هيدروجيلات ذاتية الإصلاح

التشابك هو عملية ربط سلسلتين أو أكثر من البوليمرات. يوجد نوعان من التشابك: الكيميائي والفيزيائي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام كل من البوليمرات الطبيعية، مثل البروتينات، أو البوليمرات الاصطناعية ذات الألفة العالية للماء كمواد أولية عند اختيار الهيدروجيل. ^{[ 2 ]} يمكن تطبيق طرق تشابك مختلفة لتصميم الهيدروجيل. يُعرَّف هلام البوليمر المتشابك بأنه جزيء ضخم لا يذوب في المذيب. نظرًا للمجالات البوليمرية التي تتكون بفعل التشابك في البنية المجهرية للهلام، فإن الهيدروجيلات لا تكون متجانسة ضمن نظام المذيب المُختار. تلخص الأقسام التالية الطرق الكيميائية والفيزيائية التي يتم من خلالها تشابك الهيدروجيلات. ^{[ 2 ]}

التشابك الكيميائي

طريقة	عملية
البلمرة الجذرية	البلمرة الجذرية هي إحدى طرق بلمرة نمو السلسلة، وهي من أكثر الطرق شيوعًا لتصنيع الهيدروجيلات. وقد استُخدمت كل من بلمرة الجذور الحرة ، ومؤخرًا بلمرة الجذور المُتحكَّم بها ، في تحضير الهيدروجيلات ذاتية الإصلاح. تتكون بلمرة الجذور الحرة من مراحل البدء والانتشار والإنهاء. بعد البدء، يتولد موقع نشط للجذور الحرة، والذي يُضيف المونومرات بطريقة تشبه حلقات السلسلة. بالمقارنة مع بلمرة الجذور الحرة، توفر بلمرة الجذور الحرة الحية المتحكم بها مزايا عمر أطول لسلسلة النمو، مما يُفيد في هندسة الجزيئات الكبيرة. ومن بين أنواع بلمرة الجذور الحرة المتحكم بها المستخدمة حاليًا في تصنيع الهيدروجيلات ذاتية الإصلاح: بلمرة الجذور الحرة بنقل الذرات (ATRP) بلمرة نقل التجزئة بالإضافة العكسية (RAFT). [ 2 ] تشمل طرق نمو السلسلة الأخرى البلمرة الأنيونية والكاتيونية . تعاني كلتا الطريقتين من حساسية شديدة تجاه البيئات المائية ، ولذلك لا تُستخدمان في تصنيع الهيدروجيلات البوليمرية.
بلمرة الإضافة والتكثيف	يمكن تحويل المونومرات القابلة للذوبان في الماء إلى هيدروجيلات باستخدام عوامل الربط المتشابك مثل TEMED . تتفاعل عوامل الربط المتشابك متعددة الوظائف مع المجموعات الوظيفية للمونومر في تفاعل إضافة تدريجي. يُعدّ بلمرة التكثيف النوع الثاني من بلمرة النمو التدريجي. وكما هو الحال في بلمرة الإضافة، تتفاعل المجموعات الوظيفية بشكل تدريجي لتكوين شبكة هلامية مرتبطة تساهميًا. تُصنّع بوليمرات البولي يوريثان والبوليستر والنايلون بشكل شائع لتطبيقات الهيدروجيل. [ 2 ]
بلمرة أشعة جاما وشعاع الإلكترون	يمكن للإشعاع الكهرومغناطيسي عالي الطاقة أن يُشكل روابط متقاطعة بين نهايات سلاسل المونومرات أو البوليمرات القابلة للذوبان في الماء دون الحاجة إلى إضافة عامل ربط متقاطع. أثناء الإشعاع، باستخدام أشعة غاما أو حزمة إلكترونية، تُبلمر المحاليل المائية للمونومرات لتكوين هيدروجيل. تُحاكي بلمرة أشعة غاما والإلكترونات نموذج البدء والانتشار والإنهاء المُعتمد في بلمرة الجذور الحرة. في هذه العملية، تتشكل جذور الهيدروكسيل التي تبدأ بلمرة الجذور الحرة بين مونومرات الفينيل، والتي تنتشر بسرعة عبر إضافة السلسلة. [ 2 ] يتشكل الهيدروجيل نهائيًا بمجرد وصول الشبكة إلى نقطة التجلط الحرجة . تتميز هذه العملية عن طرق الربط المتقاطع الأخرى بإمكانية إجرائها في درجة حرارة الغرفة وفي درجة حموضة فسيولوجية دون استخدام عوامل ربط متقاطع سامة ويصعب إزالتها.

