هيدروجيل

علم البوليمر
ملكيات بنيان التكتيك علم التشكل التدهور سلوك المرحلة نظرية مارك-هوينك جامعة العلوم والتكنولوجيا في كاليفورنيا إل سي تي نظرية الحل فلوري-هوجينز انتقال الملف-الكرة
توليف بلمرة نمو السلسلة بلمرة الجذور الحرة البلمرة الجذرية المتحكم بها برنامج مكافحة الإرهاب طوف البلمرة الجذرية بوساطة النيتروكسيد البلمرة المتدرجة النمو البلمرة التكثيفية البلمرة الإضافية
تصنيف نوع وظيفي بولي أوليفين البولي ايثيلين البولي بروبلين بولي ايزوبوتيلين البولي يوريثين البوليستر بولي كربونات بوليمرات الفينيل بولي فينيل كلوريد بولي فينيل كلوريد بولي فينيل كلوريد البوليسترين بناء متجانس البوليمر كوبوليمر الهلاميات الهلاميات المائية الهلاميات المائية ذاتية الشفاء
التوصيف جي بي سي تحويل فورييه للأشعة تحت الحمراء علم البلورات بالأشعة السينية DSC الرنين النووي المغناطيسي تي جي ايه DMA علم الروماتيزم قياس الروماتيزم قياس اللزوجة
العلماء فلوري هيجر ماكديارميد شيراكاوا ناتا إدواردز دي جينيس زيجلر ستودينجر جوديير بايكلاند هايوورد براكونوت
التطبيقات الإنتاج الصناعي البثق نفخ القوالب الطلاءات المطبقة الطلاءات الواقية الطباعة ثلاثية الأبعاد المنتجات الاستهلاكية الإطارات الجدران البيضاء أواني الطبخ وأواني الخبز الباكليت حاوية طعام أسطوانة فينيل كيفلر زجاجة بلاستيكية كيس بلاستيكي
ف ت هـ

الهلام المائي هو مادة ثنائية الطور ، وهي عبارة عن خليط من المواد الصلبة المسامية والنفاذة وما لا يقل عن 10% من الماء أو سائل بيني آخر . ^{[1] [2]} الطور الصلب عبارة عن شبكة ثلاثية الأبعاد غير قابلة للذوبان في الماء من البوليمرات ، والتي تمتص كمية كبيرة من الماء أو السوائل البيولوجية. ^{[2] [3] [4] [5]} للهلام المائي العديد من التطبيقات، وخاصة في المجال الطبي الحيوي، مثل ضمادة الهيدروجيل . العديد من الهلام المائي اصطناعية، ولكن بعضها مشتق من مواد طبيعية. ^{[6] [7]} تم صياغة مصطلح "الهلام المائي" في عام 1894. ^[8]

تنقسم الروابط المتصالبة التي تربط بوليمرات الهيدروجيل إلى فئتين عامتين: الهيدروجيل الفيزيائي والهيدروجيل الكيميائي. تحتوي الهيدروجيل الكيميائي على روابط متصالبة تساهمية ، بينما تحتوي الهيدروجيل الفيزيائي على روابط غير تساهمية . ^{[ بحاجة لمصدر ]} يمكن أن ينتج عن الهيدروجيل الكيميائي هلامات عكسية قوية أو غير قابلة للعكس بسبب الرابطة التساهمية. ^[9] الهيدروجيل الكيميائي الذي يحتوي على روابط متصالبة تساهمية عكسية، مثل الهلاميات المائية للثيومرات المتصالبة عبر روابط ثاني كبريتيد، غير سام ويستخدم في العديد من المنتجات الطبية. ^{[10] [11] [12]} عادةً ما يكون للهلام الفيزيائي توافق حيوي عالي، وهو غير سام، ويمكن عكسه بسهولة عن طريق تغيير حافز خارجي مثل الرقم الهيدروجيني أو تركيز الأيونات ( الجينات ) أو درجة الحرارة ( الجيلاتين )؛ كما يستخدم أيضًا في التطبيقات الطبية. ^{[13] [14] [15] [16] [17]} تتكون الروابط المتقاطعة الفيزيائية من روابط هيدروجينية وتفاعلات كارهة للماء وتشابكات سلسلة (من بين أمور أخرى). يُطلق أحيانًا على الهلام المائي الناتج عن استخدام الروابط المتقاطعة الفيزيائية اسم "هلام مائي قابل للعكس". ^[13] تتكون الروابط المتقاطعة الكيميائية من روابط تساهمية بين خيوط البوليمر. تسمى الهلاميات المائية الناتجة بهذه الطريقة أحيانًا "هلاميات مائية دائمة".

