हाइड्रोजेल: Difference between revisions

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File:Short-peptide-based hydrogel, electron microscope image.jpg|A short-peptide-based hydrogel matrix, capable of holding about one hundred times its own weight in water. Developed as a medical dressing.
File:Short-peptide-based hydrogel, electron microscope image.jpg|लघु-पेप्टाइड-आधारित हाइड्रोजेल मैट्रिक्स, जो पानी में अपने स्वयं के वजन का लगभग सौ गुना धारण करने में सक्षम है। एक चिकित्सा ड्रेसिंग के रूप में विकसित।
File:Crosslinked ultrashort peptide hydrogel.jpg|Photo of the same short-peptide-based hydrogel, held in forceps to demonstrate its stiffness and transparency.
File:Crosslinked ultrashort peptide hydrogel.jpg|इसकी कठोरता और पारदर्शिता को प्रदर्शित करने के लिए संदंश में आयोजित एक ही लघु-पेप्टाइड-आधारित हाइड्रोजेल का फोटो है।
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== यांत्रिक गुण ==
== यांत्रिक गुण ==
विविध अनुप्रयोगों के लिए हाइड्रोजेल की जांच की गई है। हाइड्रोजेल (या इसके विपरीत, पानी की एकाग्रता) की बहुलक सांद्रता को संशोधित करके, यंग का मापांक [[कतरनी मापांक|अपरूपण गुणांक]] और [[भंडारण मापांक]] 10 पा से 3 एमपीए, परिमाण के लगभग पांच आदेशों की सीमा तक भिन्न हो सकते हैं।<ref name=":0">{{cite journal | vauthors = Oyen ML |date=January 2014 |title=हाइड्रोजेल सामग्री का यांत्रिक लक्षण वर्णन|journal=International Materials Reviews |language=en |volume=59 |issue=1 |pages=44–59 |doi=10.1179/1743280413Y.0000000022 |s2cid=136844625 |issn=0950-6608}}</ref> तिर्यकबद्ध एकाग्रता को बदलकर समान प्रभाव देखा जा सकता है।<ref name=":0" />यांत्रिक कठोरता की इतनी परिवर्तनशीलता के कारण हाइड्रोजेल जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए इतने आकर्षक हैं, जहां प्रत्यारोपण के लिए आसपास के ऊतकों के यांत्रिक गुणों से मेल खाना महत्वपूर्ण है।<ref>{{Cite book | vauthors = Los MJ, Hudecki A, Wiechec E |url=https://books.google.com/books?id=B293DwAAQBAJ&q=Matching%20the%20modulus%20with%20the%20surrounding%20tissue&pg=PA95 |title=पुनर्योजी चिकित्सा के लिए स्टेम सेल और बायोमटेरियल्स|date=2018-11-07 |publisher=Academic Press |isbn=978-0-12-812278-5 |language=en}}</ref> हाइड्रोजेल के यांत्रिक गुणों की विशेषता विशेष रूप से यांत्रिक व्यवहार में अंतर के कारण मुश्किल हो सकती है जो हाइड्रोजेल में अन्य पारंपरिक अभियांत्रिकी सामग्रियों की तुलना में होती है। इसकी रबर [[लोच (भौतिकी)|प्रत्यास्थता (भौतिकी)]] और श्यानप्रत्यास्थता के अतिरिक्त, हाइड्रोजेल में अतिरिक्त समय पर निर्भर विरूपण तंत्र होता है जो द्रव प्रवाह पर निर्भर होता है जिसे [[poroelasticity|पोरोइलास्टिक]] कहा जाता है। यांत्रिक प्रयोग करते समय इन गुणों पर विचार करना अत्यंत महत्वपूर्ण है। हाइड्रोजेल के लिए कुछ सामान्य यांत्रिक परीक्षण प्रयोग तनाव (भौतिकी), [[दबाव की शक्ति]] (सीमित या अपरिबद्ध), अतिदाब, [[अपरूपण तनाव]] [[रियोमेट्री]] या [[गतिशील यांत्रिक विश्लेषण]] हैं।<ref name=":0" />
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Revision as of 12:38, 20 December 2022

जिलेटिन, यहाँ खाना पकाने के लिए चादरों में, एक हाइड्रोजेल है।
पेप्टाइड हाइड्रोजेल निर्माण उल्टे शीशी विधि द्वारा दिखाया गया है।

हाइड्रोजेल तिर्यकबद्ध जलस्नेही बहुलक है जो पानी में घुलता नहीं है। वे अत्यधिक अवशोषक(रसायन विज्ञान) हैं फिर भी अच्छी तरह से परिभाषित संरचनाओं को बनाए रखते हैं। ये गुण कई अनुप्रयोगों को रेखांकित करते हैं, विशेष रूप से जैव चिकित्सा क्षेत्र में। कई हाइड्रोजेल सिंथेटिक (अवास्तविक) होते हैं, लेकिन कुछ प्रकृति से प्राप्त होते हैं।[1][2] 1894 में 'हाइड्रोजेल' शब्द उत्पत्ति हुई थी।[3]

