Wydrukuj tę stronę
niedziela, 03 marca 2013 14:18

Naprawi się sam - hydrożel Wyróżniony

Napisał 
Oceń ten artykuł
(3 głosów)

Samonaprawa to jedna z najistotniejszych właściwości tkanek żywych, która pozwala im przetrwać powtarzające się uszkodzenia. Przez wiele lat naukowcy próbowali stworzyć sztuczny materiał o podobnych zdolnościach, niestety bezskutecznie. Dziś możemy powiedzieć, że im się to udało. W laboratoriach Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego (UCSD) powstał samonaprawiający się żel, który z pewnością znajdzie zastosowanie w medycynie oraz w wielu innych dziedzinach naszego życia. Zespół Shyni Varghese stworzył hydrożel, który wiąże się w ciągu zaledwie kilku sekund, w dodatku na tyle mocno, że wytrzymuje wielokrotne rozciąganie.

Te wyglądające jak żelki struktury widoczne na zdjęciu powyżej to cząsteczki pierwszego na stałe usieciowanego hydrożelu, który naśladuje właściwości samonaprawcze żywej tkanki. Może nie są one słodkie jak żelki, natomiast słodka jest myśl, iż jesteśmy w stanie coraz lepiej udoskonalać wytwarzane przez nas struktury do wręcz idealnych układów występujących w przyrodzie.

Hydrożel ? budowa, właściwości

Najprostszym przykładem hydrożelu jest galaretka z żelatyny. Hydrożel jest to dwu lub więcej kompartmentowa substancja, która składa się z trójwymiarowej sieci łańcuchów polimerowych (substancja żelująca) i wody, która wypełnia przestrzenie pomiędzy makrocząsteczkami . Ze względu na dużą zawartość wody w swojej strukturze, ich elastyczność przypomina tkanki miękkie.

W hydrożelach poddanych sorpcji nie można wyodrębnić, tak jak w przypadku zawiesin czy emulsji, fazy rozpraszającej, gdyż woda i polimer wzajemnie się przenikają.

Uzyskanie błyskawicznie regenerujących się żeli było przedtem niemożliwe, przez co ich zastosowania były w dużym stopniu ograniczone. Zespół z San Diego tworząc hydrożel o nazwie A6ACA poradził sobie z tym wyzwaniem, wykorzystując wolne łańcuchy boczne. Wystają one ze struktury pierwotnej (pierwszorzędowej) i mogą się wzajemnie o siebie zaczepiać.

Podczas projektowania cząsteczek łańcuchów bocznych zespół wykorzystał symulacje komputerowe. Ujawniły one, że zdolność hydrożelu do samonaprawy zależy od długości łańcuchów bocznych. Hydrożele o optymalnej długości łańcuchów bocznych cząsteczek wykazują się najsilniejszymi właściwościami regeneracyjnymi. Jeżeli łańcuchy polimerowe są zbyt krótkie, nie są w stanie stworzyć dwóch hydrożelowych, naprzeciwległych powierzchni. Zaś jeżeli są zbyt długie, powrócą z powrotem do hydrożelu poprzez zjawisko zwane hydrofobowością. Podobnie jak olej nie miesza się z wodą, w długich łańcuchach bocznych cząsteczki nie oddziałują z cząsteczkami wody, ponieważ nie mogą osiągnąć na całej powierzchni hydrożelu zdolności do tworzenia wiązań.

Kiedy w kwasowym roztworze umieszczano dwa cylindry z hydrożelu z łańcuchami bocznymi o optymalnej długości, natychmiast do siebie przywierały. Zachowanie się hydrożelu można zaobserwować w filmie na stronie pod adresem: http://www.youtube.com/watch?v=wZhwGfOnydY.

Dalsze próby pokazały, że manipulując pH roztworu, kawałki hydrożelu można łatwo spajać przy niskim pH lub rozłączać (pH wysokie). Co ważne proces wielokrotnie powtarzano, bez szkody dla siły związania.

Zastosowania hydrożelu

Bioinżynierowie stworzyli żel, który posiada właściwości tkanek biologicznych, jest to niewątpliwie jedno z ważniejszych odkryć w dziedzinie inżynierii materiałowej. Taki produkt będzie miał  zatem wiele potencjalnych zastosowań. Z wielu wysuwanych propozycji, główną rolę odgrywają te na polu medycyny, są to między innymi: miękkie soczewki kontaktowe, opatrunki ran i oparzeń, kleje chirurgiczne, medyczne implanty i systemy, które będą odpowiedzialne za systematyczne dostarczania leków. Natomiast specjaliści sugerują, że to dopiero początek zastosowań tego wszechstronnego materiału.

Ten nowy rodzaj inteligentnego biomateriału może stworzyć ekscytujące możliwości nie tylko w dziedzinie ochrony zdrowia, ale także przemysłu i badań naukowych. Na przykład w tworzeniu obudów do telefonów, laptopów i innych urządzeń z samo naprawiającego się plastiku, co oznaczałoby brak rys oraz uszkodzeń. Kolejnym zastosowaniem może być wykorzystanie takiego materiału jako uszczelniacza przemysłowego do uszczelniania pojemników z różnymi niebezpiecznymi substancjami.

Wysoka wytrzymałość i elastyczność hydrożelu w środowisku kwaśnym, takim jak w żołądku, stwarza możliwości radzenia sobie z takimi problemami jakimi są łatanie perforacji żołądka, oraz leczenie wrzodów (przez systematyczne dostarczanie leków).

Największym wyzwaniem Amerykańskich naukowców w przyszłości będzie opracowanie hydrożeli działających także przy innych niż kwasowych wartościach pH.

Literatura

[1] Rapid self-healing hydrogels - Ameya Phadkea, Chao Zhanga, Bedri Armanb, Cheng-Chih Hsuc, Raghunath A. Mashelkard, Ashish K. Leled, Michael J. Tauberc, Gaurav Aryab, and Shyni Varghesea, 2012.

[2] Hydrożele jako nowoczesna postać leku ? Katarzyna Sosnowska, 2009.

[3] http://www.pnas.org/

[4] http://pl.wikipedia.org

[6] Hydrogels for biomedical applications, Adv Drug Deliv Rev - A.S. Hoffman, 2002.

[7] http://www.jacobsschool.ucsd.edu/

Czytany 14267 razy Ostatnio zmieniany niedziela, 17 listopada 2013 16:34
Marcin Dziemianowicz

Jest w trakcie studiów inżynierskich na Politechnice Białostockiej, na kierunku inżynieria biomedyczna, specjalność: protetyka, ortotyka i inżynieria rehabilitacji. Interesuję się głównie projektowaniem, nowymi technologiami w medycynie, protetyką specjalną, a także inżynierią oceaniczną

Najnowsze od Marcin Dziemianowicz

2 komentarzy