هيدروجيل

تنقسم الروابط المتشابكة التي تربط بوليمرات الهيدروجيل إلى فئتين رئيسيتين: الهيدروجيل الفيزيائي والهيدروجيل الكيميائي. يتميز الهيدروجيل الكيميائي بروابط تساهمية ، بينما يتميز الهيدروجيل الفيزيائي بروابط غير تساهمية . يمكن أن ينتج عن الروابط التساهمية في الهيدروجيل الكيميائي مواد هلامية قوية قابلة للانعكاس أو غير قابلة للانعكاس. ^{[ 9 ]} تتميز الهيدروجيلات الكيميائية التي تحتوي على روابط تساهمية قابلة للانعكاس، مثل هيدروجيلات الثيومرات المتشابكة عبر روابط ثنائية الكبريتيد، بأنها غير سامة وتُستخدم في العديد من المنتجات الطبية. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} أما الهيدروجيلات الفيزيائية، فتتميز عادةً بتوافقها الحيوي العالي، وعدم سميتها، وسهولة عكسها بتغيير عامل خارجي بسيط مثل الرقم الهيدروجيني، أو تركيز الأيونات ( الألجينات )، أو درجة الحرارة ( الجيلاتين )؛ كما تُستخدم أيضًا في التطبيقات الطبية. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} تتكون الروابط الفيزيائية من روابط هيدروجينية ، وتفاعلات كارهة للماء ، وتشابكات السلاسل (وغيرها). يُطلق على الهيدروجيل المُنشأ باستخدام الروابط الفيزيائية أحيانًا اسم الهيدروجيل "العكسي". ^{[ 13 ]} أما الروابط الكيميائية فتتكون من روابط تساهمية بين سلاسل البوليمر. ويُطلق على الهيدروجيل المُنشأ بهذه الطريقة أحيانًا اسم الهيدروجيل "الدائم".

تُحضّر الهيدروجيلات باستخدام مجموعة متنوعة من المواد البوليمرية ، والتي يمكن تقسيمها بشكل عام إلى فئتين حسب مصدرها: بوليمرات طبيعية أو بوليمرات اصطناعية. تشمل البوليمرات الطبيعية المستخدمة في تحضير الهيدروجيلات حمض الهيالورونيك ، والكيتوزان ، والهيبارين ، والألجينات ، والجيلاتين ، والفيبرين . [ ^{18 ] أما} البوليمرات الاصطناعية الشائعة فتشمل كحول البولي فينيل ، وبولي إيثيلين جليكول ، وبولي أكريلات الصوديوم ، وبوليمرات الأكريلات ، وبوليمراتها المشتركة . ^{[ 6 ]} في حين أن الهيدروجيلات الطبيعية عادةً ما تكون غير سامة، وغالبًا ما توفر مزايا أخرى للاستخدام الطبي، مثل التوافق الحيوي ، وقابلية التحلل الحيوي ، والتأثير المضاد للبكتيريا / الفطريات ، وتحسين تجديد الأنسجة المجاورة، إلا أن استقرارها وقوتها عادةً ما يكونان أقل بكثير من الهيدروجيلات الاصطناعية. ^{[ 19 ]} وهناك أيضًا هيدروجيلات اصطناعية يمكن استخدامها في التطبيقات الطبية، مثل بولي إيثيلين جليكول (PEG) ، وبولي أكريلات ، وبولي فينيل بيروليدون (PVP) . ^{[ 20 ]}

هناك آليتان مقترحتان لتكوين الهيدروجيل الفيزيائي، الأولى هي تجلط تجمعات الببتيدات النانوية الليفية ، والتي تُلاحظ عادةً في سلائف الببتيدات قليلة الوحدات . تتجمع هذه السلائف ذاتيًا لتكوين ألياف أو أشرطة أو أنابيب أو شرائط تتشابك لتشكيل روابط متقاطعة غير تساهمية. أما الآلية الثانية فتتضمن تفاعلات غير تساهمية بين نطاقات متشابكة تفصلها روابط قابلة للذوبان في الماء، وتُلاحظ عادةً في البنى متعددة النطاقات الأطول. ^{[ 21 ]} يُعد ضبط التفاعلات فوق الجزيئية لإنتاج شبكة ذاتية الدعم لا تترسب، وقادرة أيضًا على تثبيت الماء، أمرًا حيويًا لتكوين الهلام. تمتلك معظم هيدروجيلات الببتيدات قليلة الوحدات بنية صفائح بيتا ، وتتجمع لتكوين ألياف، على الرغم من الإبلاغ أيضًا عن ببتيدات حلزونية ألفا . ^{[ 22 ] [ 23 ]} في آلية نموذجية للتجلط، تتجمع سلائف الببتيد القليل ذاتيًا في ألياف تصبح مستطيلة، وتتشابك لتشكيل مواد هلامية متشابكة.

