하이드로겔
Hydrogel하이드로겔은 물에 녹지 않는 가교 친수성 고분자이다.흡수성이 뛰어나면서도 잘 정의된 구조를 유지합니다.이러한 특성은 특히 생물의학 분야에서 여러 가지 응용 분야를 뒷받침한다.많은 하이드로겔은 합성이지만 일부는 [1][2]자연에서 유래한다.
역사
'히드로겔'이라는 용어는 [3]1894년에 만들어졌다.
화학
분류
하이드로겔의 폴리머를 결합하는 가교들은 물리적인 것과 화학적인 것의 두 가지 일반적인 범주로 분류된다.화학적 하이드로겔은 공유 결합을 가지고 있는 반면, 물리적 하이드로겔은 비공유 [4]결합을 가지고 있습니다.화학적 하이드로겔은 공유 결합으로 인해 강한 비가역성 겔을 생성하며, 또한 유해한 특성을 가질 수 있어 의료 용도로 적합하지 않습니다.반면 물리적 하이드로겔은 생체적합성이 높고 독성이 없으며 pH나 온도와 같은 외부 자극만 변경해도 쉽게 되돌릴 수 있으므로 의료 용도로 사용하기에 적합합니다.물리적 교차 링크는 수소 결합, 소수성 상호작용 및 사슬 얽힘으로 구성됩니다.물리적 가교 사용을 통해 생성된 하이드로겔은 때로 '역전성' 하이드로겔이라고 불립니다.화학적 가교 링크는 폴리머 가닥 사이의 공유 결합으로 구성됩니다.이러한 방식으로 생성된 하이드로겔을 '영구적' 하이드로겔이라고 부르기도 합니다.
하이드로겔은 다양한 고분자 재료를 사용하여 제조되며, 그 원인에 따라 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있다: 천연 고분자 또는 합성 고분자.히드로겔 제제의 천연 고분자는 히알루론산, 키토산, 헤파린,[5] 알긴산 및 피브린을 포함한다.일반적인 합성고분자는 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴산나트륨, 아크릴산폴리머 및 이들 [1]공중합체를 포함한다.
준비
물리적 하이드로겔 형성 뒤에는 두 가지 제안된 메커니즘이 있는데, 첫 번째 메커니즘은 일반적으로 올리고펩타이드 전구체에 대해 관찰되는 나노섬유 펩타이드 조립체의 겔화이다.전구체는 섬유, 테이프, 튜브 또는 리본으로 자가 조립되어 비공유 교차 링크를 형성합니다.두 번째 메커니즘은 수용성 링커에 의해 분리된 교차 연결 도메인의 비공유 상호작용을 포함하며, 이는 일반적으로 더 긴 다중 도메인 [6]구조에서 관찰된다.초분자 상호작용을 튜닝하여 침전되지 않고 겔 형성에 필수적인 물을 고정시킬 수 있다.대부분의 올리고펩티드 하이드로겔은 β-시트 구조를 가지며, α-헬리컬 펩타이드도 [7][8]보고되었다.겔화의 전형적인 메커니즘은 올리고펩타이드 전구체가 스스로 조립되어 길어지는 섬유로 엉켜 가교된 겔을 형성하는 것을 포함한다.
중합융합을 개시하는 주목할 만한 방법 중 하나는 빛을 자극으로 사용하는 것이다.이 방법에서는 광자의 흡수를 방해하는 화합물인 광개시제를 하이드로겔이 되는 전구체 용액에 첨가한다.전구체 용액이 집중된 광원에 노출되면, 광개시제는 분해되어 유리기를 형성하게 되며, 이는 고분자 가닥 사이에 가교 관계를 형성하는 중합 반응을 시작할 것입니다.광원이 제거되면 이 반응이 중지되어 하이드로겔에 형성된 가교량을 제어할 [9]수 있습니다.하이드로겔의 특성은 그 가교량의 종류와 양에 따라 크게 달라지기 때문에 광중합은 하이드로겔을 미세 조정하는 데 널리 사용되는 선택입니다.이 기술은 세포가 장전된 전구체 용액을 상처 부위에 주입 또는 성형한 후 제자리에 [10][9]고화하는 능력으로 인해 세포 및 조직 공학 응용 분야에서 상당한 사용을 보여 왔습니다.
