Hydrogél je veľmi zaujímavá, huspenine podobná hmota. Jej priestorová štruktúra z polymérových reťazcov je ako špongia nasiaknutá vodou (až do 97 - 99 %). Makromolekuly polyméru sa do „lešenia“ navzájom viažu buď „klasickou“ chemickou kovalentnou väzbou, pôsobením elektrostatických síl medzi iónmi a polárnymi molekulami, alebo len jednoduchým vzájomným prekrývaním jednotlivých reťazcov. Hydrofilné vlastnosti makromolekúl umožňujú naviazať prekvapujúco veľké množstvo vody.
Špeciálne, vo vode nerozpustné hydrogély sú biokompatibilné, čiže nevyvolávajú odmietavú alergickú reakciu tela a navyše niektoré ich vlastnosti sú podobné vlastnostiam biologických tkanív. Predstavujú tak veľmi perspektívny medicínsky materiál pre plastické implantáty. Jedným z najznámejších príkladov sú moderné, takzvané mäkké typy kontaktných šošoviek. Práve z hydrogélu ich začal vyrábať doslova doma „na kolene“ pomocou stavebnice Merkur a bicyklového dynama známy český chemik, prof. Otto Wichterle a odporúčame si aspoň na Wikipédii pár viet o tom prečítať (Otto Wichterle – kontaktní čočky).
Veľký aplikačný potenciál hydrogélov je hnacou silou výskumu, pri ktorom sa občas „podarí“ naozaj zaujímavý výsledok a vznikne nový druh hmoty s prekvapujúcimi vlastnosťami. Vo včerajšom vydaní časopisu Nature „svoj“ hydrogél predstavil osemčlenný japonsko-korejský tým chemikov a nanotechnológov.
Nový hydrogél vďačí za svoje vlastnosti nekovalentným väzbám
Stabilnú vnútornú štruktúru pevných materiálov zabezpečujú kovalentné väzby, ktoré sú výsledkom snahy atómov mať v elektrónovom obale spárované všetky valenčné elektróny. Preto s vhodnými partnermi vytvárajú spojenectvá, ktoré spečaťujú tvorbou spoločných elektrónových párov, presnejšie čiastočným prekrytím svojich elektrónových obalov. Kovalentnou väzbou sa napríklad viaže vodík a kyslík v molekule vody. To spôsobí, že sa negatívny náboj (jediný elektrón) vodíka presťahuje bližšie ku kyslíku a v okolí čiastočne odhaleného vodíkového jadra lokálne prevládne kladný a v oblasti kyslíka záporný náboj. Vďaka ním môžu medzi molekulami vody vznikať slabé vodíkové väzby (vodíkové mostíky), ktoré rozhodujú o dôležitých vlastnostiach životodarnej tekutiny.
Práve vodíkové a ďalšie slabé elektrostatické medzimolekulové pôsobenie je príčinou zaujímavých vlastností nového hydrogélu. Príprava je jednoduchá, ak máme potrebné suroviny. Šéf výskumného týmu Takuzo Aida z Univerzity v Tokiu k tomu poznamenal: „Každý – dokonca aj moja manželka – dokáže pripraviť náš nový materiál len pomocou vmiešania potrebných súčastí do vody pri izbovej teplote“.
Návod na prípravu
Ak by sme to teda chceli sami skúsiť, čo potrebujeme? Najmä vodu. Najlepšie chemicky čistú, destilovanú. Trochu ílu. Asi 3 percentá hmotnosti vody. Žiaľ, obyčajná ílovitá pôda vhodná nebude, aj keby sme v nej potrebný materiál našli. Potrebujeme drobné, nanometrové šupinky napríklad montmorillonitu, bežného ílového minerálu s nezapamätateľným vzorcom: (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2•nH2O. Významnou vlastnosťou, s ktorou budeme počítať, je prebytok záporných elektrických nábojov na povrchoch jemných šupiniek. Táto vlastnosť ílových minerálov umožňuje z prostredia pomocou elektrostatických síl vychytávať katióny – napríklad ióny ťažkých kovov.
Prípravu hydrogélu nám však trochu komplikuje fakt, že hoci sú plochy montmorillonitových šupiniek elektronegatívne, na ich okrajoch sa vytvára prebytok kladného náboja. To by spôsobilo ich zhlukovanie. Problém vyrieši malé množstvo ďalšej ingrediencie – polyakrylátu sodného. Ide o takzvaný superabsorbent – látku, ktorá dokáže naviazať obrovské množstvo vody – až 300 násobok svojej hmotnosti v suchom stave. Polyakrylát sodný nájdeme v podobe jemného bieleho prášku v čistých jednorazových detských plienkach (relácia Českej televízie Port o polyakryláte). Superabsorpcia polyakrylátu je pre tvorbu hydrogélu kľúčová. Ale dôležitá je ešte jedna jeho vlastnosť – slabý záporný povrchový náboj. Ten prejavuje veľké sympatie ku kladnému náboju na hranách ílových šupiniek. Vďaka tejto príťažlivosti sa čiastočky ílu veľmi pravidelne rozptýlia v celom objeme vzniknutej hmoty.