إحدى الطرق البارزة لبدء تفاعل البلمرة هي استخدام الضوء كمحفز. في هذه الطريقة، تُضاف مُحفزات ضوئية ، وهي مركبات تنفصل عند امتصاص الفوتونات، إلى المحلول الأولي الذي سيتحول إلى هيدروجيل. عند تعريض المحلول الأولي لمصدر ضوئي مُركز، عادةً ما يكون أشعة فوق بنفسجية ، تنفصل المُحفزات الضوئية مُشكلةً جذورًا حرة، مما يُحفز تفاعل بلمرة يُؤدي إلى تكوين روابط متقاطعة بين سلاسل البوليمر. يتوقف هذا التفاعل عند إزالة مصدر الضوء، مما يسمح بالتحكم في كمية الروابط المتقاطعة المُتكونة في الهيدروجيل. ^{[ 24 ]} تعتمد خصائص الهيدروجيل بشكل كبير على نوع وكمية روابطه المتقاطعة، مما يجعل البلمرة الضوئية خيارًا شائعًا لضبط خصائص الهيدروجيل بدقة. وقد شهدت هذه التقنية استخدامًا واسعًا في تطبيقات هندسة الخلايا والأنسجة نظرًا لإمكانية حقن أو تشكيل محلول أولي مُحمل بالخلايا في موضع الجرح، ثم تصلبه في مكانه. ^{[ 25 ] [ 24 ]}

يمكن تحضير الهيدروجيلات المتشابكة فيزيائيًا بطرق مختلفة تبعًا لطبيعة التشابك. تُنتج هيدروجيلات كحول البولي فينيل عادةً بتقنية التجميد والذوبان. في هذه التقنية، يُجمد المحلول لبضع ساعات، ثم يُذاب في درجة حرارة الغرفة، وتُكرر الدورة حتى يتكون هيدروجيل قوي ومستقر. ^{[ 26 ]} تتكون هيدروجيلات الألجينات من خلال التفاعلات الأيونية بين الألجينات والكاتيونات ثنائية الشحنة. يُذاب ملح، عادةً كلوريد الكالسيوم ، في محلول مائي من ألجينات الصوديوم، مما يؤدي إلى تكوين أيونات الكالسيوم روابط أيونية بين سلاسل الألجينات. ^{[ 27 ]} تتكون هيدروجيلات الجيلاتين بتغير درجة الحرارة. يُشكل محلول الجيلاتين المائي 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 ]}

تتميز الهيدروجيلات القائمة على الببتيدات بتوافق حيوي وتحلل بيولوجي استثنائيين ، مما يفسر استخدامها الواسع في تطبيقات متنوعة، لا سيما في الطب الحيوي؛ ^{[ 2 ]} ولذلك، يمكن ضبط خصائصها الفيزيائية بدقة لتعظيم الاستفادة منها. ^{[ 2 ]} تشمل طرق تحقيق ذلك: تعديل تسلسل الأحماض الأمينية ، ودرجة الحموضة ، والكيرالية ، وزيادة عدد البقايا العطرية . ^{[ 29 ]} يُعد ترتيب الأحماض الأمينية ضمن التسلسل بالغ الأهمية لتكوين الهلام، كما ثبت مرارًا وتكرارًا. على سبيل المثال، شكّل تسلسل ببتيد قصير Fmoc-Phe-Gly هيدروجيلًا بسهولة، بينما فشل Fmoc-Gly-Phe في ذلك نتيجةً لتحرك الجزأين العطريين المتجاورين، مما أعاق التفاعلات العطرية. ^{[ 30 ] [ 31 ]} يمكن أن يؤدي تغيير الرقم الهيدروجيني إلى تأثيرات مماثلة، ومن الأمثلة على ذلك استخدام ثنائيات الببتيد المعدلة بالنفثالين (Nap) Nap-Gly-Ala وNap-Ala-Gly، حيث أدى انخفاض الرقم الهيدروجيني إلى تكوين هلام في الأول، بينما أدى إلى تبلور الثاني. ^{[ 32 ]} تُعد طريقة خفض الرقم الهيدروجيني المتحكم بها باستخدام غلوكونو-دلتا-لاكتون (GdL)، حيث يتم تحلل GdL إلى حمض غلوكونيك في الماء، استراتيجية حديثة طُوّرت كوسيلة لتكوين هلاميات مائية متجانسة وقابلة للتكرار. ^{[ 33 ] [ 34 ]} يتميز التحلل المائي ببطءه، مما يسمح بتغيير موحد في الرقم الهيدروجيني، وبالتالي ينتج عنه هلاميات متجانسة قابلة للتكرار. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحقيق الرقم الهيدروجيني المطلوب عن طريق تغيير كمية GdL المضافة. استُخدمت مادة جوانودينيل لاكتام (GdL) عدة مرات في عملية تكوين الهيدروجيل من ثنائيات الببتيد Fmoc و Nap. ^{[ 33 ] [ 34 ]} وفي سياق آخر، أفاد موريس وزملاؤه باستخدام GdL كـ"محفز جزيئي" للتنبؤ بترتيب عملية التجلط والتحكم فيه. ^{[ 35 ]} كما تلعب الكيرالية دورًا أساسيًا في تكوين الهلام، حتى أن تغيير كيرالية حمض أميني واحد من حمضه الأميني الطبيعي L إلى حمضه الأميني غير الطبيعي D يمكن أن يؤثر بشكل كبير على خصائص التجلط، حيث لا تُكوّن الأشكال الطبيعية هلامًا. ^{[ 36 ]} علاوة على ذلك، تلعب التفاعلات العطرية دورًا رئيسيًا في تكوين الهيدروجيل نتيجة لتراص π-π الذي يحفز عملية التجلط، كما أظهرت العديد من الدراسات. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

