Содержание

Гидрогель — Гидрогель

ПРОИЗВЕДЕНО В РОССИИ

                                              КОНДИЦИОНЕР ПОЧВЫ — ГИДРОГЕЛЬ

  1. ГИДРОГЕЛЬ – СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕ ВЛАГОЗАДЕРЖИВАЮЩЕЕ СРЕДСТВО

 

1.1. Гидрогель

Гидрогель — это полимер с большим количеством поперечных связей способный поглощать воду.

Его можно сравнить с губкой, с той разницей, что губка при впитывании воды сохраняет постоянный размер, а гидрогель расширяется или сжимается в зависимости от объема поглощенной воды. Таким образом, он функционирует как водный резервуар.

Объем воды, который может поглотить гидрогель, меняется в зависимости от состава впитываемой воды:

  • дистиллированная вода – вес поглощенной воды примерно в 500 раз больше веса гидрогеля;
  • вода с концентрацией солей 1г/л – вес поглощенной воды примерно в 150-200 раз больше веса гидрогеля;
  • вода с концентрацией солей 4г/л – вес поглощенной воды примерно в 90 раз больше веса гидрогеля;
  • морская вода – вес поглощенной воды примерно в 40 раз больше веса гидрогеля.

При использовании в сельском хозяйстве 1г гидрогель, как правило, может поглотить 150-200 мл воды.

рН поглощаемой воды в интервале от 5 до 10 оказывает незначительное воздействие на способность гидрогеля к поглощению.

Однако следует помнить, что показатель рН не отражает солевого состава жидкости, и нейтральное значение рН вовсе не означает, что вода не содержит высоких концентраций солей, которые оказывают отрицательное влияние на способность гидрогеля к поглощению воды.

В 8 % растворе хлорида кальция поглощение гидрогеля уменьшается в 10 раз.

При высоких концентрациях железа и алюминия на поверхности гидрогеля образуется слой, который значительно сокращает его способность удерживать воду.

Гидрогель практически не теряет своих свойств, при кратковременном взаимодействии с водой, находящейся в состоянии кипения. При более длительном взаимодействии в гидрогеле может начаться процесс гидролиза, особенно при высоких значениях рН. Однако влияние гидролиза на эффективность гидрогеля весьма незначительно.

Устойчивость гидрогеля к биодеградации различна и зависит от ряда факторов. В засушливых условиях разрушение гидрогеля незначительно, и гидрогель может эффективно функционировать в почве как минимум 5 лет. Во влажных анаэробных условиях гидрогель может разлагаться под воздействием микроорганизмов, особенно в присутствие ионов двухвалентного железа, восстановленных из сульфатов этими же бактериями. Высокомолекулярные гидрогели особенно чувствительны к данному типу воздействий, так как в них ограничено число поперечных связей.

1.2. Механизм функционирования

Чтобы объяснить, как функционируют гидрогели, рассмотрим упрощенную модель из одной молекулы. Каждую молекулу можно представить в виде параллельных рядов углеродных атомов, между которыми образуются поперечные связи.

При взаимодействии с водой между рядами углеродных атомов возникает электрическое отталкивание, как между полюсами магнита, и ряды расходятся. Это открывает доступ в молекулу большему количеству воды, при этом ряды атомов расходятся еще больше.

В конце концов, это приводит к быстрому разбуханию каждой частички. Вода может извлекаться из гидрогеля при ее испарении или поглощении корневой системой растения. Теряя воду, молекула приобретает свой первоначальный размер. Этот цикл расширения и сжатия молекулы может повторяться много раз.

1.3. Влагозадержание

Как уже ранее указывалось, при концентрации солей 1г/л гидрогель способен удержать воды в 150-200 раз больше, чем его масса.

Были проведены исследования гидрогеля в различных типах почв (песчаных, глинистых, торфяных и т.д.) на предмет способности гидрогеля удерживать воду и на предмет доступности удерживаемой воды для растений.

Установлено, что коэффициент длительного завядания  для гидрогеля равен поглощению воды в количестве, только в 3 раза превышающем его массу. (Количество воды в процентах, при котором растение начинает завядать, называют коэффициентом завядания, или влажностью завядання).Таким образом, можно сделать вывод, что из 200 г воды, удерживаемой одним граммом полимера, около 192 г или 97-98 % её могут использоваться растением.

Для торфяных почв коэффициент длительного завядания соответствует 50% сухого веса гидрогеля, что составляет 13,5% от общего объема удерживаемой гидрогелем воды. Это означает, что 87% этой воды может использоваться растениями.

Кроме этого явного преимущества в доступности воды для растений, гидрогель обладает способностью улучшать влагозадержание не только в почвах любого типа, но и иных средах, используемых для выращивания растений.

Влагозадержание в мл на 1 л почвы

Тип почвы

Контрольный

вариант

При внесении 1-2% гидратированного геля

Процент увеличения

Темные торфяные почвы

       750

                                 800

             7

Торфяной мосс

       600

                                 680

            13

Перлит

       500

                                610

             22

Древесная стружка

        360

                                529

             47

Глинистые почвы

        300

                                440

             46

Песок

        120

                               288

             140

 Чтобы продемонстрировать воздействие гидрогеля на рост растений, были проведены следующие опыты:

Выращивание кустов роз

Объект исследования – гидрогель

Растения — саженцы кустов роз

Метод:

  • № 1 — контрольный опыт с обычной глинистой почвой;
  • № 2 — та же почва с добавлением негидратированного гидрогеляиз расчета 3 г/л;

Емкости — пластиковые горшки объемом 0,5 л

Количество опытов — 10 каждым методом

Удобрения — наносятся распылением

Первоначальный вес в сухом виде:

  • № 1 —  3,4 г на растение;
  • № 2 —  3,0 г на растение.

После 40 дней роста образцы полили и убрали вне досягаемости воды. Изначально на каждом растении были пересчитаны листья, затем через равные промежутки времени производился подсчет завядших листьев. 

После 80 дней роста без полива вся надземная часть растений была срезана, высушена и взвешена. В дальнейшем по сухому весу судили о скорости роста саженцев. Корням давали расти в нормальных условиях культивирования.

Фиксировалось количество образовавшихся листьев после 15 и 30 дней роста.

Результаты:

Таблица 1

Сопротивляемость засухе

Процент завядших листьев

№ опыта

Среднее количество листьев на одном растении

 62

дня

 72

дня

 82

дня

   Вес надземных структур растений в сухом виде

     1

                               111,2

 41

 91

100

              11,1 г. на 10 растений

    2

                               114,8

12

62

72

               11,2 г. на 10 растений

 Таблица 2

Скорость восстановления надземных структур

                                             15   дней                                                                             30   дней

    № опыта

     % погибших растений

    Среднее количество листов

    % погибших растений

    Среднее количество листов

    1

             20

                13,1

             20

                 53

    2

             0

                29,9

             0

                 104

Обсуждение

Между двумя группами растений, подвергнувшихся водному стрессу, наблюдаются явные различия. На первой стадии при нормальной ирригации они развивались одинаково. Однако при имитации условий засухи растения группы, необработанной гидрогелем завяли значительно быстрее. Так как развитие лиственной системы у растений обеих групп было одинаковым, это можно объяснить только наличием дополнительных запасов воды в гидрогеле.

После периода водного стресса, когда оставленные корни растений вновь стали развиваться в нормальных условиях, ни одно из растений, обработанных гидрогелем, не погибло; в то время как в другой группе погибло 20% растений.

Кроме того, и скорость роста в группе, обработанной гидрогелем, оказалась намного больше, если использовать в качестве критерия скорости роста среднее количество листьев на одном растении. Ясно видно, что почва, обработанная гидрогелем, имеет менее плотную текстуру и лучший сток.

Выводы

Внесение в почву гидрогеля из расчета 3 г/л позволило кустам роз повысить свою сопротивляемость засухе на 30%. Кроме того, были полностью исключены случаи гибели растений, а также улучшились аэрация и сток.

Выращивание поинсетиусов

Объект испытания – гидрогель

Растения — красные, розовые и белые поинсетиусы

Метод:

  • 1-я партия — контрольный опыт, один полив в неделю в течение четырех недель после пересадки;100 красных,100 белых и 100 розовых цветов.
  • 2-я партия — контрольный опыт, два полива в неделю в течение четырех недель после пересадки; 100 красных,100 белых и 100 розовых цветов.
  • 3-я партия — испытываемые образцы, полив как у 1-й партии; выращиваются в почве, обработанной раствором гидрогеля концентрации 1 г/л; 100 красных,100 белых и 100 розовых цветов.

Результаты

После 30-40 дней роста разница была очевидной и составила между растениями 1-й и 3-й партий 7-10 дней полного вегетативного роста (более 40 дней) или 10-15 см высоты растений. Во 2-й и 3-ей партиях растения развивались практически одинаково.

Обсуждение

Принимая во внимание, что при поливах использовались абсолютно одинаковые объемы воды, можно сделать следующие выводы:

  • гидрогель обеспечивает сохранение воды в почве, где она использовалась растениями, а не терялась из-за ее стока на большую глубину. Эффект в этом случае был равен увеличению полива в 2 раза. Следует учесть и экономию труда за счет сокращения вдвое времени, необходимого для полива.
  • гидрогель стимулирует быстрый рост посевов и, таким образом, делает возможной более раннюю продажу урожая, что очень важно с коммерческой точки зрения.

1.4. Совместимость с удобрениями

Гидрогель, помимо своей способности функционировать в качестве водного резервуара, может одновременно сохранять и отдавать растениям питательные вещества, растворенные в воде. Однако не следует забывать, что при наличии солей способность гидрогеля поглощать воду снижается. Особенно высокие концентрации минеральных солей могут снизить эту способность до такой степени, что будет необходимо увеличить дозу гидрогеля.

Основные химические вещества, которые влияют на гидрогель — железо, фосфаты и известь. При их высокой концентрации в воде для достижения необходимых показателей влагозадержания доза гидрогеля должна быть увеличена в 4 раза.  

