تحقیق در مورد هیدروژل های حساس به نور

مقدمه

هیدروژل

   هیدروژلها، شبکه های پلیمری سه بعدی با توانایی جذب  بالای آب یا سایر سیالهای زیستی در حدود سه برابر وزن خود هستند که در موارد بی شمار دارویی و زیست پزشکی استفاده می شوند. از نظر ساختاری هیدروژلها را میتوان به آنیونی، کاتیونی و آمفولیتیک دسته بندی کرد. هیدروژلهای پاسخگو نوعی از هیدروژلها هستند و از خصوصیات جذبی خاصی برخوردارند که به فاکتورهای محیطی مانندpH ، دما، قدرت یونی، نور، میدان الکتریکی و حضور یک مولکول دیگر حساس هستند. این ویژگیهای منحصر به فرد یک طیف وسیعی از کاربردها را در استفاده یک هیدروژل به طور مؤثر ایجاد کرده است. این کاربردها شامل مهندسی بافت، ماهیچه های مصنوعی، پوششهای زخم، آنزیم زیست حسگر، لنز تماسی، رهایش دارو، دستگاههای جداسازی، حسگرها، آماده سازی ذرات فلزی، جذب رنگ، کشاورزی )کنترل رهایش کودها یا آفت کشها (فیلترها، کاتالیست و مواد شفاف نوری می باشد.

 هیدروژلها را بر اساس کاربردشان می توان در فرمهای مختلف نظیر مکعبی، هالوتیوب (لوله های توخالی) ، میله، ورقه و فیلم تهیه کرد. انواع هیدروژلهای پاسخگو به دما وpH  به صورت گسترده ای در انتقال دارو، حسگرها و فعالیتهای محرک به کار اندازنده کاربرد دارند. برای مثال پینی پام[1] یک هیدروژل پاسخگو به دمای منفی با دمای بحرانی کمتر از ۳۳ درجه سانتیگراد است. دمای محلول در صورت کمتر بودن از ۲ دمای بحرانی با دمای بحرانی محلول[2] نشان داده می شود.  پینی پام  در دمای بحرانی محلول به حالت محلول بوده و در دمای بیشتر از آن تخریب می شود. انتخاب مناسب ترکیب هیدروژل پینی پام میزان دمای بحرانی محلول را نزدیک دمای بدن انتخاب می کند تا زمان تخریب را مشخص کند. این جنبه به سامانه های پینی پام اجازه می دهد که برای رهایش داروی وابسته به دما و نیز در تجهیزات میکروسیالی در دیگر محدوده های دمایی بسیار کارآمد باشد.

هیدروژلها به دلیل خصوصیات منحصر به فرد و قابل اصلاح و تغییر به دفعات، به عنوان مواد مناسبی برای انتقال دارو مورد مطالعه قرار گرفته اند. برای مثال آب دوستی و تخلخل شبکه هیدروژل می تواند با انتخاب مونومر یا مونومرها و ماده اتصال دهنده عرضی کنترل شود. تکرار شکل شبکه در هیدروژلها باعث پیشرفت سامانه های حمل دارو با یک الگوی رهایش تعیین شده برای یک داروی مشخص می شود .خصوصیات شبکه با واردسازی مواد نانو یا میکرو در ماتریکس هیدروژل تحت کنترل مضاعفی قرار می گیرد ( برای مثال پتانسیل به کار اندازی فعل و انفعالات از مسیرهای دورتر). مدلهای متفاوتی از هیدروژلهای نانوکامپوزیت در چند سال گذشته ابداع شده اند و خواص رهایش دارو و جذب مواد در آنها بررسی شده است.

هیدروژل ها با زنجیره های پلیمری توسط  فرایند کراس لینکینگ فیزیکی یا شیمیایی ساخته می شوند. با توجه به نرمی آنها الاستیک بودن ، و طبیعت متورم شدن بالا در محیط های آبی آنها شبیه به بافت و رفتار تحریک پذیر در تغییر شرایط فیزیکی / شیمیایی محیط اطراف مایع مانندpH ، دما ، فشار ، میدان الکتریکی ، قدرت یونی  و غیره دارند. تورم و خواص کوچک شدن هیدروژل ها آنها را در جریان میکروسیالها، محرک های عضله ای، بی حس کننده ها، رهش دارو و تجهیزات الکترونیکی قابل تعویض قابل کاربرد نموده است. پیوستن نانوذرات فلزی به شبکه های هیدروژل نه تنها موجب بهبود خواص مکانیکی شده است، بلکه خواص فیزیکی و شیمیایی را نیز بهبود می بخشد. به عنوان مثال، پلیمر دارنده نانوذرات مغناطیسی حاوی خاصیت مغناطیسی است. به طور مشابه، ترکیب نانوذرات نقره یا طلا با هیدروژلها، به یک ماتریس پلیمری عالی تبدیل شده است

روشهای تهیه هیدروژلها

روشهـای پلیمرشـدن متفاوتـی بـرای تهیـه هیدروژلهـا به کار گرفتـه می شـوند که شـامل پلیمرشـدن رادیکالـی آزاد محلولی، تـوده، تعلیقـی، تعلیقـی معکـوس، امولسـیونی، تابشـی یـا نورپلیمرشـدن و انتقال زنجیر افزایشـی جدایشـی برگشـت پذیر[3]  اسـت. محصـوالت به دسـت آمـده از ایـن روشهـا بـه شـکل ذرات کوچـک، پـودر، الیـاف، غشـا، میکرودانه هـا[4]  و حتـی مایعات تغییرشـکل یافته هسـتند. در ادامـه، روشهـای اصلـی تهیـه هیدروژلهـا مرور شـده اسـت.

 پلیمرشدن محلولی

 در پلیمرشـدن محلولـی، مونومرهـای یونـی یا خنثی بـا عوامل شـبکه ای کننده چندعاملـی مخلـوط می شـوند. پلیمرشـدن گرمایـی بـا تابش ماورائ بنفش یـا سـامانه آغازگر اکسایشـی[5] شـروع می شـود. وجـود حلال، مزیـت اصلـی ایـن روش اسـت. چنانچـه مقـدار آب حین پلیمرشـدن بیـش از مقدار آب مربـوط بـه تـورم تعادلـی باشـد، جدایـی فـاز اتفـاق می افتد و هیدروژلهـای پلیمـری ناهمگـن تشـکیل می شـوند. حلال های متـداول بـرای پلیمرشـدن محلولی شـامل آب، اتانـول، مخلوط آب - اتانول و بنزیل الکل اسـت. حلال سـنتزی پس از تشـکیل ژل بـا تـورم هیـدروژل در آب حـذف می شـود. بـرای حـذف مونومرهـای واکنـش نـداده، اولیگومرها، عوامل شـبکه ای کننده، آغازگـر، پلیمـر محلول و استخراج شـدنی و سـایر ناخالصیها، هیدروژلهای پلیمری تهیه شـده با آب مقطر شسـته می شـوند.  در دهه هـای گذشـته از ایـن روش بـرای تهیـه هیدروژلهـای پلیمـری مختلـف اسـتفاده می شـد .

