Co jsou hydrogely?

Hydrogely jsou skupinou materiálů, které obvykle obsahují značné množství vody a jen malé množství dalších látek, které klasifikujeme jako polymery. Tyto polymery jsou dlouhé molekulární řetězce, které mohou být spojeny dohromady chemickou reakcí nebo fyzikálními interakcemi, aby vytvořily trojrozměrnou polymerní síť  – v našem připadě hydrogelovou síť. Je to jako svazování provázků dohromady. Můžeme je (polymery) svázat pevně a systematicky (chemickou reakcí) nebo je zašmodrchat (fyzikálními interakcemi). Snadno si představíme, že obě takové provázkové sítě budou mít úplně jiné vlastnosti – stejně jako chemicky nebo kovalentně síťované hydrogely. Vlastnosti provázkové sítě se také budou lišit v závislosti na tom, na kolika místech a s jakou pravidelností  nebo nepravidelností je dohromady svážeme, stejně jako na tom, jaké provázky (tuhé nebo elastické) použijeme. V případě hydrogelů budou vlastnosti polymerní sítě záviset na tom, jaké molekulární řetězce, tedy polymery použijeme.

oyenlab.org

Pokud je trojrozměrná (polymerní) síť takzvaně hydrofilní, tj. tvořena vodorozpustnými polymery, může absorbovat velké množství vody, aniž by se rozpustila. Tento nerozpustný materiál, tvořený polymerní sítí a vodou, se nazývá (polymerní) hydrogel. Známe však také trojrozměrné polymerní sítě, které obsahují jiné rozpouštědlo než je voda (organogely) nebo žádné rozpouštědlo (různé sítě a pryskyřice). Hydrogely také mohou být připraveny řetězením a síťováním nízkomolekulárních látek, tzv. monomerů – opakujících se jednotek vznikajících dlouhých polymerních řetězců. Bohatý výběr stavebních jednotek – polymerů  a monomerů – spolu s nespočtem síťovacích a modifikačních reakcí nám umožňuje vytvořit hydrogely s odlišními, až unikátními vlastostmi, které budou přesně splňovat požadavky pro jejich zamýšlené aplikace, ať už v potravinářství nebo třeba v medicíně.

Mnoho hydrogelů nalezneme v přírodě: naše tkáně jsou komplexní hydrogely, ale můžeme je také připravit synteticky z chemicky modifikovaných přírodních polymerů nebo ze syntetických polymerů. Mezi nejznámější hydrogely patří aspik, gumoví medvídci nebo měkké kontaktní čočky.

istock.org

Měkké kontaktní čočku jsou skutečně hydrogely. První takový hydrogel byl připraven v roce 1953 na Vysoké škole chemicko-technologické (což je naše domovská univerzita) chemickým síťováním 2-hydroxyetyl metakrylátu (HEMA) s etylénglykol dimetakrylátem (EGDMA). Byl to PhD student prof. Wichterleho, pozdějsí professor Drahoslav Lím, kdo objevil tento unikátní materiál.

Výsledná trojrozměrná hydrofilní polymerní síť zadržovala velké množství vody, a protože byla průhledná, prof. Wichterleho napadlo, že by tento hydrogel mohl být vhodný pro výrobu měkkých kontaktních čoček. První takové čočky byly připraveny odléváním do silikonových formiček, což se ukázalo jako ne příliš vhodné řešení. O pár let později, v roce 1961, prof. Wichterle postavil první tzv. čočkostroj, který využíval k výrobě čoček metody odstředivého lití. Čočkostroj byl vyroben s pomocí známé stavebnice pro děti Merkur, dynama z jízdního kola a zvonkového transformátoru.

Patent na výrobu měkkých kontaktních čoček byl státem tehdejšího Československa prodán do USA. Prof. Wichterle byl držitelem asi 180 dalších patentů a publikoval okolo 200 vědeckých článků. To vše navzdory tomu, že byl za války vězněn nacisty a komunistický režim se k němu po válce choval doslova macešsky.

 google.com

Články a videa popularizující téma

Healing the brain: hydrogels enable neuronal tissue growth [ČLÁNEK v angličtině]

Hydrogel jako lešení pro růst nových neuronů v poškozeném mozku

This long-lasting hydrogel could be used to replace damaged human tissues [VIDEO v angličtině]

New hydrogel that doesn't dry-out [VIDEO v angličtině]

Revolutionary gel is five times stronger than steel [ČLÁNEK v angličtině]

Lidé

Prof. Otto Wichterle (*1913 - †1998)

spoluvynálezce syntetických hydrogelů na bázi PHEMA (spolu s prof. Drahoslavem Límem), vynálezce měkkých kontaktních čoček

wikipedia.org

Prof. Karel Dušek (*1930 - †2020)

zasvětil svůj život studiu formování, struktury a vlastností síťovaných polymerů a polymerních gelů, více zde

imc.cas.cz

Prof. Jian Ping Gong

spoluobjevitelka hydrogelů s dvojí sítí, měl jsem tu čest pracovat v její laboratoři jako postdoktorand

altair.sci.hokudai.ac.jp/g2

Běžné syntetické hydrogely mají obvykle relativně špatné mechanické vlastnosti – např. kontaktní čočky se relativně snadno zlomí – a nemohou konkurovat komplexním materiálům, které známe z přírody, jako třeba tkáním. Je to proto, že hydrogely jsou tvořeny převážně vodou a jednoduchou polymerní sítí, která postrádá možnosti pro mechanismy, které by umožňovaly disipaci mechanické energie (transformací na jiné druhy energie).

Prof. Gong zjistila, že hydrogel, který je vytvořen ze dvou nezávislých polymerních sítí, je mechanicky mnohem pevnější než by odpovídalo příspěvku obou jednotlivých sítí dohromady. Tento synergický efekt se stal předmětem intenzivního výzkumu.

Dr. Daniel Rudolf King (*1988 - †2022)

S Danem jsem se potkal v laboratoři Prof. Gong. Byl to velmi talentovaný vědec a vždy dělal skvělou společnost. Nikdy nezapomenu.

osobní archiv