Поэтому рекомендуется определять способности гидрогеля удерживать влагу для данных конкретных условий. Применяемые обычно дозы удобрений, как правило, не превышают концентрации солей, совместимых с гидрогелем. Однако не следует смешивать гидрогель с концентрированными удобрениями, а также лучше использовать удобрения медленного воздействия. Питательные вещества, впитанные гидрогелем, поступают к растениям постепенно в течение довольно длительного периода. Даже, при значительных осадках они удерживаются внутри гидрогеля и не вымываются. Это является большим преимуществом в условиях, где потеря питательных веществ является большой проблемой.

Таким образом, гидрогель одновременно является резервуаром и для воды, и для питательных веществ, что стимулирует рост растений и защищает их от водного стресса.

Чтобы продемонстрировать это были проведены следующие опыты на томатах. Главной целью являлось подтверждение того, что питательные вещества, поглощенные гидрогелем не накапливались им в значительных концентрациях, а отдавались растениям.

Объект исследования – гидрогель

Растения — томаты, 30-дневные растения высотой 10 см

Метод:

Растения были пересажены в емкости с различными «почвами».

  1. Перлит и гидратированный гидрогель смешанные в пропорции 50:50. Вода, использованная для гидратации гидрогеля, не содержала питательных веществ.
  2. Перлит и гидратированный гидрогель, смешанные в пропорции 50:50. Вода, использованная для гидратации гидрогеля, содержала удобрения из расчета 3 г/л.
  3. Только перлит.

При первом поливе каждое растение получило удобрения в размере, равном указанному в п.2

Емкости — пластиковые горшки по 1 л

Количество образцов — 10 каждого вида

Вода — весь период культивации 1 полив в день водой, не содержащей удобрения.

Результаты

Через 30 дней сравнивали развитие растений всех трех групп, взвесив их надземные части сразу после срезания и в сухом виде. Затем выводили средний вес для каждой партии.

Средний вес в граммах надземных структур растений

№ партии

Вес сразу после срезания (граммов)

Сухой вес (граммов)

Партия 1

                           13,4

            2,7

Партия 2

                           86,0

           12,2

Партия 3

                           74,6

             11,7

Разница между партиями 1 и 2 была очевидной.

Рост растений 1-й партии приостановился по сравнению с партией 2, где развитие на протяжении всего периода испытаний шло нормально.

На первых стадиях растения 3-й партии росли со скоростью, равной скорости роста растений 2-й партии. Однако далее рост партии 3 по сравнению с партией 2 замедлился, что подтвердило тот факт, что во 2-й партии растения все еще получали питательные вещества, а у растений 3-й партии их запас практически иссяк.

Выводы

Эти результаты подтвердили, что питательные вещества, накапливаемые внутри гидрогеля, могут в дальнейшем использоваться растениями. Кроме того, они отпускаются гидрогелем медленно вместе с водой.

По сравнению с перлитом разница была очевидна. Удобрения, внесенные в перлит, в начале использовались растениями, но затем вымывались. После 30 дней растениям явно не хватало удобрений, чего нельзя сказать о растениях, выращиваемых с использованием гидрогеля.

1.5. Воздействие на структуру почвы

В тяжелых почвах, которые содержат, как правило, много глины, развитие растений может быть затруднено нехваткой кислорода или избытком углекислого газа и недостаточным стоком, что приводит к выпреванию растений. Напротив, почвы с очень легкой структурой могут обеспечивать хорошую аэрацию, но не могут задерживать достаточно воды.

Гидрогель способен улучшить структуру почв обоих типов. В тяжелых почвах частицы гидрогеля, разбухая и впитывая воду, раздвигают структуру почвы, что приводит к улучшению аэрации и стока. В песчаных почвах воздействие гидрогеля значительно увеличивает влагозадержание. Как только гидрогель разбухает до своих максимальных размеров, лишняя вода просачивается дальше вглубь почвы. Значит, присутствие гидрогеля помогает улучшить структуру песчаных почв, при этом риска создания слишком плотной структуры, ведущей к гниению растений, не возникает.        

Эффект использования гидрогеля для обработки почв обоих типов — это улучшение их структуры, что положительно сказывается на развитии растений:

  • лучший сток
  • лучшая аэрация
  • лучшее снабжение растений водой

1.6. Практическое использование гидрогеля

За последние годы в целом ряде стран, был накоплен некоторый опыт использования гидрогеля. Этот опыт подтвердил положительное воздействие гидрогеля в частности на снижение гибели растений примерно на 100% и поддержание их устойчивого роста в 80% случаев.

Многие пользователи установили, что можно полностью избежать гибели растений после пересадки и сократить время созревания на 20%.

Как правило, развитие растений ускоряется, улучшается их качество, и сокращаются потери воды.

Эти факты дали толчок дальнейшим исследованиям с целью отыскать другие сферы сельского хозяйства, где применение гидрогеля может дать положительные результаты.

 

  1. СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ГИДРОГЕЛЕЙ

2.1. Добавление гидрогеля к приготовленной почве

Выращивание растений в емкостях (цветочных горшках и т.п.) имеет 2 характерные особенности, которые отличают его от культивирования растений в открытом грунте.

Во-первых, объем почвы, которую может использовать растение, намного меньше, и нет такой глубины почвы, как в открытом грунте. Это означает, что воды и питательных веществ запасается намного меньше. Поэтому, чтобы достичь определенного уровня развития, растения нужно регулярно поливать и удобрять.

Во-вторых, в открытом грунте корневая система растений может свободно развиваться, чтобы достигать глубинных источников воды, а в емкостях это невозможно. В них корни развиваются по кругу, что ухудшает аэрацию и сток.

В почвах всех типов доступность воды уменьшается по мере их уплотнения с глубиной, то есть глубинные плотные слои почвы содержат меньше воды доступной для растений, чем поверхностные слои с множеством пор.

Кондиционер почвы должен улучшать ее физические свойства, снижая ее плотность, увеличивая количество пор, а, следовательно, и содержание в ней воды и воздуха. Эти свойства и придает почве гидрогель. При этом:

  • увеличивается количество воды доступной растениям;
  • резервы воды защищают растения от водного стресса;
  • улучшается аэрация.

Надо помнить, что доза вносимого в почву гидрогеля зависит от концентрации в ней солей, которую непременно следует учитывать.

Способ применения

Обычно гидрогель смешивается с грунтом до заполнения им емкостей. Существует 2 метода смешивания:

  1. Сухой метод. Смешивание производят из расчета 1 кг гидрогеля на 1 кубический метр почвы.
  2. Влажный метод. Гель разводят в воде или растворе удобрения, выдерживают около часа и добавляют в почву из расчета 300-500 г сухого продукта на 1 кубический метр почвы. Затем тщательно перемешивают.

2.2. Пересадка

Здесь можно отдельно рассмотреть пересадку деревьев и кустарников и высадку рассады однолетних растений в грунт.

2.2.1. Пересадка деревьев и кустарников

При пересадке деревьев и кустарников необходим постоянный полив, чтобы их корневая система восстановилась. Проблема частого полива особенно остро встает в засушливых регионах с песчаными почвами.

Опыт показывает, что применение гидрогеля может снизить гибель растений на 1-30% при тех же условиях.

Способ применения

Обычная доза составляет 1-1,5 кг гидрогеля на кубический метр почвы. Рассчитанную дозу гидрогеля помещают на дно ямки под растение и тщательно перемешивают с почвой. Ямку заливают водой, чтобы дать гидрогелю разбухнуть. Затем растение помещают в ямку и присыпают землей. В случаях, для которых типична частая гибель растений по причине водного стресса, почву вокруг растения также обрабатывают гидрогелем из расчета 1,5 кг на кубический метр. Первоначально поливают деревья обильно, чтобы максимально использовать влагозадерживающий потенциал гидрогеля. При использовании сухого гидрогеля важно не превысить дозу, что может привести к тому, что почва потрескается, а растение может даже быть вытеснено из грунта. Надо помнить, что100 г гидрогеля могут поглотить 50 литров воды и увеличиться в размере соответствующим образом.

Можно применять гидрогель, предварительно смешанный с водой. Это обеспечивает нормальную влажность почвы, но этот метод более трудоемкий, и его лучше использовать на песчаных почвах. Доза зависит от размера емкости, из которой пересаживается растение. С другой стороны, использование предварительно набухшего гидрогеля более экономично, так как позволяет снизить дозу сухого продукта.

Гидрогель подходит для деревьев и кустарников всех типов. На настоящий момент наилучшие результаты были достигнуты при обработке цитрусовых деревьев, тропических фруктов, хвойных деревьев, роз и камелий.

Гидрогель не вызывает гниения корней и стагнации в почве.

2.2.2. Высадка однолетних растений в грунт

Этот метод используется при высадке в грунт черенков и рассады. Он очень экономичен, так как одним килограммом гидрогеля можно обработать почву для 5000-8000 саженцев однолетних растений или 3000 черенков.

Способ применения

Готовят гель из расчета 30 г гидрогеля на 10 л воды. Дают гидрогелю около 30 минут для набухания. В некоторых случаях 1 кг такого геля может заменить 280 л ирригационной воды. Корни растения глубоко погружают в гель, далее производят посадку обычным способом.

В лесоводстве особенно эффективно помещать саженцы после их изъятия из емкости в неглубокий контейнер, дно которого покрыто слоем геля в 2,5 см. После этого саженцы приживаются в грунте лучше, в случае необходимости они могут оставаться в контейнере с гелем в течение недели без дополнительного полива.

2.3. Транспортировка растений на дальние расстояния

Для современной экономики транспортировка растений на дальние расстояния дело обычное. Очевидно, что при длительной транспортировке возникает проблема обеспечения растений достаточными запасами воды. Гидрогель предоставляет месячный запас воды без риска разлить ее.

Для этого дно водонепроницаемой емкости покрывают слоем гидратированного гидрогеля толщиной 25 см (50 г на 26 л воды), который является довольно твердым. Растения вынимают из прежних емкостей и помещают их корни и окружающие их участки почвы в гель, стараясь не повредить корни. Можно укрепить растения картоном или другим пористым материалом, разместив его вокруг участков корней. Это также облегчит изъятие растений из емкости и их разъединение после транспортировки.

