Hidrogelovi, odnosno polimerne mreže, su trodimenzionalno umreženi makromolekulski lanci. Bitna karakteristika polimernih mreža je da se ne mogu rastvarati, već isključivo bubre u prisustvu rastvarača. Ako je rastvarač voda, onda je reč o hidrogelovima, ako je rastvarač neka nepolarna organska supstanca, radi se o liogelovima.
Hidrogelovi osetljivi na spoljašnje stimulanse značajno menjaju zapreminu usled malih promena sredine u kojoj se nalaze. U radovima V. Kuna (W. Kuhn), A. Kačalskog (A. Katchalsky) i J. V. Breitenbaha (J. W. Breitenbach) objavljenim pedesetih godina dvadesetog veka se prvi put pominju ovakva svojstva hidrogelova i autori ih nazivaju "muscle-like working" i predviđaju veliki potencijal ovih materijala. Ova vrsta hidrogelova može imati odziv na promene u spoljašnjoj sredini kao što su promene: pH, jonske jačine rastvarača, temperature, svetlosti, magnetnog i električnog polja.
Na Slici 1. je šematski prikazana skokovita promena zapremine i krutosti polimernih lanaca kod hidrogela usled promene parametara sredine u kojoj se hidrogel nalazi. U levom delu slike je prikazan nabubreli, a u desnom delu kontrahovan hidrogel.

Slika 1. Shematski prikaz konformacionih promena polimernih lanaca osetljivih na spoljašnje uticaje i prikaz promene zapremine i krutosti hidrogela kao posledica promena u spoljašnjoj sredini

 

Hidrogelovi osetljivi na spoljašnje stimulanse se najviše primenjuju za kontrolisano otpuštanje lekovitih supstanci, u bioinženjerstvu tkiva, za biosenzore, itd. što znači da treba da budu osetljivi na uslove koji vladaju u živom organizmu, a parametri koji se najčešće menjaju u ovom okruženju su pH i temperatura. Stoga su i najčešće istraživani hidrogelovi stimulisani promenom pH i temperature.
Kod temperaturno osetljivih hidrogelova potrebno je poznavati donju kritičnu temperaturu rastvora LCST (lower-critical solution temperature) ili gornju kritičnu temperaturu rastvora UCST (upper-critical solution temperature). U zavisnosti od prirode polimera od kog je načinjen, hidrogel će imati jednu od ove dve karakteristične temperature, na kojima se javlja fazna promena. Pozitivno temperaturno-osetljivi hidrogelovi imaju UCST iznad koje bubre, a ispod koje se kontrahuju. U ovu grupu spadaju: interpenetrirajuća polimerna mreža poli(akrilne kiseline) (PAK) i poliakrilamida (PAAm) ili kopolimer akrilamida i butilmetakrilata P(Aam-ko-BMA). Dok negativno temperaturno-osetljivi hidrogelovi imaju LCST iznad koje se kontrahuju, a ispod koje bubre (Slika 2.). Ovakvi hidrogelovi u polimernim lancima sadrže hidrofobne i hidrofilne grupe. Na nižim temperaturama dominantne su vodonične veze između hidrofilnih delova polimernog lanca i vode. Sa porastom temperature dolazi do povećanja kinetičke energije molekula i vodonične veze slabe. Prevladava uticaj hidrofobnog dela polimernog molekula i dolazi do kontrakcije molekula. Sa povećanjem sadržaja hidrofobnih grupa u molekulu polimera, LCST raste.

Slika 2. Shematski prikaz bubrenja i kontrakcije, negativno temperaturno-osetljivog hidrogela PNiPAAm-a koji ima LCST na 32ºC

 

Hidrogelovi osetljivi na promenu pH sadrže kisele ili bazne bočne grupe. Dele se na:
* Katjonske - amino grupe u bočnom lancu
* Anjonske - karboksilne ili sulfonske grupe u bočnom lancu
* Amfifilne - u bočnom lancu sadrže i katjonske i anjonske grupe.
Hidrogelovi sa velikim brojem jonizujućih grupa, polielektroliti, se takođe ubrajaju u pH-osetljive hidrogelove.
Usled promene pH sredine dolazi do bubrenja ili kontrahovanja hidrogela. Interval pH u kom se ova promena dešava zavisi od vrste polimernog lanca i vrste rastvarača, odnosno interakcije polimer-rastvarač. Kada je reč o anjonskim hidrogelovima, promene u stepenu bubrenja dešavaju se blizu pKa vrednosti polimera od kojih je hidrogel izgrađen. Kada je pH sredine znatno manja od pKa hidrogel ne bubri mnogo (Slika 3.), jer je u nejonizovanom stanju. Povećanjem pH dolazi do intenzivnijeg bubrenja hidrogela, usled jonizovanja jonskih grupa. Kod katjonskih hidrogelova je suprotno ponašanje, a zavisi od pKb vrednosti. Bubrenje amfifilnih hidrogelova zavisi od izoelektrične tačke, odnosno pH vrednosti na kojoj je ukupno naelektrisanje kiselih i baznih grupa jednako nuli.

Slika 3. Promena stepena bubrenja za jonske hidrogelove u zavisnosti od pH vrednosti sredine [3]

 

Primena ove vrste hidrogelova raste iz godine u godinu i već danas se svako od nas u svakodnevnom životu susreće sa nekim hidrogelom osetljivim na spoljašnje stimulanse, preko kontaktnih sočiva, kapi za oči, flastera, nosača lekovitih supstanci, itd. Uskoro se može očekivati još veća primena ove vrste materijala.


Literatura
1. M. Kalagasidis Krušić, "Hidrogelovi" u Hidrogelovi i kontrolisano otpuštanje lekovitih supstanci, Zadužbina Andrejević (2007.) 13-29
2. A. Richter, G. Paschew, S. Klatt, J. Lienig, K. Ardt, H. P. Adler, Sensors, 8 (2008) 561-581
3. J. F. Mano, Advanced Engineering Materials, 10 No: 6 (2008) 515-527
4. G. Bao-Lin, Y. Jin-Fang, G. Quig-Yu, Polymer International, 57 (2008) 463-468
5. M. Rinaudo, Progres in Polymer Science, 31 (2006) 603-632
6. L. Chia-Fen, W. Shia-Jen, C. Wen-Yen, Journal of Polymer Science, 41 (2003) 2023-2063
7. L. Chia-Fen, W. Shia-Jen, L. Chia-Lung, C. Wen-Yen, Journal of Polymer Science, 42 (2004) 3029-3037