Los Hidrogeles: Características, Clasificación, Estructura Química

Introducción

Los hidrogeles son uniones de materiales sólidos poliméricos con cadenas largas que están entrecruzados, formando redes tridimensionales. Principalmente, están formados por acrilato de potasio y son comúnmente conocidos porque cuando se ponen en contacto con un disolvente, como, por ejemplo, el agua, lo absorben y se hinchan, de forma que producen un cambio conformacional importante y se vuelven mucho más elásticos y blandos.

Desarrollo

El hecho de que sus componentes tengan cadenas largas es beneficioso para la formación del hidrogel, ya que lo vuelve mucho más flexible, permitiendo que se retuerza y se deforme, permitiendo la entrada de las moléculas del disolvente en su interior. El número de posibles aplicaciones que pueden llevarse a cabo con los hidrogeles son múltiples, entre las que destacamos el suministro de agua y nutrientes en plantas y suelos y los fines médicos.

Características

Las principales características de los hidrogeles son:

• Carácter hidrófilo: contienen grupos como los alcoholes o los grupos carboxilo.
• Solubilidad: insolubles en agua debido a la red polimérica tridimensional que poseen.
• Consistencia: son suaves y elásticos, ya que contienen un monómero hidrófilo y su densidad de entrecruzamiento del polímero es baja.
• Capacidad de hincharse: por esta razón, aumentan su volumen de forma considerable hasta alcanzar un equilibrio químico-físico al juntarse a un disolvente. Cuando no está hidratado se le considera xerogel.
• Peso molecular: afecta invirtiendo la constante de difusión de los solutos, es decir, si disminuye el peso molecular, aumenta la constante.
• El pKa (porcentaje de ionización): de forma general, de este dependerá el comportamiento del hidrogel. Es decir, en caso de que sea aniónico, por lo general, se hincha más cuando el pH externo es mayor que su pKa. Por otro lado, los catiónicos se hinchan más cuando el pH es más bajo.

Clasificación

Existen múltiples formas de clasificar los hidrogeles según a las características a las que nos atendamos para ello. Principalmente, se dividen en dos grupos según la naturaleza de unión de los compuestos que los forman:

• Hidrogeles físicos: se unen mediante enlaces no covalentes (Van der Waals) y dan como resultado redes no entrecruzadas.
• Hidrogeles químicos: se unen mediante enlaces más fuertes, por lo que, en caso de romperse, se produce la desintegración del gel. En este caso, se forman redes entrecruzadas.

Además de estos, hay otros métodos de clasificación entre los cuales destacaremos:

1. Según el tipo de grupos laterales: Neutros o Iónicos.
2. Según las propiedades mecánicas y estructurales: Redes afines o fantasma.
3. Según como se obtengan: Red homopolimérica, copolimérica, multipolimérica o polimérica interpenetrada.
4. Según la estructura del hidrogel: amorfa, semicristalina, formada por uniones de hidrógeno y agregados hidrocoloidales.
5. Según otros comportamientos: hidrogeles que producen el cambio conformacional dependiendo del medio externo, es decir, hidrogeles fisiológicamente sensibles (dependientes del pH, temperatura, fuerza iónica y radiación electromagnética).

Estructura química

Como hemos comentado anteriormente, un hidrogel es una red formada por diferentes compuestos polimórficos que son muy absorbentes y que, al unirse a un disolvente, producen un cambio conformacional por el que se vuelven muy flexibles. Además, al hincharse, va aumentando de forma significativa su volumen, pero siempre se mantiene la forma hasta llegar a un equilibrio fisicoquímico. Hasta el momento en el que se produce la interacción, permanecen en un deshidratado (xerogel) y su estructura es mucho más compacta.

Los enlaces que facilitan la unión de los sólidos polimórficos son, principalmente, enlaces covalentes, aunque también aparecen los enlaces de hidrógeno y los de Van der Vaals. Destacan las fuerzas electrostáticas (atracción y repulsión), uniones hidrofóbicas e interacciones iónicas. A nivel químico, los hidrogeles se caracterizan por presencia de grupos como los alcoholes o carboxilos y, por otro lado, de grupos hidrófobos.

Síntesis

La formación de un hidrogel se lleva a cabo a partir de ciertos componentes que son necesarios para que se lleve a cabo la polimerización:

• Iniciador. Encargado de producir los radicales libres que se usarán para la reacción. Los sistemas más típicos son: radicales libres, iónicos, radiación gamma, redox…
• Agente entrecruzante. Mediante el cual se consigue la estructura tridimensional reticulada. Este genera uniones covalentes en la malla o red tridimensional lo que hace que el hidrogel sea insoluble

Disolvente

Monómero. Distinguimos tres tipos principalmente:

1. Con cadenas laterales no ionizadles (acrilamida entre otros).
2. Con cadenas laterales ionizadles (los ácidos, acrílicos o sulfónicos)
3. Zwiteriónico (con dos grupos cargados y unidos a la cadena principal).

Conclusión

Para sintetizar un hidrogel entrecruzado, podemos hacerlo de diferentes maneras. Por un lado, por radiación, donde se pueden utilizar emisiones de electrones, rayos X o gamma, luz ultravioleta… que excitarán el polímero y formarán la estructura deseada. Por otro lado, también puede conseguirse mediante una reacción química que conste de una polimerización y un entrecruzamiento entre uno o más monómeros y un monómero multifuncional. 

Hay diversas técnicas mediante las cuales obtener él en entrecruzamiento covalente, destacan:

• Polimerizar una solución que contenga ácido acrílico, induciendo que se autoentrecruce debido a que se elimina el hidrógeno del esqueleto del compuesto y por ello, se combinan los diferentes radicales.
• Radiación ionizante.
• Copolimerización de distintos monómeros con el objetivo de tener las propiedades deseadas. Normalmente, uno de los monómeros tiene carácter hidrófobo y el otro hidrófilo.