تتمتع الهيدروجيلات بدرجة عالية من المرونة تُشبه إلى حد كبير مرونة الأنسجة الطبيعية، وذلك بفضل محتواها المائي الكبير. وباعتبارها " موادًا ذكية " حساسة، تستطيع الهيدروجيلات احتواء أنظمة كيميائية، والتي عند تحفيزها بعوامل خارجية، مثل تغير درجة الحموضة، قد تُطلق مركبات محددة، كالجلوكوز، إلى البيئة المحيطة، وغالبًا ما يكون ذلك عبر تحول من الحالة الهلامية إلى الحالة السائلة. وتُعدّ البوليمرات الكيميائية الميكانيكية في معظمها هيدروجيلات أيضًا، إذ يتغير حجمها عند التحفيز، ويمكن استخدامها كمحركات أو مستشعرات .

• مضخة دقيقة تعتمد على قضيب هيدروجيل (  بأبعاد 4×0.3×0.05 مم) يتم تشغيلها بواسطة جهد كهربائي. يمكن تشغيل هذه المضخة بشكل مستمر ببطارية 1.5 فولت لمدة ستة أشهر على الأقل. ^{[ 39 ]}
• 
  مادة هلامية مائية مصنوعة من ببتيدات قصيرة، قادرة على الاحتفاظ بحوالي مئة ضعف وزنها من الماء. تم تطويرها كضمادة طبية.
• 
  صورة لنفس الهيدروجيل القائم على الببتيد القصير، ممسكًا بملقط لإظهار صلابته وشفافيته.

في الحالة غير المنتفخة، يمكن نمذجة الهيدروجيلات على أنها هلامات كيميائية متشابكة للغاية، حيث يمكن وصف النظام على أنه شبكة بوليمرية متصلة واحدة. في هذه الحالة:

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

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

بالنسبة للحالة المتورمة، يمكن نمذجة شبكة الجل المثالية على النحو التالي: ^{[ 40 ]}

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

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

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

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

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

بالنسبة للهيدروجيلات، تنشأ مرونتها من مصفوفة البوليمر الصلبة، بينما تنشأ لزوجتها من حركة شبكة البوليمر والماء والمكونات الأخرى التي تشكل الطور المائي. ^{[ 42 ]} تعتمد الخصائص المرنة اللزجة للهيدروجيل بشكل كبير على طبيعة الحركة الميكانيكية المطبقة. لذا، فإن التغير الزمني لهذه القوى المطبقة بالغ الأهمية لتقييم المرونة اللزجة للمادة. ^{[ 43 ]}

تحاول النماذج الفيزيائية للزوجة المرنة محاكاة خصائص المادة المرنة واللزجة. في المادة المرنة، يتناسب الإجهاد طرديًا مع الانفعال، بينما في المادة اللزجة، يتناسب الإجهاد طرديًا مع معدل الانفعال. يُعد نموذج ماكسويل أحد النماذج الرياضية المطورة للاستجابة اللزجة المرنة الخطية. في هذا النموذج، تُحاكى اللزوجة المرنة بشكل مشابه لدائرة كهربائية بنابض هوكي يمثل معامل يونغ، ومخمد نيوتني يمثل اللزوجة. تُسمى المادة التي تُظهر الخصائص الموصوفة في هذا النموذج بمادة ماكسويل . يُستخدم نموذج فيزيائي آخر يُسمى نموذج كلفن-فويغت، وتُسمى المادة التي تتبع هذا النموذج بمادة كلفن-فويغت . ^{[ 44 ]} لوصف سلوك الزحف واسترخاء الإجهاد المعتمد على الزمن للهيدروجيل، يمكن استخدام مجموعة متنوعة من نماذج المعلمات المجمعة الفيزيائية. ^{[ 40 ]} تختلف أساليب النمذجة هذه اختلافًا كبيرًا وتتسم بالتعقيد الشديد، لذا يُستخدم وصف سلسلة بروني التجريبية بشكل شائع لوصف السلوك المرن اللزج في الهيدروجيلات. ^{[ 40 ]}

لقياس السلوك المرن اللزج للبوليمرات مع مرور الوقت، يُجرى عادةً تحليل ميكانيكي ديناميكي . في هذه القياسات، يُعرَّض أحد جانبي الهيدروجيل لحمل جيبي في وضع القص، بينما يُقاس الإجهاد المُطبَّق باستخدام محوّل إجهاد، ويُقاس التغير في طول العينة باستخدام محوّل انفعال. ^{[ 43 ]} إحدى الرموز المستخدمة لنمذجة الاستجابة الجيبية للإجهاد أو الانفعال الدوري هي:

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

حيث G' هو معامل المرونة الحقيقي (المرن أو التخزيني)، و G" هو معامل المرونة التخيلي (اللزج أو الفاقد).