الرابطة الهيدروجينية هي قوة بين جزيئية قوية تُشكل نوعًا خاصًا من التجاذب ثنائي القطب. تتشكل هذه الروابط عندما تكون ذرة هيدروجين مرتبطة بذرة ذات كهرسلبية عالية بالقرب من ذرة أخرى ذات كهرسلبية عالية تمتلك زوجًا حرًا من الإلكترونات. ^{[ 4 ]} الروابط الهيدروجينية أقوى من تفاعلات ثنائي القطب العادية وقوى التشتت، لكنها تبقى أضعف من الروابط التساهمية والأيونية. في الهيدروجيلات، تتأثر بنية جزيئات الماء واستقرارها بشكل كبير بهذه الروابط. ترتبط المجموعات القطبية في البوليمر بجزيئات الماء بقوة، مُشكلةً روابط هيدروجينية تُسبب أيضًا تأثيرات كارهة للماء. ^{[ 5 ]} يمكن استغلال هذه التأثيرات الكارهة للماء لتصميم هيدروجيلات متشابكة فيزيائيًا تتمتع بقدرات على التئام ذاتي. يمكن موازنة التأثيرات الكارهة للماء، بالإضافة إلى التأثيرات المحبة للماء داخل بنية الهيدروجيل، من خلال سلاسل جانبية حرة تُسهل تكوين الروابط الهيدروجينية بين قطعتين منفصلتين من الهيدروجيل أو عبر هيدروجيل ممزق.

السلسلة الجانبية المتدلية هي سلسلة هيدروكربونية تتفرع من السلسلة الرئيسية للبوليمر. ترتبط بهذه السلسلة مجموعات وظيفية قطبية. تتدلى هذه السلاسل الجانبية على سطح الهيدروجيل، مما يسمح لها بالتفاعل مع مجموعات وظيفية أخرى وتكوين روابط جديدة. ^{[ 6 ]} السلسلة الجانبية المثالية هي تلك الطويلة والمرنة التي تتيح لها الوصول إلى السطح والتفاعل، ولكنها قصيرة بما يكفي لتقليل الإعاقة الفراغية والانهيار الناتج عن التأثير الكاره للماء. ^{[ 6 ]} يجب أن تحافظ السلاسل الجانبية على توازن التأثيرات الكارهة للماء والمحبة للماء. في دراسة أجرتها جامعة كاليفورنيا في سان دييغو لمقارنة قدرة الهيدروجيلات على التئام الجروح، تمت مقارنة هيدروجيلات ذات أطوال سلاسل جانبية مختلفة ومحتوى تشابك متشابه، وأظهرت النتائج أن قدرة الهيدروجيلات على التئام الجروح تعتمد بشكل غير منتظم على طول السلسلة الجانبية. ^{[ 6 ]} مع قصر طول السلسلة الجانبية، يقل وصول مجموعة الكربوكسيل، مما يقلل من قدرة الهيدروجيلات على التوسط في الروابط الهيدروجينية عبر السطح البيني. مع ازدياد طول السلسلة، يصبح نطاق مجموعة الكربوكسيل أكثر مرونة، ما يُسهّل تكوين الروابط الهيدروجينية. مع ذلك، عندما يكون طول السلسلة الجانبية مفرطًا، يحدث تداخل بين تفاعل مجموعتي الكربوكسيل والأميد المسؤولتين عن تكوين الروابط الهيدروجينية. كما قد يؤدي ذلك إلى تراكم الهيدروجيل وانهياره، ما يعيق عملية الشفاء.

تعتمد معظم الهيدروجيلات ذاتية الإصلاح على التجاذب الكهروستاتيكي لتكوين روابط جديدة تلقائيًا. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} ويمكن حجب هذا التجاذب باستخدام بروتنة المجموعات الوظيفية القطبية. عند رفع الرقم الهيدروجيني، تُزال البروتونات من المجموعات الوظيفية القطبية، مما يُتيح لها التفاعل. ولأن الهيدروجيلات تعتمد على التجاذب الكهروستاتيكي في عملية الإصلاح الذاتي، فقد تتأثر هذه العملية بالحجب الكهروستاتيكي. ويمكن نمذجة تأثيرات تغير الملوحة باستخدام نظرية غوي-تشابمان-ستيرن للطبقة المزدوجة .

${\displaystyle \phi =\zeta *e^{\kappa h}}$

• ${\displaystyle \zeta }$ : جهد زيتا
• ${\displaystyle \kappa }$ملوحة المحلول
• ${\displaystyle h}$: المسافة بين الجزيئات، إذا كانت المجموعة الوظيفية القطبية جزيئًا واحدًا والأيون الموجود في المحلول هو الجزيء الآخر.

لحساب جهد غوي-تشابمان، يجب حساب معامل الملوحة. الصيغة المعطاة لمعامل الملوحة هي كما يلي:

${\displaystyle \kappa ={\sqrt {\frac {\Sigma (z*e)^{2}C_{0}^{*}}{\epsilon _{r}\epsilon _{0}k_{\text{B}}T}}}}$

• ${\displaystyle z}$شحنة الأيون
• ${\displaystyle e}$:1.6 × 10 ⁻¹⁹  درجة مئوية
• ${\displaystyle C_{0}^{*}}$عدد الأيونات لكل متر مكعب
• ${\displaystyle \epsilon _{r}}$ثابت العزل الكهربائي للمذيب
• ${\displaystyle \epsilon _{0}}$:8.85 × 10 ⁻¹²  C ² /(J⋅m) ، سماحية الفراغ
• ${\displaystyle k_{\text{B}}}$:1.38 × 10 ⁻²³  م ² ⋅كغ/ث ² ، ثابت بولتزمان
• ${\displaystyle T}$درجة الحرارة الديناميكية الحرارية

تكتسب هذه التأثيرات أهمية بالغة عند النظر في تطبيق الهيدروجيلات ذاتية الإصلاح في المجال الطبي، إذ تتأثر بدرجة حموضة الدم وملوحته.

تظهر هذه التأثيرات أيضًا أثناء عملية التخليق عند محاولة إضافة جزيئات كارهة للماء كبيرة الحجم إلى سلسلة بوليمرية محبة للماء. وقد أظهر فريق بحثي من جامعة إسطنبول التقنية أنه يمكن إضافة جزيئات كارهة للماء كبيرة الحجم عن طريق إضافة كمية كافية من الإلكتروليت. أثناء عملية التخليق، احتُفظ بالجزيئات الكارهة للماء داخل المذيلات قبل ارتباطها بسلسلة البوليمر. ^{[ 7 ]} بزيادة ملوحة المحلول، تمكنت المذيلات من النمو واحتضان المزيد من الجزيئات الكارهة للماء. كلما زاد عدد الجزيئات الكارهة للماء في المذيلة، زادت ذوبانية هذه الجزيئات. وتؤدي زيادة الذوبانية إلى زيادة تكوين الهيدروجيلات التي تحتوي على جزيئات كارهة للماء كبيرة الحجم. ^{[ 7 ]}

تستجيب بعض الهيدروجيلات للمؤثرات الخارجية والبيئات المحيطة بها، مثل الضوء ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة والمجالات الكهربائية. تُعرف الهيدروجيلات الحساسة للحرارة بالهيدروجيلات الحرارية. تخضع هذه الهيدروجيلات لانتقال طوري عكسي ناتج عن الحرارة عند بلوغها درجة حرارة المحلول الحرجة العليا أو الدنيا . يُعرَّف هلام البوليمر المتشابك بأنه جزيء ضخم غير قابل للذوبان. ونظرًا للمجالات البوليمرية الناتجة عن التشابك، فإن الهيدروجيلات في بنيتها المجهرية لا تكون متجانسة ضمن نظام المذيب الذي توضع فيه. ومع ذلك، يحدث انتفاخ للشبكة في وجود مذيب مناسب. يمكن أن تتسبب الفراغات الموجودة في البنية المجهرية للهلام، حيث تجمع عامل التشابك أو المونومر أثناء عملية البلمرة، في انتشار المذيب داخل الهيدروجيل أو خارجه. لذلك، فإن البنية المجهرية للهيدروجيل ليست ثابتة، وتظهر عيوب حيث يمكن للماء من خارج الهلام أن يتراكم في هذه الفراغات. تعتمد هذه العملية على درجة الحرارة، ويتوقف سلوك المذيب على ما إذا كان نظام المذيب-الهلام قد وصل إلى درجة حرارة المحلول الحرجة (LCST) أو تجاوزها. تُحدد درجة حرارة المحلول الحرجة الحد الفاصل الذي يفصل عنده الهلام أو سلسلة البوليمر المذيب إلى طور واحد أو طورين. تمثل منطقتا الطور الدوراني والطور الثنائي في مخطط طور البوليمر-المذيب مدى ملاءمة الطاقة لامتزاز الهلام المائي في المحلول أو انفصاله إلى طورين.

تتمتع الهيدروجيلات ذاتية الإصلاح بنطاق واسع من التطبيقات. وبفضل توافقها الحيوي العالي، تُعد الهيدروجيلات مفيدة في العديد من التطبيقات الطبية. وتشمل المجالات التي تُجرى فيها أبحاث مكثفة حاليًا ما يلي:

• الخيوط الجراحية القابلة للامتصاص ^{[ 10 ]}
• هندسة الأنسجة وتجديدها ^{[ 10 ]}
• توصيل الأدوية ^{[ 11 ]}

يمكن التحكم في انتفاخ الهيدروجيلات والتصاقها الحيوي بناءً على البيئة السائلة التي تُوضع فيها داخل الجسم. ^{[ 11 ]} هذه الخصائص تجعلها مثالية للاستخدام كأجهزة توصيل دوائي مُتحكم بها. يتحدد موضع التصاق الهيدروجيل في الجسم بتركيبه الكيميائي وتفاعلاته مع الأنسجة المحيطة. عند تناوله عن طريق الفم، يمكن أن يلتصق الهيدروجيل بأي مكان في الجهاز الهضمي، بما في ذلك الفم والمعدة والأمعاء الدقيقة والقولون. يؤدي الالتصاق في منطقة مُستهدفة تحديدًا إلى توصيل موضعي للدواء وزيادة تركيزه في الأنسجة. ^{[ 11 ]}

على الرغم من أن الأبحاث تركز حاليًا على الجانب الهندسي الحيوي للهيدروجيلات ذاتية الإصلاح، إلا أن هناك العديد من التطبيقات غير الطبية، بما في ذلك:

• أجهزة قياس الرقم الهيدروجيني
• مواد مانعة للتسرب لتسربات الأحماض