Hidrogel
El hidrogel se define como una red tridimensional de cadenas flexibles, constituida por unos elementos conectados de una determinada manera e hinchada por un líquido. Un organogel es aquel que contiene un disolvente orgánico y un hidrogel es un gel que contiene agua. Los hidrogeles son polímeros que poseen unas características particulares. Son hidrófilos, es decir afines al agua, así como blandos, elásticos y en presencia de agua se hinchan, aumentando considerablemente su volumen, pero manteniendo su forma hasta alcanzar un equilibrio físico-químico, mientras que en estado deshidratado (xerogel) son cristalinos. Los hidrogeles son sistemas en estado coloidal con apariencia sólida como la albúmina coagulada por el calor, la gelatina gelificada por enfriamiento, la agarosa, etc. Son muy absorbentes pero mantienen estructuras bien definidas. Estas propiedades sustentan varias aplicaciones, especialmente en el área biomédica. Muchos hidrogeles son sintéticos, pero algunos se derivan de la naturaleza. El término "hidrogel" se acuñó en 1894. Las características particulares de los hidrogeles son consecuencia de muchos factores, entre ellos, cabe destacar la presencia de grupos funcionales hidrófilos (como OH, COOH, CONH2, CONH, SO3H…) en su estructura molecular. Las fuerzas cohesivas que producen el entrecruzamiento del polímero no son sólo de carácter covalente; también intervienen otras fuerzas (las fuerzas intermoleculares), como por ejemplo, las electrostáticas, hidrófobas, interacciones dipolo-dipolo o enlaces de hidrógeno. Se ha comprobado que tanto el grado como naturaleza del entrecruzamiento, la tacticidad y la cristalinidad del polímero, son los responsables de las características que aparecen en el hinchamiento del hidrogel. Los hidrogeles, debido a su biocompatibilidad, su estructura y propiedades, son cada vez más utilizados como biomateriales.
La capacidad que poseen los hidrogeles de absorber de forma reversible grandes cantidades de agua proporciona la posibilidad de ser utilizados en un gran número de aplicaciones científicas y tecnológicas prácticas. Además de las aplicaciones en las que los hidrogeles sirven para mantener la humedad de la tierra cultivada, como materiales absorbentes, membranas, microcápsulas, soporte para catalizadores, recubrimientos, productos auxiliares para la industria del papel, ligantes de productos farmacéuticos, aislamiento y fragmentación de biopolímeros y análisis, destacan aquellas que podemos enmarcar dentro del campo de la biomedicina. Este uso implica una serie de requisitos adicionales como son biocompatibilidad con los tejidos, inalterabilidad frente a procesos degradativos, y obviamente, que presenten propiedades mecánicas adecuadas para cada uso.
Los hidrogeles se preparan utilizando una variedad de materiales poliméricos, que se pueden dividir ampliamente en dos categorías según su origen: polímeros naturales o sintéticos. Los polímeros naturales para la preparación de hidrogel incluyen ácido hialurónico, quitosano, heparina, alginato y fibrina . Los polímeros sintéticos comunes incluyen poli (alcohol vinílico), polietilenglicol, poliacrilato de sodio, polímeros de acrilato y copolímeros.
Las reticulaciones que unen los polímeros de un hidrogel se clasifican en dos categorías generales: físicas y químicas. Los enlaces cruzados físicos consisten en enlaces de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas y entrelazamientos de cadenas (entre otros). Un hidrogel generado mediante el uso de enlaces cruzados físicos a veces se denomina hidrogel "reversible". Los enlaces cruzados químicos consisten en enlaces covalentes entre hebras de polímero. Los hidrogeles generados de esta manera a veces se denominan hidrogeles "permanentes".
