Hidrogel para niños

Un hidrogel es como una red muy especial hecha de cadenas flexibles, parecidas a hilos, que están conectadas entre sí. Esta red tiene la capacidad de absorber una gran cantidad de líquido y, al hacerlo, se hincha mucho, pero sin perder su forma. Imagina una esponja que absorbe agua, pero que mantiene su estructura firme.

Los hidrogeles son un tipo de polímero (que son moléculas grandes formadas por la repetición de unidades más pequeñas) que tienen características únicas. Son muy afines al agua, lo que significa que les encanta absorberla. Son suaves y elásticos. Cuando están secos, se les llama xerogeles y son más duros, como un cristal. Pero cuando entran en contacto con agua, se hinchan y aumentan mucho su tamaño, manteniendo su forma hasta que alcanzan un equilibrio.

Los hidrogeles son como sistemas en estado coloide, lo que les da una apariencia sólida. Ejemplos de hidrogeles que quizás conozcas son la gelatina cuando se enfría o la albúmina (la clara de huevo) cuando se cocina. Son muy absorbentes y mantienen su forma. Estas propiedades los hacen útiles en muchas áreas, especialmente en la medicina. Algunos hidrogeles se fabrican en laboratorios, pero otros se encuentran en la naturaleza. La palabra "hidrogel" se empezó a usar en 1894.

Las propiedades especiales de los hidrogeles se deben a que sus moléculas tienen grupos que atraen el agua. Además, las cadenas de polímero se unen entre sí no solo con enlaces fuertes, sino también con otras fuerzas más suaves, como las que atraen las moléculas de agua. La forma en que estas cadenas se unen y se organizan influye mucho en cómo se hincha el hidrogel.

Gracias a que son compatibles con los tejidos vivos y a sus propiedades, los hidrogeles se usan cada vez más como biomateriales, es decir, materiales que interactúan con sistemas biológicos.

Usos y aplicaciones de los hidrogeles

Un vendaje adhesivo con una almohadilla de hidrogel, que se usa para ampollas y quemaduras.

La capacidad de los hidrogeles para absorber y liberar grandes cantidades de agua de forma controlada los hace útiles en muchas aplicaciones prácticas.

Además de usarse para mantener la humedad en la tierra de cultivo o como materiales absorbentes, también se emplean como membranas, microcápsulas, soportes para catalizadores (sustancias que aceleran reacciones químicas), recubrimientos, y en la industria del papel o farmacéutica. Sin embargo, sus aplicaciones más destacadas están en el campo de la biomedicina. Para estos usos, los hidrogeles deben ser compatibles con los tejidos del cuerpo, no degradarse fácilmente y tener la resistencia adecuada para cada función.

Aplicaciones en la salud

Estructura molecular del hidrogel de silicona utilizado en lentes de contacto flexibles.

• Lentes de contacto: Para que una lente de contacto sea buena, debe permitir que el oxígeno llegue a la córnea (la parte transparente del ojo), permitir que la lágrima forme una capa entre la lente y el ojo, y ser lo suficientemente resistente. Antes se usaba un material llamado PMMA, pero no dejaba pasar suficiente oxígeno. Hoy en día, se usan hidrogeles de silicona y otros materiales que sí permiten la oxigenación necesaria para mantener la córnea sana.

• Liberación controlada de medicamentos: Esta es una tecnología muy útil. Con los métodos tradicionales, a veces es difícil controlar la cantidad exacta de medicamento que llega al cuerpo y cuándo. Los hidrogeles pueden encapsular medicamentos y liberarlos poco a poco, en la cantidad y el momento precisos. Esto ayuda a que los tratamientos sean más efectivos y a evitar efectos no deseados. Se han investigado para liberar antibióticos, analgésicos y otros tratamientos.

• Vendajes para heridas: Las heridas necesitan un ambiente húmedo para curarse bien y rápido. Los hidrogeles son excelentes para esto porque pueden absorber y mantener mucha agua. Además, pueden proteger y liberar proteínas u otras moléculas que ayudan en la cicatrización.

• Biotintas para impresión 3D: Los hidrogeles se parecen mucho a la matriz extracelular (el material que rodea a las células en el cuerpo). Por eso, se usan con células para crear tejidos y mini-órganos en impresoras 3D. Esto es útil para reparar órganos dañados o para probar nuevos medicamentos en mini-órganos.

Aplicaciones en la agricultura

• Liberación controlada de agua y mejora del suelo: Los hidrogeles pueden absorber agua cuando llueve y liberarla lentamente durante las sequías. Esto ayuda a mantener la humedad del suelo, reduce la erosión, mejora la calidad de la tierra y ayuda a las plantas a retener nutrientes. Se usan hidrogeles como la poliacrilamida (a veces llamada PAM) para estas funciones.

Investigación en laboratorios

Célula madre mesenquimatosa humana interactuando con hidrogel 3D.