रसायन विज्ञान

वर्गीकरण

हाइड्रोजेल के बहुलक को जोड़ने वाले तिर्यकबद्ध दो सामान्य श्रेणियों के अंतर्गत आते हैं: भौतिक और रासायनिक। रासायनिक हाइड्रोजेल में सहसंयोजक तिर्यकबद्ध अनुबंध होते हैं, जबकि भौतिक हाइड्रोजेल में गैर-सहसंयोजक अनुबंध होते हैं।[4]सहसंयोजक अनुबंध के कारण रासायनिक हाइड्रोजेल मजबूत अपरिवर्तनीय जैल में परिणत होते हैं, और उनमें हानिकारक गुण भी हो सकते हैं जो उन्हें चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए प्रतिकूल बनाता है। दूसरी ओर भौतिक हाइड्रोजेल में उच्च जैव-अनुकूलता होती है, ये विषाक्त नहीं होते हैं, और आसानी से प्रतिवर्ती भी होते हैं, केवल बाहरी उद्दीपन जैसे पीएच या तापमान को बदलकर, इस प्रकार वे चिकित्सा अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए अनुकूल हैं। भौतिक तिर्यकबद्ध में हाइड्रोजन अनुबंध, जलविरागी अन्योन्यक्रिया और श्रृंखला उलझाव (दूसरों के बीच) सम्मलित हैं। भौतिक तिर्यकबद्ध के उपयोग के माध्यम से उत्पन्न हाइड्रोजेल को कभी-कभी 'प्रतिवर्ती' हाइड्रोजेल कहा जाता है। रासायनिक तिर्यकबद्ध में बहुलक किस्में के बीच सहसंयोजक अनुबंध होते हैं। इस तरह से उत्पन्न हाइड्रोजेल को कभी-कभी 'स्थायी' हाइड्रोजेल कहा जाता है।

हाइड्रोजेल विभिन्न प्रकार की बहुलक सामग्री का उपयोग करके तैयार किए जाते हैं, जिन्हें उनके मूल के अनुसार मोटे तौर पर दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: प्राकृतिक या सिंथेटिक बहुलक। हाइड्रोजेल तैयार करने के लिए प्राकृतिक बहुलक में हाईऐल्युरोनिक अम्ल, काइटोसान, हेपरिन, एल्गिनेट और फाइब्रिन सम्मलित हैं।[5] सामान्य सिंथेटिक बहुलक में पॉलीविनायल अल्कोहल, पॉलीथीन ग्लाइकॉल, सोडियम पॉलीएक्रिलेट, एक्रिलाट बहुलक और सहबहुलक सम्मलित हैं।[1]

तैयारी

हाइड्रोजेल निर्माण में सम्मलित स्व-विधानसभा प्रक्रिया को दिखाने के लिए सरलीकृत योजना।

भौतिक हाइड्रोजेल निर्माण के पीछे दो सुझाए गए तंत्र हैं, पहला नैनोफाइबर पेप्टाइड असेंबली का जेलीकरण है, जिसे सामान्यतः ओलिगोपेप्टाइड पूर्ववर्ती के लिए देखा जाता है। पूर्ववर्ती फाइबर, टेप, ट्यूब या रिबन में स्वयं-इकट्ठा होते हैं जो गैर-सहसंयोजक तिर्यकबद्ध बनाने के लिए उलझते हैं। दूसरे तंत्र में तिर्यकबद्ध प्रांत के गैर-सहसंयोजक अन्योन्यक्रिया सम्मलित होते हैं जो पानी में घुलनशील संयोजक द्वारा अलग किए जाते हैं, और यह सामान्यतः लंबे बहु-प्रांत संरचनाओं में देखा जाता है। [6] स्वावलंबी नेटवर्क का निर्माण करने के लिए अधिआण्विक अन्योन्यक्रिया की समस्वरण जो अवक्षेपित नहीं होता है, और पानी को स्थिर करने में भी सक्षम है जो जेल गठन के लिए महत्वपूर्ण है। अधिकांश ऑलिगोपेप्टाइड हाइड्रोजेल में β-शीट संरचना होती है, और फाइबर बनाने के लिए इकट्ठा होते हैं, चूंकि α-कुंडलित पेप्टाइड भी वर्णन किए गए हैं। [7][8] जेलीकरण के विशिष्ट तंत्र में ऑलिगोपेप्टाइड पूर्ववर्ती सम्मलित होते हैं जो तंतुओं में स्व-इकट्ठा होते हैं जो लंबे हो जाते हैं, और तिर्यकबद्ध जैल बनाने के लिए उलझ जाते हैं।