Un método notable para iniciar una reacción de polimerización implica el uso de luz como estímulo. En este método, los fotoiniciadores, compuestos que se escinden de la absorción de fotones, se agregan a la solución precursora que se convertirá en el hidrogel. Cuando la solución precursora se expone a una fuente de luz concentrada, los fotoiniciadores se escindirán y formarán radicales libres, que comenzarán una reacción de polimerización que forma enlaces cruzados entre las hebras de polímero. Esta reacción cesará si se elimina la fuente de luz, lo que permite controlar la cantidad de enlaces cruzados formados en el hidrogel. Las propiedades de un hidrogel dependen en gran medida del tipo y la cantidad de sus enlaces cruzados, lo que hace que la fotopolimerización sea una opción popular para perfeccionar los hidrogeles. Esta técnica ha tenido un uso considerable en aplicaciones de ingeniería de células y tejidos debido a la capacidad de inyectar o moldear una solución precursora cargada con células en el sitio de la herida y luego solidificarla in situ.
Los hidrogeles también poseen un grado de flexibilidad muy similar al tejido natural debido a su importante contenido de agua. Como "materiales inteligentes" sensibles, los hidrogeles pueden encapsular sistemas químicos que, al ser estimulados por factores externos, como un cambio de pH, pueden hacer que compuestos específicos como la glucosa se liberen al medio ambiente, en la mayoría de los casos mediante una transición de gel-sol al líquido. estado. Los polímeros quimiomecánicos son en su mayoría también hidrogeles, que tras la estimulación cambian su volumen y pueden servir como actuadores o sensores.
Los hidrogeles se han investigado para diversas aplicaciones. Modificando la concentración de polímero de un hidrogel (o viceversa, la concentración de agua), el módulo de Young, el módulo de cizallamiento y el módulo de almacenamiento pueden variar de 10 Pa a 3 MPa, un rango de aproximadamente cinco órdenes de magnitud. Se puede ver un efecto similar al alterar la concentración de reticulación. Esta gran variabilidad de la rigidez mecánica es la razón por la que los hidrogeles son tan atractivos para aplicaciones biomédicas, donde es vital que los implantes coincidan con las propiedades mecánicas de los tejidos circundantes. Caracterizar las propiedades mecánicas de los hidrogeles puede ser difícil, especialmente debido a las diferencias en el comportamiento mecánico que tienen los hidrogeles en comparación con otros materiales de ingeniería tradicionales. Además de su elasticidad de caucho y viscoelasticidad, los hidrogeles tienen un mecanismo de deformación adicional dependiente del tiempo que depende del flujo de fluido llamado poroelasticidad . Es muy importante tener en cuenta estas propiedades al realizar experimentos mecánicos. Algunos experimentos de pruebas mecánicas comunes para hidrogeles son tensión, compresión (confinada o no confinada), indentación, reometría de cizallamiento o análisis mecánico dinámico .
Los hidrogeles tienen dos regímenes principales de propiedades mecánicas: elasticidad del caucho y viscoelasticidad.
En el estado no hinchado, los hidrogeles pueden modelarse como geles químicos altamente reticulados, en los que el sistema puede describirse como una red continua de polímeros. En este caso:
donde G es el módulo de corte, k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura, N p es el número de cadenas de polímero por unidad de volumen, ρ es la densidad, R es la constante del gas ideal y es el (número) peso molecular medio entre dos puntos de reticulación adyacentes. se puede calcular a partir de la relación de oleaje, Q, que es relativamente fácil de probar y medir.
Para el estado hinchado, una red de gel perfecta se puede modelar como:
En una prueba de compresión o extensión uniaxial simple, la tensión verdadera, y estrés de ingeniería, , se puede calcular como:
dónde es el tramo.
En el caso de los hidrogeles, su elasticidad proviene de la matriz polimérica sólida, mientras que la viscosidad se origina en la movilidad de la red polimérica y el agua y otros componentes que forman la fase acuosa. Las propiedades viscoelásticas de un hidrogel dependen en gran medida de la naturaleza del movimiento mecánico aplicado. Por tanto, la dependencia del tiempo de estas fuerzas aplicadas es extremadamente importante para evaluar la viscoelasticidad del material.