المرونة المسامية هي خاصية للمواد تتعلق بانتقال المذيب عبر المادة المسامية والتشوه المصاحب لذلك. ^{[ 40 ]} تحدث المرونة المسامية في المواد المائية، مثل الهيدروجيل، نتيجة الاحتكاك بين البوليمر والماء أثناء حركة الماء عبر المصفوفة المسامية عند الضغط. يؤدي ذلك إلى انخفاض ضغط الماء، مما يزيد من الإجهاد عند الضغط. وكما هو الحال في اللزوجة المرنة، فإن هذا السلوك يعتمد على الزمن، وبالتالي تعتمد المرونة المسامية على معدل الضغط: يُظهر الهيدروجيل ليونة عند الضغط البطيء، بينما يزيد الضغط السريع من صلابته. تعود هذه الظاهرة إلى أن الاحتكاك بين الماء والمصفوفة المسامية يتناسب طرديًا مع تدفق الماء، والذي بدوره يعتمد على معدل الضغط. لذا، فإن إحدى الطرق الشائعة لقياس المرونة المسامية هي إجراء اختبارات الضغط بمعدلات ضغط مختلفة. ^{[ 45 ]} يُعد حجم المسام عاملًا مهمًا يؤثر على المرونة المسامية. تم استخدام معادلة كوزيني-كارمان للتنبؤ بحجم المسام من خلال ربط انخفاض الضغط بالفرق في الإجهاد بين معدلي ضغط. ^{[ 45 ]}

تُوصَف المرونة المسامية بعدة معادلات مترابطة، ولذا فإن الاختبارات الميكانيكية التي ترتبط مباشرةً بسلوك المرونة المسامية للمادة قليلة، مما يستدعي استخدام اختبارات أكثر تعقيدًا مثل اختبارات الانضغاط، والنماذج العددية أو الحسابية. وتسعى الطرق العددية أو الحسابية إلى محاكاة النفاذية ثلاثية الأبعاد لشبكة الهيدروجيل.

تشير متانة الهيدروجيل إلى قدرته على تحمل التشوه أو الإجهاد الميكانيكي دون أن يتشقق أو يتفكك. يتميز الهيدروجيل ذو المتانة العالية بقدرته على الحفاظ على سلامته الهيكلية ووظائفه تحت ضغط عالٍ. تساهم عدة عوامل في متانة الهيدروجيل، بما في ذلك التركيب، وكثافة التشابك، وبنية سلسلة البوليمر، ومستوى الترطيب. تعتمد متانة الهيدروجيل بشكل كبير على نوع البوليمر (أو البوليمرات) وعامل التشابك (أو عوامل التشابك) المكونة لمصفوفته، حيث تتمتع بعض البوليمرات بمتانة أعلى، وتكون بعض الروابط التساهمية في التشابك أقوى بطبيعتها. ^{[ 46 ]} بالإضافة إلى ذلك، تؤدي كثافة التشابك العالية عمومًا إلى زيادة المتانة عن طريق تقييد حركة سلسلة البوليمر وتعزيز مقاومتها للتشوه. كما تُعد بنية سلاسل البوليمر عاملًا مؤثرًا، حيث يؤدي طول السلسلة الأطول والوزن الجزيئي الأعلى إلى زيادة عدد التشابكات وبالتالي زيادة المتانة. ^{[ 47 ]} يُعدّ التوازن الجيد في ترطيب الهيدروجيل أمرًا بالغ الأهمية، لأنّ انخفاض الترطيب يُؤدّي إلى ضعف المرونة والمتانة داخل الهيدروجيل، بينما يُمكن أن يُؤدّي ارتفاع محتوى الماء إلى انتفاخ مُفرط، ممّا يُضعف الخواص الميكانيكية للهيدروجيل. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

تشير ظاهرة التخلف في الهيدروجيل إلى تأخر تشوه الهيدروجيل وعودته إلى شكله الأصلي عند تعرضه لإجهاد ميكانيكي ثم زواله. يحدث هذا نتيجة لإعادة ترتيب سلاسل البوليمر داخل الهيدروجيل، وإزاحة جزيئات الماء، وتخزين الطاقة أثناء تشوهه نتيجة التمدد أو الانضغاط الميكانيكي. ^{[ 50 ]} عند زوال الإجهاد الميكانيكي، يبدأ الهيدروجيل باستعادة شكله الأصلي، ولكن قد يحدث تأخير في عملية الاستعادة بسبب عوامل مثل اللزوجة المرنة والاحتكاك الداخلي، وغيرها. ^{[ 51 ]} يؤدي هذا إلى اختلاف منحنى الإجهاد-الانفعال أثناء التحميل والتفريغ. يتأثر التخلف في الهيدروجيل بعدة عوامل، منها التركيب، وكثافة التشابك، وبنية سلسلة البوليمر، ودرجة الحرارة .

