Простейший вид хемомеханического преобразования описан раньше, где образец гидрогеля совершал обратимый механический процесс перемещения груза в поле силы тяжести. Поступательное движение груза вначале обеспечивалось сжатием геля при воздействии на него осадителя (ацетона). Обратное движение имело место при уменьшении концентрации осадителя за счет разбавления его водой.
Каким бы ни был этот пример простым, он дает представление о работе целого класса устройств, которые объединяются под названием электро – и хемомеханических преобразователей. Для их работы характерно использование замкнутого цикла, на первой стадии которого производится обратимое сжатие геля под тем или иным воздействием. На второй стадии воздействие снимается, и гель возвращается в исходное равновесное состояние.
Пример организации циклического режима за счет температурных эффектов.
Температурно зависимые электронейтральные гидрогели представляют собой отдельный обширный класс соединений. Их подробное рассмотрение остается за рамки настоящего обзора. Однако, представляется интересным рассмотреть одну из перспективных возможностей их применения.
Диаграммы состояния в воде многих полужесткоцепных полимеров (поливинилпирролидон, но этот вопрос до конца не выяснен, или полиоксиэтилен, но тут частота экспериментов нарушается кристаллизационными затруднениями).
Комбинируя сополимеризацией гидрофильные и гидрофобные компоненты – такие как оксиэтилен и оксипропилен, - нетрудно подобрать состав и оптимальный метод сополимеризации, где применяется рисунок диаграммы сосуществования гидрогеля.
Такая диаграмма сосуществования позволяет осуществить аналог цикла Карно. А именно, ниже бинодали гель сильно набухает в воде, а выше коллапсирует. Предположим, что в ночное время суток система находится в атмосфере достаточно высокой влажности и при низкой температуре. Гель будет впитывать в себя влагу. По мере потепления система снизу пересечет бинодаль и отдаст аккумулированную жидкость. Это сокращение будет довольно резким фазовым переходом. При высокой температуре гель будет в сильно поджатом состоянии. НКТР и точки А1 и А2 задаются химическим составом и топологией сетки. Применение такого цикла для сельского хозяйства достаточно очевидно.
Такой цикл может найти применение и в горно – металлургическом деле для организации «тихих взрывов»: процесс должен начинаться с засыпки сухого порошка в шурф – а дальше все должно развиваться естественным образом.
Гидрогели как носители лекарственных препаратов.
Этот аспект является одним из наиболее актуальных в плане практического использования гидрогелей. Действительно, с одной стороны, управляемое пролонгированное действие лекарственных препаратов обладает несомненными приемуществами с точки зрения лечебного эффекта. С другой стороны, этот эффект может быть реализован на уже существующих типах гидрогелей.
С точки зрения изучения фундаментальных физико – химических закономерностей эту проблему можно в целом считать решенной. Известны примеры как температурно – зависимых гидрогелей, так и гидрогелей чувствительных к изменению рН среды. На данном этапе речь скорее идет о проведении целенаправленных систематических исследований (как фармокологических, так и клинических) по динамике высвобождения лекарственных препаратов из набухшей сетки. Целью таких исследований следует считать подбор оптимальных характеристик гидрогеля по отношению к кислотно – щелочным свойствам пищеварительного тракта, а также тестовые испытания, призванные удовлетворить существующим медицинским стандартам.
Данной проблеме посвящена обширная литература, рассматривающая вопрос как с фармокологической точки зрения, так и с точки зрения физической химии полимеров. Поэтому мы не будем на нем подробно останавливаться, отметим только, что и здесь речь снова идет об управляемой (а точнее предсказуемой) контракции гидрогеля с выделением в окружающую среду несомого вещества. Отличие от ранее рассмотренных процессов состоит в том, что подбирается среда, обеспечивающая контракцию гидрогеля, а наоборот, гидрогель подбирается так, чтобы имело место его замедленное сжатие в естественной среде – человеческом организме.
Терапевтическое воздействие с использованием гидрогелей можно, в принципе, оказывать и другим способом, например, вводя лекарственные препараты в синтетические матрацы, создающие «искусственную невесомость» .Этот способ может найти применение при лечении сильных ожогов.
Гидрогели в биотехнологиях.
В настоящее время очень быстро развиваются различные приемы выращивания клеточных популяций на полимерных подложках или в контейнерах разного состава и конфигураций (от плоских подложек до полых волокон). При этом, одна из биологических проблем заключается в замене диффузии (которая в подобных устройствах затруднена) перфузией, чтобы обеспечить приток и отток продуктов клеточного метаболизма. В разряженных гидрогелях эта довольно неприятная инженерная проблема отпадает, ибо диффузии может препятствовать лишь слишком плотная упаковка растущих клеток. Следует учитывать только, что гель не должен избирательно удерживать или тормозить питательные вещества и отходы.
Значимость выращивания искусственных популяций клеток обусловлена важнейшими причинами:
1. Рост клеточной популяции сопровождается побочным, но чрезвычайно важным эффектом селекции по типу клеток, обусловленным адсорбцией. Механизм этого явления не вполне выяснен, однако, точно установлено одно: аномальные, в том числе, канцерогенные клетки в таких условиях не пролифелируют, рост их прекращается. Оставим профессионалам решение вопроса, чем обусловлено это явление – составом полимерного контейнера или деформацией самих клеток из – за адсорбции на носителе – мы привели фактические данные.
Применение гидрогелей как своего рода «гидропонной системы» для выращивания клеточных колоний само по себе не ново. Однако, в связи с вышесказанным, отчетливая перспектива устранения злокачественных клеток и подавления их роста возникает сразу, хотя о деталях говорить еще рано.
2. Цито – биохимический реактор. Можно выращивать в гидрогеле популяцию клеток, специфически «настроенную» на продукцию какого – либо фермента или иного белка «энергетической группы» , или определенной нуклеиновой кислоты и т. д. . Такой реактор легко запустить и постоянно поддерживать в рабочем состоянии; если эти реакторы работают на сплошных или волокнистых полимерных системах, то не видно причин, почему бы они не стали работать в более мягких условиях гидрогеля.
3.Имплантационная или трансплантационная хирургия. Допустим что какая – то ткань или орган вышли из строя и требуют замены или залечивания. Удобный пример – печень, она практически однородна по клеточному составу, в то время как операции на ней крайне затруднены. Можно вырастить достаточно большое количество клеток печеночной ткани и имплантировать ее вместо поврежденного участка. Благодаря высокой реакционной способности гидрогелей, регулируя их состав, можно предотвратить опасность несовместимости или отторжения.
Гидрогели как материал оптических элементов.
По своим оптическим свойствам сильно набухший гидрогель слабо отличается от воды, так как при степенях набухания порядка тысячи, концентрация собственно полимера в системе становится, очевидным образом, весьма низкой. Это означает, что набухший гель обладает достаточно высоким показателем преломления и малым поглощением в видимой области спектра. Если наряду с этим принять во внимание хорошие упруго – механические свойства набухшего геля, то становится очевидной перспективность его использования в качестве материала доя оптических элементов с управляемыми характеристиками.
Простейшим оптическим элементом такого рода являетсяконтактная линза, в настоящее время уже реализованная на практике. Следующим этапом является создание линзы с управляемым фокусным расстоянием. В каком – то смысле такая линза будет полным аналогом хрусталика в глазах млекопитающих – ее фокусное расстояние может варьироваться заданным образом различными способами, в том числе и естественно – биологическим.
Вопрос можно поставить и более широко. Обратимый коллапс гидрогеля позволяет говорить о разработке адаптивных оптических систем, в том числе и с перестраиваемой конфигурацией поверхности. Строгая теория здесь может быть построена на основе рассмотрения гидрогеля как совокупности микроинтерферометров Фабри – Перо. Изменения формы поверхности и ее общей конфигурации можно достигнуть либо подвергая гидрогель локальному воздействию электрического тока, либо создавая соответствующее распределение механических деформаций.
Такие оптические элементы могут найти применение для коррекции волнового фронта в системах формирования изображения, послужить основой для практического решения решения задачи обращения волнового фронта и так далее. Таким образом, и для технических применений в оптике на первый план выступает возможность управлять характеристиками гидрогеля посредством внешних воздействий.
Возможности использования гидрогеля в высоких технологиях.
Высокая чувствительность гидрогеля к небольшим изменениям характеристик внешней среды позволяет говорить о его использовании в технологиях, где предъявляются повышенные требования к управляемости рабочего вещества (гидрогели как «intelligentmaterials»). Остановимся кратко на двух примерах использования гидрогелей в высоких технологиях: в лазерной и полупроводниковой технике.