펩타이드계 하이드로겔
펩타이드 기반 하이드로겔은 탁월한 생체적합성 및 생분해성을 가지고 있어 특히 생물의학에서 광범위하게 응용될 수 있습니다. 따라서 그 사용을 극대화하기 위해 물리적 특성을 미세 조정할 수 있습니다.방법은 아미노산 배열의 변조, pH, 키랄리티 및 방향족 [11]잔류물의 증가입니다.여러 번 보여졌듯이 배열 내의 아미노산 순서는 겔화에 매우 중요하다.하나의 예에서 짧은 펩타이드 배열 Fmoc-Phe-Gly는 쉽게 하이드로겔을 형성한 반면, Fmoc-Gly-Phe는 인접한 두 방향족 부분이 이동하면서 방향족 [12][13]상호작용을 방해하기 때문에 그렇게 하지 못했다.예를 들지만 후자 쪽의 crystallisation에 나프탈렌(냅)의 사용 dipeptides Nap-Gly-Ala, Nap- Ala-Gly 전의 pH의 감소를 유도 겔화 수정 포함되는 pHAltering 또한 비슷한 영향도 있다.[14]74A통제 pH감소 법 glucono-δ-lactone(GdL)를 사용하여, GdL gluconic에 hydrolysed 있다.물 속의 산은 균질하고 재현 가능한 하이드로겔을 [15][16]형성하기 위한 방법으로 개발된 최근의 전략이다.가수분해가 느리기 때문에 균일한 pH 변화가 가능하기 때문에 균질겔이 생성된다.또한 첨가된 GdL의 양을 변경함으로써 원하는 pH를 얻을 수 있다.GdL의 사용은 Fmoc 및 Nap-디펩타이드의 [15][16]하이드로겔화에 여러 번 사용되어 왔다.다른 방향으로, Morris 등은 GdL을 겔화 [17]순서를 예측하고 제어하기 위한 '분자 트리거'로 사용하는 것을 보고했다.키랄리티는 또한 겔 형성에 필수적인 역할을 하며, 단일 아미노산의 키랄리티를 천연 L-아미노산에서 부자연스러운 D-아미노산으로 바꾸는 것조차 [18]겔 형성이 되지 않는 자연 형태와 함께 겔화 특성에 큰 영향을 미칠 수 있다.또한 방향족 상호작용은 많은 [19][20]연구에서 나타난 바와 같이 δ- δ 축적 구동 겔화의 결과로 하이드로겔 형성에 중요한 역할을 한다.
다른.
하이드로겔은 또한 상당한 수분 함량 때문에 자연 조직과 매우 유사한 유연성을 가지고 있습니다.반응성 "스마트 물질"로서 하이드로겔은 pH의 변화와 같은 외부 요인에 의한 자극에 의해 포도당과 같은 특정 화합물이 액체 상태로 이행함으로써 환경으로 방출되는 화학 시스템을 캡슐화할 수 있다.화학기계 고분자는 또한 대부분 하이드로겔로, 자극에 따라 부피가 변화하고 액추에이터 또는 센서 역할을 할 수 있습니다.
