Hydrogeler er en type material som f?r mer og mer betydning i mange anvendelser. I motsetning til konvensjonelle materialer, eksempelvis metaller, keramer, og plast som er t?rre og harde, er hydrogeler v?te og myke materialer. Hydrogeler har f?tt en utbredt bruk for eksempel som material i myke kontaktlinser, material for proteinseparasjon og matriser for innkapsling av celler. Det forskes for tiden mye p? skreddersydde hydrogeler for nye anvendelser som blant annet material for omslag p? s?r, material for erstatning av vev (levende organismer er for en stor del laget av hydrogeler) og material for kontrollert frisetting av legemiddel i kroppen.
Ved Universitetet i Oslo p?g?r det n? innen dette feltet et tverrfaglig 澳门葡京手机版app下载 mellom kjemi og farmasi p? som har flere innfallsvinkler. Fra et kjemisk st?sted unders?kes fremstilling av hydrogeler med spesielle egenskaper og hvor egenskapene kan endres ved bruk. Hensikten er ? kunne endre hydrogelens egenskaper ved ytre p?virkning og m?le de forandringer som skjer i gelen. Den ytre p?virkningen kan skje ved ? endre surhetsgraden (pH) i mediet som omgir hydrogelen, utsette hydrogelen for trykkbelastning, elektrisk felt eller temperaturforandring eller ved ? eksponere hydrogelen for lys. Fra et farmas?ytisk st?sted er m?let ? finne nye sammensetninger for medisiner (legemiddelsubstans samt hjelpestoffer) hvor det er mulig ? styre frisettingen av molekylene i legemidlene slik at en optimal virkning kan forutsies og oppn?s. Dette ?nsker vi ? oppn? ved ? ”pakke inn” legemiddelsmolekylene i en matriks – en hydrogel – fra hvilken legemidlet kan frigis etter en fastsatt frisettingsprofil. M?let med forskningen er ? utvikle nye typer hydrogeler og ? forst? hvordan deres egenskaper kan styres p? en kontrollerbar m?te og skreddersy hydrogelen til en spesifikk formulering.
Hva er en hydrogel? En hydrogel best?r av en elastisk tredimensjonal polymer nettverksstruktur og vann som fyller rommet mellom polymerkjedene. En polymer (makromolekyl) er et stort molekyl bygd opp av mange sm? enheter (monomere) som er lenket sammen i en kjede - et ”perlehalsb?nd”. Dette nettverket av lange polymerkjeder holder vannet p? plass og gir hydrogelen en bestemt fasthet. Hydrogelens egenskaper styres av et samspill mellom polymer og vann. Fra t?rr tilstand kan en slik nettverksstruktur ta opp betydelige mengder vann (gelen sveller til et bestemt volum), i mange tilfeller inntil flere tusen ganger sin egen t?rrvekt. Polymerkjedenes kjemiske sammensetning vil v?re avgj?rende for hvilken grad av svelling man f?r. En hydrogel hvor polymerkjedene for eksempel har negativt ladede grupper, vil svelle mer (p? grunn av frast?ting mellom like ladninger) enn en hydrogel hvor polymerkjedene er uladede. Har polymerkjedene i nettverket en gruppe som blir ladet i surt milj? og uladet i basisk milj?, vil man kunne styre graden av svelling ved ? forandre surhetsgraden (pH) – hydrogelen vil ekspandere eller krympe avhengig av pH.