يتم تحضير الهلام المائي باستخدام مجموعة متنوعة من المواد البوليمرية ، والتي يمكن تقسيمها على نطاق واسع إلى فئتين وفقًا لأصلها: البوليمرات الطبيعية أو الاصطناعية. تشمل البوليمرات الطبيعية لإعداد الهيدروجيل حمض الهيالورونيك والكيتوزان والهيبارين والألجينات والجيلاتين والفيبرين . ^[18] تشمل البوليمرات الاصطناعية الشائعة كحول البولي فينيل وبولي إيثيلين جليكول وبولي أكريلات الصوديوم وبوليمرات الأكريلات والبوليمرات المشتركة منها. ^[6] في حين أن الهلام المائي الطبيعي غير سام عادةً، وغالبًا ما يوفر مزايا أخرى للاستخدام الطبي، مثل التوافق الحيوي والقابلية للتحلل البيولوجي والتأثير المضاد للبكتيريا / المضاد للفطريات وتحسين تجديد الأنسجة القريبة، فإن ثباته وقوته عادة ما يكون أقل بكثير من الهلام المائي الاصطناعي. ^[19] هناك أيضًا هيدروجيل صناعي يمكن استخدامه للتطبيقات الطبية، مثل بولي إيثيلين جليكول (PEG) وبولي أكريلات وبولي فينيل بيروليدون (PVP) . ^[20]

هناك آليتان مقترحتان وراء تكوين الهلام المائي الفيزيائي، الأولى هي تجلط تجمعات الببتيد النانوية الليفية ، والتي تُلاحظ عادةً في سلائف الببتيدات القليلة . تتجمع السلائف ذاتيًا في ألياف أو أشرطة أو أنابيب أو شرائط تتشابك لتكوين روابط متقاطعة غير تساهمية. تتضمن الآلية الثانية تفاعلات غير تساهمية للمجالات المترابطة المفصولة بروابط قابلة للذوبان في الماء، وعادةً ما يُلاحظ ذلك في الهياكل الأطول متعددة المجالات. ^[21] ضبط التفاعلات فوق الجزيئية لإنتاج شبكة ذاتية الدعم لا تترسب، وهي أيضًا قادرة على تثبيت الماء وهو أمر حيوي لتكوين الهلام. تحتوي معظم الهلاميات القليلة الببتيد على بنية صفائح بيتا ، وتتجمع لتكوين ألياف، على الرغم من الإبلاغ أيضًا عن ببتيدات حلزونية ألفا . ^{[22] [23]} تتضمن الآلية النموذجية للتكوين الهلامي تجميع أسلاف الببتيدات الصغيرة ذاتيًا في ألياف تصبح ممدودة، وتتشابك لتكوين هلاميات مترابطة.

تتضمن إحدى الطرق البارزة لبدء تفاعل البلمرة استخدام الضوء كمحفز. في هذه الطريقة، تتم إضافة المبادرات الضوئية ، وهي المركبات التي تنشطر من امتصاص الفوتونات، إلى محلول السلف الذي سيصبح هيدروجيل. عندما يتعرض محلول السلف لمصدر مركّز من الضوء، عادةً الأشعة فوق البنفسجية ، فإن المبادرات الضوئية تنشطر وتشكل جذورًا حرة، والتي ستبدأ تفاعل بلمرة يشكل روابط متقاطعة بين خيوط البوليمر. سيتوقف هذا التفاعل إذا تمت إزالة مصدر الضوء، مما يسمح بالتحكم في كمية الروابط المتقاطعة المتكونة في الهيدروجيل. ^[24] تعتمد خصائص الهيدروجيل بشكل كبير على نوع وكمية الروابط المتقاطعة، مما يجعل البلمرة الضوئية خيارًا شائعًا لضبط الهلاميات المائية بدقة. شهدت هذه التقنية استخدامًا كبيرًا في تطبيقات هندسة الخلايا والأنسجة بسبب القدرة على حقن أو تشكيل محلول سلف محمل بالخلايا في موقع الجرح، ثم تجميده في مكانه. ^{[25] [24]}

يمكن تحضير الهلاميات المائية المتشابكة فيزيائيًا بطرق مختلفة اعتمادًا على طبيعة الارتباط المتشابك المعني. عادةً ما يتم إنتاج هيدروجيلات كحول البولي فينيل بتقنية التجميد والذوبان. في هذه التقنية، يتم تجميد المحلول لبضع ساعات، ثم إذابته في درجة حرارة الغرفة، وتتكرر الدورة حتى يتكون هيدروجيل قوي ومستقر. ^[26] تتشكل هيدروجيلات الألجينات من خلال التفاعلات الأيونية بين الألجينات والكاتيونات المشحونة المزدوجة. يتم إذابة الملح، عادةً كلوريد الكالسيوم ، في محلول ألجينات الصوديوم المائي، مما يتسبب في تكوين أيونات الكالسيوم روابط أيونية بين سلاسل الألجينات. ^[27] تتشكل هيدروجيلات الجيلاتين من خلال تغير درجة الحرارة. يشكل محلول مائي من الجيلاتين هيدروجيلًا عند درجات حرارة أقل من 37-35 درجة مئوية، حيث تصبح تفاعلات فان دير فالس بين ألياف الكولاجين أقوى من الاهتزازات الجزيئية الحرارية. ^[28]