बहुलकन फ्यूविंग शुरू करने की उल्लेखनीय विधि में उद्दीपन के रूप में प्रकाश का उपयोग सम्मलित है। इस विधि में, फोटोइनिशिएटर, यौगिक जो फोटॉनों के अवशोषण से छूटते हैं, पूर्ववर्ती घोल में जोड़े जाते हैं जो हाइड्रोजेल बन जाएगा। जब पूर्ववर्ती घोल प्रकाश के केंद्रित स्रोत के कॉन्टैक्ट में आता है, तो फोटोइनिशियेटर मुक्त कणों को काटेंगे और बनाएंगे, जो एक बहुलकन प्रतिक्रिया शुरू करेगा जो बहुलक किस्में के बीच तिर्यकबद्ध बनाता है। यदि प्रकाश स्रोत को हटा दिया जाए तो यह प्रतिक्रिया बंद हो जाएगी, जिससे हाइड्रोजेल में बनने वाले तिर्यकबद्ध की मात्रा को नियंत्रित किया जा सकेगा।[9] हाइड्रोजेल के गुण उसके तिर्यकबद्ध के प्रकार और मात्रा पर अत्यधिक निर्भर होते हैं, जिससे फोटोपॉलीमराइज़ेशन हाइड्रोजेल को ठीक करने के लिए लोकप्रिय विकल्प बन जाता है। इस तकनीक का कोशिका और ऊतक अभियांत्रिकी अनुप्रयोगों में काफी उपयोग देखा गया है, क्योंकि इसमें कोशिकाओं से लदी पूर्ववर्ती घोल को घाव वाली जगह पर इंजेक्ट या मोल्ड करने की क्षमता है, फिर इसे स्वस्थानी में ठोस होना है।[10][9]

पेप्टाइड्स आधारित हाइड्रोजेल

पेप्टाइड्स आधारित हाइड्रोजेल में असाधारण जैव अनुकूलता और जैवनिम्‍नन गुण होते हैं, जिससे उनके अनुप्रयोगों का व्यापक उपयोग होता है, विशेष रूप से बायोमेडिसिन में, जैसे, उनके उपयोग को अधिकतम करने के लिए उनके भौतिक गुणों को ठीक किया जा सकता है। ऐसा करने के तरीके हैं: एमिनो अम्ल अनुक्रम, पीएच, चिरायता, और सुगंधित अवशेषों की संख्या में वृद्धि।[11]अनुक्रम के भीतर अमीनो अम्ल का क्रम जमाना के लिए महत्वपूर्ण है, जैसा कि कई बार दिखाया गया है। एक उदाहरण में, छोटे पेप्टाइड अनुक्रम फमोक-फे-ग्ली ने आसानी से एक हाइड्रोजेल का गठन किया, जबकि फमोक-ग्लाइ-फे ऐसा करने में विफल रहा, क्योंकि दो आसन्न सुगन्धित अंशों को स्थानांतरित किया जा रहा था, जिससे सुगंधित अंतःक्रियाओं में बाधा आ रही थी।[12][13]पीएच को बदलने से भी इसी तरह के प्रभाव हो सकते हैं, उदाहरण में नेफ़थलीन (एनएपी) संशोधित डाइप्टाइड्स नेप-ग्लाइ-अला और नेप-अला-ग्लाइ का उपयोग सम्मलित है, जहां पूर्व के पीएच प्रेरित जेलीकरण में गिरावट, लेकिन क्रिस्टलीकरण का कारण बना बाद का।[14]74 ग्लूकोनो-δ-लैक्टोन (जीडीएल) का उपयोग करके नियंत्रित पीएच कमी विधि, जहां जीडीएल को पानी में ग्लूकोनिक अम्ल के लिए जलअपघिटत किया जाता है, हालिया रणनीति है जिसे सजातीय और प्रजनन योग्य हाइड्रोजेल बनाने के तरीके के रूप में विकसित किया गया है।[15][16]जलापघटन धीमा है, जो एक समान पीएच परिवर्तन की अनुमति देता है, और इस प्रकार प्रजनन योग्य समरूप जैल का परिणाम होता है। इसके अतिरिक्त, जोड़े गए जीडीएल की मात्रा में परिवर्तन करके वांछित पीएच प्राप्त किया जा सकता है। फमोक और नैप-डाइपेप्टाइड्स के हाइड्रोजेलेशन के लिए जीडीएल का उपयोग कई बार किया गया है।[15][16]एक अन्य दिशा में, मॉरिस एट अल ने जेलीकरण के क्रम की पूर्वानुमान और नियंत्रण करने के लिए 'आणविक ट्रिगर' के रूप में जीडीएल के उपयोग की सूचना दी।[17]चिरायता भी जेल निर्माण में आवश्यक भूमिका निभाती है, और यहां तक कि एकल अमीनो अम्ल की चिरलिटी को उसके प्राकृतिक एल-अमीनो अम्ल से उसके अप्राकृतिक डी-अमीनो अम्ल में बदलने से जेलीकरण गुणों पर काफी प्रभाव पड़ सकता है, प्राकृतिक रूप जैल नहीं बनाते हैं।[18]इसके अतिरिक्त, कई अध्ययनों द्वारा दिखाए गए π- π चिंति ड्राइविंग जेलीकरण के परिणामस्वरूप सुगंधित अन्योन्यक्रिया हाइड्रोजेल गठन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।[19][20]

अन्य

हाइड्रोजेल में पानी की महत्वपूर्ण मात्रा के कारण प्राकृतिक ऊतक के समान लचीलेपन की डिग्री भी होती है। उत्तरदायी "स्मार्ट सामग्री" के रूप में, हाइड्रोजेल रासायनिक प्रणालियों को समाहित कर सकते हैं, जो बाहरी कारकों जैसे कि पीएच में परिवर्तन से उद्दीपन पर विशिष्ट यौगिकों जैसे ग्लूकोज को पर्यावरण में मुक्त कर सकते हैं, ज्यादातर स्थितियों में द्रव अवस्था में जेल-सोल संक्रमण द्वारा। केमोमैकेनिकल बहुलक ज्यादातर हाइड्रोजेल भी होते हैं, जो उद्दीपन पर अपनी मात्रा बदलते हैं और संचालक या सेंसर के रूप में काम कर सकते हैं।