• Soportes para ingeniería de tejidos: En los laboratorios, los hidrogeles se usan como "andamios" para cultivar células humanas en 3D. Esto permite estudiar cómo se comportan las células y cómo interactúan con su entorno, lo que es clave para la investigación de tejidos y órganos.

• Hidrogeles "inteligentes": Algunos hidrogeles pueden detectar cambios en su entorno, como el pH (acidez), la temperatura o la presencia de ciertas sustancias. Cuando detectan un cambio, pueden liberar lo que tienen dentro. Esto los hace útiles como biocensores o para sistemas de liberación de medicamentos.

• Otros usos comunes:
  • Pañales desechables y toallas sanitarias para absorber líquidos.
  • Lentes de contacto.
  • Electrodos médicos para EEG (actividad cerebral) y ECG (actividad cardíaca).
  • Gránulos para retener la humedad en suelos secos.
  • Apósitos para curar quemaduras y otras heridas.
  • Reservorios en la administración de medicamentos a través de la piel.

Composición de los hidrogeles

Los hidrogeles se fabrican con diferentes tipos de materiales poliméricos, que pueden ser de origen natural o sintético.

• Polímeros naturales: Incluyen sustancias como el ácido hialurónico, el quitosano, la heparina, el alginato y la fibrina.
• Polímeros sintéticos: Son creados por el ser humano, como el poli(alcohol vinílico), el polietilenglicol y el poliacrilato de sodio.

Las uniones que mantienen unidas las cadenas de polímero en un hidrogel se llaman "entrecruzamientos". Pueden ser de dos tipos:

• Entrecruzamientos físicos: Son uniones más débiles, como las que se forman por la atracción entre moléculas de agua o por el enredo de las cadenas. Estos hidrogeles a veces se llaman "reversibles" porque sus uniones pueden deshacerse.
• Entrecruzamientos químicos: Son uniones más fuertes y permanentes, como los enlaces covalentes. Estos hidrogeles se consideran "permanentes".

Un método interesante para crear hidrogeles es usar la luz. Se añaden sustancias llamadas fotoiniciadores a una mezcla líquida. Cuando esta mezcla se expone a la luz, los fotoiniciadores reaccionan y hacen que las cadenas de polímero se unan, formando el hidrogel. Si se quita la luz, la reacción se detiene, lo que permite controlar la dureza del hidrogel. Esta técnica es muy útil en la ingeniería de tejidos, ya que se puede inyectar una mezcla líquida con células en una herida y luego endurecerla con luz.

Los hidrogeles son muy flexibles, parecidos a los tejidos naturales, debido a su alto contenido de agua. Como "materiales inteligentes", pueden liberar sustancias cuando cambian factores como el pH.

Propiedades de los hidrogeles

Las propiedades de los hidrogeles se pueden ajustar cambiando la cantidad de polímero o de agua. Esto permite que sean muy blandos o bastante rígidos, lo que es importante para aplicaciones biomédicas, donde deben coincidir con la dureza de los tejidos del cuerpo.

Los hidrogeles tienen dos propiedades mecánicas principales:

Elasticidad

Los hidrogeles se comportan como un material elástico, similar al caucho. Esto significa que pueden estirarse o comprimirse y volver a su forma original. La elasticidad de un hidrogel depende de la cantidad de cadenas de polímero y de cómo están unidas.

Viscoelasticidad

Además de ser elásticos, los hidrogeles también son viscosos. Esto significa que su comportamiento puede cambiar con el tiempo o con la velocidad a la que se les aplica una fuerza. La parte elástica viene de la red de polímeros, y la parte viscosa viene del movimiento del agua y de las cadenas de polímero dentro del gel.

Poroelasticidad

Esta propiedad se refiere a cómo el agua se mueve a través del hidrogel cuando se le aplica una fuerza. Si se comprime un hidrogel lentamente, parece más blando porque el agua tiene tiempo de moverse. Pero si se comprime rápidamente, parece más rígido porque el agua no puede moverse tan rápido y crea una resistencia. El tamaño de los poros (los pequeños espacios) dentro del hidrogel influye en esta propiedad.

Respuesta a cambios del entorno

Muchos hidrogeles son sensibles a la temperatura. Algunos se vuelven más solubles en agua a temperaturas más altas (como la gelatina que se derrite con el calor), mientras que otros hacen lo contrario: se vuelven más sólidos a temperaturas más altas. Estos últimos son muy interesantes para la medicina, ya que pueden inyectarse líquidos a temperatura ambiente y luego solidificarse dentro del cuerpo a la temperatura corporal. Los hidrogeles también pueden responder a cambios de pH, luz, presión, y otras señales.