تمتلك الهلاميات المائية القائمة على الببتيد خصائص توافق حيوي وقابلية للتحلل البيولوجي استثنائية ، مما أدى إلى استخدامها على نطاق واسع في التطبيقات، وخاصة في الطب الحيوي؛ ^[2] وعلى هذا النحو، يمكن ضبط خصائصها الفيزيائية من أجل تعظيم استخدامها. ^[2] الطرق للقيام بذلك هي: تعديل تسلسل الأحماض الأمينية ، ودرجة الحموضة ، والكيرالية ، وزيادة عدد البقايا العطرية . ^[29] ترتيب الأحماض الأمينية داخل التسلسل أمر بالغ الأهمية للتكوين الهلامي، كما تم توضيحه عدة مرات. في أحد الأمثلة، شكل تسلسل ببتيد قصير Fmoc-Phe-Gly هيدروجيل بسهولة، بينما فشل Fmoc-Gly-Phe في القيام بذلك نتيجة لتحريك المجموعتين العطريتين المتجاورتين، مما أعاق التفاعلات العطرية. ^{[30] [31]} يمكن أن يكون لتغيير الرقم الهيدروجيني أيضًا تأثيرات مماثلة، ومن الأمثلة على ذلك استخدام ثنائيات الببتيد المعدلة بالنفتالين (Nap) Nap-Gly-Ala وNap-Ala-Gly، حيث أدى انخفاض الرقم الهيدروجيني إلى تجلط الأول، لكنه أدى إلى تبلور الأخير. ^[32] تعد طريقة تقليل الرقم الهيدروجيني المتحكم فيها باستخدام جلوكونو-δ-لاكتون (GdL)، حيث يتم تحلل GdL إلى حمض الجلوكونيك في الماء، استراتيجية حديثة تم تطويرها كطريقة لتكوين هلام مائي متجانس وقابل للتكرار. ^{[33] [34]} يكون التحلل المائي بطيئًا، مما يسمح بتغيير موحد في الرقم الهيدروجيني، وبالتالي ينتج عنه هلام متجانس قابل للتكرار. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحقيق الرقم الهيدروجيني المطلوب عن طريق تغيير كمية GdL المضافة. تم استخدام GdL عدة مرات لتكوين هلام مائي لثنائيات الببتيد Fmoc وNap. ^{[33] [34]} في اتجاه آخر، أفاد موريس وآخرون باستخدام GdL كـ "محفز جزيئي" للتنبؤ بترتيب التجلط والتحكم فيه. ^[35] تلعب الكيرالية أيضًا دورًا أساسيًا في تكوين الهلام، وحتى تغيير كيرالية حمض أميني واحد من حمضه الأميني الطبيعي L إلى حمضه الأميني غير الطبيعي D يمكن أن يؤثر بشكل كبير على خصائص التجلط، مع عدم تكوين الأشكال الطبيعية للهلام. ^[36] علاوة على ذلك، تلعب التفاعلات العطرية دورًا رئيسيًا في تكوين الهيدروجيل نتيجة لتكديس π- π الذي يقود التجلط، كما أظهرت العديد من الدراسات. ^{[37] [38]}

تتمتع الهلاميات المائية أيضًا بدرجة من المرونة تشبه إلى حد كبير الأنسجة الطبيعية نظرًا لمحتواها المائي الكبير. وباعتبارها " مواد ذكية " مستجيبة، يمكن للهلاميات المائية تغليف أنظمة كيميائية قد تتسبب عند تحفيزها بعوامل خارجية مثل تغيير درجة الحموضة في تحرير مركبات معينة مثل الجلوكوز إلى البيئة، في معظم الحالات عن طريق انتقال الجل إلى الحالة السائلة. البوليمرات الكيميائية الميكانيكية هي أيضًا في الغالب هيدروجيليات، والتي تغير حجمها عند التحفيز ويمكن أن تعمل كمشغلات أو أجهزة استشعار .

• مضخة دقيقة تعتمد على شريط هيدروجيل (حجم 4×0.3×0.05 مم) يتم تشغيلها عن طريق الجهد المطبق. يمكن تشغيل هذه المضخة بشكل مستمر باستخدام بطارية 1.5 فولت لمدة 6 أشهر على الأقل. ^[39]
• 
  مصفوفة هلامية مائية قصيرة القاعدة، قادرة على حمل ما يعادل حوالي مائة ضعف وزنها من الماء. تم تطويرها كضمادة طبية.
• 
  صورة لنفس الهلام المائي ذو القاعدة القصيرة من الببتيد، مثبتًا بالملقط لإظهار صلابته وشفافيته.

تم التحقيق في الهلاميات المائية لتطبيقات متنوعة. من خلال تعديل تركيز البوليمر في الهيدروجيل (أو على العكس من ذلك، تركيز الماء)، يمكن أن يختلف معامل يونج ومعامل القص ومعامل التخزين من 10 باسكال إلى 3 ميجا باسكال، وهو نطاق يبلغ حوالي خمسة أوامر من حيث الحجم. [ ^{40 ]} يمكن رؤية تأثير مماثل عن طريق تغيير تركيز الترابط. [40] هذا القدر الكبير من التنوع في الصلابة الميكانيكية هو سبب جاذبية الهيدروجيل للتطبيقات الطبية الحيوية، حيث من الضروري أن تتطابق الغرسات مع الخصائص الميكانيكية للأنسجة المحيطة. ^[41] قد يكون تحديد الخصائص الميكانيكية للهلاميات المائية أمرًا صعبًا خاصةً بسبب الاختلافات في السلوك الميكانيكي للهلاميات المائية مقارنة بالمواد الهندسية التقليدية الأخرى. بالإضافة إلى مرونة المطاط والمرونة اللزجة ، فإن للهلاميات المائية آلية تشوه إضافية تعتمد على الوقت والتي تعتمد على تدفق السوائل تسمى المرونة المسامية . هذه الخصائص مهمة للغاية يجب مراعاتها أثناء إجراء التجارب الميكانيكية. بعض تجارب الاختبار الميكانيكية الشائعة للهلاميات المائية هي الشد ، والضغط (محصور أو غير محصور)، والتجويف، وقياس القص أو التحليل الميكانيكي الديناميكي . ^[40]

