Hydrogel

1 Giới thiệu chung về Hydrogel

1.1 Hydrogel là gì? 

Hydrogel là một vật liệu hai pha, một hỗn hợp của các chất rắn xốp, dễ thấm, ít nhất 10% trọng lượng hoặc thể tích của chất lỏng kẽ có thành phần hoàn toàn hoặc chủ yếu là nước. Trong hydrogel, chất rắn xốp thấm là một mạng lưới ba chiều không tan trong nước gồm các polyme tự nhiên hoặc tổng hợp và chất lỏng đã hấp thụ một lượng lớn nước hoặc chất lỏng sinh học. Những đặc tính này củng cố một số ứng dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh. Nhiều hydrogel là tổng hợp, nhưng một số có nguồn gốc từ thiên nhiên. 

1.2 Nguồn gốc lịch sử của Hydrogel

Thuật ngữ hydrogel bắt nguồn từ năm 1894 và lần đầu tiên được sử dụng để mô tả chất keo của một số muối vô cơ. Ngày nay, hydrogel mang ý nghĩa hoàn toàn khác so với lúc ban đầu. Hydrogel đầu tiên được báo cáo vào năm 1949 cho cấy ghép y sinh là Ivalon, poly(vinyl Alcohol) liên kết ngang với formaldehyde. Năm 1960, PHEMA (Polyhydroxyethylmethacrylate) được giới thiệu đã khiến thị trường hydrogel bùng nổ. Có thể tạm chia nó thành ba thế hệ:

• Hydrogel thế hệ đầu tiên được chia thành ba loại chính: Polyme của các monome anken chịu phản ứng cộng chuỗi do gốc tự do gây ra ( polyacrylamide và polyhydroxyethyl methacrylate ), đây là vật liệu sinh học quan trọng; các polyme ưa nước liên kết ngang cộng hóa trị ( rượu polyvinyl và polyethylen glycol )  sử dụng trong kỹ thuật mô; hydrogel dựa trên cellulose sử dụng làm chất nền phân tán thuốc trong quá trình phân phối thuốc.
• Hydrogel thế hệ thứ hai chủ yếu là copolyme khối PEG /polyester đặc trưng bởi khả năng chuyển đổi năng lượng hóa học của hydrogel thành năng lượng cơ học của hydrogel để đạt được chức năng quy định.
• Hydrogel thế hệ thứ ba: Tính năng chính của hydrogel thế hệ thứ ba là "liên kết ngang", điều chỉnh các đặc tính cơ học và phân hủy của hydrogel chủ yếu thông qua liên hợp lập thể, bao gồm, phối hợp phối tử kim loại và tổng hợp chuỗi peptide. 

1.3 Các loại Hydrogel

Cấu trúc Hydrogel: Hydrogel được biết đến là vật liệu mềm thường bao gồm các mạng polymer liên kết ngang, không hòa tan, ba chiều có thể hấp thụ một lượng lớn nước bên trong mạng lưới của nó

Theo cấu trúc liên kết: Các liên kết ngang liên kết các polyme của hydrogel thuộc hai loại chung là hydrogel vật lý và hydrogel hóa học.

• Hydrogel hóa học có liên kết cộng hóa trị và có thể tạo ra loại gel có khả năng đảo ngược hoặc không thể đảo ngược mạnh do liên kết cộng hóa trị. Hydrogel hóa học có chứa các liên kết liên kết ngang cộng hóa trị thuận nghịch như hydrogel của thiomer được liên kết ngang thông qua liên kết disulfide không độc hại và được sử dụng trong nhiều sản phẩm y tế. 
• Hydrogel vật lý có liên kết không cộng hóa trị. Hydrogel vật lý thường có khả năng tương thích sinh học cao, không độc hại và cũng dễ dàng đảo ngược chỉ bằng cách thay đổi kích thích bên ngoài như pH, nồng độ ion hoặc nhiệt độ. Hydrogel vật lý cũng được sử dụng cho các ứng dụng y tế. 

