Gels ir želejveidīgs mīksts materiāls, kas var būt gan mīksts un trausls, gan ciets un izturīgs[1][2]. Geli ir definēti kā mazas koncentrācijas izšķīdusi šķērssaišu sistēma, kurai miera stāvoklī nav plūsmas[3]. Pēc svara geli pārsvarā ir šķidrumi, tomēr tie darbojas kā cietvielas, jo šķidrumā atrodas komplekss šķērssaistīto saišu tīkls. Šķidrumā veidojošās šķērssaites ir tās, kas nodrošina gela struktūru (cietību) un veicina savstarpējo mijiedarbību (saķeri), bet jāatceras, ka šo šķērssaišu vielā nav daudz — tikai pāris procenti. Tādējādi gels ir šķidruma molekulu dispersija cietā vielā, kurā šķidras daļiņas ir disperģētas cietā vidē. Vārdu gels pirmoreiz lietoja skotu ķīmiķis Tomas Grahams, atvasinot to no želatīna[4].
Gels sastāv no cieta trīsdimensiju tīkla, kas caurvij šķidrās vides tilpumu un nostiprina to ar virsmas spraiguma palīdzību. Šī iekšējā tīkla struktūra var rasties no fiziskām saitēm (fiziskiem geliem) vai ķīmiskajām saitēm (ķīmiskajiem geliem), kā arī kristalītiem vai citiem savienojumiem, kas šķidrumā paliek veseli. Gandrīz jebkurš šķidrums var būt gela vide, ieskaitot ūdeni (ūdens geli jeb hidrogeli), eļļu un gaisu (aerogeli). Gan pēc svara, gan tilpuma geli galvenokārt sastāv no šķidruma un tādējādi to blīvums ir tuvs to sastāvā esošajiem šķidrumiem. Ēdamās želejas ir ikdienišķs piemērs parastam hidrogelam, un tam ir aptuveni ūdens blīvums.
Daudzjonu polimēri ir polimēri ar jonu funkcionālo grupu. Jonu lādiņi novērš cieši sasaistītu polimēru ķēžu veidošanos. Tādējādi tie ir viskozāki, jo izstieptais polimērs aizņem vairāk vietas. Tas ir arī iemesls, kāpēc gels sacietē.
Trīsdimensiju cietā tīkla dēļ geliem ir izteikta forma, tie deformējas, kad pielikts ārējs spēks, bet atgūst vai daļēji atgūst savu formu pēc spēka iedarbības. Tādēļ tos var saukt par elastīgiem materiāliem, molekulārās uzbūves (polimēru ķēžu) dēļ gelus var deformēt pat līdz desmitiem vai simtiem procentu, nesalaužot tos.
Kā minēts, gels sastāv no trīsdimensiju struktūras un šķīdinātāja, tātad gels var mainīt savu tilpumu, uzsūcot vai atbrīvojoties no šķīdinātāja. Piemērs ir ievietojot sausu gelu šķīdinātājā, tas absorbēs to no apkārtnes. Šo procesu sauc par uzbriešanu.
Daudziem geliem piemīt tiksotropija — tie plūst, kad pielikts spēks, bet paliek nekustīgi miera stāvoklī (kečups). Kopumā geli ir cieti, želejai līdzīgi materiāli. Gels ir neņūtona šķidruma veids. Aizvietojot šķidrumu ar gāzi, ir iespējams iegūt aerogelus, materiālus ar izcilām īpašībām, ieskaitot ļoti mazu blīvumu, lielus virsmas laukumus un lieliskas siltumizolācijas īpašības.
Daudzas vielas var veidot gelus, ja tām pievieno piemērotu biezinātāju. Šī pieeja ir izplatīta, ražojot plašu produktu klāstu, sākot no pārtikas produktiem līdz krāsām un līmēm.
Šķiedru optikas sakaros mīkstais gels, kas līdzinās "matu želejai" viskozitātē, tiek izmantots, lai aizpildītu plastmasas caurules, kas satur šķiedras. Gela galvenais mērķis ir novērst ūdens ielaušanos, ja bufera caurule tiek ielauzta vai saliekta ap stūri uzstādīšanas laikā.