Эта же система может применяться при транспортировке растений с голыми корнями. Предварительно необходимо удостовериться, что гель достаточно плотный, чтобы обеспечить хорошую аэрацию корней. Для поддержки растений в геле можно использовать пористый материал, размещенный вокруг каждого корня.

Растения с голыми корнями могут сохраняться в прекрасном состоянии до 14 дней.

2.4. Мульчирование почвы для деревьев и кустарников

Использование мульчи для обработки поверхности вокруг некоторых видов растений является обычной практикой. Это снижает потери поверхностных вод и улучшает питание верхних корней. Использование гидрогеля в качестве мульчи снижает испарение воды на 90 процентов. Этот метод подходит для всех деревьев и кустарников с поверхностной корневой системой.

Для этого удаляют поверхностный слой почвы вокруг ствола и обсыпают ствол гидратированным гидрогелем. Для этого используют твердый гель, как это рекомендовалось выше (50 г на 16 л). Сверху гель присыпают слоем земли и листьев. Этот слой листьев, земли или компоста защищает гидрогель от ультрафиолетовых лучей, которые могут разрушить его за 6 месяцев. Если же мульча хорошо защищена, она будет функционировать несколько лет. В случае использования удобрений, их следует вносить или под мульчу, или в виде приготовленного очень жидкого раствора. Для цитрусовых деревьев обычная доза мульчи — 4,5-9 л для 1,5-метровых деревьев и 25-45 л для деревьев высотой 3 м.

МУЛЬЧИРОВАНИЕ

2.5. Обработка семян

Гидрогель существует в модификации очень мелких частиц (порошка). Это тип, который специально предназначен для обработки семян. Обрабатываться могут семена хлопка, злаковых культур и люцерны.

Обработка семян гидрогелем улучшает их прорастание на 25%, сокращает время прорастания, стимулирует развитие корневой системы на ранних стадиях роста и ускоряет на 2-3 недели созревание урожая.

Для этого гидрогель тщательно перемешивается с семенами. При этом порошок гидрогеля пристает к поверхности семян благодаря электростатическому притяжению. Обычно для смешивания используют барабанный смеситель. Очень важно, чтобы во время смешивания и посева влажность семян была минимальной, так как при намокании гидрогель перестает прилипать к семенам, и это сильно затрудняет его использование.

Предварительно необходимо проверить сухость смесителя и не производить смешивание при высокой влажности (если она превышает 76%). После смешивания семена необходимо хранить в воздухонепроницаемом контейнере.

Обычно используются следующие дозы:

  • Пшеница — 1 кг на 400 кг семян
  • Сорго — 1 кг на 200 кг семян
  • Хлопок — 1 кг на 200 кг семян
  • Кукуруза— 1 кг на 250 кг семян
  • Соя — 1 кг на 250 кг семян
  • Люцерна — 1 кг на 150 кг семян

Усредненные данные:

  • 1 кг на 100 кг мелких семян;
  • 200 кг средних и 250 кг более крупных.

2.6. Прямое добавление в почву при экстенсивном хозяйстве

Этот метод пока является экспериментальным. Его разработка может дать возможность выращивать культуры без ирригации в регионах, где природных осадков недостаточно из-за стока воды, ее испарения или длительных, засушливых периодов.

Гидрогель не может заменить воду, но может обеспечить наиболее эффективное использование имеющихся запасов. В этих целях при обработке посевов хлопка, сои, жожоба и цитрусовых используется доза в 50-60 кг на гектар. При использовании на песчаных почвах доза может быть увеличена вплоть до 400 кг на гектар.

Способ внесения гидрогеля в почву зависит от имеющегося оборудования. Существует 2 наиболее распространенных метода:

Внесение в почву сухого гидрогеля.

Для этого гидрогель равномерно рассыпают по почве, и после вспашки он оказывается на глубине 10-30 см. Этот метод используют тогда, когда необходимо получить эффект в более отдаленный период, так как прежде, чем начать действовать, гидрогель должен накопить воду. После набухания гидрогеля улучшается структура почвы и ее влагозадерживающие свойства. В условиях почв с очень плохим стоком гидрогель можно смешать с песком. Но этот метод нельзя применять непосредственно перед вспахиванием.

Внесение влажного гидрогеля.

При этом гидрогель сначала подвергается гидратации до увеличения массы полимера в 100 раз (около 1 часа), а затем распыляется на почву. Почву затем вспахивают, и гидрогель оказывается на глубине 10-30 см. Этот метод можно использовать и непосредственно перед вспахиванием почвы.

Данный прием позволяет экономить воду ирригационных систем, так как он снижает потери воды, происходящие из-за неспособности почв удерживать влагу.

  1. Для растений с поверхностной корневой системой гидрогель распределяется по поверхности почвы из расчета 20 кг на метр полосами шириной в 15 см ниже предполагаемой борозды.
  2. Для растений с более глубокими корневыми системами слой гидрогель необходимо помещать на глубину 30-45 см. Этого можно добиться только при глубоком вспахивании.
  3. Для деревьев и кустарников готовят ямки глубиной не менее метра. В каждую ямку добавляют по 100 г перемешанного с землей гидрогеля. Следует отметить, что этот метод не подходит для почв с высоким содержанием глины.
  4. Для посаженных ранее деревьев и кустарников между рядами деревьев прорывают канавки максимальной глубины, на дно которых помещают перемешанный с землей гидрогеля из расчета 20 г на метр. Канавки засыпают землей.

Экономическую эффективность данного метода рассчитывают индивидуально для каждого типа ирригационных систем. Стоимость воды, количество сэкономленной воды и прочие выгоды должны сравниваться со стоимостью использования данной ирригационной системы.

В настоящее время в некоторых регионах появилось специальное оборудование для внесения гидрогеля на нужную глубину. Данные машины способны вносить гидрогель под земляной слой шириной в 20-120 дюймов.

Они могут быть настроены для работы, как с сухим, так и с гидратированным гидрогелем.

Знания, накопленные на настоящий момент, подтверждают, что гидрогель действует несколько лет, если только он не подвергнется воздействию ультрафиолетовых лучей.

Биологическое разложение гидрогеля незначительно. За счет биодеградации возможно снижение эффективности действия гидрогеля максимум на 10-15 %. Этот процесс продолжается несколько месяцев, после чего продукт переходит в стабильное инертное состояние.

2.7. Вегетативное размножение

Гидрогель может использоваться в качестве источника воды для черенков. Это обеспечивает им стабильное поступление воды и улучшает развитие их корневой системы. Для этого гидрогель перемешивают с субстратом, внося его в концентрации не более 25% от веса смеси (при использовании гидрогеля в гидратированном виде). После чего количество поливов можно сокращать без угрозы водного стресса для черенков.

2.8. Гидромульчирование

Эффективность использования гидрогеля для гидромульчирования подтверждалась много раз. Оно улучшает прорастание и развитие растений на первых стадиях роста, сокращает частоту поливов и способствует закреплению гидромульчи на одном месте. Это особенно эффективно в условиях регионов, в которых характерна нехватка воды; для песчаных почв с быстрым стоком вод и прочими свойствами, усугубляющими нехватку воды.

Гидрогель добавляют в бак с гидромульчей из расчета 10 кг на 3500 литров, перемешивают 10 минут, а затем вносят в почву обычным способом.

2.9. Гидросев

Гидрогель добавляется в бак с семенами из расчета 1 кг на 300 литров. Количество используемой воды сокращается в этом случае на 80%, что позволяет использовать один бак для посева на площади в 8 раз больше обычной. Так как гидрогель находится в непосредственной близости к семенам, то это исключает потери воды через перколяцию. Скорость прорастания повышается на 40% по сравнению с необработанными семенами, возрастает и коэффициент всхожести. Лучший рост и укрепление корневой системы способствуют более раннему созреванию урожая.

2.10. Сев с использованием геля

Проращенные семена смешивают с гидратированным гидрогелем в соотношении 1 часть семян к 4 частям геля. После чего производят посев. При этом способе нельзя использовать не проращенные семена.

2.11. Лесоводство

Для лесоводства особое значение имеет ранее уже описанный метод транспортировки растений на большие расстояния. Он обеспечивает каждое растение или саженец необходимыми водными запасами. Это позволяет существенно снизить гибель молодых деревьев и продлить сезон их посадки.

2.12. Подготовка скаковых дорожек

На приготовленную почву наносят гидрогель из расчета 10-50 г на квадратный метр в зависимости от типа почвы. Затем смешивают гидрогель с почвой, используя грабли. Сверху обычным способом укладывают турф и тщательно поливают, чтобы гидрогель начал действовать. Это приводит к снижению потребности в воде на 60% в летнее время и на 90-95% в зимнее. У турфа быстрее развивается корневая система и не возникает проблем с водой.

2.13. Газоны

Метод аналогичен предыдущему. Используется та же дозировка гидрогеля.

Однако рекомендуется сначала перемешать гидрогель с землей, а затем сверху присыпать еще 10-30 см земли, чтобы защитить гидрогель от воздействия ультрафиолетовых лучей. После чего семена высевают обычным способом и поливают водой. После полива семена начинают прорастать, а частицы гидрогеля увеличиваться в размере. Эффективное действие гидрогеля начинается после прорастания семян и образования у них корневой системы.

Гидрогель используется в количества 10-100 г на квадратный метр. В настоящее время имеется специальное оборудование для внесения гидрогеля на необходимую глубину под уже существующий газон.

При использовании гидрогеля количество поливов необходимо уменьшить. Не рекомендуется также использовать удобрение прежде, чем трава подрастет до определенного размера.

2.14. Создание искусственных ландшафтов, парков и садов

Вносить гидрогель можно с использованием обычного оборудования из расчета 500-1500 г гидрогеля на кубический метр почвы в зависимости от свойств  почвы и типа растений, которые будут выращиваться.