  • माइक्रोपम्प एक हाइड्रोजेल बार (4×0.3×0.05 मिमी आकार) पर आधारित है जो लागू वोल्टेज द्वारा क्रियान्वित होता है। इस पंप को कम से कम 6 महीने तक 1.5 वोल्ट की बैटरी से लगातार चलाया जा सकता है।[21]

  • लघु-पेप्टाइड-आधारित हाइड्रोजेल मैट्रिक्स, जो पानी में अपने स्वयं के वजन का लगभग सौ गुना धारण करने में सक्षम है। एक चिकित्सा ड्रेसिंग के रूप में विकसित।

    लघु-पेप्टाइड-आधारित हाइड्रोजेल मैट्रिक्स, जो पानी में अपने स्वयं के वजन का लगभग सौ गुना धारण करने में सक्षम है। एक चिकित्सा ड्रेसिंग के रूप में विकसित।

  • इसकी कठोरता और पारदर्शिता को प्रदर्शित करने के लिए संदंश में आयोजित एक ही लघु-पेप्टाइड-आधारित हाइड्रोजेल का फोटो है।

    इसकी कठोरता और पारदर्शिता को प्रदर्शित करने के लिए संदंश में आयोजित एक ही लघु-पेप्टाइड-आधारित हाइड्रोजेल का फोटो है।

यांत्रिक गुण

विविध अनुप्रयोगों के लिए हाइड्रोजेल की जांच की गई है। हाइड्रोजेल (या इसके विपरीत, पानी की एकाग्रता) की बहुलक सांद्रता को संशोधित करके, यंग का मापांक अपरूपण गुणांक और भंडारण मापांक 10 पा से 3 एमपीए, परिमाण के लगभग पांच आदेशों की सीमा तक भिन्न हो सकते हैं।[22] तिर्यकबद्ध एकाग्रता को बदलकर समान प्रभाव देखा जा सकता है।[22]यांत्रिक कठोरता की इतनी परिवर्तनशीलता के कारण हाइड्रोजेल जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए इतने आकर्षक हैं, जहां प्रत्यारोपण के लिए आसपास के ऊतकों के यांत्रिक गुणों से मेल खाना महत्वपूर्ण है।[23] हाइड्रोजेल के यांत्रिक गुणों की विशेषता विशेष रूप से यांत्रिक व्यवहार में अंतर के कारण मुश्किल हो सकती है जो हाइड्रोजेल में अन्य पारंपरिक अभियांत्रिकी सामग्रियों की तुलना में होती है। इसकी रबर प्रत्यास्थता (भौतिकी) और श्यानप्रत्यास्थता के अतिरिक्त, हाइड्रोजेल में अतिरिक्त समय पर निर्भर विरूपण तंत्र होता है जो द्रव प्रवाह पर निर्भर होता है जिसे पोरोइलास्टिक कहा जाता है। यांत्रिक प्रयोग करते समय इन गुणों पर विचार करना अत्यंत महत्वपूर्ण है। हाइड्रोजेल के लिए कुछ सामान्य यांत्रिक परीक्षण प्रयोग तनाव (भौतिकी), दबाव की शक्ति (सीमित या अपरिबद्ध), अतिदाब, अपरूपण तनाव रियोमेट्री या गतिशील यांत्रिक विश्लेषण हैं।[22]

हाइड्रोजेल में यांत्रिक गुणों की दो मुख्य व्यवस्थाएँ होती हैं: रबर प्रत्यास्थता और श्यानप्रत्यास्थता:

रबर प्रत्यास्थता

अघुलनशील अवस्था में, हाइड्रोजेल को अत्यधिक तिर्यकबद्ध रासायनिक जैल के रूप में तैयार किया जा सकता है, जिसमें प्रणाली को सतत बहुलक नेटवर्क के रूप में वर्णित किया जा सकता है। इस मामले में:

जहाँ G अपरूपण मापांक है, k बोल्ट्जमैन स्थिरांक है, T तापमान है, Np प्रति इकाई आयतन में बहुलक श्रृंखलाओं की संख्या है, ρ घनत्व है, R आदर्श गैस स्थिरांक है, और दो आसन्न तिर्यकबद्ध बिंदुओं के बीच (संख्या) औसत आणविक भार है। प्रफुल्लित अनुपात, Q से गणना की जा सकती है, जो परीक्षण और माप के लिए अपेक्षाकृत आसान है।[22]

सूजी हुई अवस्था के लिए, आदर्श जेल नेटवर्क को इस प्रकार तैयार किया जा सकता है:[22]

साधारण एक अक्षीय विस्तार या संपीड़न परीक्षण में, वास्तविक प्रतिबल, , और अभियांत्रिकी तनाव, , के रूप में गणना की जा सकती है:

