Hydrogel

Hydrogel eines Superabsorbers

Ein Hydrogel ist ein Gel aus einem Polymer, das Wasser binden kann. Die Moleküle, die das Gel aufbauen, sind chemisch, z. B. durch kovalente, supramolekulare oder ionische Bindungen, oder physikalisch, z. B. durch Verschlaufen der Polymerketten, zu einem Netzwerk verknüpft. Kovalent vernetzte Polymere sind zum Beispiel thioliserte Polymere (Thiomere), die durch die Ausbildung von Disulfidbrücken Polymerketten vernetzen.[1] Durch eingebaute hydrophile Polymerkomponenten quellen sie in Wasser unter beträchtlicher Volumenzunahme, ohne aber ihren stofflichen Zusammenhalt zu verlieren.[2][3] Hydrogele, die ein hohes Quellvermögen haben, werden Superabsorber genannt.

Anwendungen

Hydrogele gewinnen durch ihre Biokompatibilität und gewebeähnlichen mechanischen Eigenschaften im biomedizinischen Bereich an Bedeutung.[4] Bekannte Beispiele sind weiche Kontaktlinsen, Intraokularlinsen sowie plastische Implantate.

In der Wundbehandlung, insbesondere zum Feuchthalten oder zur Rehydration trockener Wunden, kommen Hydrogele als Kompressen oder in Form von Tubengelen zum Einsatz. Letztere werden auch im Rahmen des Débridements verwendet, um die Wundreinigung zu fördern. Durch Abgabe von Wasser unterstützen die Hydrogele hierbei körpereigene Prozesse beim Aufweichen und Ausschwemmen von Nekrosen und Belägen.[5]

Als sogenannte Superabsorber sind Hydrogele essentieller Bestandteil moderner Wegwerfwindeln, da sie die einmal aufgenommene Feuchtigkeit binden und auch bei Druck nicht mehr abgeben.

In der Technik besitzen sogenannte smarte Hydrogele ein enormes Entwicklungspotenzial, da sie über integrierte Aktor-Sensor-Eigenschaften verfügen.

In der Agrarwirtschaft stecken große Anwendungspotentiale, besonders in heißen Erdregionen, aber auch in Hinsicht größerer Trockenperioden in Folge der Klimaerwärmung.[6]

Besonders intensiv wird der Einsatz von sogenannten Superabsorber-Hydrogelen untersucht, die die Wasserhaltefähigkeit von Böden verbessern und Pflanzen in Trockenperioden unterstützen können.[7]

Konventionell verwendete Hydrogele basieren meist auf Polyacrylaten, die durch ihre hohe Wasseraufnahmefähigkeit wirksam sind, deren langfristiges Verhalten im Boden jedoch weiter untersucht wird.[6]

Innovative Ansätze verfolgen die Entwicklung biobasierter Hydrogele, insbesondere auf Basis von Lignin. Diese nachwachsende Ressource fällt in großen Mengen als Nebenprodukt der Papier- und Bioraffinerieindustrie an und wird enzymatisch oder chemisch zu vernetzten Hydrogelsystemen verarbeitet. Ligninbasierte Hydrogele sind abbaubar, können die Bodenwasserhaltekapazität steigern und gelten als vielversprechende Alternative für eine nachhaltige Landwirtschaft.[8]

Theorien

Häufig wird das Quellverhalten von Hydrogelen mithilfe von (modifizierten) Flory-Rehner-Modellen beschrieben[9], welche auf dem Flory-Huggins-Modell beruhen.

Einzelnachweise

  1. ↑ C Leichner, M Jelkmann, A Bernkop-Schnürch: Thiolated polymers: Bioinspired polymers utilizing one of the most important bridging structures in nature. In: Adv Drug Deliv Rev. 151–152. Jahrgang, 2019, S. 191–221, doi:10.1016/j.addr.2019.04.007, PMID 31028759 (englisch).
  2. ↑ Eintrag zu Hydrogele. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 14. Juni 2014.
  3. ↑ Enas M. Ahmed: Hydrogel: Preparation, characterization, and applications: A review. In: Journal of Advanced Research. Volume 6, Issue 2, 2015, S. 105–121, doi:10.1016/j.jare.2013.07.006.
  4. ↑ Ein Gewebe fester als Stahl auf spektrum.de, abgerufen am 17. März 2017.
  5. ↑ Kerstin Protz: Moderne Wundversorgung 8. Auflage, Elsevier Verlag, München 2016, ISBN 978-3-437-27885-3, Seite 36
  6. ↑ a b Francesco Puoci: Polymer in Agriculture: A Review. In: American Journal of Agricultural and Biological Sciences. 3. Jahrgang, Nr. 1, 2008, S. 299–314 (englisch, researchgate.net).
  7. ↑ Tommaso Frioni, Pier Giorgio Bonicelli, Clara Ripa, Sergio Tombesi, Stefano Poni: Superabsorbent hydrogels: A new tool for vineyard water management? In: Agricultural Water Management. 306. Jahrgang, 2024, S. 109145, doi:10.1016/j.agwat.2024.109145 (englisch).
  8. ↑ Oliver Haske-Cornelius, Enny Nugroho Prasetyo, Gibson S. Nyanhongo, Georg M. Gubitz: Harnessing the Power of Enzymes for Tailoring and Valorizing Lignin. In: Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 9. Jahrgang, 2021, S. 697310, doi:10.3389/fbioe.2021.697310 (englisch).
  9. ↑ Paul J. Flory, John Rehner: Statistical Mechanics of Cross‐Linked Polymer Networks II. Swelling. In: The Journal of Chemical Physics. Band 11, Nr. 11, November 1943, S. 521–526, doi:10.1063/1.1723792.

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