Первоначальный запас воды в гидрогеле может быть обеспечен за счет его предварительной гидратации (до увеличения массы гидрогеля в 150 раз). В этом случае гидратированный гидрогель смешивают с почвой из расчета 20 % гидрогеля от веса смеси. Кроме того, можно смешать сухой гидрогель с землей, а затем тщательно полить почву в течение 1-2 часов. При использовании данного метода следует быть очень осторожным, так как чрезмерное набухание гидрогеля может привести к эрозии почвы.

В любом случае важно как можно быстрее обеспечить хорошую гидратацию гидрогеля для стабилизации почвы.

  1. ПРИМЕЧАНИЕ

При использовании гидрогеля в каждом конкретном случае необходимо готовить различную консистенцию геля.

Гидрогели достигают полного насыщения водой в течение трех часов. Гель готовиться, как правило, из расчета 30 г гидрогеля на 10 л воды. Для получения менее насыщенного геля нужно добавить воды на 25% больше. Максимальное поглощение воды достигается, в случае если точно рассчитанную массу гидрогеля добавить в точно рассчитанный объем воды и оставить на ночь. Оставшуюся воду можно измерить и вычислить уровень поглощения на грамм гидрогеля.

При использовании гидрогеля вместе с растворимыми удобрениями доза гидрогеля должна быть увеличена в 2, 3 или 4 раза.

  1. МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ

На предмет исследования токсичности гидрогеля проводилось большое количество экспериментов. Было установлено, что данный гидрогель не токсичен. Так, смертельная доза гидрогеля для мыши превышает 10 г на 1 кг. Гидрогель, практически, не переваривается и проходит через пищеварительный тракт.

Однако при работе с сухим порошком гидрогеля рекомендуется надевать защитную маску и перчатки, так как могут возникать раздражения. При попадании гидрогеля в глаза необходимо тщательно промыть их водой. В гидратированной форме гидрогель не раздражает глаз. В случае поражения бронхиальных путей при вдыхании гидрогеля следует обратиться к врачу.

При работе с гидратированным гидрогелем, растворенным в солевых растворах, возможны раздражения кожных покровов за счет солей. Поэтому рекомендуется носить защитные перчатки, а пораженные участки тщательно обрабатывать водой с мылом.

Есть одна опасность, о которой не следует забывать. Несмотря на то, что продукт не токсичен, при его попадании внутрь в количестве 10 г и более, гидрогель будет поглощать воду внутри пищеварительного тракта.

Следует отметить, что его способность к поглощению будет значительно снижена в условиях кислотной среды желудка. Однако при потреблении больших доз жидкости в желудке начнется процесс гидратации гидрогеля. Поэтому пострадавшему следует оказать медицинскую помощь. Вызвать рвоту, используя при этом минимальное количество воды и сократить на время количество потребляемой жидкости.

ХРАНИТЬ В НЕДОСТУПНОМ ДЛЯ ДЕТЕЙ МЕСТЕ!

Пожары

В случае возникновения пожаров для тушения нельзя использовать воду, так как это приведет к гидратации гидрогеля и как результат сделает пол очень скользким. Для тушения пожара следует использовать углекислый газ или порошок.

Гидрогель следует хранить вдали от сильных окислителей.

Советы по эксплуатации

Не допускайте взаимодействия гидрогеля с водой, так как это приведет к образованию геля, и сделает поверхность очень скользкой. В случае рассыпания продукта проведите сухую уборку.

ВНИМАНИЕ: Этот текст неизвестного автора и взят в свободном доступе из интернета.

Что такое гидрогель и как его использовать в саду, огороде, цветнике

Чтобы вода не испарялась зря, а максимально эффективно питала корни растений и при этом не застаивалась в почве, ученые придумали гидрогель, применение которого выгодно и удобно.

Многие дачники наверняка слышали об этой «поилке» для растений, а некоторые садоводы уже во всю используют ее на своем участке. Давайте разберемся во всех тонкостях примнения гидрогеля.

Гидрогель для растений: что это такое?

Простыми словами, аквагель, или гидрогель – это вещество, поглощающее влагу, чтобы затем подпитывать ею растения. Его выпускают в виде порошка или гранул (иногда в жидкой форме), которые при контакте с водой разбухают, значительно увеличиваясь в объеме. «Готовый» гидрогель напоминает бесцветное прозрачное желе.

Гидрогель безвреден и экологичен: после того, как «миссия выполнена», он полностью разлагается, не нанося вреда окружающей среде.

Каким бывает гидрогель?

Сразу расставим точки над «i». На рынке товаров для сада и огорода часто можно встретить так называемый аквагрунт, продающийся в виде разноцветных гранул, которые при набухании превращаются в яркие прозрачные шарики. Продавцы зачастую называют его гидрогелем, тем самым приписывая аквагрунту полезные свойства «садового помощника» и вводя в заблуждение доверчивых покупателей.

Аквагрунт обладает лишь декоративными качествами. Его нельзя использовать для выращивания растений, но можно создавать композиции, например, поместив вместо воды в вазу со свежими цветами разноцветные шарики.

«Правильный» гранулированный гидрогель в сухом виде представляет собой мелкую белую крошку. Твердые крупинки имеют разную форму, а после того, как впитают влагу, увеличиваются в 200-300 раз и трансформируются в зернистую желеобразную массу. Такой гидрогель применяют как субстрат или вносят в грунт: корешки растений проникают в гелевый «резервуар» и берут столько влаги, сколько необходимо. При этом вода в геле не застаивается и не испаряется.

Жидкий гидрогель

в наших краях применяется не так часто. До «приготовления» он выглядит так же, как и обычный гидрогель, но после добавления воды не разбухает, а растворяется в ней. В жидком гидрогеле смачивают семена перед посевом для ускорения всхожести сеянцев. А вот проращивать семена в нем не стоит: жидкий гидрогель обволакивает семя, затрудняя доступ кислорода.

Плюсы и минусы гидрогеля

Как и у всего в мире, у гидрогеля есть свои преимущества и недостатки. Начнем с плюсов:

  • всхожесть ускоряется, рассада вырастает на 1-2 недели быстрее, чем при выращивании в грунте без гидрогеля, а урожай увеличивается;
  • если вымочить гранулы в жидком удобрении, растения получат долговременную полезную подпитку;
  • грунт с примесью гидрогеля сохраняет рыхлую структуру, а значит, корням растений в нем, как говорится, дышится легко и свободно;
  • в открытом грунте (при внесении в почву гидрогеля) приживаемость саженцев составляет 95-98%, а посеянный газон сохраняет декоративность на протяжении всего сезона;
  • экономическая выгода: на 1 л почвы расходуется всего 0,8-1,6 г сухого вещества.

А теперь – о минусах гранулированного гидрогеля:

  • в нем нельзя проращивать семена с твердой кожистой оболочкой: душистый горошек, бобы, фасоль;
  • при длительном воздействии солнечных лучей на гидрогеле может появиться плесень;
  • выращивать растение в чистом гидрогеле можно не более 2 лет, после чего его необходимо заменить.

Как видите, достоинств у этого чудо-геля намного больше, чем недостатков, так почему бы не испытать его на практике?

Как использовать гидрогель?

Есть несколько сфер применения гидрогеля в выращивании растений:

1. Проращивание семян

Намокший гидрогель измельчите до однородности и выложите слоем толщиной 3 см на дно прозрачной емкости. Семена слегка вдавите в гелевую массу и накройте контейнер полиэтиленовой пленкой. Ежедневно поднимайте пленку для удаления конденсата.

Используя гидрогель, следите за тем, чтобы гранулы не просыпались на пол или на садовую дорожку, иначе появится риск поскользнуться на разбухшем геле.

2. Выращивание рассады

К 4 частям грунта добавьте 1 часть сухих гранул гидрогеля и всыпьте почвенную смесь в емкости для рассады, не досыпая 0,5-1 см до края. Затем посейте семена на рассаду как обычно, полейте водой.

При желании можно посеять семена сразу в готовый гидрогель, но в таком случае в фазе семядольных листьев вам придется пересадить сеянцы в почвенную смесь. Делайте это аккуратно, не очищая корешок от гранул.

3. Пикировка и высадка рассады в грунт

При пикировке или перед «переездом» рассады на улицу окуните корни саженца в гидрогелевую массу. Это улучшит приживаемость растения на новом месте. Также гидрогель вносят в почву при посадке саженцев или посеве семян в теплице и в открытом грунте.

Для внесения в почву в саду или огороде удобнее использовать сухие гранулы гидрогеля. При работе с комнатными растениями гель лучше заранее размочить.

Нормы расхода гидрогеля
Растение Дозировка Способ применения
Мелкие садовые цветы, зелень (петрушка, укроп) 20-30 г сухих гранул на 1 кв.м Вносить при посеве, затем обильно полить.
Редис 5-10 г сухих гранул на 1 погонный метр борозды или 0,2-0,5 г на 1 растение
Горох, морковь 3-5 г сухих гранул на 1 погонный метр борозды или 0,2-0,3 г на 1 растение
Свекла 0,3 г сухих гранул на 1 растение
Картофель 2-3 г сухих гранул на 1 куст Вносить на глубину посадки радиусом 15-20 см, затем обильно полить.
Огурцы, кабачки, тыква, арбуз 0,5-1 г сухих гранул или 100-150 мл готового геля (10 г сухих гранул  на 2 л воды) на 1 кв.м Сухой вносят при посеве семян, готовый – при высадке рассады.
Томаты (при высадке в теплицу) 0,5-1 г сухих гранул или 100-150 мл готового геля (10 г сухих гранул  на 2 л воды) Сухой вносить на дно лунки или обмакнуть корни в готовый гель, а остатки вылить в лунку.
Газонная трава 50 г сухих гранул на 1 кв.м Насыпать под рулоны газона при укладке.

Не выбрасывайте гидрогель после того, как использовали его для проращивания семян. Положите массу в почвенную смесь для рассады, а затем можно высыпать его остатки в лунки при высадке растений в грунт.

Во время дождя, полива, выпадения росы гидрогель аккумулирует влагу: 1 г сухих гранул впитывает до 200 мл воды, поэтому даже при нечастых дождях от поливов можно отказаться.

