс, А., Д., Гебхарт, К., В., и Гермес, К., Дж., 2018, Роль смачиваемости поверхности на естественное конвекционное обмерзание: данные о росте мороза и новая корреляция для гидрофильных и гидрофобных поверхностей. Int.Также было замечено, что при увеличении количества поверхностно-активного вещества (Rhodasurf CET-2) наблюдалось последовательное снижение консистенции гидрофильного VPS Exp (Exp-III, 31,20 + -0,78 мм; Exp-IV, 32,00 + -0,54 ; Exp-V, 31,00 + -0,62 мм), но они не были значимыми (рис.1 и таблица 4). (16) Что касается характеристик материала ИОЛ, помутнение задней капсулы происходит чаще у гидрофильных, чем у гидрофобных ИОЛ, потому что гидрофильная поверхность обеспечивает основу для пролиферации и миграции эпителиальных клеток хрусталика, тогда как гидрофобная поверхность плотно прилегает к задней капсуле из-за своей высокой биоадгезивной природы.На приведенном выше графике показано, что автомобиль с небольшим пробегом (в данном случае — чистая сердцевина) удерживает меньше воды, так как большая часть гидрофильного покрытия присутствует. Результаты текущего исследования показывают, что, если выбор гидрофильного катетера может быть обеспечен, можно сэкономить деньги на С точки зрения стоимости, ожидается, что сегмент полимеров на мировом рынке гидрофильных покрытий будет расти с максимальным среднегодовым темпом роста в течение прогнозируемого периода. Причина в том, что со временем часть гидрофильное покрытие смывается влагой, которая конденсируется над сердечником испарителя из воздушного потока.Модификация гепарином ИОЛ ПММА изменила свойство поверхности с гидрофобной на гидрофильную, что привело к снижению адгезии воспалительных клеток и, следовательно, к лучшей биосовместимости увеальной оболочки. Конечный результат, представленный в настоящем документе, заключается в том, что образование асимметричной полости также может быть произведено простым падением полусфера, которая является гидрофобной со стороны полусферы и гидрофильной с другой. Шин и Ха 2002 измерили количество удерживаемой воды на гидрофильных теплообменниках с тремя различными формами ребер (гладкое ребро, гладкое ребро с наклонным концом, и дискретные гладкие плавники).Эти полиуретановые пленки обычно модифицированы гидрофильными функциональными группами или комбинируются с гидрофильным полимером, таким как полиэтиленоксид (ПЭО), так что они могут адсорбировать молекулы пота, которые затем диффундируют через пленку и в конечном итоге выходят через микропоры в ePTFE. сделал это путем изучения гидрофильных, липофильных, свободнорастворимых и нерастворимых связанных фенольных экстрактов с использованием метода липоксигеназа / 4-нитрозо-N, N-диметиланилин (LOX / RNO).

Гидрофильные катетеры

Гидрофильные катетеры являются предпочтительной системой катетеризации для тех, кто испытывает ощущение боли, давления или дискомфорта во время катетеризации.Гидрофильные катетеры поставляются предварительно смазанными и всегда оптимально увлажненными, что обеспечивает отличные скользящие свойства, которые обеспечивают более легкое и удобное введение. Было показано, что гидрофильные катетеры повышают удовлетворенность пациентов этим типом техники за счет снижения риска повреждения уретры из-за уменьшения трения.

Как работают гидрофильные катетеры?

Катетеры с гидрофильным покрытием имеют слой предварительно смазанного покрытия, который прикреплен к поверхности катетера.Предварительно смазанное покрытие абсорбирует и связывает воду с гидрофильным катетером, в результате чего поверхность становится толстой, гладкой и скользкой. Слой покрытия остается неповрежденным при введении в уретру и обеспечивает смазку уретры по всей ее длине.

Как активировать гидрофильный катетер

Гидрофильные катетеры содержат стерильный физиологический раствор, который может находиться в самой упаковке или в пакете из фольги. Если у катетера есть пакет, вы должны сначала высвободить или разорвать гидрофильные свойства катетера.

Для этого разверните пакет, а затем сложите пакет с водой примерно наполовину и надавите большим и указательным пальцами, чтобы лопнуть пакет и выпустить раствор. Убедитесь, что весь раствор вышел из пакета из фольги и полностью покрыл катетер. Подождите 30 секунд для полного увлажнения.

Посмотреть все гидрофильные катетеры

Заказ катетеров в компании 180 Medical гарантирован. Мы обеспечиваем высочайший уровень обслуживания и поддерживаем его.Если вы пользуетесь катетером, но никогда не обсуждали с кем-либо свой идеальный выбор катетерной продукции, позвоните нам по телефону 1-877-688-2729. Ваше здоровье слишком важно, чтобы рисковать, не используя правильные катетеры.

липидов | Определение, структура, примеры, функции, типы и факты

Липид , любое из разнообразных групп органических соединений, включая жиры, масла, гормоны и определенные компоненты мембран, которые сгруппированы вместе, поскольку они не взаимодействуют в значительной степени с водой.Один тип липидов, триглицериды, в виде жира выделяется в жировых клетках, которые служат хранилищем энергии для организмов, а также обеспечивают теплоизоляцию. Некоторые липиды, такие как стероидные гормоны, служат химическими посредниками между клетками, тканями и органами, а другие передают сигналы между биохимическими системами внутри одной клетки. Мембраны клеток и органеллы (структуры внутри клеток) представляют собой микроскопически тонкие структуры, образованные из двух слоев молекул фосфолипидов.Мембраны служат для отделения отдельных клеток от окружающей их среды и для разделения внутренней части клетки на структуры, выполняющие особые функции. Эта функция разделения на части настолько важна, что мембраны и липиды, которые их образуют, должны были иметь важное значение для происхождения самой жизни.