تُعدّ متانة الهيدروجيل وقدرته على التخلف عن الشد من الخصائص بالغة الأهمية في التطبيقات الطبية الحيوية، مثل هندسة الأنسجة وإيصال الأدوية ، إذ قد يحتاج الهيدروجيل إلى تحمّل القوى الميكانيكية داخل الجسم، مع الحفاظ على أدائه واستقراره الميكانيكي بمرور الوقت. ^{[ 52 ]} تُظهر معظم أنواع الهيدروجيل، الطبيعية منها والصناعية، ارتباطًا طرديًا بين المتانة والقدرة على التخلف عن الشد، أي أنه كلما زادت المتانة، زاد الوقت اللازم للهيدروجيل لاستعادة شكله الأصلي، والعكس صحيح. ^{[ 47 ]} ويعود ذلك في الغالب إلى الروابط التضحية التي تُشكّل مصدر المتانة في العديد من هذه الهيدروجيلات. الروابط التضحية هي تفاعلات غير تساهمية، مثل الروابط الهيدروجينية والتفاعلات الأيونية والتفاعلات الكارهة للماء ، والتي يمكن أن تنكسر وتتشكل من جديد تحت تأثير الإجهاد الميكانيكي. ^{[ 53 ]} يستغرق إعادة تشكيل هذه الروابط وقتًا، خاصةً مع ازدياد عددها، مما يؤدي إلى زيادة القدرة على التخلف عن الشد. ومع ذلك، تركز الأبحاث الحالية على تطوير الهيدروجيلات شديدة التشابك، والتي تعتمد بدلاً من ذلك على طول السلسلة الطويلة للبوليمرات وتشابكها للحد من تشوه الهيدروجيل، مما يزيد من صلابته دون زيادة التخلف، حيث لا توجد حاجة لإعادة تشكيل الروابط. ^{[ 47 ]}

تُعدّ الاستجابة لدرجة الحرارة أكثر أنواع الحساسية البيئية شيوعًا في الهيدروجيلات. ^{[ 54 ]} تُظهر العديد من البوليمرات/الهيدروجيلات انتقالًا طوريًا يعتمد على درجة الحرارة، والذي يُمكن تصنيفه إما إلى درجة حرارة حرجة عليا للذوبان (UCST) أو درجة حرارة حرجة دنيا للذوبان (LCST). تزداد قابلية ذوبان بوليمرات UCST في الماء عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يؤدي إلى انتقال هيدروجيلات UCST من الحالة الهلامية (الصلبة) إلى الحالة السائلة (المحلول) مع ارتفاع درجة الحرارة (على غرار سلوك نقطة انصهار المواد النقية). كما تتسبب هذه الظاهرة في تمدد هيدروجيلات UCST (زيادة نسبة انتفاخها) مع ارتفاع درجة الحرارة بينما تكون درجة حرارتها أقل من UCST. ^{[ 54 ]} في المقابل، تُظهر البوليمرات ذات درجات حرارة LCST اعتمادًا عكسيًا (أو سلبيًا) على درجة الحرارة، حيث تنخفض قابلية ذوبانها في الماء عند درجات الحرارة المرتفعة. تتحول الهيدروجيلات LCST من محلول سائل إلى هلام صلب مع ارتفاع درجة الحرارة، كما أنها تنكمش (تقلل نسبة انتفاخها) مع ارتفاع درجة الحرارة عندما تكون فوق درجة حرارة LCST الخاصة بها. ^{[ 54 ]}

قد تتطلب التطبيقات استجابات حرارية متنوعة. على سبيل المثال، في المجال الطبي الحيوي، تُجرى دراسات على هيدروجيلات LCST كنظم لتوصيل الأدوية نظرًا لإمكانية حقنها (سائلة) في درجة حرارة الغرفة، ثم تصلبها إلى هلام صلب عند تعرضها لدرجات حرارة الجسم البشري المرتفعة. ^{[ 54 ]} وهناك العديد من المحفزات الأخرى التي يمكن أن تستجيب لها الهيدروجيلات، بما في ذلك: الرقم الهيدروجيني، والجلوكوز، والإشارات الكهربائية، والضوء ، والضغط ، والأيونات، والمستضدات ، وغيرها. ^{[ 54 ]}

يمكن ضبط الخصائص الميكانيكية للهيدروجيلات بدقة بعدة طرق، بدءًا من الاهتمام بخصائصها الكارهة للماء. ^{[ 54 ] [ 55 ]} ومن الطرق الأخرى لتعديل قوة أو مرونة الهيدروجيلات تطعيمها أو تغطيتها سطحيًا بدعامة أقوى/أكثر صلابة، أو عن طريق تصنيع مركبات الهيدروجيل فائقة المسامية (SPH)، حيث تُضاف مادة مضافة قابلة للتشابك لتضخيم المصفوفة. ^{[ 7 ]} وقد ثبت أن إضافات أخرى، مثل الجسيمات النانوية والجسيمات الميكرونية ، تُعدّل بشكل ملحوظ صلابة ودرجة حرارة التجلط لبعض أنواع الهيدروجيلات المستخدمة في التطبيقات الطبية الحيوية. ^{[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]}