تتمتع الهلاميات المائية بنظامين رئيسيين للخواص الميكانيكية: مرونة المطاط والمرونة اللزجة :

في الحالة غير المتورمة، يمكن نمذجة الهلاميات المائية على أنها هلاميات كيميائية شديدة الترابط، حيث يمكن وصف النظام على أنه شبكة بوليمرية مستمرة. في هذه الحالة:

${\displaystyle G=N_{p}kT={\rho RT \over {\overline {M}}_{c}}}$

حيث G هي معامل القص ، k هو ثابت بولتزمان، T هي درجة الحرارة، N _p هو عدد سلاسل البوليمر لكل وحدة حجم، ρ هي الكثافة، R هو ثابت الغاز المثالي، و  هو (عدد) الوزن الجزيئي المتوسط ​​بين نقطتي ربط متجاورتين. يمكن حسابها من نسبة الانتفاخ، Q ، والتي من السهل نسبيًا اختبارها وقياسها. ^[40]${\displaystyle {\overline {M}}_{c}}$${\displaystyle {\overline {M}}_{c}}$

بالنسبة للحالة المتورمة، يمكن نمذجة شبكة هلامية مثالية على النحو التالي: ^[40]

${\displaystyle G_{\textrm {swollen}}=GQ^{-1/3}}$

في اختبار التمدد أو الضغط أحادي المحور البسيط، يمكن حساب الإجهاد الحقيقي، ، والإجهاد الهندسي، ، على النحو التالي:${\displaystyle \sigma _{t}}$${\displaystyle \sigma _{e}}$

${\displaystyle \sigma _{t}=G_{\textrm {swollen}}\left(\lambda ^{2}-\lambda ^{-1}\right)}$

${\displaystyle \sigma _{e}=G_{\textrm {swollen}}\left(\lambda -\lambda ^{-2}\right)}$

أين  الامتداد. ^[40]${\displaystyle \lambda =l_{\textrm {current}}/l_{\textrm {original}}}$

بالنسبة للهلاميات المائية، تأتي مرونتها من مصفوفة البوليمر الصلبة بينما تنشأ اللزوجة من حركة شبكة البوليمر والماء والمكونات الأخرى التي تشكل الطور المائي. ^[42] تعتمد خصائص اللزوجة المرنة للهلام المائي بشكل كبير على طبيعة الحركة الميكانيكية المطبقة. وبالتالي، فإن اعتماد الوقت على هذه القوى المطبقة مهم للغاية لتقييم اللزوجة المرنة للمادة. ^[43]

تحاول النماذج الفيزيائية للزوجة المرنة التقاط خصائص المادة المرنة واللزجة للمادة. في المادة المرنة، يكون الإجهاد متناسبًا مع الانفعال بينما في المادة اللزجة، يكون الإجهاد متناسبًا مع معدل الانفعال. نموذج ماكسويل هو أحد النماذج الرياضية المتطورة للاستجابة اللزجة المرنة الخطية. في هذا النموذج، يتم نمذجة اللزوجة المرنة بشكل مشابه لدائرة كهربائية بنابض هوكيان، يمثل معامل يونج، ووحدة قياس نيوتن التي تمثل اللزوجة. المادة التي تظهر الخصائص الموصوفة في هذا النموذج هي مادة ماكسويل . نموذج فيزيائي آخر مستخدم يسمى نموذج كلفن-فويت والمادة التي تتبع هذا النموذج تسمى مادة كلفن-فويت . ^[44] من أجل وصف سلوك الزحف المعتمد على الوقت واسترخاء الإجهاد للهيدروجيل، يمكن استخدام مجموعة متنوعة من نماذج المعلمات الفيزيائية المجمعة. ^[40] تختلف طرق النمذجة هذه بشكل كبير وهي معقدة للغاية، لذلك يتم استخدام وصف سلسلة بروني التجريبية بشكل شائع لوصف السلوك اللزج المرن في المواد الهلامية المائية. ^[40]

من أجل قياس السلوك اللزج المرن للبوليمرات، غالبًا ما يتم إجراء تحليل ميكانيكي ديناميكي . عادةً، في هذه القياسات، يتعرض أحد جانبي الهيدروجيل لحمل جيبي في وضع القص بينما يتم قياس الإجهاد المطبق باستخدام محول الإجهاد ويتم قياس التغير في طول العينة باستخدام محول الانفعال. ^[43] أحد الرموز المستخدمة لنمذجة الاستجابة الجيبية للإجهاد الدوري أو الانفعال هو:

${\displaystyle G=G'+iG''}$

حيث أن G' هو معامل المرونة الحقيقي (المرن أو التخزيني)، وG" هو معامل اللزوجة التخيلي (الخسارة).

