هیدروژل‌ها را می‌توان از نقطه نظرهای متفاوتی دسته‌بندی نمود. هیدروژل‌ها ممکن است خنثی و یا باردار باشند که این امر بستگی به گروه‌های آویزان<!--[if !supportFootnotes]-->[6]<!--[endif]--> یا جانبی ساختار پلیمر دارد. همچنین مورفولوژی ساختاری هیدروژل‌ها ممکن است بی‌شکل یا نیمه بلورین باشد. علاوه بر این ممکن است ساختار شبکه‌ آنها شامل باندهای هیدروژنی یا به شکل ابر مولکول باشد. از نظر سایز تخلخل‌ها نیز تخلخل‌های با ابعاد ماکرومتری، میکرومتری و یا نانومتری می‌توانند در ساختار هیدروژل‌ها ایجاد شوند. علاوه بر زیست‌سازگاری بالا، هیدروژل‌ها نسبت به تغییرات محیط اطراف خود حساس بوده که این ویژگی سبب کاربرد آنها در موارد خاصی نظیر بیوسنسورهاوبرخی سیتم های رهایش هوشمند دارو شده است.  طی سال‌های اخیر بسیاری از تحقیقات بر آنالیزهای محیطی و پاسخ هیدروژل‌ها به تغییرات محیطی متمرکز شده است. مثلاً تغییر دما, pH, بار الکتریکی, تابش‌های الکترومغناطیس و ... می‌تواند باعث تغییر ابعاد هیدروژل گردد.

 در یک دسته‌بندی کلی هیدروژل‌ها را می‌توان به دو دسته تقسیم نمود:

<!--[if !supportLists]-->1.            <!--[endif]-->هیدروژل‌های سنتی<!--[if !supportFootnotes]-->[7]<!--[endif]--> که از پلیمرهای آبدوست با پیوند عرضی نسبتاً کم بدست آمده و هنگامی‌که در محیط آبی قرار گیرند، به طور قابل ملاحظه‌ای تغییر حجم می‌یابند. این هیدروژل‌ها عمدتاً بار الکتریکی ندارند و نسبت به تغییرات خواص محیط اطراف واکنش تورمی چندانی نشان نمی‌دهند.

<!--[if !supportLists]-->2.            <!--[endif]-->هیدروژل‌های حساس به تحریک<!--[if !supportFootnotes]-->[8]<!--[endif]--> که می‌توانند حتی آبگریز باشند و نسبت به تغییرات محیط اطراف مثل دما، بار الکتریکی و غیره،  تغییر حجم نشان داده و غالباً باردار هستند.  

کاربردهای دارویی و پزشکی هیدروژل‌ها

هیدروژل‌هایی که از نظر مولکولی با روش‌های مهندسی طراحی شده‌اند، می‌توانند در محدوده وسیعی از کاربردهای پزشکی, بیولوژیکی و دارویی به‌کار روند که در جدول 1 به تعدادی از آنها اشاره شده است. در بسیاری از این کاربردها از یک یا چند ویژگی ذکر شده استفاده می‌گردد از جمله, خواص نفوذی هیدروژل‌ها یا رفتارهای تورمی آنها.

یکی از زمینه‌های کاربردی هیدروژل‌ها, سیستم‌های نوین رهایش دارو است که این سیستم‌ها باید بتوانند غلظت دارو را درون منطقه دارویی (محل عمل دارو) در یک دوره زمانی مشخص حفظ کنند. در برخی از شرایط درمانی نیاز است که دارو تنها زمانی آزاد شود که به آن نیاز است و یا فقط در منطقه وجود عارضه آزاد شود. برآورده شدن این نیازها مستلزم وجود یک بیومتریال هوشمند است. هیدروژل‌ها موادی هستند که می‌توانند این نقش را ایفا کنند.

شکل 2: هیدروژل حامل دارو

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->پیوند عرضی حاصل از برهمکنش گروه های عاملی در طول زنجیر

                                 <!--[if !vml]--><!--[endif]--> ملکول دارو

کنترل نفوذپذیری, حساسیت نسبت به تغییرات محیط و یا قابلیت تشخیص هدف خاص توسط ترکیب شدن گروه‌های عاملی در ساختار آنها و بسیاری از خواص دیگر کاربرد هیدروژل‌ها را در این زمینه آسان‌تر می‌سازد.

