Hydrogel

Définition

Un hydrogel est un réseau de chaînes polymères avec une grande capacité d'absorption d'eau. Ceci implique qu'une fois mis en milieu aqueux il est capable d'absorber de l'eau et de gonfler, en retenant le volume d'eau absorbé piégé dans le réseau polymérique. Les hydrogels peuvent être formés par une simple réaction entre un ou plusieurs monomères ou par des liaisons d'association telles que des liaisons hydrogène, des interactions de van der Waals, entre autres. La composition chimique, la densité de réticulation et l'hydrophobicité peuvent les faire varier en consistance des fluides visqueux aux solides rigides.

De l'hydrogel en billes :

Un hydrogel hydraté pouvant contenir jusqu'à 145 fois son poids en eau. Un hydrogel absorbant l'eau fabriqué à partir de bactéries fournit une solution d'humidification de sol très sûre. Les effets de la mise en place d'hydrogels synthétiques dans le sol sont débattus, en particulier lorsque le polymère se dégrade. Les hydrogels de polyacrylamide peuvent se décomposer physiquement en acrylamide, une neurotoxine connue pour l'homme.

Explications

Un hydrogel est défini scientifiquement comme un réseau tridimensionnel de dimensions colloïdales avec des phases solides et aqueuses interpénétrées.

Les hydrogels sont des réseaux tridimensionnels composés de polymères hydrophobes synthétisés par réticulation de polymères hydrosolubles. Les hydrogels peuvent retenir une grande quantité d'eau au sein de leur réseau sans perturber leur structure d'origine. Cela confère des propriétés de flexibilité et de gonflement aux structures d'hydrogel. Ces propriétés des hydrogels, ainsi que les groupes fonctionnels polaires qu'ils portent tels que les amines, les amides, l'acide carboxylique, l'hydroxyle et l'acide sulfonique qualifient les hydrogels pour de nombreuses applications prometteuses.

Les hydrogels sont des polymères, composés de molécules répétées plus petites appelées monomères, qui ont la capacité d'absorber de grandes quantités de liquide. On les trouve couramment dans les couches pour retenir l'eau et les bouquets de fleurs accompagnant pour garder les plantes hydratées. Les hydrogels typiques, cependant, sont fabriqués à partir de matériaux synthétiques, comme le polyacrylamide, qui ne se décomposent pas.

Les hydrogels sont des structures de réseau tridimensionnelles capables de s'imbiber de grandes quantités d'eau. Les hydrogels ne se dissolvent généralement pas en raison de réticulations chimiques ou physiques ou d'enchevêtrements de chaînes. Ils existent naturellement sous forme de réseaux de polymères tels que le collagène ou la gélatine, ou peuvent être fabriqués par synthèse. Les hydrogels sensibles à l'environnement peuvent servir une grande variété d'applications en raison de leur capacité à répondre aux changements environnementaux, généralement en présentant des changements de volume. Les stimuli traditionnels qui provoquent une réponse hydrogel sont le pH, la température et la force ionique. Les analytes et les biomarqueurs, notamment le glucose, les protéines et l'ADN, suscitent également des réponses d'hydrogel. En raison d'une telle variété de déclencheurs de réponse, les hydrogels peuvent être incorporés dans des capteurs ou des actionneurs, ou peuvent être utilisés dans des systèmes d'administration contrôlée de médicaments, des biocapteurs, des échafaudages d'ingénierie tissulaire, des organes artificiels, des pansements cicatrisants, des membranes physiologiques, des lentilles de contact, et vannes microfluidiques.

⭐ Une utilisation principale des hydrogels synthétiques est d'aider à faire pousser des cultures dans les zones sèches. Les hydrogels peuvent gonfler d'eau pendant les pluies et libérer l'humidité dans le sol pendant les périodes sèches, à la fois en arrosant les plantes et en aidant à contrôler l'érosion. Des engrais sont également ajoutés aux hydrogels, permettant une libération plus lente des nutriments dans le sol.

Types et classification

Les hydrogels peuvent être classés selon différents paramètres. Trois grands groupes dans lesquels les hydrogels sont différenciés : (1) mode de préparation; (2) charge ionique; ou (3) structure physique :

Détail de la classification de hydrogels :

1. En fonction du procédé de préparation, il peut s'agir d'hydrogels homopolymères, s'ils sont constitués d'un type d'unité monomère hydrophile; les hydrogels copolymères, s'ils sont constitués de deux unités comonomères, dont l'une doit être hydrophile; les hydrogels multipolymères, s'ils sont produits à partir de trois comonomères ou plus réagissant ensemble; et des hydrogels polymères interpénétrants, si un réseau initialement formé réagit pour former une seconde structure de réseau enchevêtrée.
2. Sur la base des charges ioniques, des hydrogels neutres, anioniques, cationiques et ampholytiques peuvent être formés. Une telle notation fait référence à leur charge globale, à savoir aucun groupe chargé dans les hydrogels neutres, les groupes chargés négativement dans les hydrogels anioniques, les groupes chargés positivement dans les hydrogels cationiques et les groupes chargés à la fois négativement et positivement dans les hydrogels ampholytiques, ce qui les rend avec un double comportement. Ces trois derniers types (anioniques, cationiques, ampholytiques) sont également qualifiés d'hydrogels ioniques (ou polyélectrolytes).
3. Sur la base de la structure physique, les hydrogels peuvent être classés comme hydrogels amorphes, s'ils sont non cristallins contenant des chaînes macromoléculaires disposées de manière aléatoire; les hydrogels semi-cristallins, s'ils comprennent un mélange de phases amorphe et cristalline possédant des régions denses de chaînes macromoléculaires ordonnées; structures à liaisons hydrogène, si le réseau d'hydrogel est basé sur des interactions électrostatiques. La force de la liaison hydrogène est plus faible que la liaison covalente mais plus forte que les interactions de van der Waals. Pour qu'un hydrogel conserve sa structure tridimensionnelle, les chaînes polymères sont généralement réticulées chimiquement ou physiquement. Les hydrogels chimiquement réticulés ou permanents possèdent leurs chaînes polymériques reliées par des liaisons covalentes qui présentent une difficulté si l'on entend changer la forme de ces réseaux par la suite. Les hydrogels physiques ou réversibles sont liés par des liaisons non covalentes, telles que des interactions de van der Waals, des interactions ioniques, des liaisons hydrogène ou des interactions hydrophobes.

Représentation de la formation physico-chimique des hydrogels :

Schéma de représentation de la formation physique et chimique des hydrogels.

Les hydrogels peuvent présenter de nombreuses formes physiques différentes, y compris des formes moulées solides, telles que des lentilles de contact souples, des matrices de poudre pressée, comme dans des pilules ou des capsules, ou différents types de microparticules et de revêtements, ou de liquides, qui forment des gels lors du refroidissement ou du chauffage. Par conséquent, leur application potentielle dans un large éventail de situations est assez élevée.

Différents types de matériaux naturels et synthétiques sont actuellement étudiés et utilisés pour des applications dans le domaine de l'ingénierie tissulaire et de la médecine régénérative. Selon leur rôle, ils peuvent être traités de différentes manières allant des technologies à base de fusion, telles que l'extrusion de fibres couplée à la liaison de fibres pour générer des échafaudages 3D, aux technologies à base de solvants, comme le traitement des éponges à l'acide hyaluronique.

On s'attend à ce que ceux-ci créent un avantage particulier, qu'il s'agisse d'une meilleure capacité d'ajustement ou d'une porosité plus élevée pour que les cellules pénètrent et génèrent un tissu d'ingénierie fonctionnel.

Le traitement d'un matériau dans un hydrogel est également très attrayant et intéressant. Les propriétés des hydrogels en font des agents attrayants pour une gamme variée d'applications biomédicales, telles que les véhicules d'administration de médicaments ou les systèmes d'encapsulation cellulaire. Ils peuvent être conçus pour une perméabilité sélective et une stabilité mécanique ou chimique par exemple.

Les signaux chimiques (par exemple, le pH et les facteurs ioniques) et les stimuli physiques (par exemple, la température ou le potentiel électrique) peuvent modifier les interactions moléculaires entre les chaînes polymères. De telles interactions peuvent altérer les propriétés des matériaux telles que la solubilité, le comportement de gonflement, l'état redox et la transition cristalline/amorphe. La biocompatibilité associée, souvent le résultat de leur hydrophilie, est également un avantage couramment mentionné pour leur utilisation dans des applications biomédicales et pharmaceutiques.

À cela s'ajoute le bon transport des nutriments vers les cellules et des produits issus des cellules qui est normalement assuré. La capacité de certains à être modifiés avec des ligands d'adhésion cellulaire spécifiques ou à être utilisés comme systèmes injectables renforce encore leur potentiel. Les inconvénients associés sont généralement liés à une manipulation difficile et à une faiblesse mécanique.

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