 پلیمرشدن تعلیقی

 پلیمرشـدن تعلیقـی از موفق تریـن روشهـا بـرای تهیـه هیدروژلهـای کـروی یـا میکـروذرات بـا انـدازه μm  1 تـا mm 1 اسـت. در ایـن روش، محلـول مونومـر بـرای تشـکیل ذرات ریـز مونومـر در ضدحلال پراکنـده شـده، بـا افـزودن پایدارکننـده پایدار می شـود. پلیمرشـدن بـا رادیکالهای حاصل از تجزیـه گرمایی آغازگر شـروع می شـود. سـپس، برای حذف مونومرهـای واکنـش نـداده، عامـل شـبکه ای کننده و آغازگـر، میکروذرات جدید تشـکیل شـده شسـته می شـوند. شکل ذرات تشـکیل شـده تحت تأثیرگرانروی فاز مونومر اسـت، در حالی کـه اندازه ذرات بـا تنظیـم آبدوسـتی-آبگریزی عامل تعلیق کنتـرل می شـود. برخـی از میکـروذرات هیدروژلهـای پلیمری پلی (هیدروکسـی اتیل متاکریالت) بـا ایـن روش تهیه می شـوند. همچنیـن، از پلیمرشـدن تعلیقـی معکـوس بـه دلیـل راحتـی حـذف مونومـر آکریلآمیـد سـمی باقیمانـده از پلیمـر به طـور گسـترده بـرای تهیـه هیدروژلهـای پلیمـری پلی آکریلآمیـد اسـتفاده می شـود .

پلیمرشدن توده

پلیمرشدن توده ساده ترین روش بوده که فقط شامل مونومر و آغازگرهای محلول در آب است. از مونومرهای وینیلی بسیاری برای تولید هیدروژلها با خواص فیزیکی مدنظر برای کاربردهای معین استفاده می شود. هیدروژلهای توده با یک نوع مونومر یا مقدار کمی عامل شبکه ای کننده به بیشتر تهیه می شوند. معموال فرمول بندی هیدروژل اضافه می شود. پلیمرشدن با پرتودهی، فرابنفش یا کاتالیزور شیمیایی شروع می شود. انتخاب آغازگر مناسب به نوع مونومرها و حلال استفاده شده بستگی دارد. سرعت و درجه زیاد پلیمرشدن به دلیل غلظت زیاد مونومر اتفاق می افتد. با وجود این، گرانروی واکنش به طور محسوسی با درصد تبدیل افزایش می یابد که موجب تولید گرما طی پلیمرشدن می شود.

با کنترل واکنش در درصدهای تبدیل کم می توان از این مشکلات اجتناب کرد. پلیمرشدن توده مونومرها برای ایجاد هیدروژل همگن، موجب تولید ماتریس پلیمری شفاف و شیشه ای می شود که بسیار سخت است. هنگام غوطه وری ژل در آب، ماتریس شیشه ای متورم شده و نرم و انعطاف پذیر می شود. مزیت پلیمرشدن توده این است که در روش مزبور پلیمر با وزن مولکولی و خلوص زیاد به شکلهای مختلف مانند فیلم، غشا، ذرات و امولسیون، تولید می شود. هیدروژلهای پلی آکریلاتی با این روش تهیه می شوند.

پیوندزنی به پایه

به طـور کلـی، هیدروژلهـای تهیـه شـده بـا روش پلیمرشـدن تـوده به طـور ذاتی سـاختار ضعیفـی دارند. بـرای بهبود خواص مکانیکـی، هیـدوژل می تواند روی سـطح پوشـش یافته با پایه ای قـوی پیونـد داده شـود. این روش شـامل تشـکیل رادیکالهای آزاد روی سـطح پایـه قـوی و سـپس پلیمرشـدن مسـتقیم مونومرهـا روی آن اسـت کـه در نتیجه زنجیـری از مونومرها با پیونـد کووالانسـی 

انواع دسته بندی هیدروژلها

براساس منبع تهیه و خواص فیزیکی

هیدروژلهـا بر اسـاس منبع تهیه در انواع طبیعی و سـنتزی وجود دارنـد. دو گـروه مهـم از پلیمرهـای طبیعی برای تهیـه هیدروژل شـامل پروتئینهـا ماننـد کلاژن و ژلاتیـن و پلی سـاکاریدها مانند نشاسـته، کیتوسـان، آلژینات و آگاروز هسـتند. پلیمرهای سنتزی بـرای تشـکیل هیدروژلهـا بـا روشهـای پلیمرشـدن شـیمیایی سـنتی تهیـه می شـوند. هیدروژلهـا براسـاس سـاختار فیزیکـی شـبکه نیز بـه انواع بی شـکل (غیربلـوری) نیمه بلـوری و بلوری دسـته بندی می شـوند

براساس ترکیب بندی پلیمر

از لحاظ ترکیب بندی پلیمر نیز هیدروژلها به گروههای زیر دسته بندی می شوند.

شکل 1 . دسته بندی هیدروژلها از جنبه های متفاوت

براساس منبع تهیه و خواص فیزیکی

هیدروژلهـا براسـاس منبع تهیه در انواع طبیعی و سـنتزی وجود دارنـد. دو گـروه مهـم از پلیمرهـای طبیعی برای تهیـه هیدروژل شـامل پروتئین هـا ماننـد کالژن و ژالتیـن و پلی سـاکاریدها مانند نشاسـته، کیتوسـان، آلژینات و آگاروز هسـتند. پلیمرهای سنتزی بـرای تشـکیل هیدروژلهـا بـا روشهـای پلیمرشـدن شـیمیایی

سـنتی تهیـه می شـوند. هیدروژلهـا براسـاس سـاختار فیزیکـی شـبکه نیز بـه انواع بی شـکل (غیربلـوری)، نیمه بلـوری و بلوری دسـته بندی می شـوند.

 - هیدروژلهــای هوموپلیمــری کــه بــه شــبکه های پلیمــری حاصــل از یــک نــوع مونومــر آبدوســت گفتــه می شــود و بسـته بـه ماهیـت مونومـر و روشهـای پلیمرشـدن شـبکه ای می شــوند.

 - هیدروژلهـای کوپلیمـری کـه از دو نـوع مونومـر یـا بیشـتر بــا حداقــل یــک جــزء آبدوســت تشــکیل می شــوند و بــا صورتبنــدی تصادفــی، قطعــه ای یــا متنــاوب در زنجیــر شــبکه پلیمــر قــرار می گیرنــد.

 - هیدروژلهــای شــبکه های پلیمــری درهم نفوذ کننــده[6]

 دسـته کـه مهمــی از هیدروژلهــا بــا ترکیبــی از دو پلیمــر طبیعــی یــا سـنتزی هسـتند و حداقـل یکـی بـا وجـود دیگـری سـنتر یـا بـا غوطـه وری شـبکه ای می شـود . ایـن کار معمـولا هیـدروژل پیش پلیمرشـده درون محلـول مونومرهـا و آغازگـر انجــام می شــود. در هیدروژلهــای نیمه درهم نفود کننــده[7] یـک جـزء پلیمـر شبکه ای شـده و جـزء دیگـر پلیمــر شبکه ای نشــده اســت .

بــا روش IPN می تــوان بــر ناســازگازی ترمودینامیکــی کــه بــه دلیــل درهم گیــری[8] دائمــی قطعه هــای شــبکه اتفــاق می افتــد، فائــق آمــد و در نتیجــه جدایــی فــاز محـدودی حاصـل شـود. مزیـت اصلـی IPNs ایـن اسـت کـه در ایـن روش ماتریس هـای هیدروژلـی نسـبتا چـگال تشـکیل می شــوند کــه خــواص مکانیکــی محکم تــر، خــواص فیزیکـی کنترل پذیـر و بارگـذاری داروی کارآمـدی را نسـبت بــه هیدروژلهــای معمولــی نشــان می دهنــد.