بينما يمكن ضبط الخصائص الميكانيكية للهيدروجيل وتعديلها من خلال تركيز الروابط المتشابكة والمواد المضافة، يمكن أيضًا تحسين هذه الخصائص أو تطويرها لتطبيقات متنوعة عبر تقنيات معالجة محددة. تشمل هذه التقنيات الغزل الكهربائي ، والطباعة ثلاثية / رباعية الأبعاد ، والتجميع الذاتي ، والصب بالتجميد . إحدى تقنيات المعالجة الفريدة هي تكوين هيدروجيلات متعددة الطبقات لإنشاء تركيبة مصفوفة متغيرة مكانيًا، وبالتالي خصائص ميكانيكية متغيرة. يمكن تحقيق ذلك عن طريق بلمرة مصفوفات الهيدروجيل طبقة تلو الأخرى باستخدام البلمرة بالأشعة فوق البنفسجية. يمكن أن تكون هذه التقنية مفيدة في إنشاء هيدروجيلات تحاكي الغضروف المفصلي، مما يتيح الحصول على مادة بثلاث مناطق منفصلة ذات خصائص ميكانيكية متميزة. ^{[ 59 ]}

تُعدّ تقنية الاستفادة من سلسلة هوفمايستر إحدى التقنيات الناشئة لتحسين الخواص الميكانيكية للهيدروجيل . فبفضل هذه الظاهرة، تتجمع سلاسل البوليمر في الهيدروجيل وتتبلور عند إضافة محلول ملحي، مما يزيد من صلابته. تُعرف هذه الطريقة باسم " التمليح "، وقد طُبّقت على هيدروجيلات بولي (فينيل الكحول) بإضافة محلول ملحي من كبريتات الصوديوم . ^{[ 60 ]} يمكن استخدام بعض تقنيات المعالجة هذه بشكل متكامل لتحقيق خواص ميكانيكية مثالية. يُعدّ التجميد الموجه أو الصب بالتجميد طريقة أخرى يتم فيها تطبيق تدرج حراري موجه على الهيدروجيل، وهو وسيلة أخرى لتكوين مواد ذات خواص ميكانيكية متباينة. يُمكن استخدام تقنيتي الصب بالتجميد والتمليح معًا على هيدروجيلات بولي (فينيل الكحول) لتحفيز تكوين هياكل هرمية وخواص ميكانيكية متباينة. ^{[ 61 ]} يساعد التجميد الموجه للهيدروجيلات على محاذاة سلاسل البوليمر ودمجها، مما يُنشئ هياكل أنبوبية شبيهة بخلايا النحل ذات مصفوفة غير متجانسة، بينما أدى ترسيب الملح من الهيدروجيل إلى تكوين شبكة من الألياف النانوية على سطح هذه الهياكل الأنبوبية. مع الحفاظ على محتوى مائي يزيد عن 70%، تتجاوز قيم صلابة هذه الهيدروجيلات بكثير قيم صلابة البوليمرات الخالية من الماء مثل بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS) وكيفلار والمطاط الصناعي . كما تتجاوز هذه القيم صلابة الأوتار الطبيعية وخيوط العنكبوت . ^{[ 61 ]}

يمكن قياس إجهاد الخضوع للهيدروجيل باستخدام اختبار الانهيار، وهي طريقة شائعة الاستخدام مع المواد المناسبة للطباعة ثلاثية الأبعاد. ^{[ 62 ]} في هذا الاختبار، تُطبع خيوط الهيدروجيل فوق سلسلة من الكتل البلاستيكية ذات فجوات متزايدة تدريجيًا. ثم تُؤخذ صورة جانبية للخيوط، تُظهر الزاوية التي تُشكلها خيوط الهيدروجيل مع المحور الرأسي. تُوفر زاوية الانهيار هذه مؤشرًا قابلًا للقياس لإجهاد الخضوع للمادة.

وضع ريبيرو وآخرون (2017) مجموعة من المعادلات لربط زاوية الانهيار بإجهاد الخضوع للهيدروجيل، مما وفر إطارًا كميًا لتقييم دقة شكل الحبر الحيوي في الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد. ^{[ 62 ]} وقد عُممت هذه المعادلات لاحقًا في عام 2024 لتشمل الأشكال غير المتناظرة والتشوهات الكبيرة في الهيدروجيلات التي تم اختبارها في ظل ظروف انهيار مماثلة. ^{[ 63 ]}