المرونة المسامية هي سمة من سمات المواد المتعلقة بهجرة المذيب عبر مادة مسامية والتشوه المتزامن الذي يحدث. ^[40] تحدث المرونة المسامية في المواد المائية مثل الهلاميات المائية بسبب الاحتكاك بين البوليمر والماء أثناء تحرك الماء عبر المصفوفة المسامية عند الضغط. يتسبب هذا في انخفاض ضغط الماء، مما يضيف إجهادًا إضافيًا عند الضغط. على غرار اللزوجة المرنة، يعتمد هذا السلوك على الوقت، وبالتالي تعتمد المرونة المسامية على معدل الضغط: يظهر الهيدروجيل ليونة عند الضغط البطيء، لكن الضغط السريع يجعل الهيدروجيل أكثر صلابة. ترجع هذه الظاهرة إلى أن الاحتكاك بين الماء والمصفوفة المسامية يتناسب مع تدفق الماء، والذي يعتمد بدوره على معدل الضغط. وبالتالي، فإن الطريقة الشائعة لقياس المرونة المسامية هي إجراء اختبارات الضغط بمعدلات ضغط متفاوتة. ^[45] يعد حجم المسام عاملاً مهمًا في التأثير على المرونة المسامية. تم استخدام معادلة كوزيني-كارمان للتنبؤ بحجم المسام من خلال ربط انخفاض الضغط بالفرق في الإجهاد بين معدلي ضغط. ^[45]

يتم وصف المرونة المسامية من خلال العديد من المعادلات المقترنة، وبالتالي هناك عدد قليل من الاختبارات الميكانيكية التي تتعلق مباشرة بالسلوك المسامي المرن للمادة، وبالتالي يتم استخدام اختبارات أكثر تعقيدًا مثل اختبار الانبعاج أو النماذج العددية أو الحسابية. تحاول الأساليب العددية أو الحسابية محاكاة النفاذية ثلاثية الأبعاد لشبكة الهيدروجيل.

تشير صلابة الهيدروجيل إلى قدرة الهيدروجيل على تحمل التشوه أو الإجهاد الميكانيكي دون كسر أو تفكك. يمكن للهيدروجيل ذو الصلابة العالية الحفاظ على سلامته البنيوية ووظيفته تحت ضغط أعلى. تساهم العديد من العوامل في صلابة الهيدروجيل بما في ذلك التركيب وكثافة الروابط المتقاطعة وبنية سلسلة البوليمر ومستوى الترطيب. تعتمد صلابة الهيدروجيل بشكل كبير على البوليمرات والمواد الرابطة المتقاطعة التي تشكل مصفوفته حيث تمتلك بعض البوليمرات صلابة أعلى وتكون بعض الروابط التساهمية المتقاطعة أقوى بطبيعتها. ^[46] بالإضافة إلى ذلك، تؤدي كثافة الترابط المتقاطع الأعلى عمومًا إلى زيادة الصلابة عن طريق تقييد حركة سلسلة البوليمر وتعزيز مقاومة التشوه. كما أن بنية سلاسل البوليمر هي أيضًا عامل في أن أطوال السلسلة الأطول والوزن الجزيئي الأعلى يؤدي إلى عدد أكبر من التشابكات والصلابة الأعلى. ^[47] يعد التوازن الجيد في ترطيب الهيدروجيل أمرًا مهمًا لأن الترطيب المنخفض جدًا يسبب ضعف المرونة والصلابة داخل الهيدروجيل، ولكن ارتفاع محتوى الماء بشكل مفرط يمكن أن يسبب تورمًا مفرطًا، مما يضعف الخصائص الميكانيكية للهيدروجيل. ^{[48] [49]}

يشير الهستيريسيس للهيدروجيل إلى الظاهرة التي يحدث فيها تأخير في تشوه وتعافي الهيدروجيل عندما يتعرض لضغط ميكانيكي ويتخلص من هذا الضغط. يحدث هذا لأن سلاسل البوليمر داخل الهيدروجيل تعيد ترتيب نفسها، وتتحرك جزيئات الماء، ويتم تخزين الطاقة أثناء تشوهها في التمدد الميكانيكي أو الضغط. [ ^50] عندما تتم إزالة الضغط الميكانيكي، يبدأ الهيدروجيل في استعادة شكله الأصلي، ولكن قد يكون هناك تأخير في عملية التعافي بسبب عوامل مثل اللزوجة المرنة والاحتكاك الداخلي وما إلى ذلك. ^[51] وهذا يؤدي إلى اختلاف بين منحنى الإجهاد والانفعال أثناء التحميل والتفريغ. يتأثر الهستيريسيس داخل الهيدروجيل بعدة عوامل بما في ذلك التركيب وكثافة الروابط المتقاطعة وبنية سلسلة البوليمر ودرجة الحرارة .

