Gel

Pro gel existuje spousta definicí. Jedna ze starších se nachází ve slovníku z roku 1946, kdy je gel definován jako materiál formovaný srážením nebo tuhnutím koloidního roztoku, kde má srážení význam spojování do soudržné hmoty. Za značně zředěné systémy, které se projevují nestálým tečením, gely popisuje Ferry v roce 1980. Profesor Tanaka jej v roce 1981 označil za formu hmoty, která se nachází mezi pevným a tekutým skupenstvím, skládající se z prvků nebo řetězců, jenž jsou propojeny tak, že vytvářejí nepřetržitou síť vnořenou do tekutiny. [19] Za milník lze považovat Flory-Stockmayerovu teorii, která bere v potaz nelineární křížení jinak lineárních polymerních řetězců. Pokusy byly zaměřeny na vlastnosti definující gely jako nekonečné polymerní sítě s trojrozměrnou strukturou, koherencí, propojeností a dalších. [20]

1.4.1 Hydrogel

Hydrogely jsou materiály bobtnající ve vodě či jiné tekutině. Primárně jsou tvořeny z hydrofilních polymerů, jež mají na základě množství fyzikálních a chemických podnětů schopnost strukturovat se do trojrozměrného zesíťování v kontaktu s tekutinou.

Nahodile uspořádané polymerní řetězce síťují a jejich meziprostor je vyplněn gelovitou konzistencí. Finálními vlastnostmi jsou pružnost i pevnost. Zmíněné interakce zesíťování vzniknou například fyzikálně-chemickou cestou, pomocí van der Waalsových sil, kovalentními vazbami, krystalizací, elektrostatickou interakcí či fyzikálním zapletením. Meziprostor je vyplněn gelovitou tekutinou, jež zajišťuje vlhkost a měkkost podobnou lidské tkáni. [21]

Obrázek 6: Schéma struktury hydrogelu [21]

Obrázek 7: Expanze a kontrakce smart hydrogelu v reakci na vnější podnět [21]

1.4.2 Historie hydrogelů

Hydrogely se v přírodě nachází od doby, kdy na planetě Zemi vznikl život, a to v podobě všudypřítomných jednoduchých i komplexních buněčných struktur. Želatina

a červená řasa Agar byly lidmi pro nejrůznější účely využívány již v tak dávných dobách, že o nich nemáme ani přesné záznamy. Nicméně moderní historii hydrogelů využívaných ve zdravotnictví datujeme od roku 1936, kdy vědci ze společnosti DuPont vydali elaborát, kde byl zběžně popsán PolyHEMA¹ polymer jako tvrdý, křehký a nijak podstatný. Opomenut však zůstal pouze do roku 1960, kdy jej pro převratnou inovaci znovuobjevili Otto Wichterle a Drahoslav Lím. Ti z křehkého polymeru díky jeho bobtnání ve vodě získali pružný, elastický a čirý gel, který dal možnost vzniku kontaktním čočkám a otevřel nové možnosti na poli biomedicíny. [22]

1.4.3 Vlastnosti hydrogelů

Hydrogely se vyznačují zejména změnou objemu dosaženou meziprostorovým vyplněním v reakci na kontakt s tekutinou a naopak. Toto chování je přičítáno takzvaným smart materiálům. Bobtnání zajišťuje hydrogelům vysoké sorpční vlastnosti, které mají dobré mechanické vlastnosti, prodyšnost, iontovou vodivost. Tyto vlastnosti poskytují prostor použití v oblasti bioinženýrství, speciálně však v BioMEMS², jelikož jsou hydrogely schopny reagovat i na velmi nepatrné podněty změn podmínek jako pH, elektrické pole, teploty, přítomnost rozpouštědla, glukózy, soli, změnu tlaku. Některé hydrogely rovněž disponují biokompatibilitou a biostabilitou. [21]

Sorpční vlastnosti hydrogelů závisí na hydrofobilitě monomerů a stupni křížení řetězců polymerů. Poly(HEMA)³ pohlcuje až 38% vody a má výborné mechanické vlastnosti. Za tzv. superabsorbenty se považují polymery se schopností pohltit několikanásobné množství vody v porovnání se svou vlastní váhou. [23]

1.4.4 Využití hydrogelů

Použití hydrogelů je díky jejich obecně využitelným vlastnostem velmi širokospektré.