기계적 특성
하이드로겔은 다양한 용도에 대해 조사되었습니다.하이드로겔의 고분자 농도(또는 반대로 물 농도)를 수식함으로써 영률, 전단률, 저장률의 10Pa에서 [22]약 5차수 범위인 3MPa까지 변화할 수 있다.가교 [22]농도를 변경함으로써 같은 효과를 볼 수 있다.이처럼 기계적 강성의 가변성이 크기 때문에 하이드로겔은 [23]주변 조직의 기계적 특성과 일치하는 임플란트가 필수적인 바이오메디컬 애플리케이션에 매우 매력적입니다.하이드로겔의 기계적 특성을 파악하는 것은 특히 하이드로겔이 다른 기존 엔지니어링 재료와 비교하여 갖는 기계적 거동의 차이 때문에 어려울 수 있습니다.하이드로겔은 고무 탄성 및 점탄성 외에도 다공탄성이라고 하는 유체 흐름에 의존하는 추가적인 시간 의존 변형 메커니즘을 가지고 있습니다.이러한 특성은 기계적 실험을 수행할 때 고려해야 하는 매우 중요합니다.하이드로겔에 대한 일반적인 기계적 테스트 실험으로는 장력, 압축(결속 또는 결속되지 않음), 압입, 전단 레오메트리 또는 동적 기계적 [22]분석이 있습니다.
하이드로겔에는 고무 탄성과 점탄성의 두 가지 기계적 특성이 있습니다.
고무 탄성
부직포 상태에서 하이드로겔은 고도로 가교된 화학겔로서 모델링할 수 있으며, 이 경우 시스템은 하나의 연속 폴리머 네트워크로 기술될 수 있다.이 경우:
여기서 G는 전단 계수, k는 볼츠만 상수, T는 온도, N은p 단위 부피당 폴리머 체인 수, R은 밀도, R은 이상적인 기체 상수, { style { M는 인접한 두 가교점 사이의 평균 분자량이다.c \ \ } { 은 비교적 시험 및 [22]측정이 용이한 팽창비 Q 에서 계산할 수 있다.
붓기 상태의 경우 다음과 [22]같이 완벽한 젤 네트워크를 모델링할 수 있습니다.
단순한 단축 확장 또는 압축 테스트에서는 진정한 응력 t\ \ _ { } 및 엔지니어링 응력 e \ \ _ { 는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
서 current / original { \{} / l{ \ {}}은 [22]스트레치입니다.
점탄성
하이드로겔의 경우 탄성은 고체 고분자 매트릭스에서 나오는 반면 점도는 고분자 네트워크 이동성과 수상을 구성하는 [24]물 및 기타 성분에서 발생합니다.하이드로겔의 점탄성 특성은 적용된 기계적 운동의 성질에 크게 의존한다.따라서 이러한 가해지는 힘의 시간 의존성은 재료의 [25]점탄성 평가에 매우 중요하다.
점탄성에 대한 물리적 모형은 재료의 탄성 및 점성 재료 특성을 포착하려고 시도합니다.탄성 재료는 응력이 스트레인에 비례하는 반면 점성 재료는 응력이 스트레인율에 비례한다.맥스웰 모델은 선형 점탄성 반응을 위해 개발된 수학 모델입니다.이 모델에서 점탄성은 영률을 나타내는 후크 스프링과 점도를 나타내는 뉴턴식 대시팟이 있는 전기 회로와 유사하게 모델링됩니다.이 모델에서 설명된 특성을 나타내는 재료가 Maxwell 재료입니다.사용되는 또 다른 물리적 모델은 켈빈-보그트 모델이라고 불리며, 이 모델을 따르는 물질은 켈빈-보그트 [26]재료라고 불립니다.하이드로겔의 시간 의존 크리프 및 응력 완화 거동을 설명하기 위해 다양한 물리 일괄 파라미터 모델을 [22]사용할 수 있다.이러한 모델링 방법은 매우 다양하고 매우 복잡하기 때문에 경험적 Prony 시리즈 설명은 일반적으로 [22]하이드로겔의 점탄성 거동을 설명하는 데 사용됩니다.
폴리머의 시간 의존성 점탄성 거동을 측정하기 위해 동적 기계적 분석이 종종 이루어진다.일반적으로 이러한 측정에서 하이드로겔의 한쪽은 전단 모드에서 사인파 부하를 받는 반면, 적용된 응력은 응력 변환기로 측정하고 샘플 길이의 변화는 변형 [25]변환기로 측정한다.주기적 응력 또는 변형률에 대한 사인파 반응을 모델링하는 데 사용되는 한 가지 표기법은 다음과 같습니다.