जहा पे खिंचाव है।[22]

श्यानप्रत्यास्थता

हाइड्रोजेल के लिए, उनकी प्रत्यास्थता ठोस बहुलक मैट्रिक्स से आती है जबकि श्यानप्रत्यास्थता बहुलक नेटवर्क गतिशीलता और पानी और अन्य घटकों से उत्पन्न होता है जो जलीय चरण बनाते हैं।[24] हाइड्रोजेल के श्यानप्रत्यास्थ गुण लागू यांत्रिक गति की प्रकृति पर अत्यधिक निर्भर हैं। इस प्रकार, इन लागू बलों की समय पर निर्भरता सामग्री की श्यानप्रत्यास्थ के मूल्यांकन के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।[25]

श्यानप्रत्यास्थता के लिए भौतिक मॉडल सामग्री के प्रत्यास्थ और श्यान भौतिक गुणों को पकड़ने का प्रयास करते हैं। प्रत्यास्थ सामग्री में, तनाव तनाव के समानुपाती होता है जबकि एक चिपचिपी सामग्री में, तनाव तनाव दर के समानुपाती होता है। मैक्सवेल मॉडल रैखिक श्यानप्रत्यास्थता प्रतिक्रिया के लिए विकसित गणितीय मॉडल है। इस मॉडल में, श्यानप्रत्यास्थता को हुकियन स्प्रिंग के साथ विद्युत परिपथ के अनुरूप बनाया गया है, जो यंग के मापांक का प्रतिनिधित्व करता है, और न्यूटनियन डैशपॉट जो श्यानप्रत्यास्थ का प्रतिनिधित्व करता है। एक सामग्री जो इस मॉडल में वर्णित गुणों को प्रदर्शित करती है वह मैक्सवेल सामग्रीहै। उपयोग किए गए अन्य भौतिक मॉडल को केल्विन-वोइग्ट मॉडल कहा जाता है और इस मॉडल का अनुसरण करने वाली सामग्री को केल्विन-वोइग सामग्री कहा जाता है।[26]हाइड्रोजेल के समय-निर्भरविसर्पण और तनाव-विश्राम व्यवहार का वर्णन करने के लिए, विभिन्न प्रकार के भौतिक गांठ वाले मापदंड मॉडल का उपयोग किया जा सकता है।[22]ये मॉडलिंग विधियां बहुत भिन्न होती हैं और बेहद जटिल होती हैं, इसलिए अनुभवजन्य प्रोनी सीरीज विवरण का उपयोग सामान्यतः हाइड्रोजेल में श्यानप्रत्यास्थता व्यवहार का वर्णन करने के लिए किया जाता है।[22]

बहुलक के समय-निर्भर श्यानप्रत्यास्थता व्यवहार को मापने के लिए गतिशील यांत्रिक विश्लेषण अधिकांशतः किया जाता है। सामान्यतः, इन मापों में हाइड्रोजेल के एक तरफ को अपरुपण मोड में ज्यावक्रीय लोड के अधीन किया जाता है, जबकि लागू तनाव को तनाव पारक्रमित्र से मापा जाता है और नमूना लंबाई में परिवर्तन को तनाव पारक्रमित्र से मापा जाता है।[25]आवधिक तनाव या तनाव के लिए ज्यावक्रीय प्रतिक्रिया को मॉडल करने के लिए उपयोग किया जाने वाला अंकन है:

जिसमें G' वास्तविक (प्रत्यास्थ या भंडारण) मापांक है, G काल्पनिक (श्यान या हानि) मापांक है।

पोरोलेस्टिकिटी

पोरोइलास्टिसिटी सामग्री की एक विशेषता है जो झरझरा सामग्री के माध्यम से विलायक के प्रवास और होने वाली समवर्ती विकृति से संबंधित है।[22]हाइड्रोजेल जैसे जलयोजित पदार्थों में पोरोइलेस्टिसिटी बहुलक और पानी के बीच घर्षण के कारण होता है क्योंकि पानी संपीड़न पर झरझरा मैट्रिक्स के माध्यम से चलता है। यह पानी के दबाव में कमी का कारण बनता है, जो संपीड़न पर अतिरिक्त तनाव जोड़ता है। श्यानप्रत्यास्थता के समान, यह व्यवहार समय पर निर्भर है, इस प्रकार पोरोइलास्टिकिटी संपीड़न दर पर निर्भर है: एक हाइड्रोजेल धीमी संपीड़न पर कोमलता दिखाता है, लेकिन तेजी से संपीड़न हाइड्रोजेल को कठोर बनाता है। यह घटना पानी के बीच घर्षण के कारण होती है और झरझरा मैट्रिक्स पानी के प्रवाह के समानुपाती होता है, जो बदले में संपीड़न दर पर निर्भर होता है। इस प्रकार, पोरोइलास्टिसिटी को मापने का सामान्य तरीका अलग-अलग संपीड़न दरों पर संपीड़न परीक्षण करना है।[27] पोरोइलास्टिसिटी को प्रभावित करने में ताकना आकार महत्वपूर्ण कारक है। कोजेनी-कारमैन समीकरण का उपयोग दो संपीड़न दरों के बीच तनाव में अंतर के दबाव में गिरावट के संबंध में ताकना आकार की पूर्वानुमान करने के लिए किया गया है।[27]