    سیستم‌هایی که بر پایه کنترل نفوذ در هیدروژل است، میتوانند به دو دسته کلی ماتریسی و مخزنی تقسیم شوند. عامل فعال یا همان دارو می‌تواند در یک غشا هیدروژلی نفوذ کند و سپس وارد محیط بیولوژیک شود. در سیستم‌های مخزنی عوامل فعال در هسته قرار گرفته و یک غشا پلیمری آن را در بر می‌گیرد. اما در یک سیستم ماتریسی دارو یا پروتئین به صورت یکنواخت درون غشاء پخش شده و به آرامی آزاد می‌شوند. این غشاء غالباً تخریب پذیر بوده که  تخریب خود انواع متفاوتی دارد. مثلاً در سیستم‌های زیست‌تخریب پذیر فرسایشی، ماتریس پلیمری به شکل سطحی یاتوده ای دچار هیدرولیز می‌شود. این سیستم‌ها در رهایش دارو به خصوص در سسیتم‌های قابل کاشت بسیار قابل توجه هستند. چراکه نیازی به جراحی مجدد و خروج آنها از بدن نیست و در عین حال می‌توانند بر حسب سینتیک خوردگی داروی مورد نظر را آزاد کنند.  پرمصرف‌ترین پلیمرها در این سیستم شامل پلی‌لاکتیک اسید (PLA) و پلی‌گلایکولیک اسید (PGA) هستند. در این دو مورد محصولات ناشی از تخریب آب و ₂CO است.از سیستم‌های تورمی در رهایش کنترل شده دارو نیز استفاده می‌گردد.از هیدروژل‌هایی که رفتار تورمی قابل کنترل از خود بروز می‌دهند باید به(PHEMA), پلی وینیل الکل(PVA), پلی ان وینیل 2- پرولیدین (PNVP), پلی اتیلن گلایکول (PEG) و کوپلیمرهای آنها اشاره نمود.

سیستم‌های حساس به محیط<!--[if !supportFootnotes]-->[9]<!--[endif]--> دسته‌ای دیگر از کاربردهای هیدروژل‌ها در رهایش داروست. توانایی این سیستم‌ها در پاسخ‌دهی به تغییرات محیط همچون دما, pH, بار یونی, ترکیب حلال, میدان مغناطیسی و . . . است.

بیشترین استفاده از هیدروژل‌ها در این دسته مربوط به هیدروژل‌های حساس به  pHو حساس به دما است. هیدروژل‌هایی که دارای گروه های  قابل یونیزه نظیر کربوکسیل یا آمین هستند، به تغییر بار الکتریکی محیط حساس بوده و در هنگام یونیزاسیون، متورم می‌شوند. در واقع دافعه الکترواستاتیکی باعث تورم شبکه و به دنبال آن نفوذ آب می‌گردد. مهمترین هیدروژل‌های حساس به pH، پلی‌اکرلیک اسید (PAA), PMMA, پلی دی اتیل آمینو اتیل متاکریلات (PDEAEMA) و کوپلیمرهای آنها هستند. بیشترین مطالعات انجام شده برروی پلیمرهای حساس به دما برروی پلی ان ایزوپروپیل اکریل آمید (PNIPAAM) صورت گرفته است.     کاربرد جدید هیدروژل‌ها ناشی از پیشرفت و توسعه سیستم‌های حساس به تحریک با استفاده از هیدروژل‌های حساس به دما و pH است. این دسته از هیدروژل‌ها به خصوص در توسعه حامل‌های پلیمری که بتوانند داروهای پپتیدی را در سیستم‌های مختلف رهایشی آزاد کنند, بسیار حائز اهمیت هستند. این سیستم‌ها نه تنها در رهایش داروها، بلکه در سایر مصارف همچون بیوسنسورها نیز بسیار امید بخش هستند.

سختی و مشکلات انتقال پروتئین‌ها و پپتیدها به‌دلیل پایداری کم آنها در محیط‌های محلول شیمیایی و قابلیت دسترسی کم آنها است. بدین جهت استفاده از این دسته از  مواد به عنوان دارو از روش‌های معمول تزریق (رگ یا ماهیچه) محدود شده و بازدهی کافی ندارد. هیدروژل‌های حساس به pH و دما به خصوص در رابطه با داروهای پروتئینی وپپتیدی در سال‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته‌اند. به طور مثال انسولین یکی از مواد دارویی پروتئینی است که به عنوان یک مدل در این سیستم‌ها بررسی شده است. این سیستم قادر است در مقابل بالا بودن سطح گلوگز در خون پاسخ دهدو انسولین مورد نیاز را آزاد سازد.