Aditivos

Se pueden añadir diferentes sustancias a los hidrogeles para cambiar sus propiedades. Por ejemplo, se pueden añadir nanopartículas o micropartículas para hacerlos más rígidos o para cambiar la temperatura a la que se vuelven gel.

Técnicas de fabricación

Existen varias técnicas para fabricar hidrogeles y optimizar sus propiedades. Algunas de ellas son el electrohilado, la impresión 3D/4D, el autoensamblaje y la fundición por congelación. Una técnica especial es crear hidrogeles con varias capas, cada una con propiedades diferentes, para imitar tejidos complejos como el cartílago.

Otra técnica es el "salado", que consiste en añadir sal a la solución del hidrogel. Esto hace que las cadenas de polímero se agrupen y cristalicen, aumentando la resistencia del hidrogel. Combinando técnicas como la congelación direccional y el salado, se pueden crear hidrogeles muy resistentes, incluso más que algunos materiales como el kevlar o la seda de araña, manteniendo un alto contenido de agua.

Cómo se fabrican los hidrogeles

La fabricación de un hidrogel es un tipo de polimerización (el proceso de unir muchas moléculas pequeñas para formar una grande), pero con algunas particularidades. Además de los ingredientes básicos como el monómero (las unidades pequeñas que se unen) y el iniciador (lo que empieza la reacción), se necesita un "agente entrecruzante" para unir las cadenas de polímero y, a veces, un "desmoldante" para que el hidrogel no se pegue al recipiente.

El agua es el disolvente más común para fabricar hidrogeles. A veces se usan otros disolventes que luego se eliminan para obtener un xerogel (el hidrogel seco), que después se vuelve a hidratar con agua.

Monómeros

Se pueden usar muchos tipos de monómeros para hacer hidrogeles, dependiendo de las propiedades que se quieran obtener. Algunos tienen grupos que no se cargan, otros tienen grupos que sí se cargan (ácidos o bases), y otros tienen grupos con carga positiva y negativa a la vez.

Iniciación

Para que la reacción de polimerización comience, se necesita un iniciador.

• Iniciadores de radicales libres: Son sustancias que producen "radicales libres" (moléculas muy reactivas) que inician una reacción en cadena. Se necesita muy poca cantidad de iniciador.
• Iniciadores iónicos: Se usan cuando los radicales libres no funcionan. Suelen ser compuestos que aceleran mucho la reacción.
• Radiación gamma: Es una técnica muy usada para polímeros que se disuelven en agua. La radiación crea radicales en el polímero, haciendo que se unan. La ventaja es que no se necesita añadir ninguna sustancia química.

Métodos de síntesis

Los hidrogeles se suelen fabricar mezclando monómeros que atraen el agua con otros que no la atraen tanto. Hay dos métodos principales:

• Polimerización en bloque: Se mezclan los monómeros, el iniciador y el agente entrecruzante. El resultado es un polímero sólido.
• Polimerización en disolución: El proceso se realiza en presencia de un disolvente. Si se usa un agente entrecruzante, el resultado es un gel.

Agente entrecruzante

La elección del agente entrecruzante es muy importante porque define las propiedades del hidrogel. Se usa en muy poca cantidad. Estos agentes tienen varios puntos de unión para conectar diferentes cadenas de polímero. Si hay muchos entrecruzamientos, el hidrogel será menos elástico; si hay pocos, será más elástico.

Desmoldante

Para poder sacar el hidrogel del recipiente donde se fabrica, se usa un desmoldante. Es una sustancia que se aplica en la superficie del recipiente para evitar que el hidrogel se pegue.

Cómo se estudian los hidrogeles

Para entender cómo funciona un hidrogel, se realizan estudios físicos y químicos. Los estudios físicos miden su rigidez, fluidez, contenido de agua y cómo se degrada. Los estudios químicos analizan su composición y los productos que se forman si se degrada. Si el hidrogel se va a usar en medicina, también se hacen pruebas en laboratorio (in vitro) para ver si es compatible con los tejidos vivos, y si lo es, a veces se hacen pruebas en seres vivos (in vivo).

Investigación actual

Se están investigando hidrogeles naturales para la ingeniería de tejidos, usando materiales como la agarosa o el hialuronano. También se investiga su uso en la agricultura para liberar lentamente productos químicos como pesticidas y fertilizantes, lo que aumenta su eficiencia y reduce la contaminación.

Los hidrogeles son muy prometedores para la administración de medicamentos. Los sistemas basados en polímeros son biodegradables, compatibles con el cuerpo y no tóxicos. Se han usado materiales como el colágeno o el quitosano para llevar medicamentos a diferentes partes del cuerpo como los ojos, la nariz, los riñones, los pulmones, los intestinos, la piel y el cerebro. El futuro de la investigación se centra en hacer los hidrogeles aún más seguros y en usarlos para administrar sistemas más complejos, como células terapéuticas.

Véase también

En inglés: Hydrogel Facts for Kids