पोरोइलास्टिकिटी को कई युग्मित समीकरणों द्वारा वर्णित किया गया है, इस प्रकार कुछ यांत्रिक परीक्षण हैं जो सामग्री के पोरोइलास्टिक व्यवहार से सीधे संबंधित हैं, इस प्रकार अधिक जटिल परीक्षण जैसे अतिदाब परीक्षण, संख्यात्मक या अभिकलनात्मक मॉडल का उपयोग किया जाता है। संख्यात्मक या अभिकलनात्मक तरीके हाइड्रोजेल नेटवर्क की तीन आयामी पारगम्यता का अनुकरण करने का प्रयास करते हैं।

पर्यावरण प्रतिक्रिया

हाइड्रोजेल में सबसे अधिक देखी जाने वाली पर्यावरणीय संवेदनशीलता तापमान की प्रतिक्रिया है।[28]कई बहुलक/हाइड्रोजेल तापमान पर निर्भर चरण संक्रमण प्रदर्शित करते हैं, जिसे या तो ऊपरी महत्वपूर्ण घोल तापमान (यूसीएसटी) या कम महत्वपूर्ण घोल तापमान (एलसीएसटी) के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। यूसीएसटी बहुलक उच्च तापमान पर पानी में घुलनशीलता में वृद्धि करते हैं, जिससे तापमान बढ़ने पर यूसीएसटी हाइड्रोजेल जेल (ठोस) से घोल (तरल) में परिवर्तित हो जाते हैं (शुद्ध सामग्री के पिघलने बिंदु व्यवहार के समान)। इस घटना के कारण यूसीएसटी हाइड्रोजेल का विस्तार होता है (उनके स्वेल अनुपात में वृद्धि) क्योंकि तापमान बढ़ता है जबकि वे अपने यूसीएसटी से नीचे होते हैं।[28]चूंकि, एलसीएसटी वाले बहुलक एक उलटा (या नकारात्मक) तापमान-निर्भरता प्रदर्शित करते हैं, जहां उच्च तापमान पर उनकी जल-घुलनशीलता कम हो जाती है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, एलसीएसटी हाइड्रोजेल तरल घोल से ठोस जेल में संक्रमण करते हैं, और जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, वैसे-वैसे वे सिकुड़ते भी जाते हैं (उनके फूलने का अनुपात कम होता जाता है), जबकि वे अपने एलसीएसटी से ऊपर होते हैं।[28]

अनुप्रयोग विविध ऊष्मीय प्रतिक्रियाओं के लिए निर्देशित कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, जैव चिकित्सा क्षेत्र में, एलसीएसटी हाइड्रोजेल की दवा वितरण प्रणाली के रूप में जांच की जा रही है क्योंकि कमरे के तापमान पर इंजेक्शन (तरल) और फिर मानव शरीर के उच्च तापमान के कॉन्टैक्ट में आने पर कठोर जेल में जम जाता है।[28]कई अन्य उत्तेजनाएं हैं जिनके लिए हाइड्रोजेल उत्तरदायी हो सकते हैं, जिनमें सम्मलित हैं: पीएच, ग्लूकोज, विद्युत संकेत, दबाव, आयन, प्रतिजन, और बहुत कुछ।[28]

योज्य

हाइड्रोजेल के यांत्रिक गुणों को उनके जलभीत गुणों पर ध्यान देने के साथ शुरू करके कई तरह से ठीक किया जा सकता है।[28][29] हाइड्रोजेल की शक्ति या प्रत्यास्थता को संशोधित करने का अन्य तरीका उन्हें मजबूत/कठोर समर्थन पर निरोपण या सतही आवरण करना है, या सुपरपोरस हाइड्रोजेल (एसपीएच) संयोजन बनाकर, जिसमें तिर्यकबद्ध करने योग्य मैट्रिक्स सूजन योज्य जोड़ा जाता है।[2] नैनोकण और माइक्रोपार्टिकल्स, जैसे अन्य योज्य को जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले कुछ हाइड्रोजेल की कठोरता और जेलीकरण तापमान को महत्वपूर्ण रूप से संशोधित करने के लिए दिखाया गया है।[30][31][32]

प्रसंस्करण तकनीक

जबकि हाइड्रोजेल के यांत्रिक गुणों को तिर्यकबद्ध एकाग्रता और योजक के माध्यम से ट्यून और संशोधित किया जा सकता है, इन गुणों को विशिष्ट प्रसंस्करण तकनीकों के माध्यम से विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए बढ़ाया या अनुकूलित भी किया जा सकता है। इन तकनीकों में विद्युत कताई, 3 डी प्रिंटिग/4डी प्रिंटिंग, स्व-समूहन और फ्रीज कास्टिंग शामिल हैं। एक अनूठी प्रसंस्करण तकनीक बहु-स्तरित हाइड्रोजेल के गठन के माध्यम से स्थानिक-भिन्न मैट्रिक्स संरचना और विस्तार, यांत्रिक गुणों को बनाने के लिए है। यह यूवी बहुलकन के माध्यम से परत फैशन द्वारा परत में हाइड्रोजेल मैट्रिक्स को बहुलकन करके किया जा सकता है। यह तकनीक हाइड्रोजेल बनाने में उपयोगी हो सकती है जो संधि उपास्थि की नकल करती है, जिससे सामग्री को अलग-अलग यांत्रिक गुणों के तीन अलग-अलग क्षेत्रों के साथ सक्षम किया जा सकता है।[33]