تعتبر صلابة وهستيريسيس الهيدروجيل مهمة بشكل خاص في سياق التطبيقات الطبية الحيوية مثل هندسة الأنسجة وتوصيل الأدوية ، حيث قد يحتاج الهيدروجيل إلى تحمل القوى الميكانيكية داخل الجسم، ولكن أيضًا الحفاظ على الأداء الميكانيكي والاستقرار بمرور الوقت. ^[52] معظم الهلاميات المائية النموذجية، سواء الطبيعية أو الاصطناعية، لها ارتباط إيجابي بين الصلابة والهستيريسيس، مما يعني أنه كلما زادت الصلابة، كلما استغرق الهيدروجيل وقتًا أطول لاستعادة شكله الأصلي والعكس صحيح. ^[47] ويرجع هذا إلى حد كبير إلى أن الروابط التضحية هي مصدر الصلابة داخل العديد من هذه الهلاميات المائية. الروابط التضحية هي تفاعلات غير تساهمية مثل الروابط الهيدروجينية والتفاعلات الأيونية والتفاعلات الكارهة للماء ، والتي يمكن أن تنكسر وتعيد تشكيلها تحت الضغط الميكانيكي. ^[53] يستغرق إصلاح هذه الروابط وقتًا، خاصةً عندما يكون هناك المزيد منها، مما يؤدي إلى زيادة الهستيريسيس. ومع ذلك، هناك أبحاث حاليًا تركز على تطوير الهلاميات المائية المتشابكة للغاية، والتي تعتمد بدلاً من ذلك على طول سلسلة البوليمرات الطويلة وتشابكها للحد من تشوه الهلام المائي، وبالتالي زيادة الصلابة دون زيادة الهستيريسيس حيث لا توجد حاجة لإعادة تشكيل الروابط. ^[47]

الحساسية البيئية الأكثر شيوعًا في الهلاميات المائية هي الاستجابة لدرجة الحرارة. ^[54] تُظهر العديد من البوليمرات/الهلاميات المائية انتقال طور يعتمد على درجة الحرارة، والذي يمكن تصنيفه إما على أنه درجة حرارة المحلول الحرجة العليا (UCST) أو درجة حرارة المحلول الحرجة الدنيا (LCST). تزيد بوليمرات UCST في قابليتها للذوبان في الماء عند درجات حرارة أعلى، مما يؤدي إلى انتقال هيدروجيلات UCST من هلام (صلب) إلى محلول (سائل) مع زيادة درجة الحرارة (على غرار سلوك نقطة الانصهار للمواد النقية). تتسبب هذه الظاهرة أيضًا في تمدد هيدروجيلات UCST (زيادة نسبة انتفاخها) مع زيادة درجة الحرارة بينما تكون أقل من UCST. ^[54] ومع ذلك، تُظهر البوليمرات ذات LCSTs اعتمادًا عكسيًا (أو سلبيًا) على درجة الحرارة، حيث تقل قابليتها للذوبان في الماء عند درجات حرارة أعلى. تتحول الهلاميات المائية LCST من محلول سائل إلى هلام صلب مع زيادة درجة الحرارة، كما تتقلص أيضًا (تقل نسبة انتفاخها) مع زيادة درجة الحرارة أثناء وجودها فوق LCST. ^[54]

يمكن أن تملي التطبيقات استجابات حرارية متنوعة. على سبيل المثال، في المجال الطبي الحيوي، يتم التحقيق في هلاميات LCST كأنظمة لتوصيل الأدوية نظرًا لكونها قابلة للحقن (سائلة) في درجة حرارة الغرفة ثم تتصلب في هلام صلب عند التعرض لدرجات حرارة أعلى لجسم الإنسان. ^[54] هناك العديد من المحفزات الأخرى التي يمكن أن تستجيب لها الهلاميات المائية، بما في ذلك: الرقم الهيدروجيني، والجلوكوز، والإشارات الكهربائية، والضوء ، والضغط ، والأيونات، والمستضدات ، والمزيد. ^[54]

يمكن ضبط الخصائص الميكانيكية للهلام المائي بعدة طرق بدءًا من الاهتمام بخصائصه الكارهة للماء. ^{[54] [55]} طريقة أخرى لتعديل قوة أو مرونة الهلام المائي هي تطعيمها أو طلائها على سطح دعامة أقوى / أكثر صلابة، أو عن طريق صنع مركبات هيدروجيل فائقة المسامية (SPH)، حيث يتم إضافة مادة مضافة لتورم المصفوفة القابلة للترابط. ^[7] وقد ثبت أن المواد المضافة الأخرى، مثل الجسيمات النانوية والجسيمات الدقيقة ، تعدل بشكل كبير صلابة ودرجة حرارة التجلط لبعض الهلام المائي المستخدم في التطبيقات الطبية الحيوية. ^{[56] [57] [58]}

في حين يمكن ضبط وتعديل الخصائص الميكانيكية للهلام المائي من خلال تركيز الروابط المتقاطعة والمواد المضافة، يمكن أيضًا تعزيز هذه الخصائص أو تحسينها لتطبيقات مختلفة من خلال تقنيات معالجة محددة. تشمل هذه التقنيات الغزل الكهربائي والطباعة ثلاثية الأبعاد / رباعية الأبعاد والتجميع الذاتي والصب بالتجميد . إحدى تقنيات المعالجة الفريدة هي من خلال تكوين هلام مائي متعدد الطبقات لإنشاء تركيبة مصفوفة متغيرة مكانيًا وبالتالي خصائص ميكانيكية. يمكن القيام بذلك عن طريق بلمرة مصفوفات الهيدروجيل على شكل طبقة تلو الأخرى عبر بلمرة الأشعة فوق البنفسجية. يمكن أن تكون هذه التقنية مفيدة في إنشاء هلام مائي يحاكي الغضروف المفصلي، مما يتيح مادة بثلاث مناطق منفصلة من الخصائص الميكانيكية المميزة. ^[59]