Hydrogel được điều chế bằng nhiều loại vật liệu polyme, có thể được chia thành hai loại tùy theo nguồn gốc của chúng: polyme tự nhiên hoặc tổng hợp. 

• Các polyme tự nhiên để điều chế hydrogel bao gồm axit hyaluronic , Chitosan , Heparin , alginate , gelatin và fibrin. Hydrogel tự nhiên thường không độc hại và thường mang lại những lợi ích cho y tế như khả năng tương thích sinh học , khả năng phân hủy sinh học, tác dụng kháng sinh / kháng nấm và cải thiện khả năng tái tạo các mô lân cận nhưng độ ổn định và độ bền của chúng thường thấp hơn so với hydrogel tổng hợp.
• Các polyme tổng hợp phổ biến bao gồm rượu polyvinyl , polyethylen glycol , natri polyacryit , polyme acryit và copolyme của chúng. Hydrogel tổng hợp có thể được sử dụng cho các ứng dụng y tế như Polyethylene glycol (PEG) , polyacrylate và polyvinylpyrrolidone (PVP) 

2 Tính chất của Hydrogel

Hydrogel có hai tính chất chính về cơ học là độ đàn hồi Cao Su và độ đàn hồi nhớt. Ngoài ra hydrogel còn có một cơ chế biến dạng phụ thuộc thời gian bổ sung phụ thuộc dòng chất lỏng gọi là tính xốp đàn hồi. Những tính chất này cực kỳ quan trọng cần xem xét khi thực hiện các thí nghiệm cơ học. Một số thí nghiệm thử nghiệm cơ học phổ biến đối với hydrogel là độ căng , nén (giới hạn hoặc không giới hạn), thụt đầu dòng, đo lưu lượng cắt hoặc phân tích cơ học động 

• Độ đàn hồi cao su: Ở trạng thái không trương nở, hydrogel có thể được mô hình hóa dưới dạng gel hóa học có liên kết chéo cao, trong đó hệ thống có thể được mô tả như một mạng polymer liên tục. Độ đàn hồi của chúng đến từ ma trận polyme rắn
• Độ nhớt: do tính di động của mạng polyme và nước cũng như các thành phần khác tạo nên pha nước. Đặc tính nhớt đàn hồi của hydrogel phụ thuộc nhiều vào bản chất của chuyển động cơ học được áp dụng. Vì vậy, sự phụ thuộc thời gian của các lực tác dụng này là cực kỳ quan trọng để đánh giá độ đàn hồi nhớt của vật liệu.
• Độ đàn hồi xốp là một đặc tính của vật liệu liên quan đến sự di chuyển của dung môi qua vật liệu xốp và sự biến dạng đồng thời xảy ra. Tính đàn hồi xốp trong các vật liệu ngậm nước như hydrogel xảy ra do ma sát giữa polyme và nước khi nước di chuyển qua ma trận xốp khi bị nén. Điều này làm giảm áp lực nước, làm tăng thêm áp lực khi nén. Độ đàn hồi xốp phụ thuộc vào tốc độ nén: hydrogel thể hiện độ mềm khi nén chậm, nhưng độ nén nhanh làm cho hydrogel cứng hơn. Hiện tượng này do ma sát giữa nước và nền xốp tỷ lệ thuận với dòng chảy của nước, do đó phụ thuộc vào tốc độ nén. Cách phổ biến để đo độ xốp đàn hồi là thực hiện các phép thử nén ở các tốc độ nén khác nhau.

3 Điều chế Hydrogel

Hydrogel được làm từ gì? Hydrogel liên kết ngang vật lý có thể được điều chế bằng các phương pháp khác nhau tùy thuộc vào bản chất của liên kết ngang liên quan. 

