ไฮโดรเจลคืออะไร?

น้ำของเหลวที่ติดอยู่ในโพลิเมอร์ที่พันกันทำให้วัสดุนี้มีคุณสมบัติที่มีประโยชน์อย่างประหลาด

อะไรที่สามารถทำจากน้ำเกือบทั้งหมด แต่ถึงอุณหภูมิห้องจะไม่เปียก? ไฮโดรเจล เจลสูตรน้ำเหล่านี้เป็นหนึ่งในวัสดุที่มีประโยชน์มากที่สุดที่คุณไม่เคยได้ยินมาก่อน

ลองนึกถึง Jell-O และขนมขบเคี้ยวหวาน ๆ ที่เกี่ยวข้องซึ่งถือเป็นบรรพบุรุษของไฮโดรเจลสมัยใหม่ เจลาตินที่กินได้เหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นน้ำ (ประมาณ 90 เปอร์เซ็นต์ในกรณีของ Jell-O) แต่น้ำไม่ไหลออก นั่นเป็นเพราะว่าโมเลกุลที่มีลักษณะคล้ายเกลียว ซึ่งเรียกว่าโพลิเมอร์ เครือข่ายทั่วเจลาตินที่เคลื่อนไหวไปมาของไฮโดรเจล โพลิเมอร์เหล่านี้จับกับโมเลกุลของน้ำเหมือนแมลงวันบนแถบแมลงวัน ผลที่ได้คือสสารแปลก ๆ ที่คงรูปร่าง (เหมือนของแข็ง) แต่ยังคงรักษาคุณสมบัติในการดำรงชีวิตของน้ำที่เป็นของเหลวไว้ได้

ถ้า “คุณทำให้ [Jell-O] ร้อนขึ้น มันจะทำให้เหลว” Srinivasa Raghavan ตั้งข้อสังเกต เขาเป็นวิศวกรชีวโมเลกุลที่มหาวิทยาลัยแมริแลนด์ในคอลเลจพาร์ค ความสามารถในการทำให้เป็นของเหลวนั้นทำให้เจลาตินที่กินได้แตกต่างจากไฮโดรเจลสมัยใหม่ เขากล่าว โพลิเมอร์ในสัตว์ที่กินได้จะติดกับน้ำชั่วคราว เช่น เทปตีนตุ๊กแก นักวิทยาศาสตร์จัดประเภทว่าเป็นไฮโดรเจล “ทางกายภาพ” ประเภทที่ใหม่กว่าเรียกว่าไฮโดรเจล “เคมี” พอลิเมอร์ของพวกมันเชื่อมโยงกันอย่างถาวรด้วยพันธะเคมี

เคมีไฮโดรเจลมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ต้องสัมผัสกับร่างกาย หรือแม้กระทั่งยังคงอยู่ภายในร่างกาย การปลูกถ่ายเป็นตัวอย่างที่ดีอย่างหนึ่ง ไฮโดรเจลพบว่าร่างกายมีอัธยาศัยดีมากเพราะส่วนใหญ่ประกอบด้วยน้ำเช่นเดียวกับพวกมัน (ถ้าคุณหนัก 100 ปอนด์ คุณจะมีน้ำประมาณ 60 ปอนด์ น้ำส่วนใหญ่จะถูกขังอยู่ เช่นเดียวกับในไฮโดรเจล ร่างกายของเรามักจะดักจับน้ำนั้นไว้ในหลอดเลือดและภายในโพลิเมอร์ที่เชื่อมต่อเซลล์ของเรา)

ต่อไปนี้คือบางส่วนของการใช้งานที่เพิ่มขึ้นสำหรับไฮโดรเจลเคมีในปัจจุบัน

เนื้อเยื่อที่ปลูกในห้องปฏิบัติการ ลองนึกภาพเหยื่อไฟไหม้ที่ต้องปลูกถ่ายผิวหนัง นักวิทยาศาสตร์สามารถเพาะเลี้ยงเซลล์ผิวหนังในจานเลี้ยงเชื้อได้ แต่เซลล์เหล่านั้นจะพัฒนาเป็นแผ่นเรียบ เซลล์ที่ปลูกในห้องแล็บจะไม่สร้างชั้นที่เป็นระเบียบซึ่งพบในผิวหนังของเรา นั่นเป็นเพราะเซลล์ในร่างกายเติบโตบนโครงโพลิเมอร์ โครงสร้างเหล่านี้ช่วยให้เซลล์ตับเติบโตเป็นรูปตับ ในทำนองเดียวกัน พวกเขาแนะนำเซลล์ผิวเป็นชั้น ๆ ดังนั้น ทุกวันนี้ นักชีววิทยาจำนวนมากจึงจัดหาเนื้อเยื่อของมนุษย์ที่ปลูกในห้องแล็บด้วยไฮโดรเจลเฟรมเวิร์ก มีการใช้นั่งร้านประเภทเดียวกันนี้ในการทำสเต็กที่ปลูกในห้องปฏิบัติการ ซึ่งพัฒนาโครงสร้างเนื้อของกล้ามเนื้อวัว