سیستم‌های قابل تخریب در شرایط محیط فیزیولوژیکی, به طور گسترده‌ای برای انتقال پروتئین‌ها و پپتیدها مورد استفاده قرار می‌گیرند. این سیستم‌ها شامل dextran، PLA، PGA و PLGA  هستند . هیدروژل‌های تشکیل شده از گلیسیریل متاکریلات که از دکستران مشتق شده‌اند نیز جهت کاربرد در کنترل رهایش پروتئین‌هایی مثل لیزوزوم، آلبومین سرم گاوی و . . . مورد مطالعه و تحقیق قرار گرفته‌اند.

هیدوژل‌های فوق متخلخل<!--[if !supportFootnotes]-->[10]<!--[endif]-->

دسته‌ای از هیدروژل‌های جدید که اخیراً توسعه یافته‌اند، هیدروژل‌های فوق متخلخل یا فوق جاذب هستند. به طور کلی هیدروژل‌های فوق جاذب دارای سه ویژگی هستند، که آنها را از دیگر هیدروژل‌ها متمایز می‌کند:

<!--[if !supportLists]-->1.                  <!--[endif]-->سرعت تورم بالا بدون تغییر شکل

<!--[if !supportLists]-->2.                  <!--[endif]-->افزایش ابعاد پس از تورم و در نتیجه افزایش وزن حالت متورم

<!--[if !supportLists]-->3.                  <!--[endif]-->ایجاد نیروی انبساطی قابل توجه در هنگام تورم

مشخص شده که تورم آرام هیدروژل‌ها، از خصوصیاتی است که هیدروژل را برای کاربردهای خاص مثل رهایش دارو مناسب می‌سازد. اما در بسیاری از کاربردها نیاز به تورم سریع هیدروژل‌ها است. منظور از تورم سریع, تورم در کسری از دقیقه است. کوتاه ساختن طول مسیری که ذرات (مثل آب) برای نفوذ به درون شبکه باید بپیمایند، باعث می‌شود که هیدروژل سرعت جذب بالاتری داشته و در کسری از دقیقه متورم شود. یکی از راه‌های غلبه بر جذب کند آب, ایجاد تخلخل‌های به هم پیوسته است که باعث تسریع در فرآیند جذب آب می‌گردد. اندازه تخلخل‌ها پارامتر مهمی است که خواص هیدروژل را تحت تاثیر قرار می‌دهد. در هیدروژل‌های میکرو،ابعاد تخلخل ها بین  متخلخل در حدود10 نانومتر-میکرومتر100 است.

               یکی از ویژگی‌های مناسب این هیدروژل‌ها خواص مکانیکی بسیار بالای آنها حتی پس از تورم است. خواص مکانیکی می‌توانند با افزودن مواد کامپوزیتی تقویت شوند. به تازگی هیدروژل‌های فوق متخلخلی با خواص ارتجاعی تهیه شده است، به‌‌طوری که می‌تواند تا دو برابر طول اولیه خود کشیده شود، بدون اینکه بشکند. در حالیکه هیچکدام از هیدروژل‌های سابق چنین خواصی را نداشته‌اند.

کاربردهای پزشکی هیدروژل‌های فوق جاذب

این مواد هم در زمینه‌های پزشکی و هم غیر پزشکی به کار می‌روند. کاربردهای پزشکی این مواد به طور مختصر شامل موارد زیر است:

وسایل حفظ محتویات معده<!--[if !supportFootnotes]-->[11]<!--[endif]--> (GRD)

برای برخی مقاصد تشخیصی و یا درمانی  نیاز است که از خروج آب از معده و ورود آن به روده جلوگیری شود. در این مواقع، هیدروژل‌های فوق جاذب کمک خوبی در جهت دسترسی به این هدف هستند.  

ابزارهای کمک رژیمی<!--[if !supportFootnotes]-->[12]<!--[endif]-->

یکی از روش‌های کاهش وزن ایجاد سیری زودرس در افراد در حین خوردن وعده‌های غذایی توسط پر کردن حجم معده است. برای این منظور خوردن قرص‌های تهیه شده از این هیدروژل‌ها که با ورود به معده متورم می‌شوند و حجم زیادی از معده را پر می‌کنند، می‌تواند مفید واقع شود.

درمان آنوریسم

با تشخیص محل ضایعه آنوریسم (اتساع شدید شریان در ناحیه آئورت شکمی)  با تهیه هیدروژل فوق متخلخل به شکل حفره ایجاد شده اما با ابعاد کوچکتر و قرار دادن آن در محل ضایعه، پس از گذشت کوتاه‌ترین زمان هیدروژل متورم شده و فضای خالی را پر می‌کند و این امر به مراحل بعدی درمان کمک می‌کند.