• Hydrogel rượu polyvinyl thường được sản xuất bằng kỹ thuật đông lạnh. Trong đó, dung dịch được đông lạnh trong vài giờ, sau đó rã đông ở nhiệt độ phòng và chu trình được lặp lại cho đến khi hình thành hydrogel mạnh và ổn định. 
• Hydrogel Alginate được hình thành bởi sự tương tác ion giữa alginate và cation tích điện kép. Một muối, thường là Canxi clorua , được hòa tan vào dung dịch natri alginate nước, làm cho các ion canxi tạo ra liên kết ion giữa các chuỗi alginate. 
• Gelatinhydrogel được hình thành do sự thay đổi nhiệt độ. Dung dịch gelatin trong nước tạo thành hydrogel ở nhiệt độ dưới 37-35 °C, do tương tác Van der Waals giữa các sợi Collagen trở nên mạnh hơn dao động phân tử nhiệt. 

4 Ứng dụng của Hydrogel

Hydrogel được sử dụng cho nhiều ứng dụng y tế và khoa học, và các nhà khoa học không ngừng vượt qua các ranh giới để khám phá những công dụng mới. Ví dụ về Hydrogel trong thực tế

4.1 Các sản phẩm hằng ngày

Hydrogel xuất hiện trong các sản phẩm hàng ngày như gel vuốt tóc, kem đánh răng và mỹ phẩm. Khả năng hấp thụ nước lên tới 99% thể tích khiến chúng mềm mại và linh hoạt, giống như kính áp tròng hoặc có khả năng thấm hút cao. 

Hydrogel siêu thấm, loại có chất liệu gốc acrylate, hấp thụ chất lỏng trong tã lót và băng vệ sinh dùng một lần. Chúng giữ độ ẩm cho da, tạo cảm giác thoải mái, ngăn ngừa hăm tã và tăng cường sức khỏe cho da.

Các sản phẩm Hydrogel có những đặc tính độc đáo:

• Hàm lượng nước cao
• Độ mềm/Ít kích ứng
• Uyển chuyển
• Tương thích sinh học với hầu hết các tế bào
• Hành vi hóa học
• Độ nhạy nhiệt độ

Các đặc tính vật lý phụ thuộc vào thành phần của hydrogel , thành phần này có thể được điều chỉnh tùy theo mục đích sử dụng. Nó có thể được điều chế để phân hủy, hòa tan hoặc duy trì sự ổn định hóa học

4.2 Hydrogel trong y tế

Hydrogel được cấy ghép hoặc tiêm có khả năng hỗ trợ tái tạo mô bằng cách hỗ trợ mô cơ học, vận chuyển thuốc hoặc tế bào tại chỗ, huy động tế bào tại chỗ hoặc điều hòa miễn dịch hoặc đóng gói các hạt nano cho liệu pháp quang nhiệt hoặc xạ trị cục bộ. Hệ thống phân phối thuốc polyme đã vượt qua thách thức nhờ khả năng phân hủy sinh học, khả năng tương thích sinh học và chống độc tính.

Hydrogel được coi là phương tiện vận chuyển thuốc. Chúng cũng có thể được chế tạo để bắt chước các mô niêm mạc động vật được sử dụng để kiểm tra đặc tính kết dính niêm mạc. Hydrogel đã được nghiên cứu để sử dụng làm nguồn cung cấp thuốc bôi tại chỗ  đặc biệt là thuốc ion được cung cấp bằng phương pháp điện di ion 

4.3 Băng vết thương 

Băng vết thương hydrogel thúc đẩy quá trình lành vết thương, cung cấp độ ẩm và giảm đau nhờ hàm lượng nước cao, mát. Tác dụng làm mát trên da này giúp kiểm soát các tình trạng như thủy đậu và bệnh Zona, đồng thời khi thấm vào miếng gạc, hydrogel sẽ ngăn băng dính vào bề mặt vết thương.