Los modelos físicos de viscoelasticidad intentan capturar las propiedades de material elástico y viscoso de un material. En un material elástico, la tensión es proporcional a la deformación, mientras que en un material viscoso, la tensión es proporcional a la tasa de deformación. El modelo de Maxwell es un modelo matemático desarrollado para la respuesta viscoelástica lineal. En este modelo, la viscoelasticidad se modela de forma análoga a un circuito eléctrico con un resorte Hookean, que representa el módulo de Young, y un dashpot newtoniano que representa la viscosidad. Un material que exhibe las propiedades descritas en este modelo es un material Maxwell. Otro modelo físico utilizado se llama modelo de Kelvin-Voigt y un material que sigue este modelo se llama material de Kelvin-Voigt. Para describir la fluencia dependiente del tiempo y el comportamiento de relajación de la tensión del hidrogel, se pueden utilizar una variedad de modelos de parámetros físicos agrupados. Estos métodos de modelado varían mucho y son extremadamente complejos, por lo que la descripción empírica de la serie Prony se usa comúnmente para describir el comportamiento viscoelástico en hidrogeles.
Con el fin de medir el comportamiento viscoelástico dependiente del tiempo de los polímeros, a menudo se realiza un análisis mecánico dinámico. Normalmente, en estas mediciones, un lado del hidrogel se somete a una carga sinusoidal en modo de cizallamiento mientras que la tensión aplicada se mide con un transductor de tensión y el cambio en la longitud de la muestra se mide con un transductor de deformación. Una notación utilizada para modelar la respuesta sinusoidal al esfuerzo o deformación periódica es:
donde G′ es el módulo real (elástico o de almacenamiento), G″ es el módulo imaginario (viscoso o de pérdida).
La poroelasticidad es una característica de los materiales relacionada con la migración de disolvente a través de un material poroso y la deformación concurrente que se produce. La poroelasticidad en materiales hidratados como los hidrogeles se produce debido a la fricción entre el polímero y el agua a medida que el agua se mueve a través de la matriz porosa tras la compresión. Esto provoca una disminución de la presión del agua, lo que añade estrés adicional a la compresión. Similar a la viscoelasticidad, este comportamiento depende del tiempo, por lo que la poroelasticidad depende de la velocidad de compresión: un hidrogel muestra suavidad tras una compresión lenta, pero la compresión rápida hace que el hidrogel sea más rígido. Este fenómeno se debe a que la fricción entre el agua y la matriz porosa es proporcional al flujo de agua, que a su vez depende de la tasa de compresión. Por lo tanto, una forma común de medir la poroelasticidad es realizar pruebas de compresión a diferentes velocidades de compresión. El tamaño de los poros es un factor importante que influye en la poroelasticidad. La ecuación de Kozeny-Carman se ha utilizado para predecir el tamaño de los poros relacionando la caída de presión con la diferencia de tensión entre dos velocidades de compresión.
La poroelasticidad se describe mediante varias ecuaciones acopladas, por lo que existen pocas pruebas mecánicas que se relacionen directamente con el comportamiento poroelástico del material, por lo que se utilizan pruebas más complicadas como pruebas de indentación, modelos numéricos o computacionales. Los métodos numéricos o computacionales intentan simular la permeabilidad tridimensional de la red de hidrogel.
La sensibilidad ambiental más común en los hidrogeles es una respuesta a la temperatura. Muchos polímeros / hidrogeles exhiben una transición de fase dependiente de la temperatura, que se puede clasificar como temperatura de solución crítica superior (UCST) o temperatura de solución crítica inferior (LCST). Los polímeros UCST aumentan su solubilidad en agua a temperaturas más altas, lo que lleva a que los hidrogeles UCST pasen de un gel (sólido) a una solución (líquido) a medida que aumenta la temperatura (similar al comportamiento del punto de fusión de los materiales puros). Este fenómeno también hace que los hidrogeles UCST se expandan (aumenten su proporción de hinchamiento) a medida que aumenta la temperatura mientras están por debajo de su UCST. Sin embargo, los polímeros con LCST muestran una dependencia de la temperatura inversa (o negativa), donde su solubilidad en agua disminuye a temperaturas más altas. Los hidrogeles LCST pasan de una solución líquida a un gel sólido a medida que aumenta la temperatura, y también se encogen (disminuyen su relación de hinchamiento) a medida que aumenta la temperatura mientras están por encima de su LCST.