براساس ترکیب بندی پلیمر                       

 از لحاظ ترکیب بندی پلیمر نیز هیدروژلها به گروههای زیر دسته بندی می شوند:

 - هیدروژلهــای هوموپلیمــری کــه بــه شــبکه های پلیمــری حاصــل از یــک نــوع مونومــر آبدوســت گفتــه می شــود و بسـته بـه ماهیـت مونومـر و روشهـای پلیمرشـدن شـبکه ای می شــوند.

 - هیدروژلهـای کوپلیمـری کـه از دو نـوع مونومـر یـا بیشـتر بــا حداقــل یــک جــزء آبدوســت تشــکیل می شــوند و بــا صورتبنــدی تصادفــی، قطعــه ای یــا متنــاوب در زنجیــر شــبکه پلیمــر قــرار می گیرنــد.

 - هیدروژلهــای شــبکه های پلیمــری درهم نفوذ کننــده[9]

دسـته کـه مهمــی از هیدروژلهــا بــا ترکیبــی از دو پلیمــر طبیعــی یــا سـنتزی هسـتند و حداقـل یکـی بـا وجـود دیگـری سـنتر یـا بـا غوطـه وری شـبکه ای می شـود. ایـن کار معمـولا هیـدروژل پیش پلیمرشـده درون محلـول مونومرهـا و آغازگـر انجــام می شــود. در هیدروژلهــای نیمه درهم نفوذ کننــده یـک جـزء پلیمـر شبکه ای شـده و جـزء دیگـر پلیمــر شبکه ای نشــده اســت .

بــا روش IPN می تــوان بــر ناســازگازی ترمودینامیکــی کــه بــه دلیــل درهمگیــری[10] دائمــی قطعه هــای شــبکه اتفــاق می افتــد، فائــق آمــد و در نتیجــه جدایــی فــاز محـدودی حاصـل شـود. مزیـت اصلـی IPNs ایـن اسـت کـه در ایـن روش ماتریس هـای هیدروژلـی نسـبتا چـگال تشـکیل می شــوند کــه خــواص مکانیکــی محکم تــر، خــواص فیزیکـی کنترل پذیـر و بارگـذاری داروی کارآمـدی را نسـبت بــه هیدروژلهــای معمولــی نشــان می دهنــد.

براساس بار الکتریکی شبکه

هیدروژلهـا براسـاس وجـود بـار الکتریکـی روی زنجیرهـای شبکه ای شــده بــه چهــار گــروه غیریونــی (خنثــی)، یونــی (کاتیونــی یــا آنیونــی)، الکترولیــت دو محیط دوســت[11] دارای هــر دو گــروه اســیدی یــا بــازی و دویونی هــا[12] یــا پلی بتائین هــا دارای هــر دو گروههــای آنیونــی یــا کاتیونــی در هــر واحــد تکرارشــونده ســاختاری دســته بندی می شــوند

براساس ظاهر فیزیکی

هیدروژلهــا از لحــاظ شکل شناســی بــه شــکل ذره، پــودر، ماتریــس، فیلــم، غشــا یــا امولســیون وجــود دارنــد کــه بــه روش تهیــه آنهــا بســتگی دارد .

براساس پاسخگویی به محرک

همـه زنجیرهـای پلیمـری در هیـدروژل بـه شـکل فیزیکـی یـا شــیمیایی بــا یکدیگــر شــبکه ای می شــوند. بنابرایــن، صــرف نظــر از انــدازه آنهــا به عنــوان یــک مولکــول درنظــر گرفتــه می شــوند. بــه ایــن دلیــل، مفهومــی بــا نــام وزن مولکولــی هیدروژلهــا وجــود نــدارد و اغلــب به عنــوان مولکولهــای بینهایــت بــزرگ یــا ابرمولکولهــا نامیــده می شــوند.

تغییــر کوچــک در شــرایط محیــط، تغییــرات بــزرگ و برگشــت پذیری را در هیــدروژل موجــب می شــود. تغییــر عوامــل محیطــی ماننــد دمــا، pH ،عالئــم الکتریکــی، وجــود آنزیــم یــا ســایر گونه هــای یونــی موجــب تغییــر بافــت فیزیکــی هیــدروژل می شــود. ایــن تغییــرات در مقیــاس ماکروســکوپی ممکــن اســت، بــه شــکل تشــکیل رســوب، تغییــرات در انــدازه و مقــدار آب هیدروژلهــا ظاهــر شــود. هیدروژلهــای پاســخگو، بــه محرکهــای محیطــی پاســخ می دهنــد. از ایــنرو، هیدروژلهـای هوشـمند یـا حسـاس بـه محیـط نیـز نامیـده می شــوند.

محرکهــای فیزیکــی ماننــد نــور، فشــار، دمــا، میدانهــای الکتریکـی و مغناطیسـی، تنـش مکانیکـی و شـدت منابع انـرژی مختلف، برهم کنشهــای مولکولــی را تغییــر می دهنــد.

محرکهــای شــیمیایی شـامل pH ، عوامـل یونـی و شـیمیایی، برهم کنشهـای بیـن زنجیرهـای مولکولـی و حلالها و بیـن زنجیرهـای پلیمـر را در مقیـاس مولکولـی تغییــر می دهنــد.

محرکهــای زیست شــیمیایی شــامل پاســخ بــه لیگانــد، آنزیــم، آنتــی ژن و ســایر عوامــل زیست شــیمیایی هســتند. هیدروژلهــای پاســخگو بــه محــرک، زیســت مواد بســیار جذابــی بــرای کاربردهــای دارویــی، زیست پزشــکی و زیســت فناوری هســتند .

دســته دیگــری کــه هیدروژلهــای پاســخگوی دوگانــه[13] نامیــده می شــوند، از ترکیــب دو ســازوکار پاســخگو بــه محــرک در هیدروژلهــا نتیجــه می شــوند. ماننــد پلی آکریلیــک اســید-co-پلی وینیل سـولفونیک اسـید کـه سـامانه پلیمـری پاسـخگو بـه محـرک دوگانــه اســت .

براساس ماهیت عامل شبکه ای کننده

هیدروژلهــا براســاس ماهیــت اتصــالات عرضــی بــه دو گــروه فیزیکــی یــا شــیمیایی دســته بندی می شــوند. در شــکل 3 طرحــی از تشــکیل هیدروژلهــای فیزیکــی و شــیمیایی نشــان داده شــده و در ادامــه روشهــای تهیــه ایــن نــوع هیدروژلهــا مــرور شــده اســت.

هیدروژلهای پلیمری شبکه ای شده

پلیمرهای شبکه ای شده فیزیکی

پلیمرهـای شبکه ای شـده فیزیکـی دارای اتصـالات گـذرا و موقـت هسـتند. در ایـن روش، شبکه ای شـدن به کمـک  pH ، دمـا و سـایر محرکهـای فیزیکـی شـروع می شـود. توجـه روز افـزون بـه ایـن نـوع هیدروژلهـا بـه دلیـل راحتـی نسـبی فراینـد و نبـود شبکه سـاز در سـنتر آنهاسـت. در هیدروژلهای شبکه ای شـده فیزیکـی پیونـد کووالانسـی بیـن زنجیرهـا برقرار نیسـت، بلکـه بـه روشهـای مختلـف درهمگیـری زنجیرهـای پلیمـر یـا برهمکنشهـای فیزیکـی ماننـد برهمکنشهـای یونی، پیوندهـای هیدروژنـی یـا برهم‌کنشهای آبدوسـت هیدروژل، شـبکه ای می شـوند کـه در ادامـه بحـث شـده اند.