เครื่องกระจายออกซิเจน พื้นผิวกระจกตาที่เปียกน้ำตาช่วยให้ออกซิเจนกระจายจากอากาศเข้าสู่ลูกตาได้โดยตรง และนั่นเป็นสิ่งที่ดี แต่เมื่อคอนแทคเลนส์ปิดดวงตา นั่นสามารถตัดการสัมผัสกับออกซิเจนจำนวนมากได้ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาดังกล่าว เลนส์แบบอ่อนจึงต้องใช้ไฮโดรเจล โพลิเมอร์ที่บวมน้ำของพวกมันช่วยให้ออกซิเจนเข้าถึงดวงตาได้เกือบเท่าปกติ

ตัวดูดซับน้ำ “เราสร้างไฮโดรเจลที่สามารถดูดซับน้ำได้ 3,000 เท่าของน้ำหนักมัน!” Raghavan พูดว่า เขาคิดว่า “เป็นสถิติโลก” ทีมงานของเขาเผยแพร่รายละเอียดของการศึกษาดังกล่าวใน Macromolecules ย้อนกลับไปในปี 2014 เม็ดบีดไฮโดรเจลแบบแห้งจะดูดน้ำจากสิ่งรอบตัวด้วยโพลิเมอร์ที่ชอบน้ำ เป็นเทคโนโลยีเดียวกับที่ช่วยให้ผ้าอ้อมเด็กแบบใช้แล้วทิ้งป้องกันการรั่วซึม กองทัพสหรัฐฯ ถึงกับพัฒนาชุดชั้นในซับเหงื่อสุดล้ำที่กักเก็บความชื้นไว้ในไฮโดรเจล

ผู้ปลูกบางรายใส่เม็ดไฮโดรเจลแห้งลงในกระถางดินด้วย เมื่อรดน้ำต้นไม้ที่ปลูกในกระถาง เม็ดบีดส์เหล่านี้จะดูดซับความชื้นไว้แทนที่จะปล่อยให้ไหลออกทางก้นหรือระเหยไป ความชื้นที่ติดอยู่นี้สามารถค่อยๆ กระจายกลับลงไปในดินเพื่อลดความกระหายน้ำของพืชที่กำลังเติบโตในอีกไม่กี่วันข้างหน้า

ระบบนำส่งยา ยาบางชนิดบรรจุในไฮโดรเจล ตัวอย่างหนึ่งคือยาบรรเทาความเจ็บปวดจากบาดแผลและโรคหลอดเลือดที่เรียกว่า Astero ได้รับการออกแบบมาเพื่อช่วยรักษาบาดแผลลึกโดยค่อยๆ ปล่อยสารเข้าไปในเนื้อเยื่อที่ชื้นรอบๆ บาดแผล

ตัวป้องกันแรงกระแทก ในเดือนเมษายน พ.ศ. 2565 ห้องทดลองของ Raghavan พบว่าการเพิ่มส่วนผสมใหม่หนึ่งอย่าง ซึ่งได้แก่ แป้งข้าวโพด ทำให้ไฮโดรเจลสามารถกันกระแทกวัตถุที่เปราะบางจากการแตกหักได้ คุณอาจมีแป้งข้าวโพดอยู่ในครัว มักใช้เพื่อทำให้ซุปหรือพายข้นเกินไป ทีมจากรัฐแมรี่แลนด์ของ Raghavan ผสมแป้งข้าวโพดกับเจลาตินและผสมน้ำให้เข้ากัน

พวกเขาหุ้มไข่ด้วยเจลาตินธรรมดา ส่วนอื่น ๆ ถูกปกคลุมด้วยเจลผสมแป้งข้าวโพด จากนั้นพวกเขาก็หย่อนไข่แต่ละใบจากความสูง 30 เซนติเมตร (1 ฟุต) ไข่ที่หุ้มด้วยแจ็กเก็ตเจลาตินธรรมดาจะถูกเกลี่ยให้เป็นระเบียบเมื่อลงจอด แต่สิ่งเหล่านั้นที่ได้รับการปกป้องในไฮโดรเจลที่ผสมแป้งจะกลับคืนสู่สภาพเดิมทุกครั้ง

Raghavan กล่าวว่าสิ่งที่ประณีตที่สุดในการทดลองนี้คือความเรียบง่าย “ฉันมีแป้งข้าวโพดอยู่ในห้องทดลองแล้ว” เขากล่าว เมื่อนักเรียนแนะนำให้เติมลงในไฮโดรเจล แอปพลิเคชันใหม่ทั้งหมดก็เกิดขึ้น

วันหนึ่ง เจลดังกล่าวอาจถูกนำมาใช้ทำ “เคสที่ปกป้องโทรศัพท์ของคุณ” Raghavan กล่าว หรืออาจปกป้องศีรษะของนักกีฬาได้ดีเท่ากับการกันกระแทกในหมวกกันน็อค อาจพบว่าใช้เป็นพื้นฐานของการผ่าตัดฝังชนิดใหม่ กระดูกสันหลังแต่ละข้อในกระดูกสันหลังและข้อต่อแต่ละข้อของเราได้รับการรองรับโดยธรรมชาติด้วยกระดูกอ่อนคล้ายหมอน เมื่อหมอนรองกระดูกได้รับบาดเจ็บ ศัลยแพทย์จะซ่อมแซมหรือเปลี่ยนกระดูกอ่อนสังเคราะห์แทน สารทดแทนเหล่านี้ไม่มีน้ำ Raghavan กล่าว เขาคิดว่าไฮโดรเจลที่อุดมด้วยแป้งอาจเป็นทางเลือกที่เป็นธรรมชาติมากกว่า

 

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ formrobot.net