Hidrogel
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Los hidrogeles son estructuras poliméricas, de alto contenido en agua, consistencia blanda y elástica, con una gran capacidad de absorción y que no se disuelven en ningún líquido.
Sumario
Definición
No existe una definición precisa del término hidrogel, la descripción más usual se refiere a ellos como materiales poliméricos entrecruzados en forma de red tridimensional de origen natural o sintético, que se hinchan en contacto con el agua formando materiales blandos y elásticos, y que retienen una fracción significativa de la misma en su estructura sin disolverse.
Los sólidos poliméricos son especialmente aptos para formar geles gracias a su estructura de largas cadenas. La flexibilidad de estas cadenas hace posible que se deformen para permitir la entrada de moléculas de disolvente dentro de su estructura tridimensional.
Aplicaciones
Sus aplicaciones son diversas; desde la jardinería a indicaciones médicas como el tratamiento de heridas o la liberación de fármacos. Estos polímeros, considerados desde hace años una de las mejores vías de liberación de fármacos en el cuerpo, han demostrado tener muy buenas características de biocompatibilidad y unas propiedades físicas que los hacen semejantes a los tejidos vivos.
Características
Los hidrogeles presentan una serie de características particulares como son:
- Carácter hidrófilo: debido a la presencia en la estructura de grupos solubles en agua (-OH,
-COOH, -CONH2, -CONH, SO3H).
- Insolubles en agua: debido a la existencia de una red polimérica tridimensional en su estructura.
- Presentan una consistencia suave y elástica la cual está determinada por el monómero hidrófilo de partida y la baja densidad de entrecruzamiento del polímero.
- Se hinchan en agua aumentando considerablemente su volumen hasta alcanzar un equilibrio químico-físico, pero sin perder su forma. La forma no hidratada se denomina xerogel.
El entrecruzamiento en los hidrogeles es debido no sólo a uniones covalentes (enlaces σ), típicas de cualquier material entrecruzado sino también a fuerzas intermoleculares de Van der Waals y a los enlaces de hidrógeno.
En los hidrogeles existen, además, otros tipos de interacciones como son las fuerzas electrostáticas, tanto atractivas como repulsivas, uniones intermoleculares de componentes hidrófobos e interacciones iónicas.
Clasificación de los hidrogeles
Los hidrogeles pueden clasificarse de varias formas dependiendo de qué características y propiedades particulares se tomen como referencia.
En base a la naturaleza de los grupos laterales: -Neutros -Iónicos (aniónicos, catiónicos, anfolíticos).
De acuerdo a sus características mecánicas y estructurales: -En redes afines -Redes fantasma.
Dependiendo del método de preparación: -Red homopolimérica, copolimérica, multipolimérica, -Red polimérica interpenetrada.
En base a la estructura física de la red -Amorfos -Semicristalinos -Estructuras por enlaces de hidrógeno -Agregados hidrocoloidales.
Otro comportamiento
Los hidrogeles también pueden presentar un comportamiento de hinchamiento dependiente del medio externo, se dice entonces que son hidrogeles fisiológicamente sensibles. Algunos de los factores que afectan al hinchamiento de este tipo de hidrogeles incluyen el pH, temperatura, fuerza iónica y radiación electromagnética.
Aplicaciones de los hidrogeles
Sobre todas ellas destacan aquellas aplicaciones que podemos enmarcar en el campo de la biomedicina.
Lentes de contacto
Para esta aplicación se precisa que:
- la lente debe permitir la llegada de oxígeno a la córnea
- el fluido lacrimal debe formar una película entre la córnea y la lente
- la lente debe resistir la fuerza del párpado para evitar posibles inestabilidades visuales.
La clasificación de los hidrogeles para esta aplicación se hace normalmente de acuerdo con el contenido en agua de los mismos, puesto que esta característica condiciona la cantidad de oxígeno que pueden difundir.
Prótesis en tejidos
Las propiedades físicas de los hidrogeles permiten su empleo en prótesis de tejidos blandos. En implantes cerebrales, se han utilizado diferentes hidrogeles que actúan como sustrato para la cura y crecimiento de tejidos, así como en el encapsulamiento, transplante y liberación de células y en la regeneración de axones. En la reproducción de tejido cartilaginoso, en cirugía reconstructiva de la aurícula, se han empleado hidrogeles de alginato y colágeno, obteniéndose cartílagos muy parecidos a los naturales. El poli(HEMA) ha sido utilizado en prótesis de senos presentando ventajas sobre los tejidos grasos que tienden a reabsorberse, y otros materiales sintéticos como las siliconas, ya que los hidrogeles son permeables a los fluidos corporales. Los hidrogeles de poli(alcohol vinílico) y los interpenetrados (IPN), reforzados o no, presentan mejores propiedades mecánicas y se han estudiado como posibles sustitutos de los tendones, ligamentos y discos intervertebrales.