هناك تقنية ناشئة أخرى لتحسين الخواص الميكانيكية للهيدروجيل وهي الاستفادة من سلسلة هوفمايستر . وبسبب هذه الظاهرة، من خلال إضافة محلول ملحي، تتجمع سلاسل البوليمر للهيدروجيل وتتبلور، مما يزيد من صلابة الهيدروجيل. وقد تم تطبيق هذه الطريقة، التي تسمى " الملح الخارجي "، على هيدروجيل بولي (فينيل الكحول) عن طريق إضافة محلول ملح كبريتات الصوديوم . ^[60] يمكن استخدام بعض تقنيات المعالجة هذه بشكل تآزري مع بعضها البعض للحصول على خصائص ميكانيكية مثالية. التجميد الاتجاهي أو الصب بالتجميد هو طريقة أخرى يتم فيها تطبيق تدرج درجة الحرارة الاتجاهي على الهيدروجيل وهي طريقة أخرى لتشكيل مواد ذات خصائص ميكانيكية متباينة الخواص. إن استخدام كل من تقنيات المعالجة بالتجميد والصب بالتجميد والصب بالملح على هيدروجيل بولي (فينيل الكحول) لتحفيز الأشكال الهرمية والخصائص الميكانيكية المتباينة الخواص. ^[61] يساعد التجميد الاتجاهي للهلاميات المائية على محاذاة ودمج سلاسل البوليمر، مما يؤدي إلى إنشاء هياكل تشبه أنبوب قرص العسل متباينة الخواص، بينما ينتج عن تمليح الهيدروجيل شبكة ألياف نانوية على سطح هذه الهياكل التي تشبه أنبوب قرص العسل. مع الحفاظ على محتوى الماء بنسبة تزيد عن 70٪، فإن قيم صلابة هذه الهلاميات المائية أعلى بكثير من تلك الخاصة بالبوليمرات الخالية من الماء مثل بولي دايميثيل السيلوكسان (PDMS) والكيفلار والمطاط الصناعي . كما تتجاوز القيم صلابة الأوتار الطبيعية وحرير العنكبوت . ^[61]

المادة السائدة في العدسات اللاصقة هي هيدروجيل الأكريلات والسيلوكسان . وقد حلت محل العدسات اللاصقة الصلبة. ومن أكثر خصائصها جاذبية نفاذية الأكسجين، وهو أمر مطلوب لأن القرنية تفتقر إلى الأوعية الدموية .