여기서 G'는 실제(탄성 또는 저장) 계수이고 G'는 가상의(점근 또는 손실) 계수이다.
다공탄성
다공질 탄성은 [22]다공질 물질을 통한 용매 이동과 동시에 발생하는 변형과 관련된 물질의 특성이다.하이드로겔과 같은 수화물질의 다공질 탄성은 압축 시 물이 다공질 매트릭스를 통과할 때 폴리머와 물의 마찰에 의해 발생합니다.이로 인해 수압의 감소가 발생하여 압축 시 추가적인 스트레스가 가중됩니다.점탄성과 마찬가지로 이 동작은 시간에 의존하기 때문에 다공탄성은 압축률에 의존합니다. 하이드로겔은 느린 압축에서 부드러움을 나타내지만 빠른 압축은 하이드로겔을 더 단단하게 만듭니다.이러한 현상은 물과 다공질 매트릭스 사이의 마찰이 물의 흐름에 비례하기 때문에 발생하며, 이는 압축률에 따라 다릅니다.따라서 다공탄성을 측정하는 일반적인 방법은 다양한 압축률로 [27]압축 테스트를 수행하는 것입니다.기공 크기는 다공성 탄성에 영향을 미치는 중요한 요인이다.코제니-카만 방정식은 압력 강하를 두 압축률 [27]사이의 응력 차이에 연관시켜 모공 크기를 예측하는 데 사용되었다.
다공탄성성은 여러 결합 방정식으로 설명되므로 재료의 다공탄성 거동에 직접 관련된 기계적 테스트는 거의 없기 때문에 압입시험, 수치모델 또는 계산모델과 같은 보다 복잡한 테스트가 이용된다.수치 또는 계산 방법은 하이드로겔 네트워크의 3차원 투과성을 시뮬레이션하려고 시도한다.
환경 대응
하이드로겔에서 가장 흔히 볼 수 있는 환경 민감도는 [28]온도에 대한 반응입니다.많은 폴리머/히드로겔은 온도에 의존하는 상전이를 나타내며, UCST(Upper Critical Solution Temperature) 또는 LCST(Lower Critical Solution Temperature)로 분류할 수 있습니다.UCST 폴리머는 높은 온도에서 수용성이 증가하여 온도가 상승함에 따라 UCST 하이드로겔이 겔(고체)에서 용액(액체)으로 이행합니다(순수 물질의 융점 거동과 유사).이 현상은 UCST 하이드로겔이 UCST보다 낮은 [28]온도에서 상승함에 따라 UCST 하이드로겔이 팽창(팽창비 증가)하는 원인이 되기도 합니다.단, LCST를 가진 중합체는 온도 의존성이 역(또는 음)으로 나타나며, 높은 온도에서 수용성이 감소합니다.LCST 하이드로겔은 온도가 상승함에 따라 액체 용액에서 고체 겔로 이행하며, LCST [28]위에 있는 동안 온도가 상승함에 따라 수축(팽창비 감소)하기도 합니다.
애플리케이션은 다양한 열 반응을 지시할 수 있습니다.예를 들어, 생물의학 분야에서 LCST 하이드로겔은 실온에서 주입(액체)이 가능하고 [28]인체의 고온에 노출되면 단단한 겔로 응고되기 때문에 약물 전달 시스템으로 조사되고 있다.pH, 포도당, 전기 신호, 빛, 압력, 이온, 항원 [28]등을 포함하여 하이드로겔이 반응할 수 있는 다른 많은 자극이 있습니다.
첨가물
하이드로겔의 기계적 특성은 소수성 [28][29]특성에 대한 주의부터 시작하여 여러 가지 방법으로 미세 조정할 수 있습니다.하이드로겔의 강도 또는 탄성을 수정하는 또 다른 방법은 강성/강성 지지체 위에 그라프트 또는 표면 코팅하거나 가교성 매트릭스 팽창 첨가물이 [2]첨가된 초다공성 하이드로겔(SPH) 복합체를 만드는 것이다.나노 입자 및 미립자와 같은 다른 첨가물은 생물의학 [30][31][32]용도에 사용되는 특정 하이드로겔의 강성과 겔화 온도를 크게 변화시키는 것으로 나타났습니다.