محرکها برای تحریک ژلهای پلیمری

بــا توجه به خواص فیزیکی مختلف ژلهــا و تنوع روشهای تحریک آنها، محرکهای متنوعی برای تحریک ژلهای پلیمری وجود دارند که می توانند به چند گروه دسته بندی شوند:

1 - محرکهای فیزیکی مانند پرتودهی نور، تغییر دما، تغییر شــکل فیزیکی، میدان مغناطیسی، میدان الکتریکی و پرتودهی امواج ریزموج. ، فراصوت

2 - محرکهای شــیمیایی مانند الکتروشیمی یا pH ) که برهم‌کنشهای بین مولکولی، برای مثال میان پلیمر با حالل یا بین زنجیرهای پلیمر را کم و زیاد می‌کنند ، اکسایش و کاهش، تغییر حلال و تغییر قدرت یونی

3- محرکهای مکانیکی و الکتریکی و فشار (که اغلب دینامیک زنجیرها، برای مثال سطح انرژی یک سامانه پلیمر- حلال را دستخوش تغییر می‌کنند

4-  محرکهای زیستی (آنزیمها یا گیرنده ها) که عملکرد واقعی مولکولها، مانند واکنشهای آنزیمی یا تشخیص گیرنده های مولکولها را تحت تاثیر قرار می دهند.

خواص مهم هیدروژلها

ظرفیــت نگــهداری آب و تراوایــی، مهمتریــن مشــخصه های هیدروژلهاســت. هیدروژلهــای پلیمــری شبکه ای شــده وقتـی در آب یـا حـال قـرار میگیرنـد، متـورم می شـوند، امـا بـا عنـوان درجـه حـل نمی شـوند. خاصیـت تـورم کـه معمـولا تـورم بـرای تعریـف هیـدروژل بـه کار مـی رود، بـه عوامـل زیـادی ماننـد چگالـی شـبکه، ماهیـت حـال و پارامترهـای برهمکنـش حلال- پلیمــر بســتگی دارد. ظرفیــت جــذب آب هیــدروژل بــه تعــداد گروههــای آبدوســت و چگالــی شبکه ای شــدن وابســته  مــقــالات عــلــمــی اســت. ظرفیــت نگــهداری آب در هیــدروژل بــا افزایــش تعــداد گروههـای آبدوسـت زیـاد و بـا ازدیـاد چگالـی شبکه ای شـدن کــم می شــود. درصــد تــورم هیدروژلهــا به طــور مســتقیم بـا مقـدار آب جـذب شـده متناسـب بـوده و از ویژگـی مهـم ایـن ترکیبـات در کاربردهـای مختلـف اسـت .

خــواص مکانیکــی هیدروژلهــا نیــز به ویــژه در کاربردهــای دارویــی و زیست پزشــکی بســیار مهــم اســت، بــا تغییــر چگالــی شبکه ای شــدن می تــوان بــه هیدروژلــی بــا خــواص مکانیکــی مدنظــر دســت یافــت. همچنیــن، بــرای کاربــرد هیدروژلهــا در زمینه هــای پزشــکی مهــم اســت کــه هیــدروژل، زیستســازگار و غیرســمی باشــد. آغازگرهــا، حلال های آلــی، پایدارکنندههــا، امولســیون کننده ها، عوامــل شــبکه ای کننده و مونومرهــای واکنــش نــداده مصرفــی در واکنــش پلیمرشــدن ممکــن اســت، ســمی باشــند. از ایــنرو، ایــن مــواد شــیمیایی ســمی، به ویــژه در کاربردهــای زیســتی، بایــد به کمــک فرایندهــای تصفیــه ماننــد شست و شــو بــا حــال یــا دیالیــز حــذف شــوند .

کاربردهای هیدروژلها

هیدروژلهـا بـه دلیـل خـواص و قابلیتهـای منحصـر به فـرد در صنایـع مختلـف از جملـه غذایـی، بسـته بندی، داروسـازی، کشــاورزی و به عنــوان جــاذب بــرای حــذف آلاینده هــا در کاربردهــای زیســت محیطی و نیــز در ســاخت دســتگاه های فنـی و الکترونیکـی اسـتفاده می شـوند. در ادامـه، بـه برخـی از کاربردهــای هیدروژلهــا به طــور مختصــر اشــاره شــده اسـت.

هیدروژلها در زیست پزشکی

هیدروژلهــا بــه دلیــل زیست ســازگاری و جــذب مقــدار زیــادی آب در زمینه هــای زیست پزشــکی به طــور موفقیت آمیــزی اســتفاده شــده اند. هیدروژلهــا رفتــار اعضـای بـدن انسـان را در پاسـخ بـه تغییـر شـرایط محیطـی ماننــد دمــا، pH ،آنزیــم و میــدان الکتریکــی تقلیــد می کننــد کــه موجــب اســتفاده از ایــن ترکیبــات در کاشــتنیها [14]، اندامهــای مصنوعــی، گیره هــای رباتــی[15] دســتگاه های تشــخیصی بــرای ماهیچه هــای مصنوعــی و بســیاری از کاربردهــای دیگــر شــده اســت. هیدروژلهــا در ســوند ادرای اســتفاده می شــوند تــا بــا جلوگیــری از کلونی شــدن باکتــری بــر ســطح، ســطحی نــرم و لغزنــده را بــرای بهبــود زیست ســازگاری آن فراهــم کننــد .

هیــدروژل بــا قابلیــت تبدیــل محــرک الکتروشــیمیایی بــه کار مکانیکــی و انقبــاض و آســودگی برگشــتپذیر در شــرایط فیزیکــی شــیمیایی بــرای توســعه عضـلـات مصنوعــی ســاخته شــده اســت. عملکــرد ایــن هیدروژلهــا شــبیه بافــت و ماهیچــه انســان، امــا بــا محــرک الکتریکــی انجــام می گیــرد . جیونگ[16] و همــکاران نیــز هیدروژلهــای کوپلیمــری PLGA-PEG را بر اســاس مفهــوم تشــخیص مولکولــی بــا هــدف درمــان ســرطان و تصویربــرداری از آن بــا اســتفاده از پلیمرهــای حســاس بــه نــور بــا خــواص پاســخگویی بــه محــرک بــرای کاربردهــای بالقــوه زیستپزشــکی گــزارش کردنــد. آنهــا پیشــنهاد کردنـد، سـامانه رهایـش خـوب بایـد قابلیـت عبـور از غشـای ســلولی، بافــت ویــژه هــدف، تســهیل جــذب هســته ای، ناســازگاری بــا تجمــع و تخریــب آنزیمــی و عرضــه مــواد ژنتیکــی را بــدون ســمیت و پاســخ ایمنــی داشــته باشــد.

کاربردهــای ویــژه در شــرایط کنتــرل شــده، هیدروژلهــا را موضوعــی بســیار برجســته در زمینه هــای پژوهشــی مختلــف سـاخته اسـت کـه ماهیـت هوشـمندی آنهـا را تأییـد می کنـد.