Prótesis de conductos humanos
Los hidrogeles se han empleado también en prótesis de uréter, conductos biliares y esófago.
Revestimiento de suturas
Los hidrogeles no poseen las propiedades mecánicas adecuadas para emplearlos en suturas quirúrgicas, sin embargo, su biocompatibilidad ha permitido su empleo como revestimiento de las suturas. Los beneficios de este revestimiento se manifiestan en un mayor crecimiento de las células y en la eliminación de algunos efectos nocivos que producen las suturas tradicionales.
Cirugía
Los hidrogeles se han empleado cuando se produce un desprendimiento de retina, cirugía de córnea y corrección de glaucomas.
También se han empleado hidrogeles de hialuronato de sodio en cirugía pélvica y abdominal.
Por último, podemos resaltar el uso de hidrogeles de gelatina y poli(ácido glutámico) como sellantes de los agujeros de aire que comúnmente aparecen en operaciones de tórax y de pulmón.
Hemodiálisis
La hemodiálisis es una técnica terapéutica que permite la eliminación de toxinas de la sangre en los enfermos de riñón. Aunque en esta técnica se utilizan membranas de celulosa regenerada, se han ensayado membranas que presentan permeabilidad selectiva, basadas en polímeros y copolímeros de PHEMA, N-vinilpirrolidona, ácido acrílico y acrilonitrilo.
Hemoperfusión
La hemoperfusión es una técnica terapéutica utilizada en el tratamiento de enfermos urémicos. El principal problema que presenta esta técnica es la necesidad de absorbentes biocompatibles que presenten algún grado de especificidad frente a determinadas toxinas de la sangre. Diversos tipos de carbón activado presentan una elevada área superficial y poseen gran capacidad de adsorción de ciertas toxinas, pero presentan baja compatibilidad con la sangre. Se han utilizado hidrogeles como material de revestimiento de los granos de carbón activado logrando mejorar su biocompatibilidad. Los hidrogeles que recubren las partículas de carbón activado actúan como membranas, y se suelen realizar dos tipos de revestimiento: mediante impregnación (revestimiento de la superficie de los poros) o mediante encapsulación (revestimiento total de la superficie externa).
En el tratamiento del cáncer
Los hidrogeles pueden servir para el tratamiento de enfermedades como el cáncer. El procedimiento es, en teoría, sencillo. El polímero, en el caso del hidrogel, se carga con un fármaco que puede liberarse tras detectar cambios externos (cambios de luz, de temperatura o de pH). El objetivo es parecido al de los usados para las plantas: lograr más tiempo de efectividad en las terapias controlando la dosis (las sobredosis y las "subdosis") cuando el organismo lo requiera.
Se necesitan también otras dos propiedades. La primera es liberar el fármaco sólo en las zonas afectadas por la enfermedad, es decir, "personalizar la liberación". La segunda es controlar el tamaño del hidrogel para no obstruir las vías sanguíneas. Estas dos condiciones para el uso de hidrogeles en biomedicina son precisamente las dos dificultades detectadas por los especialistas para lograr su eficacia completa.
Los tratamientos actuales no consiguen aún diferenciar entre células sanas y enfermas, de manera que todas se ven afectadas por el método terapéutico. Y aunque se consiga superar este primer problema, hay también otro problema que presentan los hidrogeles actuales: su tamaño molecular. La manera más efectiva de administrar fármacos es por vía sanguínea, ya que la sangre llega a las zonas afectadas en muy poco tiempo, pero no se pueden inyectar moléculas muy grandes porque pueden obstruir las vías o provocar problemas en el organismo, como angina de pecho e, incluso, infarto agudo de miocardio.
Nuevo gel flexible
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Un hidrogel muy flexible fue desarrollado, desde 2020 a noviembre de 2021, por grupo de investigadores de la Universidad de Cambridge (Reino Unido), liderado por Oren Scherman.
Propiedades
- Se puede doblar fácilmente.
- Permite ser moldeado de varias formas.
- Bajo mucha presión se comprime y convierte en un vidrio ultraduro.
- Cuando la presión cesa, recobra sus propiedades iniciales en menos de dos minutos a temperatura ambiente.
- Compuesto en un 80 % por agua, que se sostiene con una red de polímeros mantenida por una estructura que permite tenga distintas propiedades mecánicas dependiendo de la presión aplicada.
Una molécula macrocíclica, bautizada como cucurbituril, por su forma de calabaza (las cucurbitáceas) es la sustancia que permitió unir en una sola sustancia características que parecen contradictorias.
Usos
- En la robótica
- Bioelectrónica
- Biomedicina (verbigracia, para reemplazar el tejido cartilaginoso).
