Hidrogelul în Oftalmologie

Hidrogeluri

Hidrogelurile sunt retele polimerice tridimensionale, ce pot fi asimilate cu o imensa macromolecula, care prezinta capacitatea de a incorporea cantitati mari de apa/solutii apoase. O alta posibila definitie a hidrogelului este: retea tridimensionala de polimeri hidrofili, in care este prezenta o cantitate mare de apa. In general, cantitatea de apa reprezinta de cel putin 20% din greutatea totala. Daca apa reprezinta mai mult de 95% din greutatea totala, atunci hidrogelul se numeste superabsorbant.

Gelurile pot fi chimice sau fizice, in functie de tipul de legaturi dintre catenele macromoleculare. Gelurile chimice prezinta legaturi covalente intercatenare, pe cand gelurile fizice prezinta drept conexiuni intercatenare legaturi de hidrogen, legaturi van der Waals.

Metode de obtinere

Hidrogelurile sunt sintetizati din diferiti monomeri, majoritatea fiind hidrofili, datorita prezentei in structura lor a grupelor functionale hidrofile de tipul: -OH, -COOH, -CONH2, -CONH si -SO3H. S-a stabilit insa, ca prin copolimerizarea unor monomeri hidrofili si hidrofobi se obtin hidrogeluri cu rezistenta mecanica marita.

Necesitatea ameliorarii proprietatilor fizico-chimice, biologice si mecanice ale hidrogelurilor a condus la diversificarea gamei de monomeri neutri sau purtatori de sarcini electrice (anionici, cationici), precum si cu grupari susceptibile de reticulare.

O pondere remarcabila revine monomerilor vinilici:

-anionici (derivati ai acidului acrilic);

-cationici (derivati ai metacrilatului de -amino-etil);

-neutri (metacrilati de: -hidroxi-etil, gliceril, propilenglicol, acrilati, acrilamide);

-cu proprietati de reticulare (derivati de dimetacrilat de etilenglicol, metilenbis-acrilamida).

Geluri chimice

Exista doua metode de baza pentru producerea de geluri chimice: (i) polimerizarea unor monomeri solubili in apa in prezenta unui agent de reticulare adecvat; (ii) reticularea unui polimer hidrofilic pre-existent cu ajutorul unor agenti de reticulare adecvati.

Ambele metode au la baza mecanismele de reactie clasice si pot fi folosite si aplicate intr-o multitudine de variante.

Pentru formarea structurii tridimensionale caracteristice unui gel este esential ca speciile monomerice folosite in acest scop sa aiba functionalitate mai mare ca doi.

Obtinerea de hidrogeluri prin copolimerizare (in prezenta unui agent de reticulare) este folosita ca mijloc de imbunatatire a proprietatilor mecanice, a difuziei prin gel, ori a limitarii gradului de umflare a gelului obtinut astfel.

Pentru prima metoda, putem exemplifica prin obtinerea PHEMA. Ex. initiatori - AIBN azobisizobutironitril, azobismetilizobutirat; catalizatori enzimatici in cazul hidrogelurilor bazate pe polimeri naturali.

Ca agenti de reticulare se poate folosi o gama larga de specii solubile in apa: N,N'-metilenbisacrilamida, prepolimeri ai etilenoxidului si alcoolului vinilic, care au fost transformati in specii reactive prin introducerea de duble legaturi in molecula lor. Practic orice molecula care contine cel putin doua duble legaturi C=C, poate fi agent de reticulare pentru monomerii vinilici hidrofili. In acest fel pot fi ajustate proprietatile finale ale hidrogelului format in acest mod.

In functie de tipul procesului tehnologic, in amestecul de reactie pot exista si solventi organici sau stabilizatori, ceea ce nu constituie o problema, atata timp cat pot fi extrasi din gelul final. Tehnologiile folosite in mod curent pentru obtinerea hidrogelurilor includ polimerizarea in masa, in solutie, in suspensie, in emulsie. Fiecare dintre aceste metode are asociat un anumit tip de contaminare. Prezenta monomerului nereactionat, a stabilizatorului sau initiatorului rezidual, la fel ca si prezenta capetelor de lant nesaturate (rezultand din diverse mecanisme de incheiere) vor influenta fiecare proprietatile materialului final format. Atunci cand conditiile de reactie nu sunt controlate in mod eficient, pot rezulta neuniformitati ale produsului sau un grad mare de distributie al masei moleculare.