Superabsorbējošs hidrogelsĪsa uz peptīdiem bāzēta hidrogela matrica. Ūdens daudzums var sasniegt 100 reižu no pašmasas. Attēls ir uzņemts ar tuvā lauka skenēšo mikroskopu (NESEM)
Hidrogels ir polimēru ķēžu tīkls, kas ir hidrofils, dažkārt atrodams kā koloidāls gels, kurā ūdens ir dispersijas vide. Trīsdimensiju cieta viela rodas no hidrofilajām polimēru ķēdēm, kuras kopā satur šķērssaistītas saites. Tieši šo saišu dēļ hidrogeli nešķīst pat lielā ūdens koncentrācijā. Gan dabīgie, gan sintētiskie polimēru tīkli ir ļoti absorbējoši (var saturēt vairāk nekā 90% ūdens). Lielā ūdens satura dēļ hidrogeliem ir ievērojams elastīgums, kas ir ļoti līdzīgs dabiskajiem audiem. Kā reaģējoši viedie materiāli hidrogeli var iekapsulēt dažādus savienojumus, kurus, stimulējot ar ārējiem faktoriem, piemēram, pH, atbrīvo apkārtējā vidē. Ķīmiski mehāniskie polimēri galvenokārt ir arī hidrogeli, kas pēc stimulācijas maina to tilpumu un var kalpot kā izpildmehānismi vai sensori.
Hidrogelus parasti izmanto:
Pamatnes audu inženierijā. Hidrogeli var saturēt cilvēka šūnas, lai labotu audus, atdarinot šūnu 3D mikroklimatu[5].
Videi draudzīgi hidrogeli (pazīstami arī kā „gudrie geli” vai „inteliģentie geli”). Šiem hidrogeliem ir iespēja uztvert izmaiņas pH, temperatūrā vai metabolīta koncentrācijā un reaģēt šādu pārmaiņu rezultātā[6].
Caurspīdīgs hidrogels ar īsām peptīda šķērssaitēm. Tas ir satverts ar pinceti, kas demonstrē pietiekošu cietību, tajā pašā laikā nodrošinot caurspīdīgumuIlgstošās darbības zāļu piegādes sistēmas
Hidrogelus, kas reaģē uz specifiskām molekulām[7], piemēram, glikozi vai antigēnus, var izmantot kā biosensorus.
EEG un EKG medicīniskie elektrodi, izmantojot hidrogelus, kas sastāv no savstarpēji saistītiem polimēriem (polietilēna oksīds, poliamīds un polivinilpirolidons)
Granulas augsnes mitruma uzglabāšanai sausās vietās
Apsēji apdegumu vai citu grūti dzīstošu brūču ārstēšanai. Brūču geli ir lieliski piemēroti mitras vides radīšanai vai uzturēšanai.
Materiāli, kas atdarina dzīvnieku gļotādas audus, ko izmanto, lai pārbaudītu zāļu ievadīšanas sistēmu mukoadhezīvās īpašības[9][10].
Tiek pētīti dabīgie hidrogelu materiāli audu inženierijas jomā, piemēram, agaroze. Hidrogeliem ir potenciāls lauksaimniecībā, jo tie var atbrīvot agroķimikālijas, tostarp pesticīdus un fosfātu mēslojumu, lēnām, palielinot efektivitāti un samazinot noteci, un vienlaikus uzlabojot sausāku augsni, piemēram, smilšainas mālaines[11].
Organogels ir nekristālisks, termoplastisks ciets materiāls, kas sastāv no šķidras organiskā fāzes, kas ietverts trīsdimensiju savstarpēji saistītā tīklā. Šķidrums var būt, piemēram, organiskais šķīdinātājs, minerāleļļa vai augu eļļa. Struktūras šķīdība un daļiņu izmēri ir svarīgas organogela elastības un stingrības īpašības. Bieži vien šīs sistēmas ir balstītas uz strukturējošo molekulu pašsakārtotību[12][13]. Nevēlamu termoplastisku tīklu veidošanās piemērs ir vasku kristalizācijas rašanās naftas produktos[14].
Organogēniem ir potenciāls vairākiem pielietojumiem, piemēram, farmācijā, kosmētikā, mākslas saglabāšanā un pārtikā.