Если у вас остались неиспользованные гранулы, упакуйте их герметично и положите в холодильник. Со временем они уменьшатся в размере и кристаллизуются.

«ЭКОПОЧВА» | Наука и жизнь

Наука и жизнь // Иллюстрации

— Это потрясающе! Фантастика! Неужели растения могут жить в этой среде?! — такие возгласы удивленных посетителей многочисленных выставок, где мы демонстрировали наши композиции живых цветов в гидрогеле, сопровождали нас постоянно. Поэтому мы написали эту статью…

Гидрогель — это новое поколение материалов, обладающих уникальной способностью поглощать и удерживать при набухании до 2-х л дистиллированной воды на 10 г полимера или около 0,11 л питательного раствора на 1 г препарата. Наиболее распространены гели на основе полиакриламида. Они инертны, не токсичны, сохраняют свои свойства при высоких и низких температурах в почве в течение пяти лет и, в конце концов, распадаются на углекислый газ, воду и аммиак. Во многих странах мира их производят и применяют в коммерческих масштабах. В нашей стране работы по созданию сильно набухающих полимерных гидрогелей были начаты в начале восьмидесятых годов в Институте химической физики АН СССР под руководством профессора К. С. Казанского.

Гидрогель же абсолютно стерилен. Он делает доступным для всех самые смелые эксперименты по семенному и вегетативному размножению растений и гибридов. В принципе, гидрогель позволяет прямо дома или на даче использовать последние достижения по культивированию растений, их тканей, органов и клеток in vitro.

Этот универсальный гидрогель, который мы предлагаем читателю, производят в Великобритании. Поэтому его молено использовать и как добавку в почву, и как среду для содержания комнатных растений, и для проращивания семян, и укоренения черенков. Из-за того, что новинку молено применять в чистом виде, а не только в смеси с грунтом, мы назвали его «ЭКОПОЧВА». При внесении в виде порошка или набухших гранул «ЭКОПОЧВЫ» в корнеобитаемый слой земли во время полива и дождя частицы геля забирают и удерживают влагу, а потом постепенно отдают ее растениям. Таким образом, значительно снижаются потери воды на инфильтрацию и испарение, уменьшается вымывание элементов питания, ослабляется засоление почвы и улучшаются условия аэрации.

Мировая практика показала, что весьма эффективно применение «ЭКОПОЧВЫ» для проращивания семян в домашних условиях. Гидрогель способствует усилению поступления воды в семена, в результате чего ускоряется их набухание и прорастание, повышается всхожесть. В мягкой среде гидрогеля не травмируется корешок растения, обычно ухватывающий гранулу и вместе с ней пересаживаемый в грунт, чем значительно снижается «пересадочный шок» при пикировании. Быстрее разрастается корневая система, ускоряется рост и развитие растений, снижается поражаемость болезнями, так как «ЭКОПОЧВА» совершенно стерильна.

Весьма эффектно применение «ЭКОПОЧВЫ» для комнатных растений и создания разнообразных композиций. Любой прозрачный сосуд, заполненный бесцветными или окрашенными гранулами гидрогеля, является сам по себе замечательным украшением, а посаженный в него цветок приобретает совершенно фантастический вид. Применение гидрогеля открывает новые возможности для фитодизайна, создания настоящих произведений из стекла, живых растений и срезанных цветов.

Приведем некоторые практические советы по пересадке, выращиванию и уходу за растениями в «ЭКОПОЧВЕ». Перед посадкой в гидрогель корни растения надо тщательно отмыть от земли. Чем гуще и тоньше корешки у пересаживаемого растения, тем сложнее подготовить его к пересадке, не травмируя корневую систему. Поэтому мы рекомендуем, до приобретения определенного опыта, начать с растений, имеющих толстые основные корни или выращенных с применением гидропоники. Ни в коем случае нельзя заливать гидрогель водой, так как это препятствует поступлению воздуха между гранулами и ухудшает условия аэрации. Структура гидрогеля должна представлять собой четко выраженные гранулы. Для уменьшения испарения с поверхности гидрогеля и, следовательно, более редкого полива полезно затянуть горловину сосуда прозрачной пленкой из пищевого полиэтилена, оставив небольшое отверстие вокруг ствола растения. При поливах, а так лее в результате диффузии со временем происходит смешение цвета послойно окрашенного геля. Если композиция в результате изменения цвета стала выглядеть менее эффектно, необходимо аккуратно извлечь растение из гидрогеля, отряхнуть корневой ком и промыть «ЭКОПОЧВУ» в легком мыльном растворе или в горячей воде, которую молено довести до кипения. При этом гидрогель обесцветится и его молено опять покрасить пищевым красителем. Использование «ЭКОПОЧВЫ» — безотходная технология. Когда внешний вид гидрогеля потеряет свои эстетические качества, а это происходит обычно через год, его нужно заменить новым или пересадить растение в обычную почву. Старый гидрогель молено поместить в землю, где он еще послужит накопителем влаги и рыхлителем и через несколько лет распадется на безвредные для почвы компоненты. Мы уверены, что применение «ЭКОПОЧВЫ» доставит удовольствие как начинающим, так и опытным любителям растений и откроет новые перспективы в их увлечениях.

Гидрогель — что это такое? Виды гидрогеля. Как применяется?

Гидрогель — что это такое? Виды гидрогеля. Как применяется

Если вы задались вопросом, что такое гидрогель и какую пользу он может принести растениям, то рекомендую прочитать данную статью.

Гидрогель – это искусственный влагопоглощающий материал, который способствует накоплению и сохранению влаги. В почве или субстрате, в котором присутствует гидрогель, для растений создаются условия, приближенные к идеальным. Также гидрогель возможно использовать самостоятельно в качестве того же грунта для растений.

Простыми словами гидрогель — это гранулированный полимерный материал, безвредный и экологичный, который помещают в воду, где он через некоторое время разбухнет и превратится в гель. Гидрогель еще называют кондиционером для грунта и растений. Гидрогель обычно бывает двух видов – мягкой и плотной формы.

Виды гидрогеля и их применение

Аграрный гидрогель. Самый распространенный бесцветный или аграрный гидрогель – это бесцветные мягкие шарики, гранулы или порошок. Он экономичен и универсален. Как правило такой гидрогель самостоятельно не используется, так как не имеет декоративного вида.

Гидрогель впитывает в себя влагу

Бесцветный гидрогель используется как полезная добавка при смешивании с почвой или добавляется в лунки при посадке. (Последний способ наиболее эффективен при выращивании растений на дачных участках, так как гидрогель на солнце зацветает (плесневеет)).  Гидрогель используют при выращивании культурных и декоративных растений как в садах и огородах, так и в домашних условиях для выращивания комнатных растений.

Внося гидрогель в почву огородных или комнатных питомцев, вы не только защитите растения от пересыхания и, наоборот застоя воды, но и значительно улучшите состав почвы. Если заправить гранулы гидрогеля возле корней растения, то средство будет подпитывать его влагой в нужном объеме. При пересыхании грунта гидрогель отдает влагу, а при переувлажнении — впитывает. Также тяжелые почвы аграрный гель делает более рыхлыми, а песчаные наоборот, укрепляет. Также сокращается расход ряда удобрений из-за впитывания и удерживания их гидрогелем.

Проращивание семян в гидрогеле

Аграрный гидрогель используется также при проращивании семян. (Но это средство не подходит для семян с плотными оболочками, например – бобовых). В прозрачную емкость, в разбухший гель помещают семена растений и слегка вдавливают их в гелевую массу, накрыв емкость сверху стеклом или полиэтиленом. До того момента, пока семена прорастут, периодически проветривают содержимое емкости и удаляют конденсат.

Также мягкие и эластичные шарики аграрного геля отлично подходят в качестве субстрата при укоренении черенков.

Благодаря тому, что шарики или гранулы аграрного гидрогеля совсем небольшого диаметра и мягкой консистенции, это дает растениям большую доступность при получении необходимой влаги при пересыхании почвы.

Гидрогель питает влагой корни растений

Корни растения могут не только, соприкасаясь с влагоотдающим полимером получать необходимую влагу, но и проникать в сами шарики, что намного облегчит их насыщение водой.

Очень отзывчивы к присутствию гидрогеля в почве такие культуры как огурцы, помидоры, капуста, картофель. Не рекомендуется, по отзывам, добавлять гидрогель в почву к баклажанам и перцам. Урожайность их снижается.

Важным моментом является и то, что при наполнении гидрогеля влагой объем заметно увеличивается, поэтому при использовании гидрогеля в горшках комнатных растений сначала напитайте его водой, после чего смешивайте с почвой. В противном случае, после набухания геля, есть вероятность вытеснения почвы из горшка.

Аквагрунт. Цветной или декоративный гидрогель ещё называют аквагрунтом – это плотные гелевые шарики более крупного диаметра. Отличительной чертой цветного гидрогеля от аграрного (бесцветного) является высокая цена, что не экономично сказывается при применении его на земельных участках и в больших количествах. Также в качестве декоративного эффекта в таком гидрогеле могут использоваться различные цвета, а также стразы или блестки.

Шарики аквагрунта напитанные влагой

В продажу поступает материал различных цветов и форм. Такой гидрогель поможет перевоплотить неприметный цветок в дизайнерское решение. Например, наполнить гидрогелем прозрачные вазы, различные по форме. Причем от необычности формы зависит уникальный вид растения. Квадраты, овалы, узкие цилиндры. Можно в одной емкости совместить несколько слоев окрашенного в спектр цветов геля.

Если поместить растение в цветной гель, то через время корни проникнут в вязкое вещество, и растение будет стоять в нем, но мощные экземпляры аквагрунт удержать не сможет.

Выращивать длительное время комнатное растение в аквагрунте не рекомендуется, но если все-таки гель используется в качестве грунта, то каждые два года эго необходимо менять на новый.

Аквагрунт очень декоративен

Верхний слой гидрогеля необходимо периодически промывать, иначе он будет тускнеть и потеряет свою декоративность.

Воду для геля необходимо брать только чистую и отстоянную.