Alte metode de polimerizare, cum ar fi polimerizarea in faza gazoasa sau indusa cu plasma, sunt foarte scumpe dar duc la formarea unor geluri foarte pure si uniforme.

A doua metoda generala de formare de geluri chimice o reprezinta reticularea unor polimeri hidrofilici cu ajutorul unor agenti de reticulare sau prin expunerea acestora la radiatii de diferite tipuri. Polimerii hidrofilici pot sa aiba atat o structura liniara, cat si una ramificata, dar in general au functionalitatea necesara pentru reticulare sub forma grupelor hidroxil, amino (in cazul macromoleculelor naturale), gruparilor acrilat sau carboxil. Agentii de reticulare sunt in general molecule care au grupari functionale la ambele capete ale acesteia (specii telechelice) - exemple tipice sunt aldehidele, acizii si aldehidele acide, divinilsulfati, diizotiocianati, diizocianati. Speciile monotelechelice sunt folosite pentru a obtine copolimeri grefati, rezultand structuri asemanatoare fagurilor ce 'atarna' de suprafata grefata. Initiatorii de tip radicali liberi pot fi folositi pentru a creea puncte reactive pe catena polimerica principala, rezultand in majoritate reticulari tetrafunctionale.

Reactiile de reticulare au loc in general in solutie, iar alegerea solventului este dictata de aplicatia pentru care este produs hidrogelul respectiv. In pricipiu, pentru aplicatii biomedicale, cea mai folosita ca solvent este apa, dar nu in mod exclusiv. Solventi organici, cum ar fi alcoolii, pot fi utilizati ca solventi, in masura in care ei pot fi apoi indepartati si inlocuiti in structura tridimensionala de apa sau diverse lichide biologice. Hidrogelurile obtinute prin aceasta metoda poseda un amestec de structuri moleculare. Reticulari tetra sau multifunctionale apar atunci cand sunt utilizati agenti de reticulare adecvati. Capetele de lant libere, lanturile incolacite, lanturi sub forma de bucla, prezente in sistem anterior reactiei de reticulare, sunt literalmente 'inghetate' in reteaua finala, existand deasemenea si lanturi polimerice nereactionate, intrucat nici o reactie nu merge pana la 100% conversie. (schema structura hidrogel)

O metoda mai putin folosita de obtinere a hidrogelurilor implica folosirea radiatiilor. Expunand polimerii la raze gamma emise de izotopi radioactivi (cel mai folosit fiind 60Co), energia moleculelor poate fi ridicata. Atunci cand energia absorbita de polimer este mai mare decat potentialul sau de ionizare, macromolecula poate fi transformata in radicali liberi, prin scindarea unei legaturi covalente. Scindarea aceasta, sub actiunea radiatiilor, nu este aleatoare. Intr-adevar, anumite legaturi covalente, din anumite grupe chimice, au o specificitate ridicata la actiunea radiatiilor si deci o probabilitate foarte mare de a fi scindate. Reactiile care au loc in urma formarii de radicali liberi includ recombinarile, neobservandu-se un rezultat concret de reticulare. Insa, atat reactiile de reticulare, cat si cele de legare a capetelor de macromolecule sau de degradare a polimerului, sunt cele care predomina.

Reactia care este favorizata (reticulare versus degradare, de exemplu) depinde de gruparile ce vor fi substituite pe catena principala. Cercetarile au indicat ca degradarea este favorizata atunci cand gruparile laterale sunt voluminoase sau cand atomii de carbon tetrafunctionali sunt prezenti in numar mare in catena principala. Reticularea pare a fi favorizata atunci cand gruparile laterale au dimensiuni mici sau cand atomii de carbon ai fiecarei catene principale au cel putin o legatura primara cu cel putin un atom de hidrogen. Polimerii cu potential de a reticula sub actiunea radiatiilor sunt poliacidul acrilic, polimetilacrilatul, poliacrilamida, polivinilpirolidona, polialcoolul vinilic, poliamidele si poliesterii. Polimerii cu structura ce favorizeaza degradarea sub actiunea iradierii sunt poliacidul metacrilic, polimetilmetacrialtul, polimetacrilamida.

Cercetarile sugereaza deasemenea ca, cu cat este mai ridicata caldura de polimerizare a unui polimer, cu atat mai mare este probabilitatea ca sub actiunea iradierii sa fie favorizate ractiile de reticulare. In general, pentru polimerii cu o caldura de polimerizare mai mare decat 16 kcal/mol, este posibila reticularea. In plus, intrucat atat reticularea cat si degradarea pot avea loc