دارسو[17] و همــکاران هیدروژلهــای برپایــه متیل سـلولوز-PEG را گـزارش کردنـد کـه بـرای جلوگیـری از ســوزش و تحریــک پوســت بــه کار می رونــد. آنهــا پیشــنهاد کردنــد، ایــن هیــدروژل می تواننــد بــرای رهایــش حساســیت زاها در آزمــون پوســت اســتفاده شــوند، به طــوری کــه وقتــی حساســیت زاهای آزمــون در محمل هــای[18] هیدروژلــی قــرار داده شــدند، محرکهــای پوســتی و خراشــیدگی پوســت کمتــری مشــاهده شــد.

هیدروژلها در دارورسانی

امــروزه ابزارهــای دارورســانی برپایــه هیدروژلهــا گســتره عمــده ای از زمینه هــای پژوهشــی را شــامل شــده اســت.

هــدف از طراحــی و کاربــرد ســامانه های دارورســانی، کاهــش دفعــات مصــرف دارو، افزایــش اثربخشــی و کاهــش عـوارض جانبـی ناشـی از مصـرف آنهاسـت. ماهیـت نرمـی و آبدوســتی هیدروژلهــا، ایــن ترکیبــات را به طــور ویــژه به عنــوان ســامانه های دارورســانی نویــن مناســب کــرده اســت. وجــود منافــذ در هیدروژلهــای پلیمــری شبکه ای شــده موجــب قرارگرفتــن راحــت دارو در ایــن ســامانه ها می شــود کــه بـه شـکل قطعـه، میکـروذرات، نانـوذرات، پوشـش یـا فیلـم بـرای داروهــای آبدوســت و آبگریــز اســتفاده می شــوند. تخلخــل زیــاد کــه از مشــخصه هیدروژلهاســت، امــکان بارگــذاری دارو درون ماتریــس ژل و ســپس رهایــش آن را در ســرعتی از پیش طراحــی شــده فراهــم می کنــد.

تخلخــل هیــدروژل به راحتــی می توانــد بــا کنتــرل چگالــی شبکه ای شــدن و تمایــل بــه آب ماتریــس هیــدروژل تنظیــم شــود. هیدروژلهــا دارو را از محیطهــای ناســازگار ماننــد وجــود آنزیــم و  pH کــم در معــده محافظــت می کننــد.

رهایــش دارو بــا چنــد ســازوکار شــامل کنتــرل شــده بــا نفــوذ، بــا تــورم، بــا روش شــیمیایی یــا پاســخگویی محیطــی انجــام می شــود. بــا طراحــی مناســب، هیدروژلهــا می تواننــد در کاربردهــای مختلــف شــامل رهایــش پایــدار، هدفمنــد یــا رهایــش زیســت مولکول اســتفاده شــوند. همچنیــن، هیــدروژل می تواننــد رهایــش دارو را بــا تغییــر ســاختار ژل در پاســخ بــه محرکهــای محیطــی ماننــد pH ، دمــا، اســتحکام یونــی و میــدان الکتریکــی کنتــرل کننــد. در جــدول 3 رهایــش برخــی از انــواع داروهــا به کمــک ســامانه های رهایــش بر پایــه هیدروژلهــای مختلــف فهرســت شــده اســت.

هیدروژلها در عدسیهای تماسی

ویکترله[19] و لیم[20] بـرای اولیـن بـار اسـتفاده از شـبکه های آبدوسـت پلی (2-هیدروکسـی اتیل متاکریلات)، PHEMA ، را به عنـوان مـواد زیست سـازگار سـنتزی مفیـد در کاربردهـای عدسـیهای تماسـی پیشـنهاد دادنـد . عدسـیهای تماسـی برحسـب انعطاف پذیـری بـه دو نـوع سـخت و نرم دسـته بندی می شـوند. عدسـیهای تماسـی سـخت به طـور عمـده برپایـه مـواد آبگریـز نظیـر پلی متیـل متاکریلات[21]، یـا پلی (هگزا- فلوئورو ایزو پروپیـل متاکریلات) HFIM هسـتند،

در حالـی کـه عدسـیهای نـرم بر پایـه هیدروژلهـا سـاخته می شـوند. عدسـی های نـرم بـه روشهـای مختلـف از جملـه ریخته گـری چرخشـی[22]، ریخته گـری قالبـی[23] و تراش-بـرش[24] تولیـد می شـوند. در روشهـای ریخته گـری چرخشـی و قالبـی مقـدار کمـی از مخلـوط مونومـر مایـع درون قالبهـای نـوری مقعـر ویـژه بـه منظـور ایجـاد عدسـی قـرار داده می شـود. طی ریخته گـری چرخشـی، قالـب مقعـر به منظور تشـکیل عدسـی چرخانـده شـده کـه باعـث می شـود تـا مونومـر مایـع به طـور یکنواخـت جریـان یابـد و تمـام سـطح را بپوشـاند. در همیـن زمـان، پلیمرشـدن مونومـر در دمای زیـاد انجام شـده و مونومر باقیمانـده در پایـان فراینـد بـه دقـت حـذف می شـود. قالـب محـدب اسـتفاده شـده در روش ریخته گری قالبـی، درون قالب مقعـر مـات شـده دارای مونومـر مایـع قـرار داده می شـود تـا سـطح پشـتی عدسـی ایجـاد شـود. پلیمرشـدن به همـان روش ریخته گـری چرخشـی انجـام می شـود. در ایـن فراینـد عدسـی سـخت در میـان سـطوح دو قالب مختلـف تولید می شـود و به محـض خشک شـدن، بـه شـکل منحنـی در می آیـد.

روش جایگزیـن در صنعـت عدسـیهای تماسـی، تراش-برش اسـت . در ایـن روش، عدسـیها از حبه هـای جامـد مواد آبگیری شـده تشـکیل می شـوند. مخلوطهـای مونومر مایع در مخـازن آب طـی دوره زمانـی بـه روش تـوده پلیمر معمـولا با آغازگرهـای رادیکالی می شـوند. ایـن نوع پلیمرشـدن معمولا شـروع می شـود که بـا افزایش دما تجزیه می شـوند. ایـن فرایند موجـب تشـکیل زنجیرهـای پلیمـری بلندتـر بـا وزن مولکولی بیشـتر می شـود. برخـی از خواص مهـم هیدروژلهـای پلیمری بـرای کاربـرد در عدسـی های تماسـی شـامل داشـتن مقـدار انتقـال نـور کافـی، ضریب شکسـت مناسـب، تراوایی اکسـیژن کافـی، ترشـوندگی و تراوایی نسـبت به آب، خـواص مکانیکی عالـی، پایداری و زیست سـازگاری اسـت ]26 .]

بیشـترین پلیمـر اسـتفاده شـده بـرای سـاخت عدسـیهای چشـمی، سـیلیکون بـه شـکل هیـدروژل بـوده کـه دلیـل آن تراوایـی ایـن پلیمـر نسـبت بـه اکسـیژن اسـت. با وجـود خطر زیـاد کراتیـت میکروبـی[25] طـی زمـان اسـتفاده طولانی مـدت از عدسـی کـه در بسـیاری از کاربردهـای چشم پزشـکی وجـود دارد، عدسـیهای هیـدروژل سـیلیکونی از نظـر عفونـت نسـبت بـه سـایر هیدروژلهـای معمولـی پنـج برابـر ایمن ترنـد. فقـط حـدود %5 از داروهـای تجویـز شـده چشـمی بـا قطره های چشـم زیست دسـترس پذیر هسـتند و در حـال حاضـر قطره های چشـم برای بیـش از %90 فرمول بندی هـای چشم پزشـکی درنظـر گرفتـه می شـوند.