Цветные шарики гидрогеля в сухом виде смешивать не нужно. Если вы не хотите получить смесь из разных цветов шариков, сначала напитайте шарики каждого цвета водой отдельно, а после чего можно комбинировать и создавать композиции.

Если вы решили поместить комнатные культуры в гидрогель, то необходимо знать, что не все растения подходят для выращивания в гидрогеле. Гидрогель подходить лишь для влаголюбивых растений с частыми поливами. К примеру, для растений, относящихся к суккулентам (алоэ, денежное дерево, кактусовые и др.) и эпифитам (орхидея, некоторые виды фикусов, шеффлеры и др.) гидрогель категорически НЕ подходит!

Аквагрунт в качестве мульчи

Очень эффектно смотрятся срезанные цветы в вазе, наполненной не водой, а цветным аквагрунтом. Дайте цветным гелевым шарикам напитаться водой, поместите их в вазу, после чего поставьте букет.

Аквагрунт можно использовать и в качестве мульчи при выращивании комнатных растений. Такое решение не только защитит растение от пересыхания почвы, но и выступит декором, придав даже скромному комнатному любимцу привлекательный вид. 

Разноцветные шарики геля также можно использовать в качестве ароматизации помещения. Нужно лишь залить сухие шарики водой, смешанной с аромамаслами и после их наполнения разложить в красивые вазоны и расставить в разные части комнаты.

Преимущества гидрогеля
  • Гидрогель нашел свое применение, как на открытых грядках, так и в парниках, и в комнатном выращивании растений.
  • Если использовать его в качестве добавки к почве в цветочных горшках, то это сократит количество поливов. В цветочных дизайнерских композициях или в подвесных корзинах необходимость в поливах уменьшается в разы, но учитывается размещение и температурный режим.
  • Гидрогель облегчает уход за огородными культурами, сокращая количество поливов.
  • Улучшает свойства почвы.
  • Полимер не вреден для здоровья людей, не токсичен для растений.
  • 1 грамм вещества способен впитать 0,3 л влаги.
  • Сохраняет свои качества около 5 лет при различных температурах, а затем распадается на безопасные компоненты (воду, аммоний и углекислый газ).
  • Некоторые садоводы используют гель для быстрого роста рассады из-за контроля за поливами, которые влияют на ее развитие.
  • Среди преимуществ средства – защита от гнилей и грибка.
  • Цветной гидрогель очень декоративен, что отлично украсит интерьер вашего дома.
  • Неиспользованный гидрогель, который уже напитался влагой можно хранить. Нужно поместить его в герметичную ёмкость и поставить в холодильник. Применить использованный гидрогель можно будет только в качестве добавки в почву.

Минусы гидрогеля
  • Под действием прямых солнечных лучей средство может покрыться плесенью.
  • Также если почву не удобрять, то она будет обеднена минералами из-за впитывания их.
  • В комнатном цветоводстве не все растения могут расти в гидрогеле, а только влаголюбивые.
  • В огородничестве также не все культуры благотворно переносят гидрогель.
  • Аквагрунт неэкономичен, из-за высокой цены.

В заключении хочу отметить, что аграрный гидрогель и аквагрунт – это немного разные материалы, несмотря на то, что состав и суть у них одна – они оба полимеры и имеют свойство накапливать и отдавать влагу. Но все же направления у них разные. Если гидрогель аграрный больше несет в себе функцию по выращиванию растений, то цветной гидрогель аквагрунт – это эстетический материал, который целесообразно использовать в декоре.

Гидрогель для растений: как использовать, применение

Гидрогель для растений представляет собой абсорбент из сополимера, в состав которого дополнительно входит калий. Добавление калия выступает в качестве удобрения в хелатной форме, которое легко усваивается растением.
Гидрогель способен впитывать в себя воду в огромном количестве, до 500 раз превышающий его собственный вес. По мере высыхания почвы либо субстрата, в котором используется гидрогель, он способен отдавать до 97% абсорбированной воды.



А как это работает?

Гидрогель производится в качестве сухих гранул полимера. Размер гранул может отличаться в зависимости от целей его использования. После помещения гранул в воду (обычно дистиллированную или осмотическую) гранулы начинают абсорбировать воду и увеличивать свой объем и вес.
Также, в качестве подкормки, в воду можно добавить водорастворимые удобрения. После смешивания с субстратом или почвой, корни растения прорастают в гидрогель.


Гидрогель в почвенном выращивании

Благодаря тому, что гидрогель способен отдавать большое качество жидкости, а также удерживать ее длительное время – он становится незаменимым, если у вас нет возможности регулярно поливать ваше растение. 
Еще один вариант, когда без гидрогеля не обойтись – это длительная транспортировка растения. Наличие гидрогеля не позволит высохнуть корневой системе и ваше растение благополучно переживет переезд.




Гидрогель в гидропонном выращивании

Использовать гидрогель в гидропонном выращивании не рекомендуется, поскольку, это может иметь негативные последствия для растения (перенасыщение питательными элементами и образование патогенной микрофлоры).


Как использовать гидрогель для растений?

Когда вы готовитесь пересадить или посадить растения, необходимо замочить гидрогель в воде и после того, как гранулы максимально впитают жидкость, смешать его с подготовленным субстратом. Субстрат может быть любой: почва, кокос, керамзит, перлит и вермикулит.
В субстрат уже с посаженным растением, гидрогель можно внести в сухом виде.

Для этого необходимо аккуратно сделать несколько отверстий в субстрате, не повредив корневую систему. Внести гидрогель в сухом виде и обильно полить водой. Затем необходимо перемешать верхний слой. Корни растения сами найдут гранулы гидрогеля в течение нескольких недель. В последствии, поливать растение нужно намного реже.



Подведем итоги

Применение гидрогеля для домашних растений поможет сэкономить до 50% используемой воды. В результате увеличения интервалов между поливами, предотвращается утрамбовка почвы и корни растения получают необходимое количество кислорода. Если использовать гидрогель в открытом грунте, даже при малом количестве дождей, можно сократить частоту или совсем отказаться от полива.

Однако, не обошлось без минусов. С использованием гидрогеля нельзя проращивать семена с кожистой твердой оболочкой. Также, если гидрогель длительное время находится под воздействием прямых солнечных лучей – это может привести к возникновению патогенной микрофлоры и плесени.

Экспериментируйте и больших вам урожаев!

Гидрогель для растений представляет собой абсорбент из сополимера, в состав которого дополнительно входит калий. Добавление калия выступает в качестве удобрения в хелатной форме, которое легко усваивается растением.
Гидрогель способен впитывать в себя воду в огромном количестве, до 500 раз превышающий его собственный вес. По мере высыхания почвы либо субстрата, в котором используется гидрогель, он способен отдавать до 97% абсорбированной воды.



А как это работает?

Гидрогель производится в качестве сухих гранул полимера. Размер гранул может отличаться в зависимости от целей его использования. После помещения гранул в воду (обычно дистиллированную или осмотическую) гранулы начинают абсорбировать воду и увеличивать свой объем и вес.
Также, в качестве подкормки, в воду можно добавить водорастворимые удобрения. После смешивания с субстратом или почвой, корни растения прорастают в гидрогель.


Гидрогель в почвенном выращивании

Благодаря тому, что гидрогель способен отдавать большое качество жидкости, а также удерживать ее длительное время – он становится незаменимым, если у вас нет возможности регулярно поливать ваше растение. 
Еще один вариант, когда без гидрогеля не обойтись – это длительная транспортировка растения. Наличие гидрогеля не позволит высохнуть корневой системе и ваше растение благополучно переживет переезд.




Гидрогель в гидропонном выращивании

Использовать гидрогель в гидропонном выращивании не рекомендуется, поскольку, это может иметь негативные последствия для растения (перенасыщение питательными элементами и образование патогенной микрофлоры).


Как использовать гидрогель для растений?

Когда вы готовитесь пересадить или посадить растения, необходимо замочить гидрогель в воде и после того, как гранулы максимально впитают жидкость, смешать его с подготовленным субстратом. Субстрат может быть любой: почва, кокос, керамзит, перлит и вермикулит.
В субстрат уже с посаженным растением, гидрогель можно внести в сухом виде.

Для этого необходимо аккуратно сделать несколько отверстий в субстрате, не повредив корневую систему. Внести гидрогель в сухом виде и обильно полить водой. Затем необходимо перемешать верхний слой. Корни растения сами найдут гранулы гидрогеля в течение нескольких недель. В последствии, поливать растение нужно намного реже.



Подведем итоги

Применение гидрогеля для домашних растений поможет сэкономить до 50% используемой воды. В результате увеличения интервалов между поливами, предотвращается утрамбовка почвы и корни растения получают необходимое количество кислорода. Если использовать гидрогель в открытом грунте, даже при малом количестве дождей, можно сократить частоту или совсем отказаться от полива.

Однако, не обошлось без минусов. С использованием гидрогеля нельзя проращивать семена с кожистой твердой оболочкой. Также, если гидрогель длительное время находится под воздействием прямых солнечных лучей – это может привести к возникновению патогенной микрофлоры и плесени.

Экспериментируйте и больших вам урожаев!

Молодежная, 6 Москва,

Комментарии

Чтобы оставлять комментарии вам необходимо войти под своим аккаунтом. Если вы еще
не зарегистрированы, то можете пройти регистрацию, которая займет всего пару минут.

Стань первым, кто оставил комментарий к этой статье

Экологичный гидрогель для сельского хозяйства

Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Чехии разработали новый гидрогель для сельского хозяйства. Его задача — удерживать влагу и удобрения в почве. Отличие нового гидрогеля от других разработок — он сделан полностью из природных компонентов и разлагается в почве на нетоксичные для человека, животных и растений составляющие. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Cleaner Production (IF: 7,246; Q1).

Гидрогели используют в сельском и лесном хозяйстве для удержания влаги в почве, а ее содержание напрямую влияет на всхожесть семян. Также в них вводят удобрения, а за счет того, что гель не дает удобрениям быстро испаряться, их можно вносить в меньшем объеме.

