derecha|miniaturadeimagen| La gelatina, aquí en láminas para cocinar, es un 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.
Usos y aplicaciones miniaturadeimagen| Un vendaje adhesivo con una almohadilla de hidrogel, que se usa para ampollas y quemaduras. El gel central es transparente, la película plástica adhesiva impermeable es transparente, el respaldo es blanco y azul.
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. Aplicaciones biomédicas izquierda|miniaturadeimagen| Estructura molecular del hidrogel de silicona utilizado en lentes de contacto flexibles permeables al oxígeno. Lentes de contacto: Para esta aplicación son precisos tres requisitos: la lente debe permitir la adecuada oxigenación de la córnea, es decir, debe ser permeable al oxígeno; además, el fluido lacrimal tiene que formar una película entre la córnea y la lente. Por último, dicha lente deberá resistir la fuerza del párpado para así evitar posibles inestabilidades visuales. Para la fabricación de las lentes de contacto se utilizó el polimetacrilato de metilo (PMMA) por sus excelentes propiedades ópticas, fácil manejo, mecanización y pulido, y su excelente biocompatibilidad con los tejidos del ojo humano. Sin embargo, este polímero no permite el paso de la cantidad de oxígeno necesaria para la córnea, lo que hace que esta sufra una degradación de sus propiedades y transaparencia. En la actualidad, se emplean metacrilatos modificados con alquilsiloxanos, resinas de silicona polibutilestireno, etc; cada cual con sus ventajas e inconvenientes. Una de sus propiedades más atractivas es la permeabilidad al oxígeno, que se requiere ya que la córnea carece de vasculatura. Liberación controlada de fármacos: Esta tecnología es relativamente nueva. Con los métodos tradicionales de liberación de medicamentos se obtienen controles muy pobres sobre los niveles de fármaco óptimos terapéuticos que demandan los tratamientos. Estas imprecisiones provocan que el medicamento, que en principio puede ser efectivo para tratar la enfermedad, no se administre ni en la cantidad ni el tiempo ni el lugar esperado para que el tratamiento sea eficaz. Por otro lado, el avance creciente en los últimos años sobre hidrogeles con facultades de liberadores trae nuevas alternativas para que un control preciso pueda ser aplicado en la administración de medicamentos. Su fundamento reside en que una determinada fracción liberada de fármaco provoca una acción farmacológica específica. Se ha demostrado que existe una relación directa entre la porción de fármaco liberada y su acción farmacológica. Así, cuando se desea un efecto en particular el grado de liberación debe ser controlado en un entorno muy específico, ya que dosis más elevadas pueden producir efectos farmacológicos no deseados además de la acción terapéutica. En la actualidad, los hidrogeles han demostrado ser la base de unos de los mejores sistemas para obtener una liberación controlada de fármacos; se han estudiado sistemas de liberación de antibióticos, analgésicos, antineoplásticos, etc. Vendajes para heridas: El proceso de curación de una herida es muy complejo: diferentes factores coordinan el cierre y formación de piel nueva. Ciertas condiciones para cada etapa favorecen una buena y rápida cicatrización. Uno de los factores claves es mantener un ambiente húmedo fisiológico. Gracias a la capacidad de los hidrogeles de absorber y mantener grandes cantidades de agua (en relación con la cantidad de polímero), y a la posibilidad de encapsular, proteger, y liberar proteínas u otras moléculas los hacen excelentes candidatos para esta aplicación. Biotintas para impresión 3D: Debido a su similitud mecánica con la matriz extracelular, los hidrogeles han sido usados exitosamente junto con células para hacer impresiones en 3D de tejidos y mini-órganos, los cuales son útiles para regenerar órganos dañados, así como imprimir mini órganos para ser utilizados en la industria farmacéutica.
Aplicaciones en agricultura Liberación controlada de agua y estructurador de suelos: Como ya se ha comentado, los hidrogeles se hinchan con el agua, y este hinchamiento es reversible, de tal manera que ciertos hidrogeles pueden ser aplicados en el suelo y cuando llueve se hinchan absorbiendo parte del agua de lluvia, y cuando hay época de sequía, éstos liberan poco a poco el agua absorbida. Suelen emplearse con esta aplicación 3 tipos de hidrogeles: poliacrilamida, poliacrilato de sodio y un copolímero de poliacrilamida y acrilato de sodio. A menudo, para no usar el término científico del hidrogel (o por no revelar la fórmula química del hidrogel) se suele usar la abreviatura PAM para designar cualquiera de estos 3 polímeros tan distintos. La PAM reduce la erosión del suelo, favorece la regeneración de la materia orgánica y la aireación del suelo, evita la acumulación de sales en la superficie y la excesiva pérdida de agua, aumenta la retención de los nutrientes de las plantas, etc.
Investigación en laboratorios
Andamios en ingeniería de tejidos. Cuando se utilizan como andamios, los hidrogeles pueden contener células humanas para estudiar el tanto el comportamiento de las mismas, así como su interacción con los diferentes componentes de la matriz extracelular. De esta forma se consigue representar en 3D el microambiente celular. Algunos de los materiales más utilizados son agar, metilcelulosa, hialuronano, polipéptidos similares a la elastina y otros polímeros de origen natural. Se han utilizado pocillos recubiertos de hidrogel para cultivo celular. Investigación de funciones biomecánicas en células cuando se combina con microscopía holotomográfica.
miniaturadeimagen| Célula madre mesenquimatosa humana que interactúa con hidrogel 3D: obtenida con imágenes de células vivas sin etiquetas
Hidrogeles ambientalmente sensibles (también conocidos como 'Smart Gels' o 'Intelligent Gels'). Estos hidrogeles tienen la capacidad de detectar cambios de pH, temperatura o concentración de metabolitos y liberar su carga como resultado de dicho cambio. Hidrogeles inyectables que se pueden usar como portadores de fármacos para el tratamiento de enfermedades o como portadores de células con fines regenerativos o ingeniería de tejidos. Sistemas de administración de fármacos de liberación sostenida. La fuerza iónica, el pH y la temperatura se pueden utilizar como factor desencadenante para controlar la liberación del fármaco. Proporciona absorción, desbridamiento y desbridamiento de tejido necrótico y fibrótico. Los hidrogeles que responden a moléculas específicas,Chemoresponsive Materials, Editor: Hans-Jörg Schneider, Royal Society of Chemistry, Cambridge 2015, https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78262-242-0 como la glucosa o los antígenos, pueden usarse como biosensores, así como en DDS. Pañales desechables donde absorben la orina o en toallas sanitarias Lentes de contacto (hidrogeles de silicona , poliacrilamidas, polimacon ) Electrodos médicos de EEG y ECG que utilizan hidrogeles compuestos de polímeros reticulados (óxido de polietileno, polyAMPS y polivinilpirrolidona ) Explosivos de gel de agua Administración y diagnóstico de fármacos por vía rectal Encapsulación de puntos cuánticos Implantes de pecho Pegamento Gránulos para retener la humedad del suelo en áreas áridas. Apósitos para curar quemaduras u otras heridas difíciles de curar. Los geles para heridas son excelentes para ayudar a crear o mantener un ambiente húmedo. Reservorios en la administración de fármacos tópicos ; particularmente fármacos iónicos, administrados por iontoforesis (ver resina de intercambio iónico ). Materiales que imitan los tejidos de la mucosa animal que se utilizarán para probar las propiedades mucoadhesivas de los sistemas de administración de fármacos. Generación de electricidad termodinámica. Cuando se combina con iones permite la disipación de calor para dispositivos electrónicos y baterías y convierte el intercambio de calor en una carga eléctrica. Fibras.
Química 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".