V zemědělství hydrogely zabraňují vysychání půdy, či slouží pro přenos živin z hnojiva.

Mají své uplatnění také v potravinářství. Jako doplněk potravy je možno použít například chitosan, který má schopnost na sebe vázat cholesterol a tuky, pozitivní

1 PolyHEMA - polymer s plným názvem Polyhydroxyethylmethacrylate (C6H10O3)n

2 BioMEMS – bio-micro-electro-mechanical systém

účinky má na činnost střev a redukuje pocit hladu, což je využíváno ke snižování váhy.

[24] Jako suroviny se schopností gelovatění pro výrobu potravin se používají želatina, sója, pektin, guma gellan, agar, xanthan a další. Finálními produkty jsou pak například želé, džemy, nahrážky masa, bonbóny a jiné. [25]

Významným přínosem jsou hydrogely pro zdravotnictví. Mnohé z nich, jež jsou vyrobeny z přírodních polymerů, se pro svou podobnost k lidské tkáni a perfektní biokompatibilitě používají především v oblasti tkáňového inženýrství, replikaci šlach či kostí. [23] Mají však mnoho dalšího využití:

 kontaktní čočky - pro koncového uživatele nejznámější, díky obsahu vody jsou měkké, poddajné a příjemné pro celodenní kontakt s oční rohovkou. Pro zachování všech zmíněných vlastností nutno čočky uchovávat v roztoku.

 náplasti – hydrogely mohou napomáhat procesu hojení; jsou schopny absorbovat přebytečné tělní výměšky nebo v opačném případě pokožku zvlhčovat.

 přenos léčiv – mohou být v podobě libovolných léčiv či antibakteriálních látek obsaženy v náplastech, které ránu ochrání před případnou infekcí a postupným uvolňováním se dostávají na požadovaná místa ve stanovených časových odstupech. K přípravě takovýchto typů hydrogelů je možno použít například želatinu, glycerol či alginát. [26]

 tekuté obvazy – jsou hydrogely zasychající v aplikovaném místě

 masti, gely a krémy - jenž mají hojivé, analgetické, protizánětlivé nebo antimikrobiální účinky nejen pro pokožku, ale například pro ústní dutinu [26]

 tkáňové inženýrství – jedním z příkladů využití hydrogelů díky struktuře podobné lidské tkáni, může být úplná náhrada kůže. Zde se využívá kyselina hyaluronová, v minulosti získávaná z kohoutích hřebínků a dalších přírodních zdrojů a slouží jako „mustr“ pro růst nové tkáně. [27]

 implantáty – mimo očních, či kostních se používají také jako výplň po odstranění nádorů zejména v mozku. Aby nedošlo k následné vnitřní prostorové deformaci, jenž by mohla narušit nervovou soustavu, dutina se vyplní polymerním implantátem. Ten v sobě může nést také léčiva a je zcela vstřebatelný. [28]

 lepidla – nejsou pouze na vnější užití ke spojení kůže, ale také pro sofistikované vnitřní použití, například v břišní chirurgii pro operaci kýly. Ta je řešena pomocí síťky, jež se dá, namísto doposud používaných titanových svorek, díky inovaci fixovat chirurgickým lepidlem. Tím se markantně sníží doba rekonvalescence pacienta a zmírní se případné pooperační komplikace často způsobené reakcí na zmíněné svorky. Síťka se během několika měsíců v těle zcela rozloží. [29]

1.4.5 Typy polymerů pro hydrogely

Mezi přírodní materiály s vlastnostmi hydrogelů řadíme želatinu, kolagen, alginátová vlákna z hnědé mořské řasy, psylium a nejrozšířenější celulózu.

Z chitinu, který se vyskytuje ve kostrách korýšů se alkalickou deacetylací získává chitosan, po celulóze druhý nejrozšířenější polysacharid. Vyznačuje se vynikajícími vlastnostmi jako je biokompatibilita, biodegradabilita, netoxicita. [24]