miniatura|direita|Gelatina em folhas para uso culinário, um exemplo de hidrogel. miniatura|Formação de um hidrogel peptídico demonstrada pelo método do frasco invertido.
Um hidrogel é um gel cujo agente de intumescimento é a água. Sua fase sólida costuma ser uma rede tridimensional hidrofílica, geralmente polimérica, que permanece insolúvel e pode reter grande quantidade de água ou de fluidos biológicos. Em biomateriais, uma definição operacional usada na literatura considera hidrogel um material com pelo menos 10% de sua massa ou volume constituídos por água. Em termos mecânicos, muitos hidrogéis podem ser tratados como materiais bifásicos formados por uma rede sólida porosa e permeável e por uma fase líquida que ocupa seus poros.
Os hidrogéis têm aplicações em campos como a biomedicina, inclusive em curativos de hidrogel. Muitos são sintéticos, enquanto outros derivam de materiais naturais. O termo "hidrogel" já era usado em 1894 para géis coloidais de sais inorgânicos. Em 1960, Otto Wichterle e Drahoslav Lím publicaram um trabalho sobre redes macromoleculares hidrofílicas reticuladas para uso biológico que levou ao desenvolvimento das primeiras lentes de contato macias de hidrogel.
miniatura|direita|link=https://doi.org/10.1351/goldbook.HT07519|Definição de hidrogel da IUPAC.
Química
Classificação As reticulações que unem os polímeros de um hidrogel pertencem a duas classes gerais, os hidrogéis físicos e os hidrogéis químicos. Os hidrogéis químicos possuem ligações covalentes de reticulação, enquanto nos físicos os pontos ou zonas de junção são mantidos por interações não covalentes, cristalização, entrelaçamento de cadeias ou outros mecanismos físicos. As ligações covalentes de um hidrogel químico podem ser permanentes ou, em alguns sistemas, reversíveis. Entre os exemplos de redes covalentes reversíveis estão hidrogéis de tiômeros ligados por pontes dissulfeto, estudados para aplicações farmacêuticas e biomédicas.
Muitos hidrogéis fisicamente reticulados podem ser formados ou desfeitos pela alteração de um estímulo externo, como o pH, a concentração de íons, no caso da alginato, ou a temperatura, no caso da gelatina. Essa reversibilidade é usada em aplicações biomédicas, embora nem toda rede física seja necessariamente reversível na escala de tempo considerada. As reticulações físicas podem resultar de ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas, interações π-π, cristalização e entrelaçamentos de cadeias. Hidrogéis formados dessa maneira às vezes são chamados de hidrogéis "reversíveis". Redes dominadas por reticulações covalentes permanentes são por vezes chamadas de hidrogéis "permanentes".
Os hidrogéis podem ser preparados com muitos materiais poliméricos, divididos pela origem em polímeros naturais e sintéticos. Entre os polímeros naturais usados na preparação de hidrogéis estão ácido hialurônico, quitosana, heparina, alginato, gelatina e fibrina. Entre os polímeros sintéticos comuns estão álcool polivinílico, polietilenoglicol, poliacrilato de sódio, polímeros de acrilato e seus copolímeros. Polímeros naturais podem oferecer vantagens como biocompatibilidade e biodegradabilidade e, dependendo do material, propriedades antibacterianas, antifúngicas ou bioativas. Sua estabilidade química e resistência mecânica podem ser menores ou menos controláveis que as de redes sintéticas. Hidrogéis sintéticos como polietilenoglicol, poliacrilato e polivinilpirrolidona também podem ser empregados em aplicações médicas.
Preparação miniatura|Esquema simplificado do processo de automontagem envolvido na formação de um hidrogel.