زیست دسـترس پذیری داروهـای چشـمی را می توان با اسـتفاده از سـامانه رهایش داروی چشـمی بر پایه عدسـی نرم بهبود داد. هیدروژلهـای پلیمـری مختلف زیر بـرای سـامانه های رهایش داروی چشـمی برپایه عدسـی های نرم بررسـی شـده اند:

 - هیدروژلهـای پلیمـری بـرای عدسـیهای تماسـی معمولی بـه منظور جـذب و رهایـش داروهای چشـمی

 - هیدروژلهـای پلیمـری بـرای عدسـیهای تماسـی دوشبـر[26] کـه بـا پلیـت دارویـی[27] دارو یا محلـول دارویـی ترکیب شـده اند.

 - هیدروژلهـای پلیمـری اصلاح سـطحی شـده بـرای تثبیت داروها روی سـطح عدسـی تماسـی، هیدروژلهـای پلیمـری بـرای جـادادن دارو در سـاختار

- هیدروژلهای پلیمری دارای لیگاند یونی

 - هیدروژلهــای پلیمــری نقش برجســته مولکولــی [28]کــه بــرای یــک داروی معیــن در عدســی تماســی، تمایــل و گزینش پذیــری زیــادی را به وجــود مــی آورد.

موفقیــت درمــان بیماریهــای چشــم بــا داروهــای چشــمی به شــدت بــه دســتیابی بــه غلظــت کافــی دارو در قرنیــه بـرای دوره زمانـی کافـی بسـتگی دارد، امـا رهایـش معمولـی دارو به کمـک قطـره چشـم کـه در حـال حاضـر بـرای بیـش از %90 فرمول بندیهــای چشــم پزشــکی درنظــر گرفتــه می شـود، بسـیار ناکارآمـد و در برخـی از مـوارد بـه عـوارض جانبــی جــدی منجــر می شــود. پــس از تزریــق در چشــم، دارو بـا سـیال موجـود در فیلـم اشـک[29] مخلـوط می شــود و زمــان اقامــت کوتاهــی حــدود 2 دقیقــه در فیلــم دارد. عدســیهای هیــدروژل ســیلیکونی می تواننــد بــرای رهایــش داروهــای چشم پزشــکی به مــدت طولانــی از 10 روز تــا چنــد مــاه طراحــی شــوند.

جدول 1 رهایش برخی از انواع داروها به کمک سامانه های رهایش برپایه هیدروژلهای مختلف

در میان انواع دیگر محرک ها، نور غیر تهاجمی است، نیازی به تماس ندارد، موقعیت دقیق دقیق و اثر حرارتی کم دارد. تمام این مزایا زمینه های جالبی برای استفاده از مواد حساس به نور فراهم می کند که از بیوتکنولوژی تا میکروالکترونیک پوشش داده می شود. به طور معمول، مولکول های فتوکرومی برای تنظیم خواص در پلیمرهای واکنش پذیر در برابر نور استفاده می شود. این رنگ های شناخته شده آلی، تحت اشعه ایزومریزاسیون قابل برگشت قرار می گیرند. این روند معمولا با تغییر قطبیت و تغییر رنگ در واحدهای کروموفوریک همراه است. چنین پدیده هایی را می توان در ترکیبات شیمیایی مثل آزئوبنزن، اسپیرو پیران، سالیسیلیدن انیلین و غیره مشاهده کرد.

در نتیجه، یک پلیمر پاسخگو به نورکه شامل واحدهای فوتوکرومیک است، حلالیت آن، به طور برگشت پذیر، از طریق فرآیند پرتو دهی تا زمانی که تابش اشعه برقرار است، قابل تغییر است.

هیدروژل های پاسخگو در برابر نور، کاربردهای بالقوه در زمینه دارو/ ژن رسانی ، میکرو لنز، سنسورها و غیره دارند چرا که فرایند فعال سازی از طریق نور می تواند از راه دور و غیر تهاجمی باشد. هیدروژل تهیه شده از مشتقات دکزوکولیک β- سیکلودکسترین اصلاح شده با اسید و کوپلیمر پلی (اکریلیک اسید) شاخدار شده با آزئوبنزن است و می تواند پس از تابش با نور 355 نانومتر به طور موثر از فاز ژل به فاز محلول تبدیل شود.

هیدروژل قادر بود پس از تابش با نور 450 نانومتر از مرحله محلول به فاز ژل بازیافت شود (شکل 1) . تبدیل برگشت پذیر این هیدروژل می تواند تحت شرایط متعادل کنترل شود، و این نشان می دهد که این ماده ژل مانند در کاربرد های مهندسی زیست محیطی برای رهش گونه های مولکولی و سلولی نقش مهمی ایفا می کند.

در مثال دیگری، یک هیدروژل واکنش پذیر به نور، از یک نانوکامپوزیت پلی (ان ایزو پروپیل آکریل آمید پینی پام)  گلیسیدیل متاکریلات (GO-GMA) ساخته شده است. در نتیجه، هیدروژل نانو کامپوزیت تحت تحریک نور مادون قرمز (IR) تغییر حجم زیادی خواهد یافت، که به دلیل تبدیل بسیار موثر فوتوترمال GO-GMA است

این مواد دارای پتانسیل است که می تواند به عنوان یک عملگر در سیستم های میکرو الکترومکانیکی یا تجهیزات میکرو سیال استفاده شود .

 

هیدروژلهای پاسخ دهنده به نور

به عنوان مثال، سیستم های تحویل داروی مبتنی بر هیدروژل عالی هستند چرا که می توان آنها را به راحتی تغییر داد تا ویژگی های آنها را تنظیم نمود و می توان امکان تحویل داروی هدفمند، گسترش زمان گردش در خون و کاهش  سمیت و عوارض جانبی دارو را میسر نمود. مولکول های دارو اغلب در شبکه محصور می‌شوند و از ماتریس هیدروژل با مکانیسم نفوذ آزاد می شوند. علاوه بر این، هیدروژل ها می توانند یک حامل عالی فقط برای داروهای پایدار با وزن مولکولی کم و همچنین برای ماکرومولکول های زیست فعال شکننده  از جمله پروتئین ها باشند. همانطور که هیدروژل حاوی مقادیر زیادی آب در شبکه پلیمر هستند، اجازه حفظ فعالیت پروتئین در شبکه پلیمری محافظ و جلوگیری از دناتوراسیون می گردد. بنابراین هیدروژل ها به عنوان مواد ایده آل برای ذخیره و آزادسازی پروتئین ها محسوب می شوند.

شکل2. دهنه به نور از هیدروژل متشکل از دکستران اصلاح شده ترانس آزوبنزن و دکستران اصلاح شده سیکلوکودکسترین. پس از تابش اشعه ماوراء بنفش آیزوبنزن، ایزومریز از اتصالات ترنس به سیس، منجر به جدا شدن نقاط پیوندهای عرضی، و اجازه می دهد پروتئین محصور شده در شبکه ژل به به محیط انتشار یابد.

برای پیشبرد مواد بیولوژیکی بر پایه هیدروژل، انواع مختلفی از هیدروژل پاسخگوی به محرک‌ها با محرک های خارجی (مانند چگالی پیوند متقابل، آبگریزی، شدت تورم ، نفوذ پذیری، تجزیه پذیری و مقاومت مکانیکی) برای کنترل خواص آنها توسعه یافته است. این هیدروژل های واکنش دهنده به محرک برای طیف وسیعی از بیوتکنولوژی سودمند هستند، زیرا خواص می تواند توسط یک محرک در نقطه و زمان مورد نظر تغییر کند. تا کنون، انواع مختلفی از سیستم های هیدروژل واکنش دهنده به محرک توسعه یافته است که می تواند به دما، pH، نور و سایر محرک ها پاسخ دهد.

در میان این محرک ها نور یک گزینه جالب توجه است؛ زیرا این یک محرک می تواند هم به صورت فضایی و هم زمانی با سهولت و راحتی عالی کنترل شود. در واقع سیستم های مختلف تحویل داروهای حساس به نور شامل پیش داروهای پاسخگو به نور و حامل های داروی  پاسخگو به نور در اشکال مختلف از جمله وزیکول ها، نانوذرات ، نانو فیبرها و مواد پلیمری و غیره می باشد.

گروه های پاسخگو به محرک نور

هیدروژلهای پاسخگو به محرک نور معمولا شامل یک شبکه پلیمری و یک بخش واکنش پذیر در برابر نور، که معمولا یک کروموفور فتوکرومیک به عنوان بخش عاملی است. سیگنال نوری ابتدا توسط مولکول های فتوکرومیک گرفته شده استسپس کروموفور در بخش دریافت‌کننده نور اشعه نوررا از طریق یک واکنش نوری به سیگنال شیمیایی تبدیل می‌کنند مانند ایزومریزاسیون، پراکندگی و دیمریزاسیون. سیگنال دوم به قسمت عامل دار هیدروژل منتقل می‌شود و خواص آن را کنترل می کند. تغییر کروموفور پس از تابش نور، به شدت به ساختار مولکولی آنها بستگی دارد و در نتیجه آن، تابش مورد نیاز نیز متفاوت است .

سه دسته اصلی از واکنش های ناشی از نور فوتو ایزومریزاسیون، شکست نور و فوتو دیمریزاسیون می باشد . بعضی از واکنشهای نوری برگشت پذیر هستند و می توانند چندین بار تکرار شوند، که در آن واکنش معکوس تحت تابش نور با طول موج دیگری یا بر روی سایر محرک ها مانند دما یا عوامل کاتالیزوری رخ می دهد

هیدروژل های پاسخگو به نور با تابش اشعه، تغییراتی را در خواص فیزیکی و شیمیایی خود  مانند کشش، ویسکوزیته، شکل و درجه تورم نشان می‌دهند که در کاربرد های مختلف زیست پزشکی مورد توجه قرار گرفته است. برای ساخت سیستم پاسخگو به نور، انتخاب گروه واکنش دهنده در برابر نور و ساختار اساسی ژل بسیار مهم است. هر دو هیدروژل های شبکه ای متقاطع فیزیکی (غیر کووالانسی) و شیمیایی (کووالانسی) مورد استفاده قرار گرفته است و بسیاری از استراتژی ها برای گنجاندن گروه واکنش دهنده در برار نور در شبکه هیدروژل در طول سالیان توسعه یافته است

شکل 3. شماتیک هیدروژل های به نور که کوچک شدن در برابر تشعشع را نشان میدهد ب- پیوندهای عرضی با تجمعات سوپرمولکولار در تجزیه بعد از تشعشع و در نتیجه تبدیل ژل به محلول

 هیدروژل های حساس به نور به دو دسته ​​تعلق دارندهیدروژل های حساس به نور ماورائ بنفش و هیدروژل های حساس به نور مرئی برخی از هیدروژلهای حساس به نور ماورائ بنفش حاوی مولکولی هستند به عنوان لئوکو سیانید که توسط اشعه ماوراء بنفش یونیزه شده است.تحت اشعه ماوراء بنفش، یونهای سیانید باعث افزایش فشار اسمزی و در نتیجه ایجاد تورم ژل می شوند. هیدروژل حساس به نور حاوی کروموفور است. کروموفور می تواند نور را جذب و سپس آن را منتشر کند که این امر به نوبه ی خود موجب افزایش دمای ژل می شودو در نهایت انقباض ژل می گردد مشابه هیدروژل های حساس به دما [9،109]. در حال حاضر، هیدروژل های حساس به نور به طور عمده بر اساس هیدروژل های حساس به حرارت با قرار دادن گروه های حساس به نور در آنها آماده می شوندسه مکانیسم ممکن برای عامل دار کردن هیدروژل های حساس به نور وجود دارد. اولین مکانیسم بر اساس تبدیل نور به گرما از طریق مولکول های حساس به نور خاصدر مواد حساس به حرارت دخالت دارد. هنگامی که درجه حرارت به دمای تبدیل ژل افزایش می یابد، هیدروژل به این تغییر دما پاسخ می دهد و سبب ایجاد سیستم ژل می گردد.مکانیسم دوم بر اساس یونیزاسیون مولکول هایی که به نور حادثه پاسخ می دهند  می باشد تعداد زیادی از یون ها در ژل در معرض نور تولید می شوند. یک شیب شدید غلظت یون در داخل و خارج از ژل، منجر به اختلاف فشار اسمزی و در نهایت گسترش ژل می شود. مکانیسم سوم بر این است که گروه های کروموفوریک را درون ماتریکس هیدروژل متصل کند، در این صورت خواص فیزیکی و شیمیایی آن (مانند مومنتوم دوقطبی و هندسه) در پاسخ به نور تغییر خواهد کرد. این تغییرات باعث تغییر ساختاری در زنجیره پلیمری می شود. یک واکنش فوتوایزومری شامل گذار ایزومرهای بین ترانس- و سیس گروه های آزو می باشد. 

اصلاح سیستم های هیدروژل پاسخ دهنده به نور می تواند به سه دسته تقسیم شود

(1) اصلاح هیدروژل با گروه های پاسخ دهنده به نور (2) اصلاح پلیمر با گروه‌های سوپر مولکولی پاسخ دهنده به تشعشع نور (3) تشکیل هیدروژل سوپر مولکولی باوزن ژلاتور پایین

شکل 4. گروههای فعال نوری برای سیستم هیدروژل پاسخ دهنده به نور

کاربردهای بیوپزشکی هیدروژل های پاسخ دهنده به نور

هیدروژل ها گزینه ای جالب برای پیشرفت سیستم‌های تحویل دارو و مهندسی بافت و برای آزادسازی و نگهداری سلولهای عصبی کنترل شده هستند.

آزاد سازی دارو با هیدروژل های پاسخ دهنده به نور

استفاده از فرسایش شبکه هیدروژل یک روش قدیمی برای تنظیم انتشار دارو است. از آنجا که انتشار ترکیبات از ماتریکس هیدروژل می تواند با تغییر اندازه مش شبکه کنترل شود، سیستم های هیدروژل پاسخ دهنده به نور برای سیستم های تحویل دارویی با انتشار کنترل شده بسیار کارآمد است.

