Idrogel

Gli idrogel sono una classe di materiali polimerici in grado di assorbire grandi quantità di acqua senza dissolversi a causa della reticolazione presente nelle catene polimeriche idrofile in cui vi sono una varietà di interazioni, tra cui legami a idrogeno, aggregazioni di catena, complessazione ione-polimero e interazioni ioniche.

Il termine idrogel risale al 1894 e fu utilizzato per la prima volta per descrivere un colloide di alcuni sali inorganici. Da allora, il termine è stato utilizzato per descrivere una rete tridimensionale di polimeri e gomme naturali idrofili, in cui la rete è formata chimicamente o fisicamente. L’idrogel di attuale comprensione per uso biologico è stato sviluppato per la prima volta dai chimici cechi Otto Wichterle e Drahoslav Lím nel 1960.

Negli anni ’90, la ricerca si è intensificata verso lo sviluppo di idrogel termoresponsivi basati su diversi polimeri come alcol polivinilico (PVA), poli( N -isopropilacrilammide), glicole polietilenico (PEG) e impiegati nel campo biomedico per le loro caratteristiche distintive come l’elevato contenuto di acqua, la morbidezza, la biocompatibilità, il basso costo e la capacità generale di imitare i tessuti molli umani.

Più di recente si sono introdotti idrogel funzionali che non forniscono solo una rete idrofila tridimensionale, ma offrono anche caratteristiche aggiuntive. Queste caratteristiche includono proprietà adesive, lubrificanti, di gelificazione in situ, di controllo del rilascio del farmaco, di protezione cellulare e di controllo del pH. Inoltre, possono rispondere a fattori chimici quali pH, potenziale redox o forza ionica e fattori fisici quali temperatura, pressione, campo magnetico, campo elettrico, suono o luce.

Classificazione degli idrogel

Gli idrogel sono classificati in modo diverso a seconda della loro origine, struttura, metodo di preparazione, meccanismo di reticolazione, carica, natura reattiva, aspetto fisico e degradazione.

Classificazione degli idrogel in base all’origine

Sulla base della loro origine vengono divisi in due gruppi ovvero naturali e sintetici.

Idrogel naturali

Gli idrogel naturali sono materiali biodegradabili con buona biocompatibilità e bassa tossicità e vengono preparati da proteine ​​derivate da fonti biologiche come collagene, gelatina, elastina e fibrina o polisaccaridi come alginato, chitosano, agarosio, acido ialuronico e cellulosa e contengono gruppi idrossilici, gruppi carbossilici e gruppi amminici.

Gli idrogel di origine naturale sono materiali biodegradabili con buona biocompatibilità e bassa tossicità e hanno le proprietà intrinseche che possono supportare naturalmente l’adesione e la proliferazione cellulare. Tuttavia, le strutture non progettabili di questi materiali consentono un controllo limitato in relazione alle loro proprietà meccaniche come rigidità e flessibilità e difficoltà nella riproducibilità per quanto attiene la produzione su larga scala che ne ha ridotto il loro utilizzo in molte applicazioni biomediche.

Idrogel sintetici

Al contrario, gli idrogel sintetici sono idrogel prestrutturati con una chimica definita basata sulla struttura di monomeri e polimeri. I polimeri comunemente usati includono glicole polietilenico, alcol polivinilico, ossido di polietilene, poli(acido metacrilico), poli(acrilammide) e poli( N -isopropilacrilammide.

Hanno caratteristiche avanzate come elevata capacità di assorbimento dell’acqua, migliore stabilità fisica e chimica, riproducibilità e maggiore resistenza del gel, che sono dovute alla loro struttura reticolata. Queste caratteristiche sono fondamentali per la progettazione di scaffold di ingegneria tissutale, sistemi di rilascio di farmaci, impianti ossei e biosensori

Classificazione in base al metodo di preparazione

Sulla base del metodo di preparazione gli idrogel sono stati classificati come idrogel omopolimerici, copolimerici e reti polimeriche compenetranti (interpenetrating polymer network IPN). Gli idrogel omopolimerici rappresentano reti polimeriche ottenute da un singolo polimero con gli stessi monomeri ripetuti, mentre quelli copolimerici contengono polimeri in cui sono presenti molti monomeri con almeno un polimero idrofilo, disposti in configurazioni a blocchi, casuali o alternate.