Em hidrogéis físicos formados por peptídeos e proteínas, dois mecanismos gerais de organização são encontrados com frequência. O primeiro é a gelificação de agregados nanofibrosos de peptídeos, observada especialmente com precursores oligopeptídicos. Os precursores se automontam em fibras, fitas, tubos ou faixas que se entrelaçam e formam reticulações não covalentes. O segundo mecanismo envolve interações não covalentes entre domínios associados separados por ligantes solúveis em água e ocorre em estruturas multidomínio mais longas. Para ocorrer gelificação, as interações supramoleculares precisam produzir uma rede autossustentável que não precipite e que imobilize água. Muitos hidrogéis de oligopeptídeos apresentam estrutura de folha β e se organizam em fibras, embora também tenham sido produzidos peptídeos α-helicoidais. Em um mecanismo típico de gelificação de oligopeptídeos, os precursores se automontam em fibras que se alongam e se entrelaçam até formar géis reticulados.
Uma forma de iniciar uma reação de polimerização usa a luz como estímulo. Fotoiniciadores, compostos que geram espécies reativas após absorver fótons, são adicionados à solução precursora que dará origem ao hidrogel. Quando essa solução é exposta a uma fonte concentrada de luz, frequentemente radiação ultravioleta, os fotoiniciadores geram radicais que iniciam a polimerização e criam reticulações entre cadeias poliméricas. A geração fotoquímica de radicais diminui quando a iluminação é interrompida, o que permite controle espacial e temporal da reticulação. Como as propriedades do hidrogel dependem fortemente do tipo e da quantidade de reticulações, a fotopolimerização permite ajustá-las. A técnica é usada em engenharia celular e de tecidos porque uma solução precursora carregada com células pode ser injetada ou moldada no local de uma ferida e depois solidificada in situ.
Hidrogéis fisicamente reticulados podem ser preparados por métodos diferentes, conforme a natureza das junções. Hidrogéis de álcool polivinílico costumam ser produzidos pela técnica de congelamento e descongelamento. A solução é congelada por algumas horas, descongelada à temperatura ambiente e submetida repetidamente ao ciclo até que se forme um hidrogel resistente e estável. Hidrogéis de alginato são formados por interações iônicas entre o alginato e cátions divalentes. Um sal, geralmente cloreto de cálcio, é dissolvido em uma solução aquosa de alginato de sódio, e os íons de cálcio formam junções iônicas entre as cadeias de alginato.
Hidrogéis físicos de gelatina podem gelificar reversivelmente ao serem resfriados. Em temperaturas altas, grande parte das cadeias de gelatina permanece em conformações desordenadas. O resfriamento promove uma renaturação parcial, com formação de zonas de junção de estrutura helicoidal semelhante à tripla hélice do colágeno. Essas zonas, estabilizadas principalmente por ligações de hidrogênio e outras interações não covalentes, conectam as cadeias e formam a rede do gel. A temperatura de transição depende da origem e concentração da gelatina, do pH, da força iônica e do histórico térmico e costuma ficar na faixa de algumas dezenas de graus Celsius, frequentemente abaixo de cerca de 35 °C.
Hidrogéis à base de peptídeos Hidrogéis à base de peptídeos apresentam alta biocompatibilidade e biodegradabilidade e são usados especialmente em aplicações biomédicas. Suas propriedades físicas podem ser ajustadas para diferentes usos. Entre os meios empregados estão a alteração da sequência de aminoácidos, do pH e da quiralidade, além do aumento do número de resíduos aromáticos. A ordem dos aminoácidos na sequência pode determinar se ocorre gelificação. Em um exemplo, a sequência peptídica curta Fmoc-Phe-Gly formou prontamente um hidrogel, enquanto Fmoc-Gly-Phe não o fez porque a mudança de posição dos dois grupos aromáticos adjacentes prejudicou as interações aromáticas.