हॉफमिस्टर श्रृंखला का लाभ उठाकर हाइड्रोजेल यांत्रिक गुणों को अनुकूलित करने के लिए एक और उभरती हुई तकनीक है। इस घटना के कारण, नमक के घोल को जोड़ने के माध्यम से, हाइड्रोजेल की बहुलक श्रृंखला एकत्र और क्रिस्टलीकृत हो जाती है, जिससे हाइड्रोजेल की कठोरता बढ़ जाती है। "साल्टिंग आउट" नामक इस विधि को पॉली (विनाइल अल्कोहल) हाइड्रोजेल में सोडियम सल्फेट नमक घोल डालकर लागू किया गया है।[34] इन प्रसंस्करण तकनीकों में से कुछ का उपयोग इष्टतम यांत्रिक गुणों को प्राप्त करने के लिए एक दूसरे के साथ सहक्रियात्मक रूप से किया जा सकता है। दिशात्मक हिमीकरण या फ्रीज-कास्टिंग एक और तरीका है जिसमें हाइड्रोजेल पर दिशात्मक तापमान ढाल लागू किया जाता है, यह विषमदैशिक यांत्रिक गुणों वाली सामग्री बनाने का एक और तरीका है। पदानुक्रमित आकारिकी और विषमदैशिक यांत्रिक गुणों को प्रेरित करने के लिए पॉली (विनाइल अल्कोहल) हाइड्रोजेल पर फ्रीज-कास्टिंग और साल्टिंग-आउट प्रसंस्करण तकनीकों दोनों का उपयोग करना।[35] हाइड्रोजेल की दिशात्मक ठंड बहुलक श्रृंखलाओं को संरेखित करने और समेटने में मदद करती है, जिससे विषमदैशिक सरणी मधुकोश ट्यूब जैसी संरचनाएं बनती हैं, जबकि हाइड्रोजेल को बाहर निकालने से इन मधुकोश ट्यूब जैसी संरचनाओं की सतह पर नैनो-फाइब्रिल नेटवर्क निकलता है। 70% से अधिक पानी की मात्रा को बनाए रखते हुए, इन हाइड्रोजेल की कठोरता का मान पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (पीडीएमएस), केवलर और सिंथेटिक रबर जैसे पानी से मुक्त बहुलक से काफी ऊपर है। मूल्य प्राकृतिक कण्डरा और मकड़ी के रेशम की कठोरता को भी पार कर जाते हैं।[35]

अनुप्रयोग

सॉफ्ट कॉन्टैक्ट लेंस

लचीले, ऑक्सीजन-पारगम्य कॉन्टैक्ट लेंस में प्रयुक्त सिलिकॉन हाइड्रोजेल की आणविक संरचना।[36]

कॉन्टेक्ट लेंस के लिए प्रमुख सामग्री एक्रिलाट-सिलोक्सेन हाइड्रोजेल हैं। उन्होंने हार्ड कॉन्टैक्ट लेंस को बदल दिया है। उनके सबसे आकर्षक गुणों में से एक ऑक्सीजन पारगम्यता है, जिसकी आवश्यकता होती है क्योंकि कॉर्निया में वाहिका की कमी होती है।

अनुसंधान

ह्यूमन मेसेनकाइमल स्टेम कोशिका 3डी हाइड्रोजेल के साथ इंटरैक्ट करते हुए - लेबल-फ्री लाइव कोशिका इमेजिंग के साथ इमेज
हाइड्रोजेल पैड के साथ चिपकने वाली पट्टी, फफोले और जलन के लिए उपयोग की जाती है। केंद्रीय जेल स्पष्ट है, चिपकने वाली जलरोधक प्लास्टिक फिल्म स्पष्ट है, बैकिंग सफेद और नीला है।