انتقال داروهای پپتیدی از طریق خوراکی

همان طورکه قبلاً اشاره شد، انتقال مواد پروتئینی از طریق سیستم گوارش دشوار است. به تازگی تحقیقاتی مبنی بر استفاده از این هیدروژل‌ها در رفع این مشکل انجام شده است که در این روش از هیدروژل‌های فوق جاذب به عنوان حامل دارو در مسیر گوارشی استفاده شده است، به طوری‌که در روده متسع شوند و با چسبیدن به جدار آن دارو را آزاد کنند.

درمان تومورهای جامد

 برای درمان و از بین بردن تومورهای جامد یک روش این است که راه رسیدن مواد غذایی و خون به تومور مسدود شود. در این روش از هیدروژل‌ها به عنوان عامل هموستاز جهت ایجاد امبولی در مسیر رگ تغذیه کننده تومور استفاده می‌گردد.

جهت‌گیری‌های آینده

دنیای علمی امروز و جوامع دانشگاهی در تلاش هستند که مشکلات پزشکی بشر را حل کنند. بنابراین درمان بیماری‌هایی مانند دیابت, پوکی استخوان, آسم, مشکلات قلبی و عروقی و انواع سرطان‌ها بر پایه توسعه و پیشرفت‌های پایه‌ای دانش‌های مولکولی امکان‌پذیر شده که پنجره جدیدی را برای درمان گشوده است. طراحی ابزارهای جدید پزشکی نیز نیازمند روش‌های پیشرفته طراحی مولکولی و بهینه‌سازی آن است.انتظار می‌رود زمینه تهیه و بهره‌برداری از هیدروژل‌ها  به سمت طراحی در سطح مولکولی پیش رود. برای مثال در حدود 5 سال اخیر یک شانس بارز در درمان بیماری‌ها توسط هیدروژل‌های پیشرفته جدید به وجود آمده است که همگی مرهون تلاش مهندسان در زمینه طراحی‌های مولکولی بر روی موادی مانند هیدروژل‌هاست. با پیشرفت علم مواد و گسترش دانش بیومتریال ،هر روز دسته ای جدید ازمواد در زمینه پزشکی وارد میشوند که به دنبال آن بخشی از مشکلات را مرتفع میسازند .

هیدروژل ها ازآن دسته  موادی هستند که با پیشرفت روز افزون خود کاربرد ویژه ای در زمینه بیومتریال ها یافته اند . بر طبق پیش بینی ها و همچنین تلاشهایی که در جهت اصلاح هرچه بهتر این مواد صورت میگیرد در آینده نیز بازار وسیعی از محصولات پزشکی را به خود اختصاص خواهند داد.

تقدیر و تشکر

با سپاس فراوان ازسرکار خانم دکتر اورنگ و جناب آقای مهندس بنکدار- دانشجوی دکترای بیومتریال -که از راهنمایی ها وکمک بی دریغ ایشان در تهیه این مقاله بهره مند شدم.

                     فهرست منابع

<!--[if !supportLists]-->v          <!--[endif]-->Physicochemical foundation and structural design of hydrogels in medicine and biology Annual. Review. Biomedical. Engineering. 2000. 02:9–29

<!--[if !supportLists]-->v          <!--[endif]-->Hydrogels and their medical applications/ Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 151 (1999) 56-64

<!--[if !supportLists]-->v          <!--[endif]-->Hydrogel dressing in the management of a variety of wound type :A review / journal of orthopedic nursing (2005) 9 suppl.1 s1-s11

<!--[if !supportLists]-->v          <!--[endif]-->Biodegradable hydrogel for drug delivery / kinam park ,waleeds .w.shalby, naesun park/ chapter 1,2

<!--[if !supportLists]-->v          <!--[endif]-->Biomaterials science :an introduction to material in medicine /chapter 2 /2.4 :hydrogels

رعنا ایمانی، دانشجوی کارشناسی مهندسی پزشکی –بیومتریال

© کپی رایت توسط مهندسی پزشکی - BioMedical Engineering - Bioelectric Society - انجمن بیوالکتریک ایران - پایگاه اطلاع رسانی مهندسی پزشکی کلیه حقوق مادی و معنوی مربوط و متعلق به این سایت است.)
برداشت مقالات فقط با اجازه کتبی و ذکر منبع امکان پذیر است.