Las aplicaciones pueden dictar diversas respuestas térmicas. Por ejemplo, en el campo biomédico, los hidrogeles LCST se están investigando como sistemas de administración de fármacos debido a que son inyectables (líquidos) a temperatura ambiente y luego se solidifican en un gel rígido al exponerlos a las temperaturas más altas del cuerpo humano. Hay muchos otros estímulos a los que los hidrogeles pueden responder, incluidos: pH, glucosa, señales eléctricas, luz, presión, iones, antígenos y más.
Las propiedades mecánicas de los hidrogeles se pueden ajustar de muchas maneras, comenzando con la atención a sus propiedades hidrófobas. Otro método para modificar la fuerza o la elasticidad de los hidrogeles es injertarlos o recubrirlos sobre un soporte más fuerte / rígido, o haciendo compuestos de hidrogel superporoso (SPH), en los que se agrega un aditivo de hinchamiento de matriz reticulable. Se ha demostrado que otros aditivos, como nanopartículas y micropartículas, modifican significativamente la rigidez y la temperatura de gelificación de ciertos hidrogeles utilizados en aplicaciones biomédicas.
Si bien las propiedades mecánicas de un hidrogel se pueden ajustar y modificar mediante la concentración de reticulación y los aditivos, estas propiedades también se pueden mejorar u optimizar para diversas aplicaciones mediante técnicas de procesamiento específicas. Estas técnicas incluyen electrohilado, impresión 3D / 4D, autoensamblaje y fundición por congelación. Una técnica de procesamiento única es mediante la formación de hidrogeles de varias capas para crear una composición de matriz que varía espacialmente y, por extensión, propiedades mecánicas. Esto se puede hacer polimerizando las matrices de hidrogel capa por capa mediante polimerización UV. Esta técnica puede ser útil para crear hidrogeles que imitan el cartílago articular, lo que permite un material con tres zonas separadas de propiedades mecánicas distintas.
Otra técnica emergente para optimizar las propiedades mecánicas del hidrogel es aprovechar la serie Hofmeister . Debido a este fenómeno, mediante la adición de solución salina, las cadenas de polímero de un hidrogel se agregan y cristalizan, lo que aumenta la tenacidad del hidrogel. Este método, llamado "salado", se ha aplicado a los hidrogeles de poli (alcohol vinílico) mediante la adición de una solución de sal de sulfato de sodio. Algunas de estas técnicas de procesamiento se pueden utilizar de forma sinérgica entre sí para producir propiedades mecánicas óptimas. La congelación direccional o la fundición por congelación es otro método en el que se aplica un gradiente de temperatura direccional al hidrogel y es otra forma de formar materiales con propiedades mecánicas anisotrópicas. Utilizando las técnicas de procesamiento de fundición por congelación y de salado en hidrogeles de poli (alcohol vinílico) para inducir morfologías jerárquicas y propiedades mecánicas anisotrópicas. La congelación direccional de los hidrogeles ayuda a alinear y fusionar las cadenas de polímero, creando estructuras anisotrópicas en forma de panal en forma de tubo, mientras que la salazón del hidrogel produjo una red de nano-fibrillas en la superficie de estas estructuras en forma de panal. Mientras mantienen un contenido de agua de más del 70%, los valores de tenacidad de estos hidrogeles están muy por encima de los de los polímeros libres de agua como el polidimetilsiloxano (PDMS), el kevlar y el caucho sintético. Los valores también superan la tenacidad del tendón natural y la seda de araña.
La síntesis de un hidrogel es, en esencia, un proceso de polimerización con una serie de peculiaridades que dependen de las características específicas de dichos materiales. Además del disolvente, monómero, mecanismo de iniciación… habrá que introducir otros elementos nuevos como son el agente entrecruzante y, eventualmente, un desmoldeante que evite la adhesión del hidrogel a las paredes del recipiente donde se lleve a cabo la reacción. Dada la definición de un hidrogel como la de un gel que contiene agua, está claro que éste será el medio disolvente más habitual en su síntesis, lo que no impide que en algunos casos se utilicen otros disolventes (puros o mezclas binarias) que posteriormente serán eliminados hasta formar el xerogel (red polimérica sin ningún líquido en su interior) para, finalmente, volver a ser solvatado, esta vez con agua.