«Благодаря гидрогелям растения нужно реже поливать и можно использовать меньше удобрений. Это важно для рационального использования пресной воды на планете и снижает вредное воздействие удобрений на почву. Большинство доступных на рынке гидрогелей производят из полиакриламида и полиакрилонитрила. Они не являются полностью биоразлагаемыми, поэтому сами по себе считаются потенциальными загрязнителями почвы. Сами компоненты нетоксичные, но коммерческие разработки содержат остаточные количества акриламида, а это нейротоксичное и канцерогенное вещество. Мы в качестве исходных компонентов использовали белок молочной сыворотки и альгиновую кислоту. Это доступные и натуральные компоненты, они абсолютно нетоксичные. В этом главное преимущество нашего гидрогеля», — говорит один из авторов статьи, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Антонио Ди Мартино.

Антонио Ди Мартино

Процесс получения гидрогеля, предложенного авторами исследования, прост: исходные компоненты необходимо смешать в растворе, высушить и спрессовать в виде таблетки. При контакте с жидкостью вещество становится гелеобразным и увеличивается в объеме.

«При получении смеси мы также добавляли в нее мочевину — это известное удобрение. С течением времени гидрогель разлагается в почве, за счет чего он постепенно и равномерно высвобождает удобрение. Кроме того, сам по себе гидрогель со временем разлагается до углерода и азота, а ведь азот — это наиболее широко используемый в сельском хозяйстве макроэлемент, важнейший строительный материал для растений. При этом эксперименты в лаборатории показали, что гидрогель после полной отдачи влаги можно использовать еще несколько раз», — отмечает Антонио Ди Мартино.

В дальнейшем ученые продолжат эксперименты и поиск новых материалов для контролируемого ввода удобрений в почву. 

В исследовании принимали участие ученые из Университета Томаша Бати в Злине (Чехия), Исследовательского института молочной промышленности (Чехия) и Научно-исследовательского института почв и водосбережения (Чехия).

 

Информация и фото предоставлены пресс-службой Томского политехнического университета

если он нужен, то зачем?


Среди множества готовых грунтов для растений, что продаются в любом цветочном магазине, больше всего вопросов и недоумений вызывает гидрогель (он же встречается под именем аквагрунта и экопочвы).

Что такое гидрогель, зачем он нужен нам, цветоводам, как и куда его использовать – попробуем разобраться.

Гидрогель – это полимер, обладающий уникальной способностью поглощать и удерживать при набухании до двух литров дистиллированной воды на 10 грамм гидрогеля или около 0,11 л питательного раствора на 1 г препарата. Наиболее распространенны гидрогели на основе полиакриламида. Гидрогель не токсичен, абсолютно стерилен, сохраняет свои свойства при высоких и низких температурах в почве в течение пяти лет. В конце концов, гидрогель полностью биоразлагаем – распадается на углекислый газ, воду и азот. В нашей стране работы по созданию сильно набухающих полимерных гидрогелей были начаты в начале восьмидесятых годов в Институте химической физики АН СССР под руководством профессора К.С. Казанского.

Полимеры – вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся звеньев; молекулярная масса полимеров может изменяться от нескольких тысяч до многих миллионов. Особые свойства полимеров, такие как: эластичность; малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров; способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля; высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера; растворение полимера через стадию набухания; способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента, – позволяют широко использовать их в быту, машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, авиастроении. Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают уникальным для неживой природы свойством – гибкостью.

Сфера применения гидрогеля

Изначально гидрогель представляет собой сухой порошок или гранулят. Кристаллы гидрогеля по виду и размеру похожи на сахар, имеют неправильную форму и нерегулярный размер. При добавлении воды к сухому веществу происходит набухание последнего (кристалл гидрогеля увеличивается в размерах примерно в 300 раз) и образуется желеобразная масса, которую и используют самостоятельно либо в качестве добавки в грунты для растений. Так кристалл становится своеобразным резервуаром с водой, который при недостатке влаги в почве будет отдавать свои запасы корням растений, а при избытке влаги – впитывать её. Тем самым, гидрогель спасает растения не только при пересушивании почвы, но и при её переувлажнении!

Благодаря своей структуре, кристаллы гидрогеля улучшают характеристики самых разных почв: глинистые почвы становятся более рыхлыми, а сыпучие – комковатыми. Растения, выращиваемые с использованием гидрогеля, даже в самую сильную жару достаточно поливать раз в неделю и реже.

На сегодняшний день сфера применения гидрогеля выглядит так:

* Гидрогель – добавка в почву для удержания влаги,

* Гидрогель – среда для содержания растений,

* Гидрогель – средство для транспортировки растений.

Гидрогель – идеальная влагоудерживающая добавка

в почву для требовательных к режиму полива растений.
Если вы боитесь пересушить растения, или вынуждены отсутствовать дома, или и вовсе забываете поливать своих питомцев, добавьте при пересадке в грунт немного гидрогеля – растения скажут вам спасибо.

Плюсы и минусы средства

Как и любое вспомогательное средство по уходу за растениями, гидрогель проявляет как положительные качества, так и отрицательные.

Плюсы и минусы

порошок позволяет сохранять рыхлую структуру грунта, что способствует свободному росту корней;

если пропитать гранулы питательным составом, растения будут длительный период равномерно получать полезную подпитку;

рассада, высаженная в грунт с гелем, быстрее прорастает и лучше развивается.

гранулы могут заплесневеть под длительным воздействием солнечных лучей;

при использовании порошка для выращивания домашних растений, нужно каждые 1,5-2 года полностью менять гель.

Вещество не применяют для проращивания бобовых, горошка. Также нужно учитывать, что невозможно выращивать растения на чистом гидрогеле.

Посмотрите также

Инструкция по применению индолилмасляной кислоты и как она работаетЧитать

Приготовление и способы применения

Перед внесением гидрогеля в почву приготовьте его по инструкции на упаковке. Обычно сухое вещество следует залить чистой водой (чем чище вода, тем больше вырастут гранулы, тем больше воды они впитают) и оставить на несколько часов до полного набухания. Излишки воды нужно слить. На каждый литр почвы возьмите 1 грамм сухого вещества, или стакан готового гидрогеля. Перемешайте тщательно с почвой, чтобы гель распределился в ней равномерно. Дальше сажайте растения как обычно.

Можно внести сухой гель под уже посаженные комнатные растения. Для этого сначала рассчитайте объем почвы в горшке с растением. На каждый литр земли возьмите 1 г сухого вещества (примерно четверть чайной ложки). Например, у вас горшок на 3 литра – вам понадобится 3 г гидрогеля. Осторожно сделайте проколы по всему объему цветочного горшка, в получившиеся лунки насыпьте аккуратно гидрогель (не засыпайте их доверху). Как следует полейте растение. Набухший гель может выдавиться на поверхность почвы, осторожно смешайте его с верхним слоем грунта в горшке. Корни растения сами найдут запасы влаги в почве. Как только корни прорастут в гель (обычно это занимает пару недель), растение можно будет поливать раз в 5-6 реже.

В смеси гидрогеля и земли очень удобно выращивать черенки растений, проращивать семена. Готовят такую смесь точно так же, как смесь для комнатных растений. Используют полученную смесь также традиционным способом. Лишь полив можно будет сократить.

Гидрогель можно использовать и как самостоятельный грунт

для укоренения черенков, как грунт для флористических композиций. Будут в чистом геле успешно расти и некоторые комнатные растения.

Перед использованием традиционно заливаем сухое вещество необходимым количеством воды и забываем о нем на определенное время (см. инструкцию на упаковке).

В чистый готовый гель сажаем черенки растений. Просто воткните их в гель. Процесс можно контролировать, так как сквозь прозрачный гель все видно невооруженным взглядом. Свежие корни вы увидите так, как если бы укореняли черенки в стакане с водой.

Несколько лет назад, зайдя в любой цветочный магазин, вы рисковали сразу же увидеть какую-нибудь драцену, или фикус, или любое другое растение, водворенное в стеклянную посудину и цветной гидрогель. Точнее – в аквагрунт.

Аквагрунт

– по структуре тот же полимер, что и гидрогель.
Разве что он немного плотнее гидрогеля, что позволяет выпускать аквагрунт в виде жемчужин, кубиков, пирамидок и т.п. Обычно аквагрунт еще и окрашен в разные цвета. Такую же икебану вы можете сотворить сами.

Для посадки в чистый гидрогель лучше подходят молодые растения – еще лучше черенки растений, которые легче укореняются и быстрее адаптируются в новой среде.

Перед посадкой гидрогель нужно насытить водой. Воду лучше взять дистиллированную, либо кипяченую – дехлорированную. В готовом гидрогеле не должно быть сухих, не насытившихся водой участков. Гранулы должны быть полностью прозрачными. Лишнюю воду нужно слить. Очень удобно это делать через дуршлаг. Еще лучше разложить готовый аквагрунт на ровной поверхности и дать ему слегка подсохнуть в течение часа. Делается это для того, чтобы не утопить корни растения в воде – они должны дышать.

Затем наполните стеклянный сосуд гидрогелем на половину, разложите аккуратно корни растения на поверхности грунта и засыпьте оставшийся объем так, чтобы растение держалось в своем новом жилище уверенно. Если посуда сверху имеет широкое горло, лучше затянуть его прозрачной пленкой, чтобы верхний слой гидрогеля не высыхал слишком быстро.

Как им правильно пользоваться: инструкция

  • Замочите гель в воде. Точная дозировка всегда написана на пакете. В среднем, на 3-литровую банку идет около 2 столовых ложек гранул.
  • Когда вы увидели, что гранулы разбухли и больше не растут, аккуратно переложите их на сито или дуршлаг. Так из субстанции сойдет лишняя, не впитавшаяся жидкость.
  • Если после работы остались еще «мокрые» гранулы, сложите их в контейнер с крышкой и храните в холодильнике. Если вещество случайно замерзнет, не страшно — после оттаивания оно снова будет рабочим.
  • На огороде гранулы (сухие) можно добавлять при посадке в лунку. После этого высаженное растение нужно щедро полить.
  • В случае с горшками и открытым грунтом стоит помнить: вещество начинает приносить пользу растениям не сразу, а только тогда, когда корешки овощей и фруктов прорастут в кристаллы. На это в среднем уходит от 10 до 14 дней.
  • Не добавляйте в грунт гранул больше, чем рекомендует производитель.

