A hidrogélek puha, biokompatibilis anyagok, amelyek túlnyomórészt vízből és egy kevés polimerből állnak. Ez a zselészerű anyag orvosi tapaszok, spray-k és ragasztók formájában érhető el, és felhelyezhető a bőrre vagy beültethető a szervezetbe, hogy sebeket kössön, implantátumokat rögzítsen, valamint gyógyszereket zárjon be és bocsásson ki idővel.
Ragadósságuk, nyújthatóságuk és védő tulajdonságaik ellenére a hidrogélekből hiányzik egy kulcsfontosságú jellemző: a légáteresztő képesség. Ha túl hosszú ideig viselik, a kötés vagy tapasz csapdába ejtheti a nedvességet és az izzadságot, ami irritálhatja a szöveteket és csökkentheti a hidrogélhez rögzített eszköz hatékonyságát.
Most az MIT mérnökei kidolgoztak egy receptet egy olyan hidrogélhez, amely egyszerre hidratált és levegőztetett, azaz átereszti a levegőt. Az új anyag ugyanolyan puha, nyújtható és robusztus, mint a hagyományos hidrogélek, de a gélen áthaladó apró alagutak hálózata lehetővé teszi a levegő áramlását.
Levegőzés a zselén keresztül
A levegőztetett hidrogél a hagyományos hidrogélekhez képest hosszabb ideig viselhető anélkül, hogy bőrirritációt okozna. Még edzés közben is csökkentheti az izzadság felhalmozódását. Kísérletek során önkéntesek vezeték nélküli szívmonitorokat viseltek, amelyeket az új légáteresztő hidrogéllel rögzítettek a mellkasukra. Tíz nap rendszeres edzés után az önkénteseknél nem mutatkoztak bőrirritáció jelei, és a szívmonitorok tiszta leolvasásokat biztosítottak.
Az eredmények, amelyeket ma tettek közzé a Nature folyóiratban, lehetővé tehetik a tartósabb hidrogél termékeket, mint például a légáteresztő kötszerek és sebtapaszok, kozmetikai arcmaszkok és kontaktlencsék, valamint a jobb teljesítményű egészségügyi monitorok és implantátumok. „A víz és az oxigén egyaránt elengedhetetlen az élethez” – mondja Xuanhe Zhao, az MIT professzora. „Most, hogy levegőt adtunk a hidrogélekhez, az emberek széles körű alkalmazásokat találhatnak.”
A víz egy tipikus hidrogél körülbelül 90 százalékát teszi ki. Az anyag többi része polimerekből áll. Amikor egy „keresztkötésnek” nevezett kémiai folyamat során vízzel keverednek, a polimerek egyfajta állványzatba rendeződnek, amely a helyén tartja a vizet, így egy puha és nyújtható gélt képezve. Mivel azonban a hidrogél összetétele főként víz, eleve kihívást jelent, hogy a levegő hatékonyan átjusson az anyagon. „Általánosságban elmondható, hogy a víz nem légáteresztő” – mondja Xiao-Yun Yan, a tanulmány társszerzője. „A hidrogél 80-90 százalékban víz, hasonlóan a zseléhoz. És nem lehet átlélegezni a zselét.”
Autópályák a levegő számára
Más csoportok megpróbáltak légáteresztő hidrogéleket tervezni, főként két megközelítést alkalmazva. Az első az volt, hogy lényegében mikroszkopikus lyukakat ütöttek a gélbe. Az ilyen kialakítások légáteresztőek, de csak levegőben. Amikor folyadékba helyezik őket, a lyukak gyorsan eltömődnek. A kutatók azt is megpróbálták, hogy a hidrogélt bizonyos polimerekkel, például szilikonnal keverjék össze, amely természetesen átengedi a levegőt. Ez a megközelítés azonban nagy mennyiségű polimer hozzáadását igényli a hidrogélhez, hogy elegendő áteresztő teret hozzanak létre a levegő számára. Az így kapott hidrogélek végül nagyobb polimer-víz aránnyal rendelkeznek, így általában kevésbé hidratáltak.
Több éves kutatás után a csapat rátalált a légáteresztő hidrogél ideális receptjére, amely minimalizálja a levegő átengedéséhez szükséges nem vizes összetevőket. Új tanulmányukban arról számolnak be, hogy a recept kulcsa a „fázisszétválás”. Ennek a folyamatnak egy gyakori példája az olaj és a víz kölcsönhatása. A két folyadék fázisának különbsége miatt azonnal szétválnak. Amikor a kettőt összekeverik, az olaj és a víz a saját fajtájához tapad, miközben elkerüli a másikat.
Zhao és kollégái a viszkoelasztikus fázisszétválást használták ki a légáteresztő hidrogél elkészítéséhez. Új kialakításukhoz a hagyományos hidrogél receptet egy nagyon kis mennyiségű szilika aerogél részecskével keverték össze, amelyek lényegében „szilárd formájú” levegőbuborékok. „Olyanok, mint a buborékgyöngyök” – magyarázza Yan. „A részecskék szilikából készülnek, amely hidrofób, ami azt jelenti, hogy a víz nem akar átszivárogni rajtuk, így nagyon stabilak a vízben.” A kutatók azt találták, hogy amikor a részecskék kis mennyiségét összekeverték a vízben gazdag hidrogél oldattal, a vízmolekulák összetapadtak, gyorsabban megtalálva egymást, mint a kevésbé bőséges szilika részecskék. Ez a viszkoelasztikus fázisszétválás hatása nagy vízzsebeket hozott létre, és a szilika részecskéket vékony, egymással összekötött alagutakba szorította. A csapat megfigyelte, hogy néhány óra elteltével ez a hatás vékony és szilárd, szilikabőrű alagutak hálózatát hozta létre, amelyeken keresztül a levegő áramolhatott. „Mintha a részecskék összekapcsolt alagutak hálózatát alkották volna, mint a levegőáteresztő autópályák a hidratált hidrogélben” – mondja Shucong Li, a tanulmány társszerzője.
© Credit: Felice Frankel
Forrás: MIT.edu