A alteração do pH pode produzir efeitos semelhantes. Em um experimento com os dipeptídeos modificados com naftaleno Nap-Gly-Ala e Nap-Ala-Gly, a redução do pH induziu a gelificação do primeiro, mas levou o segundo à cristalização. Um método usa glucono-δ-lactona, ou GdL, para reduzir o pH de maneira controlada. A GdL é hidrolisada em ácido glucônico na água, permitindo a formação de hidrogéis homogêneos e reproduzíveis. A hidrólise lenta produz uma alteração uniforme do pH e, por consequência, géis homogêneos e reproduzíveis. O pH final pode ser controlado pela quantidade de GdL adicionada. A GdL foi usada na hidrogelificação de dipeptídeos Fmoc e Nap. Morris e colaboradores também usaram GdL como um "gatilho molecular" para prever e controlar a ordem de gelificação.
A quiralidade também afeta a formação do gel. A alteração da quiralidade de um único aminoácido, de sua forma L natural para a forma D, pode mudar fortemente as propriedades de gelificação, e em alguns sistemas a forma natural não forma gel. Interações aromáticas também podem induzir a gelificação por empilhamento π-π.
Hidrogéis supramoleculares Hidrogéis supramoleculares são redes nas quais parte ou a totalidade das junções entre os componentes resulta de associações não covalentes reversíveis. Motivos de reconhecimento supramolecular podem ser incorporados às redes para controlar sua mecânica e a afinidade entre o material e moléculas transportadas. A reversibilidade dessas associações permite produzir hidrogéis com comportamento de afinamento por cisalhamento e gelificação in situ, propriedades usadas em formulações injetáveis ou pulverizáveis.
Uma classe estudada usa interações de hóspede-hospedeiro com ciclodextrinas. As ciclodextrinas α e γ podem formar hidrogéis de pseudopolirotaxanos com polímeros baseados em polietilenoglicol, enquanto a β-ciclodextrina pode formar redes supramoleculares com motivos moleculares adequados. Esses sistemas podem combinar interações hóspede-hospedeiro com ligações de hidrogênio e responder a estímulos externos.
Outros O alto teor de água dá aos hidrogéis uma flexibilidade semelhante à de muitos tecidos naturais. Como materiais responsivos, eles podem conter sistemas químicos que reagem a estímulos externos. Uma alteração de pH, por exemplo, pode modificar o intumescimento ou provocar a liberação de compostos, algumas vezes acompanhada por uma transição gel-sol. Hidrogéis responsivos também podem alterar o volume ou a forma após um estímulo e funcionar como atuadores ou sensores.
Propriedades mecânicas Os hidrogéis são estudados para aplicações que exigem propriedades mecânicas muito diferentes. Alterando a concentração de polímero, ou inversamente a concentração de água, o módulo de Young, o módulo de cisalhamento e o módulo de armazenamento podem variar de cerca de 10 Pa a 3 MPa. A concentração e a natureza das reticulações também alteram esses módulos. Essa ampla faixa de rigidez permite adaptar hidrogéis a aplicações biomédicas em que se procura aproximar as propriedades mecânicas de um material das do tecido circundante.
A caracterização mecânica de hidrogéis pode ser difícil porque seu comportamento difere do de materiais tradicionais de engenharia. A elasticidade da rede polimérica, a viscoelasticidade e a poroelasticidade oferecem descrições complementares de seu comportamento. A poroelasticidade surge do acoplamento entre deformação da rede e movimento do líquido através dos poros. Entre os ensaios usados estão tração, compressão confinada ou não confinada, indentação, cisalhamento por reometria e análise mecânica dinâmica.
Intumescimento O intumescimento ocorre quando um gel ou sólido aumenta de volume ao incorporar um líquido ou gás. Nos hidrogéis, a entrada de água é favorecida por contribuições de mistura e forças osmóticas, enquanto a elasticidade da rede se opõe ao alongamento indefinido das cadeias. O equilíbrio entre esses efeitos determina o grau de intumescimento. A natureza do polímero, os grupos funcionais presentes e a densidade de reticulação alteram esse equilíbrio.
Para redes neutras, uma descrição clássica é dada pela teoria de Flory-Rehner, na qual a variação da energia livre associada ao intumescimento é aproximada pela soma de uma contribuição de mistura entre polímero e solvente e de uma contribuição elástica da rede: