Hidrogel

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.

[3]​ Los hidrogeles, debido a su biocompatibilidad, su estructura y propiedades, son cada vez más utilizados como biomateriales.

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.

Los polímeros naturales para la preparación de hidrogel incluyen ácido hialurónico, quitosano, heparina, alginato y fibrina .

[1]​ Las reticulaciones que unen los polímeros de un hidrogel se clasifican en dos categorías generales: físicas y químicas.

[33]​ Las propiedades de un hidrogel dependen en gran medida del tipo y la cantidad de sus enlaces cruzados, lo que hace que la fotopolimerización sea una opción popular para perfeccionar los hidrogeles.

Como "materiales inteligentes" sensibles, los hidrogeles pueden encapsular sistemas químicos que, al ser estimulados por factores externos, como un cambio de pH, pueden hacer que compuestos específicos como la glucosa se liberen al medio ambiente, en la mayoría de los casos mediante una transición de gel-sol al líquido.

Los polímeros quimiomecánicos son en su mayoría también hidrogeles, que tras la estimulación cambian su volumen y pueden servir como actuadores o sensores.

[34]​ Se puede ver un efecto similar al alterar la concentración de reticulación.

[34]​ Esta gran variabilidad de la rigidez mecánica es la razón por la que los hidrogeles son tan atractivos para aplicaciones biomédicas, donde es vital que los implantes coincidan con las propiedades mecánicas de los tejidos circundantes.

Algunos experimentos de pruebas mecánicas comunes para hidrogeles son tensión, compresión (confinada o no confinada), indentación, reometría de cizallamiento o análisis mecánico dinámico .

[34]​ Los hidrogeles tienen dos regímenes principales de propiedades mecánicas: elasticidad del caucho y viscoelasticidad.

En el estado no hinchado, los hidrogeles pueden modelarse como geles químicos altamente reticulados, en los que el sistema puede describirse como una red continua de polímeros.

En este modelo, la viscoelasticidad se modela de forma análoga a un circuito eléctrico con un resorte Hookean, que representa el módulo de Young, y un dashpot newtoniano que representa la viscosidad.

[34]​ Estos métodos de modelado varían mucho y son extremadamente complejos, por lo que la descripción empírica de la serie Prony se usa comúnmente para describir el comportamiento viscoelástico en hidrogeles.

Esto provoca una disminución de la presión del agua, lo que añade estrés adicional a la compresión.

[40]​ La poroelasticidad se describe mediante varias ecuaciones acopladas, por lo que existen pocas pruebas mecánicas que se relacionen directamente con el comportamiento poroelástico del material, por lo que se utilizan pruebas más complicadas como pruebas de indentación, modelos numéricos o computacionales.

Este fenómeno también hace que los hidrogeles UCST se expandan (aumenten su proporción de hinchamiento) a medida que aumenta la temperatura mientras están por debajo de su UCST.

Por ejemplo, en el campo biomédico, los hidrogeles LCST se están investigando como sistemas de administración de fármacos debido a que son inyectables (líquidos) a temperatura ambiente y luego se solidifican en un gel rígido al exponerlos a las temperaturas más altas del cuerpo humano.

[41]​ Hay muchos otros estímulos a los que los hidrogeles pueden responder, incluidos: pH, glucosa, señales eléctricas, luz, presión, iones, antígenos y más.

Estas técnicas incluyen electrohilado, impresión 3D / 4D, autoensamblaje y fundición por congelación.

[47]​ Otra técnica emergente para optimizar las propiedades mecánicas del hidrogel es aprovechar la serie Hofmeister .

La congelación direccional o la fundición por congelación es otro método en el que se aplica un gradiente de temperatura direccional al hidrogel y es otra forma de formar materiales con propiedades mecánicas anisotrópicas.

Los valores también superan la tenacidad del tendón natural y la seda de araña.

[50]​ Cuando se sintetizan hidrogeles, puede elegirse un gran número de monómeros: con sustituyentes laterales no ionizables (N-metilol acrilamida, N-vinil-2-pirrolidona, metracrilato de 2-hidroxietilo…), con grupos funcionales ionizables (los ácidos metracrílico, acrílico, estiren sulfónico, vinil sulfónico, itacónico… Derivados de 2-vinilpiridina, 4-vinilpiridina, vinilamina, etilamina…), con grupos laterales cargados zwiterionicos (la parte activa o liófila tiene simultáneamente carga positiva y negativa).

Las técnicas empleadas pueden englobarse en 2 grandes grupos: Es preciso señalar que en la síntesis de hidrogeles, la elección del agente entrecruzante es fundamental a la hora de optimizar las propiedades del material a sintetizar.

Un ejemplo: el diclorometilsilano, que al ser volátil se puede eliminar fácilmente.

El objetivo de la caracterización física es cuantificar la rigidez (Reología) y/o fluidez así como el contenido en agua, y su degradación.

En cuanto a la caracterización química, se busca conocer la composición del polímero, y productos finales en caso de que haya degradación del hidrogel durante o después de su aplicación.

[52]​[53]​ Materiales como colágeno, quitosano, celulosa y poli (ácido láctico-co-glicólico) se han implementado ampliamente para la administración de fármacos a diversos órganos del cuerpo humano como: el ojo,[54]​ nariz, riñones,[55]​ pulmones.,[56]​ intestinos,[57]​ piel,[58]​ y cerebro.