Cuando se sintetizan hidrogeles, puede elegirse un gran número de monómeros: con sustituyentes laterales no ionizables (N-metilol acrilamida, N-vinil-2-pirrolidona, metracrilato de 2-hidroxietilo…), con grupos funcionales ionizables (los ácidos metracrílico, acrílico, estiren sulfónico, vinil sulfónico, itacónico… Derivados de 2-vinilpiridina, 4-vinilpiridina, vinilamina, etilamina…), con grupos laterales cargados zwiterionicos (la parte activa o liófila tiene simultáneamente carga positiva y negativa).
Independientemente del tipo de polimerización y de los monómeros que se utilicen, es necesario emplear un agente desencadenante de la reacción de polimerización o iniciador. Los sistemas de iniciación que pueden emplearse son los habituales en la síntesis de polímeros:
Los métodos de síntesis que aparecen en la literatura se basan fundamentalmente en reacciones de copolimerización, en las cuales uno de los monómeros tiene carácter hidrófobo y el otro hidrófilo. Las técnicas empleadas pueden englobarse en 2 grandes grupos:
Es preciso señalar que en la síntesis de hidrogeles, la elección del agente entrecruzante es fundamental a la hora de optimizar las propiedades del material a sintetizar. Generalmente el agente entrecruzante se utiliza en un porcentaje muy bajo en comparación con la del total de monómero o comonómeros que se utiliza en la reacción de polimerización. Estos agentes entrecruzantes han de poseer de varios grupos reactivos en su estructura molecular, para así poder entrecruzar distintas cadenas poliméricas, siendo habituales las tetra- y hexafuncionales. Entre los destacables está el dimetilacrilato de etilenglicol (EGDMA), muy utilizado en la síntesis de hidrogeles de Poli(2-hidroxietil metacrilato) (PHEMA). No hay que olvidar, que un elevado grado de entrecruzamiento (número de entrecruzamientos que existen por unidad de volumen) hace que el polímero presente poca elasticidad, mientras que en el caso contrario, permite desplazamientos entre las distintas cadenas poliméricas y conduce a altas elasticidades.
Cuando se prepara un hidrogel es preciso asegurarse que tras la polimerización, éste podrá ser extraído del recipiente en el que se ha obtenido. Para ello es necesario impregnar la superficie del recipiente utilizado con un compuesto que evite la adhesión del hidrogel a dicha superficie (desmoldante). Un ejemplo: el diclorometilsilano, que al ser volátil se puede eliminar fácilmente.
La caracterización de hidrogeles dependerá de su aplicación final. En general, consiste ambas caracterizaciones física y química. El objetivo de la caracterización física es cuantificar la rigidez (Reología) y/o fluidez así como el contenido en agua, y su degradación. En cuanto a la caracterización química, se busca conocer la composición del polímero, y productos finales en caso de que haya degradación del hidrogel durante o después de su aplicación. En el caso de hidrogeles para fines biomédicos, habrá que incluir estudios in vitro para evaluar su biocompatibilidad (e in vivo en caso positivo).
Se están investigando materiales de hidrogel natural para la ingeniería de tejidos; estos materiales incluyen agarosa, metilcelulosa, hialuronano, polipéptidos similares a elastina y otros polímeros de origen natural. Los hidrogeles son prometedores para su uso en agricultura, ya que pueden liberar productos agroquímicos, incluidos pesticidas y fertilizantes fosfatados, lentamente, aumentando la eficiencia y reduciendo la escorrentía, y al mismo tiempo mejoran la retención de agua en suelos más secos como los margosos arenosos.
Se han investigado los hidrogeles para la administración de fármacos. Los sistemas de administración de fármacos poliméricos han superado el desafío debido a su biodegradabilidad, biocompatibilidad y antitoxicidad. Materiales como colágeno, quitosano, celulosa y poli (ácido láctico-co-glicólico) se han implementado ampliamente para la administración de fármacos a diversos órganos del cuerpo humano como: el ojo, nariz, riñones, pulmones., intestinos, piel, y cerebro. El trabajo futuro se centra en una mejor anti-toxicidad de los hidrogeles, variando las técnicas de ensamblaje de los hidrogeles haciéndolos más biocompatibles y la entrega de sistemas complejos como el uso de hidrogeles para administrar células terapéuticas.