Una rete polimerica interpenetrante è una combinazione di due polimeri, in forma di rete, di cui almeno uno è sintetizzato e/o reticolato in presenza immediata dell’altro senza che vi sia alcun legame covalente tra di loro sebbene vi siano legami covalenti tra i polimeri all’interno di ciascuna rete separata ma non tra i polimeri in reti diverse.

Un esempio di IPN è costituito da due polisaccaridi, ovvero alginato di calcio e destrano– idrossietilmetacrilato. Questi idrogel possono essere sintetizzati da polimeri di origine biologica o sintetici in cui il primo polimero è dotato di conservazione dell’adesione, degradabilità e microstruttura e il secondo polimero offre sintonizzabilità e proprietà meccaniche superiori.

Classificazione in base alla reticolazione

In questa classificazione si distinguono due gruppi: idrogel reticolati fisicamente e reticolati chimicamente. Vi sono molti modi per reticolare le catene polimeriche idrofile per formare reti polimeriche stabili. Negli idrogel reticolati fisicamente, detti anche reversibili, le catene polimeriche sono tenute insieme da interazioni fisiche e intrecci molecolari che costituiscono legami più deboli di quelli chimici, portando alla gelificazione reversibile. I materiali reticolati fisicamente possono anche essere assemblati sulla base della chimica supramolecolare.

Negli idrogel reticolati chimicamente, le catene polimeriche sono tenute insieme da legami covalenti e irreversibili tra gruppi funzionali e hanno una struttura 3D permanente rispetto alle controparti reticolate fisicamente.

La creazione di legami covalenti tra catene polimeriche implica che vi siano estremità funzionali compatibili nella struttura portante del polimero o nelle catene laterali e che questi gruppi possano formare legami covalenti in seguito all’attivazione da parte di agenti chimici come, ad esempio un agente di reticolazione, un catalizzatore o uno stimolo fisico come la luce. Una classe estremamente rilevante di idrogel chimici sono quelli assemblati tramite reazioni di click chemistry.

Classificazione in base alla degradabilità

Un altro metodo di classificazione si basa sulla loro degradazione e pertanto sono classificati in biodegradabili e non biodegradabili.

Gli idrogel sintetizzati da polimeri naturali come chitosano, alginato, agarosio e fibrina sono completamente biodegradabili e pertanto utilizzabili in applicazioni biomediche. I polisaccaridi, come amido, cellulosa, chitosano, alginato e polipeptidi come la gelatina, sono i polimeri biodegradabili naturali più comuni utilizzati come idrogel biodegradabili. I gel degradabili realizzati da polimeri idrosolubili come alcol polivinilico, poliacrilammide, polivinilpirrolidone e glicole polietilenico si degradano mediante la rottura di legami.

La capacità degli idrogel degradabili di subire una degradazione controllata in risposta a stimoli specifici, come pH, temperatura, enzimi o luce, offre opportunità per la progettazione di materiali avanzati con proprietà su misura per esigenze specifiche.

Gli idrogel biodegradabili, preferiti nella somministrazione di farmaci e nell’ingegneria tissutale, possono essere metabolizzati ed eliminati dal corpo mentre quelli non biodegradabili, d’altro canto, fungono da strutture stabili che possono imitare le cellule viventi, offrendo potenzialmente un supporto a lungo termine senza essere scomposti

Applicazioni in campo biomedico

L’ingegneria tissutale è un’area emergente di ricerca che ha un enorme potenziale e ampie prospettive di applicazione biomedica. Poiché gli idrogel hanno una struttura flessibile e morbida sono simili alla matrice extracellulare naturale e si adattano quindi come base dell’innesto.

La formazione del tessuto impiantato è influenzata dalla composizione, dall’architettura e dall’ambiente tridimensionale dell’impalcatura e dalla biocompatibilità del biomateriale. Inoltre, la porosità del materiale, la distribuzione delle dimensioni dei pori e la continuità influenzano notevolmente l’attaccamento di specifici tipi di cellule e l’interazione dei biomateriali con l’ospite.