* स्तन प्रत्यारोपण

  • कॉन्टैक्ट लेंस(सिलिकॉन हाइड्रोजेल, पॉलिएक्रिलैमाइड, पोलीमकों)
  • प्रयोज्य डायपर जहां वे मूत्र को अवशोषित करते हैं, या सैनिटरी नैपकिन में[10]* जले (चोट) या अन्य मुश्किल से ठीक होने वाले घाव के उपचार के लिए मरहमपट्टी। नम वातावरण बनाने या बनाए रखने में मदद करने के लिए घाव जैल उत्कृष्ट हैं।
  • क्रॉस-लिंक्ड बहुलक (पॉलीथीन ऑक्साइड, पॉलीएएमपीएस औरपॉलीविनाइलपायरोलिडोन) से बने हाइड्रोजेल का उपयोग करते हुए ईईजी और ईसीजी मेडिकल इलेक्ट्रोड
  • क्वांटम डॉट्स का कैप्सूलीकरण
  • पर्यावरण की दृष्टि से संवेदनशील हाइड्रोजेल (जिसे 'स्मार्ट जैल' या 'इंटेलिजेंट जैल' भी कहा जाता है)। इन हाइड्रोजेल में पीएच, तापमान, या मेटाबोलाइट की सांद्रता में परिवर्तन को महसूस करने और ऐसे परिवर्तन के परिणामस्वरूप उनके भार को मुक्त करने की क्षमता होती है।[37][38]
  • हाइड्रोजेल फाइबर
  • चिपकने वाला
  • शुष्क क्षेत्रों में मिट्टी की नमी धारण करने के लिए दाने
  • वायु बुलबुला-विकर्षक (सुपरएरोफोबिसिटी)। पानी के इलेक्ट्रोलीज़ के लिए इलेक्ट्रोड के प्रदर्शन और स्थिरता में सुधार कर सकते हैं।[39]
  • संवर्धन कोशिकाएं: कोशिका संस्कृति के लिए हाइड्रोजेल-लेपित कुओं का उपयोग किया गया है।[40]
  • बायोसेंसर: हाइड्रोजेल जो विशिष्ट अणुओं के प्रति उत्तरदायी होते हैं,[41] जैसे ग्लूकोज या प्रतिजन, बायोसेंसर के साथ-साथ डीडीएस में भी उपयोग किया जा सकता है।[42]
  • कोशिका वाहक: इंजेक्टेबल हाइड्रोजेल का उपयोग दवाओं या कोशिकाओं (ऊतक पुनर्जनन/अभियांत्रिकी) को ले जाने के लिए किया जा सकता है।[43][44][45]
  • होलोटोमोग्राफी माइक्रोस्कोपी के साथ संयुक्त कोशिका बायोमैकेनिकल कार्यों की जांच करें
  • नेक्रोटिक और फाइब्रोटिक ऊतक का अवशोषण, डिस्लॉइंग और डीब्रिडिंग प्रदान करें
  • ऊतक अभियांत्रिकी मचान। मचान के रूप में उपयोग किए जाने पर, हाइड्रोजेल में ऊतक की मरम्मत के लिए मानव कोशिकाएं हो सकती हैं। वे कोशिकाओं के 3डी माइक्रोएन्वायरमेंट की नकल करते हैं।[46] सामग्री में एग्रोस, मिथाइलसेलुलोज़, हाइलूरोनन, इलास्टिन जैसे पॉलीपेप्टाइड्स और अन्य स्वाभाविक रूप से व्युत्पन्न बहुलक सम्मलित हैं।
  • सस्टेन्ड-रिलीज़ दवा वितरण प्रणाली। दवा की रिहाई को नियंत्रित करने के लिए आयनिक शक्ति, पीएच और तापमान को ट्रिगरिंग कारक के रूप में उपयोग किया जा सकता है।[47]
  • विंडो कोटिंग/प्रतिस्थापन: इन्फ्रारेड प्रकाश अवशोषण को 75% तक कम करने के लिए हाइड्रोजेल विचाराधीन हैं।[48] एक अन्य दृष्टिकोण ने स्मार्ट ग्लास|तापमान-उत्तरदायी हाइड्रोजेल का उपयोग करके आंतरिक तापमान को कम किया।[49]
  • थर्मोडायनामिक बिजली उत्पादन: आयनों के साथ संयुक्त होने पर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और बैटरी के लिए गर्मी अपव्यय की अनुमति मिलती है और ताप विनिमय को विद्युत चार्ज में परिवर्तित किया जाता है।[50]
  • जल जेल विस्फोटक
  • एग्रोकेमिकल्स (कीटनाशक और उर्वरक) का नियंत्रित विमोचन

फार्मास्यूटिकल्स

दवा वितरण के लिए हाइड्रोजेल की जांच की गई है। बहुलक औषधि डिलीवरी प्रणाली ने अपनी जैवनिम्‍नन, जैव और एंटी-टॉक्सिसिटी के कारण चुनौती को पार कर लिया है।[51][52] कोलेजन, चिटोसन, सेल्यूलोज और पॉली (लैक्टिक-को-ग्लाइकोलिक अम्ल) जैसी सामग्री को आंख, अंग जैसे अंगों तक दवा पहुंचाने के लिए बड़े पैमाने पर लागू किया गया है।[53] नाक, गुर्दे,[54] फेफड़े,[55] आंतों,[56] त्वचा[57] और मस्तिष्क। भविष्य का काम विषाक्तता को कम करने, जैव अनुकूलता में सुधार, विधानसभा तकनीकों का विस्तार करने पर केंद्रित है[58]

हाइड्रोजेल को दवा वितरण के लिए वाहन माना गया है।[59][43][44][45]म्यूकोएडेसिव गुणों के परीक्षण के लिए उपयोग किए जाने वाले जानवरों के श्लेषमी ऊतकों की नकल करने के लिए उन्हें भी बनाया जा सकता है।[60][61] सामयिक दवा वितरण में जलाशयों के रूप में उपयोग के लिए उनकी जांच की गई है, विशेष रूप से आयनिक दवाएं, जो योणोगिनेसिस द्वारा दी जाती हैं।

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 This article incorporates text by Jessica Hutchinson available under the CC BY 3.0 license.

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