الهيدروجيلات عبارة عن هياكل شبكية ثلاثية الأبعاد ذات خاصية محبة للماء عالية، قادرة على امتصاص كميات كبيرة من الماء والاحتفاظ بها. ونظرًا لتوافقها الحيوي الممتاز، تُستخدم على نطاق واسع في مجال المواد الحيوية. وتتمثل السمة الرئيسية للهيدروجيلات في محتواها المائي العالي، الذي يُشابه البيئة المائية في الأنظمة البيولوجية، مما يجعلها مثالية لتطبيقات هندسة الأنسجة، وإيصال الأدوية، وضمادات الجروح، والجلد الاصطناعي. ^{[ 64 ]} يمكن تصنيف الهيدروجيلات إلى نوعين: طبيعية وصناعية. تُشتق الهيدروجيلات الطبيعية، مثل الجيلاتين والكيتوزان، من مواد بيولوجية، وتتميز بقابليتها الجيدة للتحلل الحيوي وتوافقها الحيوي. أما الهيدروجيلات الصناعية، فتتميز عادةً بقوة ميكانيكية أعلى وقابلية أكبر للتعديل، ولكنها قد تُظهر توافقًا حيويًا أقل. ^{[ 65 ]} بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصنيف الهيدروجيلات إلى نوعين: مستجيبة للبيئة وغير مستجيبة، وذلك بناءً على استجابتها للمؤثرات الخارجية. وتُعد الهيدروجيلات المستجيبة للبيئة، التي تتفاعل مع تغيرات درجة الحرارة أو الرقم الهيدروجيني أو تركيز الأيونات، مفيدة بشكل خاص في أنظمة إيصال الأدوية. نظراً لإمكانية تعديلها، تستمر الهيدروجيلات في توسيع تطبيقاتها في المجال الطبي الحيوي، ومن المتوقع أن تلعب دوراً حاسماً في مختلف التطبيقات الطبية في المستقبل.

تتمتع الهيدروجيلات المزروعة أو المحقونة بإمكانية دعم تجديد الأنسجة من خلال الدعم الميكانيكي للأنسجة، أو توصيل الأدوية أو الخلايا موضعيًا، ^{[ 2 ]} أو استقطاب الخلايا موضعيًا أو تعديل المناعة ، أو تغليف الجسيمات النانوية للعلاج الضوئي الحراري الموضعي أو المعالجة الإشعاعية الداخلية . ^{[ 66 ]} وقد تغلبت أنظمة توصيل الأدوية البوليمرية على التحديات بفضل قابليتها للتحلل الحيوي، وتوافقها الحيوي، وانخفاض سميتها. ^{[ 67 ] [ 68 ]} وقد استُخدمت مواد مثل الكولاجين ، والكيتوزان، والسليلوز ، وحمض البولي (لاكتيك-كو-جليكوليك) على نطاق واسع لتوصيل الأدوية إلى أعضاء مثل العين، ^{[ 69 ]} والأنف، والكليتين، ^{[ 70 ]} والرئتين، ^{[ 71 ]} والأمعاء، ^{[ 72 ]} والجلد، ^{[ 73 ]} والدماغ. ^{[ 2 ]} ويركز العمل المستقبلي على تقليل السمية، وتحسين التوافق الحيوي، وتوسيع تقنيات التجميع. ^{[ 74 ]}

تُعتبر الهيدروجيلات من الوسائل الفعّالة لإيصال الأدوية. ^{[ 75 ] [ 76 ] [ 77 ] [ 78 ]} كما يمكن تصنيعها لمحاكاة الأنسجة المخاطية الحيوانية لاستخدامها في اختبار خصائص الالتصاق المخاطي. ^{[ 79 ] [ 80 ]} وقد دُرست إمكانية استخدامها كمستودعات في توصيل الأدوية الموضعية ، ولا سيما الأدوية الأيونية التي تُوصل عبر الرحلان الأيوني .

حاجز فيزيائي محاكٍ حيويًا يفصل الخلايا التائية عن الأورام، مما قد يسمح لها باستعادة قوتها قبل استئناف العلاج المناعي . ^{[ 81 ]}

المادة السائدة في صناعة العدسات اللاصقة هي هيدروجيلات الأكريلات- سيلوكسان ، والتي حلت محل العدسات اللاصقة الصلبة. ومن أبرز خصائصها نفاذية الأكسجين، وهي خاصية ضرورية لأن القرنية تفتقر إلى الأوعية الدموية .