• رهاب القشور ومكافحة التلوث ^[63]
• طلاءات لأقطاب تفاعل تطور الغاز لفصل الفقاعات بكفاءة ^{[64] [65] [66]}
• زراعة الثدي
• العدسات اللاصقة ( هلام السيليكون ، بولي أكريلاميد ، بوليماكون )
• استدامة المياه: ظهرت المواد الهلامية المائية كمنصات مواد واعدة لتنقية المياه بالطاقة الشمسية، ^[67] وتطهير المياه، ^[68] وتوليد المياه الجوية . ^[69]
• الحفاضات التي تستخدم لمرة واحدة حيث تمتص البول ، أو في الفوط الصحية ^[25]
• ضمادات لعلاج الحروق أو الجروح الأخرى التي يصعب شفاؤها . تعتبر مواد الهلام المستخدمة لعلاج الجروح ممتازة للمساعدة في خلق بيئة رطبة أو الحفاظ عليها.
• أقطاب كهربائية كهربائية وتخطيط كهربية القلب الطبية باستخدام الهلام المائي المكون من بوليمرات مترابطة ( أكسيد البولي إيثيلين ، وبولي أمبس ، وبولي فينيل بيروليدون )
• تغليف النقاط الكمومية
• الهلاميات المائية الحساسة للبيئة (المعروفة أيضًا باسم "الهلاميات الذكية" أو "الهلاميات الذكية"). تتمتع هذه الهلاميات المائية بالقدرة على استشعار التغيرات في درجة الحموضة أو درجة الحرارة أو تركيز المستقلب وإطلاق حمولتها نتيجة لهذا التغيير. ^{[70] [71] [72]}
• الألياف
• غراء
• حبيبات للحفاظ على رطوبة التربة في المناطق القاحلة
• طارد للفقاعات الهوائية (كراهية فائقة للهواء). يمكن أن يحسن أداء واستقرار الأقطاب الكهربائية المستخدمة في التحليل الكهربائي للماء . ^[73]
• زراعة الخلايا: تم استخدام الآبار المغطاة بالهيدروجيل لزراعة الخلايا. ^[74]
• المستشعرات الحيوية : يمكن استخدام المواد الهلامية المائية التي تستجيب لجزيئات معينة، ^[75] مثل الجلوكوز أو المستضدات، كمستشعرات حيوية، وكذلك في DDS. ^[76]
• حامل الخلية: يمكن استخدام الهلاميات المائية القابلة للحقن لحمل الأدوية أو الخلايا للتطبيقات في تجديد الأنسجة أو الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد . ^{[77] [78] [79]} هناك حاجة إلى الهلاميات المائية ذات الكيمياء القابلة للعكس للسماح بالسيولة أثناء الحقن / الطباعة متبوعة بالشفاء الذاتي لهيكل الهلام المائي الأصلي. ^[80]
• التحقق من الوظائف الحيوية للخلايا باستخدام مجهر التصوير المقطعي المحوسب
• توفير الامتصاص والتقشير والتنظيف للأنسجة الميتة والليفية
• هياكل هندسة الأنسجة . عند استخدامها كسقالات، قد تحتوي المواد الهلامية المائية على خلايا بشرية لإصلاح الأنسجة. وهي تحاكي البيئة الدقيقة ثلاثية الأبعاد للخلايا. ^[81] تشمل المواد الأجار ، والميثيلسليلوز ، والهيالورونان ، والببتيدات الشبيهة بالإيلاستين ، وغيرها من البوليمرات المشتقة بشكل طبيعي.
• أنظمة توصيل الأدوية ذات الإطلاق المستمر . يمكن استخدام القوة الأيونية ودرجة الحموضة ودرجة الحرارة كعامل محفز للتحكم في إطلاق الدواء. ^[82]
• يمكن استخدام سلوك التورم الذي تظهره الهلاميات المائية المشحونة كأداة قيمة للتحقيق في التفاعلات بين البوليمرات المشحونة وأنواع مختلفة، بما في ذلك الأيونات متعددة التكافؤ والببتيدات والبروتينات . ^[83] تنشأ هذه الاستجابة بسبب قوى التورم التناضحي المتقلبة الناتجة عن تبادل الأيونات المضادة داخل مصفوفة الهلام . ومن المهم بشكل خاص تطبيقه في تقييم ارتباط عقاقير الببتيد بالبوليمرات الحيوية داخل الجسم، حيث يمكن أن توفر استجابة التورم للهلام رؤى حول هذه التفاعلات. ^{[84] [85]}
• طلاء النوافذ/استبدالها: يتم النظر في استخدام المواد الهلامية المائية لتقليل امتصاص الأشعة تحت الحمراء بنسبة 75%. ^[86] هناك نهج آخر يقلل من درجة الحرارة الداخلية باستخدام مادة هيدروجيلية تستجيب لدرجة الحرارة . ^[87]
• توليد الكهرباء بالطرق الديناميكية الحرارية: عندما يتم دمجه مع الأيونات فإنه يسمح بتبديد الحرارة للأجهزة الإلكترونية والبطاريات وتحويل التبادل الحراري إلى شحنة كهربائية. ^[88]
• متفجرات هلامية مائية
• الإطلاق المتحكم فيه للمواد الكيماوية الزراعية (المبيدات والأسمدة)
• مواد امتصاص الصدمات من تالين - هلاميات مائية تعتمد على البروتين يمكنها امتصاص الصدمات الأسرع من الصوت ^[89]
• المهام الحسابية، بما في ذلك الذاكرة الناشئة. ^[90]

تمتلك الهلاميات المائية المزروعة أو المحقونة القدرة على دعم تجديد الأنسجة من خلال الدعم الميكانيكي للأنسجة، أو توصيل الأدوية أو الخلايا الموضعية، ^[2] أو تجنيد الخلايا الموضعية أو تعديل المناعة ، أو تغليف الجسيمات النانوية للعلاج الضوئي الحراري الموضعي أو العلاج الإشعاعي الموضعي . ^[80] تغلبت أنظمة توصيل الأدوية البوليمرية على التحديات بسبب قابليتها للتحلل البيولوجي والتوافق البيولوجي ومقاومة السمية. ^{[91] [92]} تم تنفيذ مواد مثل الكولاجين والكيتوزان والسليلوز وحمض البولي (حمض اللاكتيك-جليكوليك) على نطاق واسع لتوصيل الأدوية إلى أعضاء مثل العين، ^[93] الأنف والكلى، ^[94] الرئتين، ^[95] الأمعاء، ^[96] الجلد ^[97] والدماغ. ^[2] يركز العمل المستقبلي على تقليل السمية وتحسين التوافق البيولوجي وتوسيع تقنيات التجميع ^[98]

تم اعتبار المواد الهلامية المائية بمثابة مركبات لتوصيل الأدوية. ^{[99] [77] [78] [79]} ويمكن أيضًا تصنيعها لتقليد أنسجة الغشاء المخاطي للحيوانات لاستخدامها لاختبار خصائص الالتصاق المخاطي. ^{[100] [101]} وقد تم فحصها لاستخدامها كخزانات في توصيل الأدوية الموضعية ؛ وخاصة الأدوية الأيونية، التي يتم توصيلها عن طريق الأيونات .

 تتضمن هذه المقالة نصًا بقلم جيسيكا هاتشينسون متاحًا بموجب رخصة CC BY 3.0.