처리 기술
하이드로겔의 기계적 특성은 가교농도 및 첨가제를 통해 조정 및 수정할 수 있지만, 이러한 특성은 특정 가공 기술을 통해 다양한 용도에 맞게 개선 또는 최적화될 수 있습니다.이러한 기술에는 전기 회전, 3D/4D 프린팅, 자가 조립 및 동결 주조 등이 포함됩니다.하나의 독특한 처리 기술은 다층 하이드로겔을 형성하여 공간적으로 변화하는 매트릭스 조성 및 나아가 기계적 특성을 만드는 것입니다.이는 UV 중합을 통해 하이드로겔 매트릭스를 층별로 중합함으로써 가능합니다.이 기술은 관절 연골을 모방한 하이드로겔을 만드는 데 유용할 수 있으며, 뚜렷한 기계적 [33]성질을 가진 세 개의 분리된 구역을 가진 재료를 가능하게 합니다.
하이드로겔 역학적 특성을 최적화하기 위한 또 다른 새로운 기술은 Hofmeister 시리즈를 이용하는 것입니다.이러한 현상에 의해 소금용액을 첨가함으로써 하이드로겔의 고분자 사슬이 응집되어 결정화되어 하이드로겔의 인성이 높아진다.염분 처리라고 하는 이 방법은 황산나트륨 [34]염액을 첨가하여 폴리(비닐알코올) 하이드로겔에 적용되었습니다.이러한 처리 기술 중 일부는 서로 시너지 효과를 발휘하여 최적의 기계적 특성을 산출할 수 있습니다.방향 동결 또는 동결 주물은 하이드로겔에 방향 온도 구배를 적용하는 또 다른 방법으로 이방성 기계적 성질을 가진 재료를 형성하는 방법이다.폴리(비닐알코올) 하이드로겔의 동결 주조 및 염분 처리 기술을 모두 활용하여 계층적 형태와 이방성 기계적 [35]특성을 유도합니다.하이드로겔의 방향 동결은 폴리머 체인을 정렬 및 결합하는 데 도움이 되며, 이방성 어레이 벌집 튜브와 같은 구조를 만들며, 하이드로겔은 이러한 벌집 튜브와 같은 구조의 표면에 나노 파이브릴 네트워크를 염분 처리한다.이러한 하이드로겔의 인성 값은 70% 이상의 수분 함량을 유지하면서도 폴리디메틸실록산(PDMS), 케블라, 합성고무와 같은 무수성 고분자보다 훨씬 높습니다.천연 힘줄이나 [35]거미줄의 견고함도 뛰어넘는 값입니다.
용도 및 응용 프로그램
소프트 콘택트 렌즈
콘택트렌즈의 주요 재료는 아크릴레이트-실록산 하이드로겔입니다.그들은 하드 콘택트 렌즈를 교체했다.그들의 가장 매력적인 특성 중 하나는 산소 투과성인데, 이것은 각막에 혈관 구조가 없기 때문에 필요합니다.
연구실
- 가슴 이식
- 콘택트렌즈(실리콘 하이드로겔, 폴리아크릴아미드, 폴리마콘)
- 소변을 흡수하는 일회용 기저귀 또는 생리대[10]
- 화상이나 기타 치유하기 어려운 상처를 치료하기 위한 붕대.상처 젤은 습한 환경을 조성하거나 유지하는데 탁월합니다.
- 가교 폴리머(폴리에틸렌옥사이드, 폴리AMPS 및 폴리비닐피롤리돈)로 이루어진 하이드로겔을 이용한 EEG 및 심전도 의료용 전극
- 양자 점의 캡슐화
- 환경에 민감한 하이드로겔('스마트겔' 또는 '인텔리전트겔'이라고도 함)이러한 하이드로겔은 pH, 온도 또는 대사물의 농도의 변화를 감지하여 그 [37][38]변화에 따라 부하를 방출하는 능력을 가지고 있다.