липидная структура

Структура и свойства двух типичных липидов. И стеариновая кислота (жирная кислота), и фосфатидилхолин (фосфолипид) состоят из химических групп, которые образуют полярные «головы» и неполярные «хвосты».«Полярные головки гидрофильны или растворимы в воде, тогда как неполярные хвосты гидрофобны или нерастворимы в воде. Молекулы липидов этого состава спонтанно образуют агрегатные структуры, такие как мицеллы и липидные бислои, с их гидрофильными концами, ориентированными в сторону водной среды, а их гидрофобные концы защищены от воды.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Популярные вопросы

Что такое липид?

Липид — это любое из различных органических соединений, нерастворимых в воде.Они включают жиры, воски, масла, гормоны и определенные компоненты мембран и действуют как молекулы-аккумуляторы энергии и химические посланники. Вместе с белками и углеводами липиды являются одним из основных структурных компонентов живых клеток.

Почему липиды важны?

Липиды представляют собой разнообразную группу соединений и выполняют множество различных функций. На клеточном уровне фосфолипиды и холестерин являются одними из основных компонентов мембран, отделяющих клетку от окружающей среды.Гормоны, полученные из липидов, известные как стероидные гормоны, являются важными химическими посредниками и включают тестостерон и эстрогены. На уровне организма триглицериды, хранящиеся в жировых клетках, служат хранилищами энергии, а также обеспечивают теплоизоляцию.

Что такое липидные рафты?

Липидные рафты — это возможные области клеточной мембраны, которые содержат высокие концентрации холестерина и гликосфинголипидов. Существование липидных рафтов окончательно не установлено, хотя многие исследователи подозревают, что такие рафты действительно существуют и могут играть роль в текучести мембран, межклеточной коммуникации и заражении вирусами.

Вода — это биологическая среда, вещество, делающее жизнь возможной, и почти все молекулярные компоненты живых клеток, будь то животные, растения или микроорганизмы, растворимы в воде. Такие молекулы, как белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, обладают сродством к воде и называются гидрофильными («водолюбивыми»). Однако липиды гидрофобны («водобоязненные»). Некоторые липиды являются амфипатическими: часть их структуры гидрофильная, а другая часть, обычно большая часть, гидрофобная.Амфипатические липиды проявляют уникальное поведение в воде: они спонтанно образуют упорядоченные молекулярные агрегаты, гидрофильные концы которых находятся снаружи, в контакте с водой, а их гидрофобные части внутри, защищенные от воды. Это свойство играет ключевую роль в их роли как основных компонентов мембран клеток и органелл.

липид; oogonium

Микрофотография оогониума (яйцеклетки некоторых водорослей и грибов), полученная с помощью просвечивающего электронного микроскопа в ложных цветах, демонстрирующая обилие липидных капель (желтый), ядра (зеленый), атипичного ядрышка (темно-синий) и митохондрий (красный).

© Jlcalvo / Dreamstime.com

Хотя биологические липиды не являются крупными макромолекулярными полимерами (например, белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды), многие из них образуются в результате химического связывания нескольких небольших составляющих молекул. Многие из этих молекулярных строительных блоков похожи или гомологичны по структуре. Гомологии позволяют разделить липиды на несколько основных групп: жирные кислоты, производные жирных кислот, холестерин и его производные, а также липопротеины. В этой статье рассматриваются основные группы и объясняется, как эти молекулы функционируют как молекулы-аккумуляторы, химические посредники и структурные компоненты клеток.

Жирные кислоты редко встречаются в природе в виде свободных молекул, но обычно находятся в составе многих сложных липидных молекул, таких как жиры (соединения, аккумулирующие энергию) и фосфолипиды (основные липидные компоненты клеточных мембран). В этом разделе описывается структура и физико-химические свойства жирных кислот. Он также объясняет, как живые организмы получают жирные кислоты как из своего рациона, так и в результате метаболического расщепления накопленных жиров.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской.Подпишитесь сегодня

Структура

Биологические жирные кислоты, члены класса соединений, известных как карбоновые кислоты, состоят из углеводородной цепи с одной концевой карбоксильной группой (COOH). Фрагмент карбоновой кислоты, не включающий гидроксильную (ОН) группу, называется ацильной группой. В физиологических условиях воды эта кислотная группа обычно теряет ион водорода (H ⁺ ) с образованием отрицательно заряженной карбоксилатной группы (COO ^— ). Большинство биологических жирных кислот содержат четное число атомов углерода, потому что путь биосинтеза, общий для всех организмов, включает химическое соединение двухуглеродных единиц вместе (хотя в некоторых организмах действительно встречаются относительно небольшие количества нечетных жирных кислот).Хотя молекула в целом нерастворима в воде благодаря своей гидрофобной углеводородной цепи, отрицательно заряженный карбоксилат является гидрофильным. Эта обычная форма биологических липидов — та, которая содержит хорошо разделенные гидрофобные и гидрофильные части — называется амфипатической.

Структурная формула стеариновой кислоты.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Помимо углеводородов с прямой цепью, жирные кислоты могут также содержать пары атомов углерода, связанных одной или несколькими двойными связями, метильными разветвлениями или трехуглеродным циклопропановым кольцом около центра углеродной цепи.