Levende organismer er for en stor del laget av hydrogeler; pattedyrsvev er bygd opp av protein- eller polysakkaridnettverk hvor vanninnholdet er opptil 90 prosent. Dette gj?r det mulig for organismen lett ? transportere ioner og molekyler samtidig som fastheten beholdes. Figur 1 viser en hydrogel bygd opp av et kjemisk modifisert protein, som inneholder 96 vektsprosent vann. Hvordan fremstilles en hydrogel? Hydrogelen kalles ”permanent” eller ”kjemisk” n?r polymerkjedene i nettverket holdes sammen av kjemiske bindninger. En permanent hydrogel kan fremstilles p? to m?ter. I den ene metoden l?ses f?rst sm? molekyler (monomerer) i vann, og i en kjemisk reaksjon (polymerisasjon) bygges lange kjedemolekyler (polymerer) opp. Har man en blanding av to ulike monomerer, og den ene monomeren kan bindes inn i to forskjellige polymerkjeder under reaksjonen, dannes et knutepunkt mellom kjedene. Ved gjentakelse av denne knutepunktsdannelsen kan et nettverk bygges opp. Hydrogeler som for eksempel brukes som material i myke kontaktlinser eller for proteinseparasjon, er fremstilt p? denne m?ten. I den alternative metoden l?ser man f?rst opp en polymer i vann. Deretter tilsettes et kjemisk stoff som kan reagere med to grupper p? to forskjellige polymerkjeder og dermed danne et knutepunkt. N?r reaksjonen g?r, dannes det flere og flere knutepunkter og et nettverk utvikles. Ved begge metodene kan reaksjonen startes ved hjelp av ultrafiolett eller synlig lys, for eksempel fra en laser. Hydrogelen kalles ”reversibel” eller ”fysisk” n?r kjedene i nettverket holdes sammen av molekyl?re floker og/eller fysiske krefter som ”hydrogenbindning”, attraksjon mellom motsatt ladede ioner eller assosiasjon mellom grupper som ikke liker vann (hydrofobe grupper).
Hydrogelen i figur 1 er en s?kalt termoreversibel gel. Den fremstilles ved f?rst ? l?se polymeren gelatin i varmt vann. Ved nedkj?ling omdannes l?sningen til en hydrogel. Varmes n? gelen opp til cirka 50-60 oC, g?r den tilbake til en tregtflytende l?sning; dermed vil det innkapslede ”stoffet” (plastkulene) frisettes. Det finnes ogs? eksempel p? hydrogeler som dannes ved oppvarming av en l?sning.
FIGUR 2: Ved ? belyse en hydrogel som inneholder et fotosensitivt molekyl med laserlys, kan gelnettverket brytes opp, slik at vi f?r en l?sning. Foto: St?le Skogstad (?)
N?r hydrogeler skal brukes i farmas?ytiske sammenhenger, er det viktig ? kjenne gelens fysikalsk-kjemiske egenskaper. I tillegg er det viktig ? vite om den anvendte polymer er biologisk nedbrytbar og hvor nedbrytningsproduktene blir av dersom legemiddelsformuleringen er til innvortes bruk. I en tablettformulering kan polymerkomponenten for eksempel v?re alginat (se faktaramme) hvor polymeren sveller i magesaft (lavt pH) og danner en hydrogel som forsinker frisettingen av legemidlet. Frisettingen vil skje etter en tidsbestemt profil som er annerledes enn for tradisjonelle formuleringer hvor mengden frigjort legemiddel ?ker raskt til et maksimum for deretter ? avta. En langsom frisetting kan v?re gunstig n?r man skal gi et kraftig virkende legemiddel.
Figur 2 viser et eksperiment hvor laserlys brukes for ? belyse en hydrogel som er tilsatt et lysf?lsomt stoff; deretter unders?kes i hvilken grad gelen er brutt ned. Fra et farmas?ytisk synspunkt er det lagt vekt p? applikasjoner av hydrogeler i forbindelse med kontrollert frisetting av legemidler – s?kalte smarte hydrogeler. For ? styre frigj?ringen av legemidlene er det n?dvendig ? ha god kjennskap til hvordan den polymeren som matriksen (hydrogelen) er bygd opp av, kan p?virkes.
Fakta
Noen eksempler p? ”reversible” hydrogeler: Alginat er en naturlig forekommende polymer (polysakkarid) som utvinnes fra tang. Polymeren er l?selig i vann; det er negativt ladede grupper langs polymerkjeden. Tilsettes et egnet positivt ladet ion, kan den danne en bru mellom to negativt ladede grupper p? to forskjellige alginatkjeder – man f?r et fysisk knutepunkt mellom to kjeder. Suksessivt bygges det opp en nettverksstruktur i l?sningen, og resultatet er en hydrogel. Fjernes den positivt ladede ionen f?r man tilbake en tregtflytende l?sning – prosessen er reversibel.
Alternativt kan alginatl?sningen omvandles til en hydrogel ved ? surgj?re l?sningen. Ved lavt pH er det ingen ladede grupper p? polymerkjeden. Knutepunktene vil da utgj?res av ”hydrogenbindninger” – et hydrogenatom danner en bru mellom to kjeder. Legges den ferdige hydrogelen ned i en basisk l?sning (h?yt pH), brytes knutepunktene og gelen g?r tilbake til en l?sning.