- 섬유
- 딱풀
- 건조 지역의 토양 수분을 유지하기 위한 과립
- 하이드로겔 코팅은 그 종류와 형태에 관계없이 기초가 되는 고체 기질에 매우 기포 발기성(초거품성)을 부여할 수 있다.따라서 하이드로겔 코팅은 부착된 수소 및 산소 [39]기포에 의해 성능 및 안정성이 현저하게 저하되는 수전해용 전극의 성능 및 안정성을 개선하기 위해 이용할 수 있다.
- 하이드로겔 코팅된 유정은 세포 [40]배양에 사용되어 왔다.
- 포도당이나 항원과 같은 특정 [41]분자에 반응하는 하이드로겔은 [42]DDS뿐만 아니라 바이오센서로 사용될 수 있습니다.
- 질병 치료를 위한 약물 운반체 또는 재생 목적 또는 조직 [43][44][45]엔지니어링을 위한 세포 운반체로 사용될 수 있는 주입식 하이드로겔.
- 홀로토모그래피 현미경과 결합 시 세포 내 생체역학적 기능 조사
- 약물 전달 시스템의 점액 접착성 테스트에 사용되는[46][47] 동물의 점막 조직을 모방한 물질
- 괴사조직 및 섬유조직의 흡수, 탈산 및 괴사조직 제거 제공
- 직장 약물 전달 및 진단
- 국소 약물 전달의 저장고. 특히 이온성 약물에 의해 전달되는 이온성 약품(이온 교환 수지 참조).
- 조직 공학 분야의 비계.발판으로 사용될 때 하이드로겔은 조직을 복구하기 위한 인간 세포를 포함할 수 있습니다.그들은 세포의 [48]3D 미세 환경을 모방합니다.
- 지속 방출 약물 전달 시스템입니다.이온 강도, pH 및 온도를 [49]약물 방출을 제어하는 트리거 인자로 사용할 수 있습니다.
- 온도 반응성 하이드로겔은 햇빛이 잘 들고 뜨거울 때 모아진 열을 저장하고 차가워질[50] 때 열을 방출하는 서모크로믹 창문에 적용할 수 있습니다.
- 열역학적 발전.이온과 결합하면 전자 장치 및 배터리의 방열을 가능하게 하고 열 교환을 [51]전기로 변환합니다.
- 워터젤 폭발물
조사.
천연 하이드로겔 재료는 조직 공학을 위해 조사되고 있습니다. 이러한 재료에는 아가로스, 메틸셀룰로오스, 히알루론, 엘라스틴 유사 폴리펩타이드 및 기타 자연적으로 파생된 폴리머가 포함됩니다.하이드로겔은 농약과 인산 비료를 포함한 농약을 천천히 방출하여 효율을 높이고 유출을 감소시키는 동시에 모래섬과 [citation needed]같은 건조한 토양의 수분 보유를 개선할 수 있기 때문에 농업에서의 사용이 유망하다.
하이드로겔은 약물 전달을 위해 조사되었다.고분자 약물 전달 시스템은 생분해성,[52][53] 생체 적합성 및 항독성 때문에 어려움을 극복했습니다.콜라겐, 키토산, 셀룰로오스, 폴리(유산-코-글리콜산)와 같은 물질은 [54]눈, 코,[55] 신장,[56] 폐,[57] 장, 피부[58] 및 뇌와 같은 인체의 다양한 장기로의 약물 전달을 위해 광범위하게 구현되어 왔다.향후 연구는 하이드로겔의 더 나은 독성, 하이드로겔의 다양한 조립 기술 및 하이드로겔을 사용하여[59] 치료용 [60]세포를 전달하는 것과 같은 복잡한 시스템의 제공에 초점을 맞추고 있습니다.
레퍼런스
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