Kserogels ir cieta viela, kas veidojas no gela, tam žūstot, ja nekas netraucē tā saraušanos. Kserogels parasti saglabā augstu porainību (15—50 %) un milzīgu virsmas laukumu (150—900 m2/ g), kā arī ļoti mazu poru izmēru (1—10 nm). Ja šķīdinātāju žūšana notiek pārkritisko apstākļu dēļ, tīkls nesamazinās un tiek ražots ļoti porains, zema blīvuma materiāls, kas pazīstams kā aerogels. Termiski apstrādājot kserogelu paaugstinātā temperatūrā, rodas viskoza saķepināšana (kserogela saraušanās neliela viskoza plūsmas daudzuma dēļ) un poraina gela pārvēršana par blīvu stiklu.
Populārs kserogelu piemērs ir silīcija kserogels — amorfa un poraina silīcija dioksīda forma, kura poru izmērs ir ap 2,4 nm. Tas ļoti labi saistās ar ūdeni, tāpēc to izmanto kā žāvētāju. Silīcija kserogelam ir liels īpatnējais virsmas laukums (ap 800 m2/g) tādējādi ļaujot materiālam ātri absorbēt ūdeni.
Nanokompozītu hidrogeli[15][16] vai hibrīdie hidrogeli ir ļoti hidratēti polimēru tīkli, kas fiziski vai kovalenti savstarpēji saistīti ar sevi un/ vai ar nanodaļiņām vai nanostruktūrām. Nanokompozītu hidrogeli var atdarināt vietējās audu īpašības, struktūru un mikro vidi sakarā ar to hidratēto un savstarpēji saistīto poraino struktūru. Hidrogela struktūrā var iekļaut plašu nanodaļiņu klāstu, piemēram, oglekļa bāzes, polimēru, keramikas un metāliskos nanomateriālus, lai iegūtu nanokompozītus ar pielāgotu funkcionalitāti. Nanokompozītu hidrogelus var konstruēt tā, lai tiem būtu vērtīgākas fizikālās, ķīmiskās, elektriskās un bioloģiskās īpašības[17].
Dažas sugas izdala sekrētus, kas ir efektīvi parazītu kontrolē. Piemēram, vaļi izdala enzīmu gelu, kas pārklāj tā ķermeni un palīdz novērst citu organismu koloniju veidošanos uz tā[18].
Hidrogeli, kas dabiski atrodas organismā, ir gļotas, skrimšļi, cīpslas un asins recekļi. To viskoelastiskā daba rada ķermeņa mīksto audu komponenti, kas atšķiras no skeleta sistēmas minerālu saturošiem cietajiem audiem. Pētnieki aktīvi attīsta sintētiski iegūtas audu aizvietošanas tehnoloģijas, kas iegūtas no hidrogeliem, gan pagaidu implantiem (noārdāmiem), gan pastāvīgiem implantiem (nesadalāmiem)[19].
↑Cook, Michael T.; Smith, Sarah L.; Khutoryanskiy, Vitaliy V. (2015). "Novel glycopolymer hydrogels as mucosa-mimetic materials to reduce animal testing". Chem. Commun. 51 (77): 14447–14450. doi:10.1039/C5CC02428E. PMID26221632.
↑Cook, Michael T.; Khutoryanskiy, Vitaliy V. (2015). "Mucoadhesion and mucosa-mimetic materials—A mini-review". International Journal of Pharmaceutics 495 (2): 991–8. doi:10.1016/j.ijpharm.2015.09.064. PMID26440734.
↑Terech P. (1997) "Low-molecular weight organogelators", pp. 208—268 in: Robb I.D. (ed.) Specialist surfactants. Glasgow: Blackie Academic and Professional, ISBN 0751403407.
↑van Esch J., Schoonbeek F., De Loos M., Veen E.M., Kellog R.M., Feringa B.L. (1999) "Low molecular weight gelators for organic solvents", pp. 233—259 in: Ungaro R., Dalcanale E. (eds.) Supramolecular science: where it is and where it is going. Kluwer Academic Publishers, ISBN 079235656X.
↑"Rheological behavior and structural interpretation of waxy crude oil gels". Langmuir 21 (14): 6240–9. 2005. doi:10.1021/la050705k. PMID15982026.