Ako zlatý klinec na rad prichádza tajomstvo japonských šéfkuchárov – lepidlo G3. Žiaľ, túto ingredienciu tak ľahko nezoženieme, aj keď jej základom sú dlhé reťazce polyetylénglykolu – polyméry etylénglykolu, ktorý tvorí hlavnú zložku niektorých nemrznúcich zmesí. Na prípravu samoregenerujúceho hydrogélu však potrebujeme jeho špeciálnu rozvetvenú formu, ktorá sa podobá mnohoramennej chobotnici - zo stredového uzla polyméru vybieha niekoľko makromolekulových reťazcov. Ani to však nestačí. Aby sa tieto reťazce mohli naviazať na negatívne nabité plôšky ílových šupiniek, musia mať na svojich koncoch prebytok kladného náboja. Preto na ne vedci chemicky naviazali kladné ióny guanidínia ([CH6N3]+). Vďaka ním sa chápadlá polyetylénglykolových chobotníc automaticky „prisajú“ k plochám ílových nanošupiniek. Pretože tieto sú v materiáli rozptýlené pravidelne, rozvetvené molekuly lepidla G3 prepojené cez ílové častice vytvárajú v hydrogéle ďalšie husté priestorové lešenie.
Narežeme a poskladáme do ľubovoľného tvaru, ktorý sa sám zlepí
I keď elektrostatické spojenia G3 – íl sú slabé, k celkovej mechanickej odolnosti výrazne prispievajú. V porovnaní s podobnými hydrogélmi, ktorých vnútorná štruktúra tiež spolieha na slabšie nekovalentné väzby, by tento nový druh mal byť až 50krát pevnejší. Navyše má ešte jednu zvláštnu vlastnosť. Po rozrezaní a opätovnom priložení čerstvých rezných plôch sa opäť sám zacelí. Pod tlakom noža totiž dôjde k narušeniu spomínaných nie veľmi silných väzieb medzi vláknami polyetylénglykolu a ílovými šupinkami. Po pritlačení rozrezaných plôch k sebe sa však spojenie opäť samo obnoví. To pri prerušení silnejších kovalentných väzieb možné nie je. Takuzo Aida tieto vlastnosti nového hydrogélu demonštroval pokusom, pri ktorom narezal dva rozdielne sfarbené hranoly hydrogélu na menšie kúsky. Tie ktoré potom striedavo pospájal do jedného pásu a premostil ním niekoľkocentimetrovú medzeru (obrázok), aby dokázal pevnosť materiálu aj silu jeho „samozlepenia“.
Nádejná kariéra
Samozrejme, že pevné plasty nový hydrogél nenahradí. Prípadné využitie v medicíne musí predchádzať ešte dlhý rad testov. Zatiaľ sa zdá, že ide o materiál netoxický, „priateľský“ k rôznym biologicky dôležitým molekulám. Do hydrogélu sa dajú zakomponovať rôzne bielkoviny. Testy potvrdili, že napríklad v hydrogéle uväznené molekuly myoglobínu, ktoré pomáhajú okysličovať svalové tkanivo, si počas celého týždňa uchovajú svoj nezmenený tvar a 70 % svojej pôvodnej aktivity.
Pevnosť, odolnosť, jednoduchosť prípravy a samoregeneračné schopnosti sú tie najzákladnejšie vlastnosti nového hydrogélu. Ponúkajú priestor na mnohé, zatiaľ ani netušené nápady na využitie. Inšpirujúca je aj možnosť do vnútornej štruktúry zabudovávať rôzne druhy biologických a chemických molekúl, potom tieto preparáty narezať a v rôznych kombináciách zas pospájať do ľubovoľnej postupnosti a tvarov.
Nový hydrogél je výsledkom obrovskej absorpčnej schopnosti polyakrylátu sodného a nekovalentných väzieb medzi molekulami vody, polyakrylátu, zložky G3 a ílovými čiastočkami. Tieto väzby mu zabezpečujú relatívne veľkú pevnosť a schopnosť samoregenerácie. Video predstavuje vlastnosti superabsorbentu – polyakrylátu sodného.
Zdroje: Science News, Chemistry World, Wikipedia