• النفور من القشور ومقاومة التلوث ^{[ 83 ]}
• طلاءات لأقطاب تفاعل تطور الغاز من أجل فصل الفقاعات بكفاءة ^{[ 84 ] [ 85 ] [ 86 ]}
• زراعة الثدي
• العدسات اللاصقة ( السيليكون هيدروجيل، بولي أكريلاميد ، بوليماكون )
• استدامة المياه: برزت الهيدروجيلات كمنصات مواد واعدة لتنقية المياه بالطاقة الشمسية، ^{[ 87 ]} وتطهير المياه، ^{[ 88 ]} ومولدات المياه الجوية . ^{[ 89 ]}
• الحفاضات التي تستخدم لمرة واحدة حيث تمتص البول ، أو في الفوط الصحية ^{[ 25 ]}
• ضمادات لعلاج الحروق أو الجروح الأخرى التي يصعب شفاؤها . تُعدّ جلّات الجروح ممتازة للمساعدة في خلق بيئة رطبة أو الحفاظ عليها.
• أقطاب كهربائية طبية لتخطيط الدماغ الكهربائي وتخطيط القلب الكهربائي باستخدام هيدروجيلات مكونة من بوليمرات متشابكة ( أكسيد البولي إيثيلين ، وبوليAMPS ، وبولي فينيل بيروليدون )
• تغليف النقاط الكمومية
• الهيدروجيلات الحساسة للبيئة (المعروفة أيضًا باسم "الهلامات الذكية" أو "الهلامات المُتذكِّرة"). تتميز هذه الهيدروجيلات بقدرتها على استشعار تغيرات الرقم الهيدروجيني، أو درجة الحرارة، أو تركيز المستقلبات، وإطلاق حمولتها نتيجةً لهذه التغيرات. ^{[ 90 ] [ 91 ] [ 92 ]}
• الألياف
• غراء
• حبيبات لحفظ رطوبة التربة في المناطق القاحلة
• طارد لفقاعات الهواء (خاصية النفور الشديد من الهواء). يمكن أن يحسن أداء واستقرار الأقطاب الكهربائية المستخدمة في التحليل الكهربائي للماء . ^{[ 93 ]}
• زراعة الخلايا: تم استخدام الآبار المطلية بالهيدروجيل لزراعة الخلايا. ^{[ 94 ]}
• أجهزة الاستشعار الحيوية : يمكن استخدام الهيدروجيلات التي تستجيب لجزيئات محددة، ^{[ 95 ]} مثل الجلوكوز أو المستضدات، كأجهزة استشعار حيوية، وكذلك في أنظمة توصيل الأدوية. ^{[ 96 ]}
• حاملات الخلايا: يمكن استخدام الهيدروجيلات القابلة للحقن لحمل الأدوية أو الخلايا في تطبيقات تجديد الأنسجة أو الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد . ^{[ 76 ] [ 77 ] [ 78 ]} يتطلب الأمر هيدروجيلات ذات خصائص كيميائية قابلة للانعكاس للسماح بتسييلها أثناء الحقن/الطباعة، يليه التئام ذاتي لبنية الهيدروجيل الأصلية. ^{[ 66 ]}
• دراسة الوظائف الميكانيكية الحيوية للخلايا باستخدام مجهر التصوير المقطعي المجسم
• توفير الامتصاص وإزالة الأنسجة الميتة والمتليفة
• هياكل هندسة الأنسجة . عند استخدامها كهياكل، قد تحتوي الهيدروجيلات على خلايا بشرية لإصلاح الأنسجة. وهي تحاكي البيئة الدقيقة ثلاثية الأبعاد للخلايا. ^{[ 97 ]} تشمل المواد المستخدمة الأجاروز ، وميثيل السليلوز ، وحمض الهيالورونيك ، والببتيدات الشبيهة بالإيلاستين ، وغيرها من البوليمرات المشتقة طبيعياً.
• أنظمة توصيل الأدوية ذات الإطلاق المستدام . يمكن استخدام القوة الأيونية ودرجة الحموضة ودرجة الحرارة كعامل محفز للتحكم في إطلاق الدواء. ^{[ 98 ]}
  • أنظمة إطلاق الأدوية المحفزة بالضوء. ^{[ 99 ]} باستخدام الضوء كمحفز خارجي ، يتيح التحكم الزمني أيضًا إمكانيات لإطلاق الشحنات الجزيئية بشكل قابل للتشغيل والإيقاف من خلال مركبات الهيدروجيل- البوليميروزوم . ^{[ 100 ]}
• يمكن استخدام سلوك التورم الذي تُظهره الهيدروجيلات المشحونة كأداة قيّمة لدراسة التفاعلات بين البوليمرات المشحونة وأنواع مختلفة، بما في ذلك الأيونات متعددة التكافؤ والببتيدات والبروتينات. [ 101 ] ^{ينشأ هذا السلوك} نتيجة لتقلبات قوى التورم الأسموزي الناجمة عن تبادل الأيونات المضادة داخل مصفوفة الهلام. ويكتسب هذا السلوك أهمية خاصة في تقييم ارتباط الأدوية الببتيدية بالبوليمرات الحيوية داخل الجسم، إذ يُمكن أن يُسهم سلوك التورم للهلام في فهم هذه التفاعلات. ^{[ 102 ] [ 103 ]}
• طلاء/استبدال النوافذ: يجري النظر في استخدام الهيدروجيل لتقليل امتصاص الأشعة تحت الحمراء بنسبة 75%. ^{[ 104 ]} كما تم استخدام هيدروجيل حساس للحرارة لتقليل درجة الحرارة الداخلية . ^{[ 105 ]}
• توليد الكهرباء الديناميكي الحراري: عند دمجه مع الأيونات، يسمح بتبديد الحرارة للأجهزة الإلكترونية والبطاريات وتحويل التبادل الحراري إلى شحنة كهربائية. ^{[ 106 ]}
• متفجرات هلامية مائية
• إطلاق متحكم به للمواد الكيميائية الزراعية (المبيدات والأسمدة)
• مواد تالين الممتصة للصدمات - هيدروجيلات قائمة على البروتين يمكنها امتصاص الصدمات فوق الصوتية ^{[ 107 ]}
• المهام الحسابية، بما في ذلك الذاكرة الناشئة. ^{[ 108 ]}