ساختار شبکه ماتریس های هیدروژل می تواند برای کپسوله کردن ماکرومولکول ها از جمله پروتئین ها استفاده شود. آندرئوپولوس[30] و همکاران ارتباط بین اندازه پروتئین ها (میوگلوبین، هموگلوبین، و لاکتات دهیدروژناز-L) و ضریب نفوذ هیدروژل پاسخ دهنده به نور که با اندازه مش آنها می تواند تنظیم شود.

کروس و همکاران هیدروژل های دکستران اصلاح شده سیکلودکسترین  برای آزاد سازی داروی آبگریز استفاده کردند . در یک نمونه اخیر، یک هیدروژل پاسخ دهنده به نور متشکل از سیکلو دکسترین یا  دکستران اصلاح شده با آزئوبنزن به عنوان یک سیستم آزمایشی کنترل پروتئین مورد مطالعه قرار گرفت .

در یک پروژه مرتبط، یک سیستم هیدروژل از پیوندهای عرضی دکستران و پلی (اتیلن گلیکول) با استفاده از افزودنی میخائیل-آکریلات تیول به عنوان روش پیوند عرضی ساخته شده است . حساسیت به نور این هیدروژل با وارد کردن یک بخش غیر سمی نیترو بنزیل در میان زنجیره اصلی دکستران و گروه آکریلات ایجاد شد. هیدروژل ها تحت شرایط فیزیولوژیکی بدون نیاز به هرگونه واکنش اضافی با مخلوط کردن محلول های دکستران عامل دار شده با نیترو بنزیل  اصلاح شده با آکریلات (Dex-AN) و پلی اتیلن گلیکول (DSPEG) دی تیول تهیه شده است. تخریب هیدروژل به علت تابش اشعه ماوراء بنفش موجب آزادسازی پروتئین مدل پروتئین فلورسنت سبز (GFP) می شود. علاوه بر این، تخریب نوری هیدروژل از طریق تحریک فوتون نیز با استفاده از پرتو لیزر مادون قرمز (NIR) به عنوان منبع نور، مورد بررسی قرار گرفت.آزاد سازی ویتامین B12، کنکاناوالین A و نانوذرات با قطرهای 100 یا 250 نانومتر از هیدروژل پاسخ دهنده به نور متشکل از LMWG حساس به نور مبتنی بر گلیکولیپید توسط Hamachi  و همکاران مطالعه شد.(شکل 4).

شکل 5 طرح ترانس سیس ایزومریزاسیون LMWG و یک طرح کلی از انتقال ژل-محلول شبه برگشت پذیر هیدروژل ناشی از  تابش نور ماورائ بنفش /(ب) آزادسازی نسبی نوری بنفش ویتامین B12 از هیدروژل. [٪] ویتامین B12 از ژل به توده محلول بدون و یا با اشعه ماوراء (c) نسبت آزاد سازی [٪] ویتامین B12، FITC-ConA و دانه های فلورسنت 100 و 250 نانومتر از هیدروژل بدون و یا با اشعه ماوراء بنفش.

 علاوه بر این، سیستم هیدروژل پاسخ دهنده به نور برای کنترل حرکت باکتری مورد استفاده قرار گرفت. با استفاده از تکنیک های فوتولیتوگرافی، تهیه ژل / محلول الگودهی شده با نور نیز موفقیت آمیز بود. یک فسفات هیدرولر کننده فتوشاپ نیز توسط همان گروه توسعه یافته است که برای ایجاد یک دروازه مولکولی برای کنترل نفوذ ترکیبات زیست فعال استفاده می شود .پارک[31] و همکاران یک سیستم هیدروژل متشکل از نانوذرات سیلیکای مزوپور و شش بازوی پلی (اتیلن گلیکول) به دست آوردند که در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 6 شبیه سازی نفوذ ناشی از پاسخ دهی به نور مولکول مهمان از منافذ ذرات سیلیکای مزوحفره با -بتا سیکلو دکسترین  با استفاده از یک گروه فتولبیل (Si-MP-4) و انتقال محلول-ژل بوسیله تشکیل پیچیده β-سیکلودکسترین و گروه دو دسیل بر روی پلی (اتیلن گلیکول) 6 (6-PEG-C12)

کشت سلولی به کمک هیدروژلهای پاسخ دهنده به نور

هیدروژلهای پاسخ دهنده به نور برای ماتریسهای هیدروژل کشت سلولی به عنوان یک محیط رشد برای کشت سلولی به کار رفته اند، زیرا ساختار مشابه با بافت های زنده هیدراته دارند . اخیرا تلاش های جدی برای ایجاد ماتریس های هوشمند برای هدایت و باروری و رشد سلول ها انجام شده است . میکرو الگوهای سه بعدی می تواند در داخل هیدروژل های پاسخ دهنده به نور با استفاده از روش فوتولیتوگرافی شامل برانگیختگی دو فوتون تشکیل شود. علاوه بر این، طبیعت پویای هیدروژل های پاسخ دهنده به نور برای ایجاد تغییرات خواص محلی مانند فعالیت چسبندگی و قدرت مکانیکی مفید است که می تواند برای به کارگیری محیط سلول ها امکان پذیر باشد.

قطعات نیترو بنزن برای عاملدار کردن انتخابی و آزادسازی الیگو پپتیدها مانند RGDS در ماتریس هیدروژل جهت هدایت رشد سلولی از جمله 3 فیبروبلاست T3 نورون های DRG موش استفاده شده است.

به تازگی، آنسث[32] و همکاران مواد هیدروژل که دارای هر دو الگوی شیمیایی و مکانیکی از طریق تجزیه فوتونی برخوردار بودند ارائه دادند. در نتیجه، می توان مهاجرت سلول های بنیادی را در شبکه هیدروژل از طریق تجزیه فوتون کنترل کرد. و این مواد به عنوان داربست مهندسی بافت با کنترل رفتار سلول بکار برد.

هیدروژل پاسخگو به نور با وزن مولکولی کم

هیدروژل پاسخگو به نور بر اساس طیف متنوع ترکیبات توسط تشکیل دهنده ژل با وزن مولکولی کم[33] توسعه یافته اندبیشتر  LMWG ساختار فیبری از طریق تعاملات مختلف مانند پیوند هیدروژنی و انقباض الیاف حاصل، که منجر به یک ویسکوزیته و کشش بالا می شود. با وجود بخش های پاسخگو به نور، تعامل بین مولکول ها می تواند توسط نور کنترل شود.الیگوپپتیدها به عنوان یک LMWG مورد مطالعه قرار گرفته که ساختارهای فیبر گونه به دلیل ترکیبی از تعاملات مانند تعامل ون وردالس ، تعامل یونی، انباشت π-π و پیوند هیدروژنی را تشکیل می دهند. بیس (فنیل آلانین) متصل به آمیدهای اسید فوماریک مالئیک پس از اشعه ماوراء بنفش می تواند به ژل متصل شود.ژانگ و همکاران یک تبدیل برگشت پذیر ژل به محلول با استفاده از دی الینین  عامل دار شده با اسپیروپیان گزارش کرده اند.در سیستمهای غیر قطبی اسپیروپیران از تعاملات میان  LMWG دی پپتیدها جلوگیری می شود در حالی که اجزای ایزومری شده مروسیانین تمایل شدیدی به تشکیل پیوند  π-π دارند که می تواند از فعل و انفعالات دی پپتید پشتیبانی کند. ایزومریزاسیون را می توان با تنظیم pH  و تشعشع نور کنترل کرد.