Per le loro caratteristiche distintive, come idrofilia, biodegradabilità, biocompatibilità, porosità e viscoelasticità attualmente sono fatti enormi sforzi per esplorare nuovi innesti di tessuto basati su idrogel con funzionalità elevata.

Ingegneria tissutale

Gli idrogel naturali sono materiali in rapida evoluzione con implicazioni significative per l’ingegneria tissutale a causa delle loro proprietà meccaniche e fisico-chimiche e la loro capacità di degradarsi in sottoprodotti non tossici e la loro capacità di imitare i tessuti naturali.

Pertanto, sono utilizzati come materiali di impalcatura per la rigenerazione dei tessuti, l’incapsulamento cellulare, la medicazione delle ferite, la somministrazione di farmaci e proteine, i biosensori o per prevenire l’adesione. Negli ultimi anni, questi materiali hanno ampliato il potenziale dell’ingegneria tissutale creando impalcature più efficaci, personalizzate e sostenibili.

Somministrazione di farmaci

Per la loro struttura porosa, compatibilità con i tessuti, facili modifiche e permeabilità ai soluti trovano applicazioni nei sistemi di somministrazione di farmaci, in particolare per la loro capacità di prolungare il tempo di residenza del farmaco nel sito bersaglio e di fornire un rilascio controllato del farmaco.

Tra i prodotti disponibili per la medicazione di ferite che devono soddisfare, tra l’altro alcune proprietà quali la protezione della ferita, l’inibizione della crescita di batteri, il trattenimento dell’umidità e l’accelerazione del processo di guarigione, oltre alla biocompatibilità, gli idrogel possono potenzialmente soddisfare tutte le proprietà richieste. Tra questi le medicazioni per ferite a base di alginato, derivati ​​della cellulosa e collagene/gelatina hanno conquistato grosse fette di mercato.

Poiché gli idrogel possono ridurre l’attrito tra superfici a contatto reciproco, sono utilizzati come lubrificanti in talune patologie come secchezza delle fauci, secchezza degli occhi, mal di gola, per le principali articolazioni sinoviali o per l’inserimento di cateteri.

L’elevata permeabilità all’ossigeno e la biocompatibilità insieme alle eccellenti proprietà ottiche e alla loro capacità di aiutare nel trattamento delle malattie degli occhi rendono gli idrogel una scelta perfetta per la progettazione di lenti a contatto. Le lenti a contatto morbide comunemente utilizzate sono composte da polimeri contenenti acqua, principalmente separati in idrogel di idrossietilmetacrilato, silicone o alcol polivinilico.

Applicazioni in agricoltura

L’idrogel ha una forte capacità di assorbimento e ritenzione dell’acqua, che può assorbire e trattenere l’acqua nel terreno al suo interno, ridurre la perdita d’acqua e l’evaporazione dal terreno, migliorare la fertilità del terreno e mantenere l’umidità del terreno, migliorando così efficacemente l’utilizzo dell’acqua e riducendo la frequenza dell’irrigazione

L’applicazione dell’idrogel in agricoltura sta emergendo come una soluzione versatile che può ridurre in modo efficace il consumo di acqua e minimizzare l’uso di pesticidi, promuovendo al contempo una produzione agricola sostenibile. Gli idrogel dimostrano il loro potenziale per aumentare la sostenibilità e la produttività agricola salvaguardando semi e piante senza compromettere la fertilità del suolo o l’uso dell’acqua.

Gli idrogel, utilizzando la tecnologia a rilascio controllato con polimeri funzionali, possono migliorare l’efficienza dell’irrigazione e dei fertilizzanti, riducendo la lisciviazione ambientale. Nei terreni agricoli poveri di nutrienti, è stato proposto un idrogel composito a base di gomma arabica come apporto sostitutivo di fosforo.

Allo stesso modo, per migliorare il rilascio continuo di azoto, può essere usato un idrogel nanocomposito a base di cellulosa contenente fertilizzante azotato incapsulato. I fertilizzanti idrogel biodegradabili intelligenti offrono un rilascio controllato e sostenuto di nutrienti, migliorando l’efficienza dei fertilizzanti e la resa delle colture, ma il loro costo elevato rappresenta una sfida per l’uso agricolo a lungo termine.

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