Băng vết thương “thông minh” có các thành phần được nhúng trong hydrogel: cảm biến sinh học vi điện tử, bộ vi xử lý, radio liên lạc không dây, v.v. Những loại băng này không chỉ bảo vệ vết thương mà còn có thể phản ứng với những thay đổi về nhiệt độ da bằng cách giải phóng thuốc khi cần thiết. Ngoài ra, chúng thậm chí có thể sáng lên nếu đơn thuốc sắp hết.

Các vết thương do chuyển động hoặc vết thương trên các bộ phận có thể co giãn của cơ thể như cổ hoặc khớp là một thách thức lớn để giải quyết. Tuy nhiên, băng vết thương thông minh có thể uốn cong theo cơ thể, giữ nguyên vị trí khi bệnh nhân gập đầu gối hoặc khuỷu tay. Bất kỳ bộ phận hoặc thiết bị điện tử nào được gắn vào vẫn hoạt động trong băng khi có lực căng. 

4.4 Trong công nghiệp mỹ phẩm

Hydrogel trong mỹ phẩm: Hydrogel được dùng trong các sản phẩm chăm sóc da như kem dưỡng, son dưỡng, mặt nạ, lotion.., đặc biệt là hydrogel từ natri hyaluronate do có tác dụng giữ nước, cấp ẩm cho da.

5 Chế phẩm

Các sản phẩm có chứa Hydrogel trong công thức:Miếng dán hạ sốt Aikido,  Dầu xả dưỡng tóc Valentine, Lăn khử mùi Etiaxil,  Miếng dán hạ sốt ByeBye Fever ...  

6 Thông tin mới về Hydrogel 

Phân phối thuốc có kiểm soát dựa trên Hydrogel để điều trị ung thư: Đánh giá

Là một chất vận chuyển thuốc mới nổi, hạt nano hydrogel đã được sử dụng rộng rãi để vận chuyển thuốc cho khối u. Chất mang thuốc hydrogel có thể gây ra tác dụng phụ ít nghiêm trọng hơn so với hóa trị liệu toàn thân và có thể đạt được sự phân phối thuốc bền vững tại các vị trí khối u. Ngoài ra, hydrogel có khả năng tương thích sinh học và phân hủy sinh học tuyệt vời cũng như độc tính thấp hơn so với các chất mang hạt nano. Hydrogel thông minh có thể phản ứng với các kích thích trong môi trường (ví dụ: nhiệt, pH, ánh sáng và siêu âm), cho phép hoạt động tại chỗtạo gel và giải phóng thuốc có kiểm soát, giúp nâng cao đáng kể sự thuận tiện và hiệu quả của việc phân phối thuốc. Ở đây, chúng tôi tóm tắt các kích cỡ khác nhau của hydrogel được sử dụng để điều trị ung thư và các đường phân phối liên quan của chúng, thảo luận về chiến lược thiết kế hydrogel đáp ứng kích thích và xem xét nghiên cứu liên quan đến hydrogel thông minh được báo cáo trong vài năm qua.

7 Tài liệu tham khảo

1.  Tác giả Tirella A, Mattei G, Ahluwalia A, Tạp chí nghiên cứu vật liệu y sinh ( đăng tháng 10 năm 2014). "Strain rate viscoelastic analysis of soft and highly hydrated biomaterials", Pubmed. Truy cập ngày 18 tháng 9 năm 2023.

2. Tác giả Anseth KS, Bowman CN, Brannon-Peppas L, Vật liệu sinh học ( đăng tháng 9 năm 1996). "Mechanical properties of hydrogels and their experimental determination". Pubmed. Truy cập ngày 18 tháng 9 năm 2023.

3. Tác giả Zhaoyi Sun và cộng sự (Ngày đăng ngày 3 tháng 2 năm 2020). Hydrogel-Based Controlled Drug Delivery for Cancer Treatment: A Review . Pubmed. Truy cập ngày 18 tháng 9 năm 2023.