Вот что пишет о своем продукте один из отечественных изготовителей:

Проращивание семян

  • Гранулы гидрогеля бывают разного размера. В целом, их размер (как и форма) на работу вещества не влияет. Но все же если вы хотите прорастить семена, ищите в продаже мелкие гранулы, а если ваша цель — добавление вещества в грунт для «дистанционного полива» цветов, купите крупные (чем взрослее растение, тем крупнее может быть гидрогель).
  • Если вам продали крупные гранулы, а вам нужно прорастить семена, напитайте гидрогель водой и пробейте его блендером или протрите через сито (это делается легко).
  • Замачивая шарики для проращивания семян, сразу используйте воду с удобрениями, ведь гидрогель в чистом виде — вещество пустое, то есть никаких полезных веществ для цветов и овощей оно в себе не несет.
  • «Желе» разложите в лотки слоем в 3 см. Сверху рассыпьте семена. Углублять их не нужно, чтобы семена не задохнулись — внутрь геля не поступает воздух. Сверху лоток накройте прозрачной крышкой или пленкой. Ее иногда нужно приподнимать, пропуская внутрь чистый воздух.
  • Если вы прорастили семена в геле без удобрений, то как только появятся листики, пикируйте ростки в грунт. Не стряхивайте гель, налипший к корням, сажайте ростки вместе с ним.
  • Если смешать 1 часть геля и 3-4 части питательного грунта, получится почва, в которой и семена прорастут, и ростки окрепнут аж до перенесения их в открытый грунт. Поверх такого грунта нужно уложить тонкий слой мокрого, протертого гидрогеля, сверху разложить семена, увлажнить их из пульверизатора и накрыть той же пленкой. Когда появятся ростки, пленку можно будет убрать.

Увидеть работу с гидрогелем и услышать отзыв цветовода с более чем десятилетним стажем можно здесь:

Уход за растением

Уход за растением в гидрогеле такой же, как за растением в обычной почве. С той лишь разницей, что гидрогель не нужно поливать так же часто, как землю. Верхний слой гидрогеля может подсыхать активнее, чем нижние слои – просто опрыскивайте его из пульверизатора, либо, аккуратно сняв, замените на свежий. Удобрять растение в аквагрунте стоит аккуратно, раствором в более слабой концентрации.

Учтите, что получившуюся композицию лучше не ставить на прямой солнечный свет – гидрогель может «зацвести».

Не путайте посадку в гель с гидропоникой – это совершенно разные технологии. Гидрогель сам по себе не является ни питательной средой, ни стимулятором роста растений. Он нейтрален – в этом его достоинства и недостатки.

Плюсы выращивания в гидрогеле

* растения, посаженные в гидрогель в стеклянные емкости, смотрятся по-новому, необычно,

* гидрогель имеет различные окраски – можно создавать многоцветные композиции,

* гидрогель в сухом виде занимает очень малый объем, не нужно искать место для его хранения, отпадают проблемы с транспортировкой,

* пересадка растений не доставляет хлопот, она становится «чистой»,

* гидрогель нейтрален – а потому его могут использовать люди с аллергической реакцией на землю.

Химический состав

Гидрогель относится к полимерам (акриламид, полиакрилат калия), в которых органические молекулы образуют одинаковые звенья – мономеры. В сухом виде полимер имеет вид мелкой стекловидной крошки. После впитывания влаги элементы геля набухают, увеличиваясь в 250-330 раз, и трансформируются в желеобразную массу.

Наиболее востребованы гели, созданные на основе полиакриламида. Вещество не токсично, проявляет стерильность, которая сохраняется при любых температурах в течение 4-5 лет. Полиакриламид экологичен, поскольку разлагается на воду, азот и углекислый газ. Само по себе вещество нейтрально, можно наполнять порошок как обычной водой, так и питательным составом.

Желе для принтера: гибридный гидрогель и 3D-печать методом экструзии


Несмотря на свою якобы внезапную популярность в последние годы, аддитивные технологии впервые увидели свет еще в 1971 году. Долгое время 3D-принтеры использовались исключительно для производства функциональных или эстетических прототипов, а сама технология носила название «быстрое прототипирование». Стремительное развитие вычислительной техники привело к появлению разных методов реализации аддитивных технологий: от лазерной стереолитографии (SLA) до более знаменитой 3D-печати (3DP). Другой термин, появившийся еще в 1894, это гидрогель — полимер, способный поглощать воду (если очень утрировано). У гидрогелей, как и у аддитивных технологий, множество применений: медицина, фармакология и даже энергетика. И вот ученые из университета Северной Каролины решили объединить 3D-печать и гидрогель для создания гидрогелевых структур с желаемыми свойствами. На Хабре была новость об этой разработке, но мы попробуем копнуть глубже. Из чего состоит изучаемый гидрогель, какими свойствами его можно наделить, и что из него можно сделать? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Для начала стоит в двух словах пояснить, что такое гидрогель. Это сеть из пересекающихся полимерных цепей, способных равновесно и обратимо набухать в воде и водных растворах. Основой гидрогеля являются гидрофильные молекулы.
Проблема классических гидрогелей, изготовленных из полимерных сетей в воде, состоит в том, что они мягкие и хрупкие, т.е. им не хватает упругости и прочности. Из-за этого применение гидрогелей в различных отраслях (робототехника, тканевая инженерия и т.д.) сильно ограничено.

Эластичность гидрогелевых материалов может быть улучшена путем объединения взаимопроникающих ковалентных и ионных полимерных сетей с образованием сильно растяжимых и прочных структур. Другой метод улучшения механических свойств гидрогелей основан на использовании наполнителей с высоким коэффициентом формы (высокое отношение длины наполнителя к диаметру его поперечного сечения). Это позволяет механически усилить гелевую матрицу. Однако использование наполнителя из материала, отличного от материала матрицы, приводит к возникновению напряжения на поверхностях интерфейсов, которые вызывают образование трещин при деформации или нагревании.

Противоположный метод основан на применении однополимерных композитов или так называемых гомокомпозитов. Мезомасштабная усиливающая сеть гомокомпозитов сделана из материала, который химически идентичен материалу первичной матрицы. Сети гомокомпозитного армирования позволяют модулировать механические свойства первичной (основной) матрицы без напряжения, точек расслоения и т.д. Звучит очень многообещающе, но и тут есть проблема — изготовление HHG (от homocomposite hydrogel

, т.е. гомокомпозитный гидрогель) является крайне сложным процессом из-за отсутствия методов создания армирующих сетей с тем же химическим составом, что и матрица гидрогеля.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают новый тип HHG, в котором как первичная гелевая матрица, так и армирующая сеть состоят из альгината натрия (SA от sodium alginate

; C6H9NaO7). Эти HHG усилены фибриллярной сетью альгинатных мягких дендритных коллоидов (SDC от
soft dendritic colloid
). SDC это иерархически структурированный класс мягкой материи, синтезированный посредством процесса осаждения, вызванного сдвигом, в турбулентной среде.

Высокая степень разветвления вокруг ядер частиц SDC делает их морфологически похожими на полимерные молекулярные дендримеры. Однако SDC намного больше, чем эти дендримеры. Ученые считают, что иерархически разветвленные SDC могут быть отличным вариантом для эффективного армирования композитных материалов. Важен тот момент, что ответвления SDC покрывают большую площадь поверхности, что может повысить стабильность композита за счет более равномерного распределения нагрузки.

Результаты исследования

Первым делом необходимо было изготовить мягкие дендритные коллоиды из альгината (т.е. SDC), которые должны были послужить армирующими сетками. Для этого было использовано турбулентное осаждение. Для получения SDC гидрогеля раствор альгината (120–190 кДа) вводили в водный раствор ионов Ca2+, которые эффективно связывают две -COO- боковые группы на основной цепи альгината (
).


Изображение №1

Процесс осаждения приводит к образованию SDC с характерной иерархической морфологией (1b

) с разветвлением разного масштаба и поколениями (вторичными ответвлениями) волокон. Фактически SDC состоят из волокон микронного размера, которые многократно разветвляются на все более тонкие волокна. Самый внешний слой («корона»), окружающий каждый SDC, состоит из гибких нановолокон, толщина которых может достигать 10 нм (
1b
). Нановолокна в коронах наделяют их физической адгезией, которая является основным фактором способности дендриколлоидов создавать структурную прочность коллоидной сети. Конечный размер обычных SDC, включая их корону, находится в диапазоне 100–500 мкм.

Далее необходимо было оценить вязкоупругие свойства водных суспензий SDC. В первую очередь ученые проверили, образуют ли альгинатные SDC гидрогели коллоидной сети при низких объемных долях в воде. В теории в водных суспензиях контактирующие SDC будут прочно прилипать за счет сил Ван-дер-Ваальса с образованием перколяционной* сети субконтактов разветвленных волокон (2a

).

Перколяция*
— в химии явление протекания или непротекания жидкостей через пористые материалы.


Изображение №2
Оценка модулей накопления (G’) и потерь (G″) суспензий SDC в линейной вязкоупругой области показала, что SDC имеют сильную склонность к образованию коллоидных сетей.

Динамический модуль*
: совокупность динамического модуля G может быть использована, чтобы представить соотношение между колебательным напряжением и нагрузкой:

G = G’ +i

G″

где i

2 = -1; G’ — модуль накопления; G″ — модуль потерь.

Предел текучести наблюдался в водных суспензиях 0.25 мас.% SDC, т.е. при более низкой концентрации, чем в большинстве типов обычных коллоидных гелей.
Суспензия 1.0 мас.% SDC показала значение G ‘= 200 Па, тогда как заявленное значение для 1.0 мас.% альгинатных микрогелей должно быть 10–100 Па. Т.е. суспензии SDC обладают более выраженными твердоподобными характеристиками, чем суспензии обычных альгинатных частиц.

Непрерывная фаза HHG состоит из молекулярного альгинатного геля, объединенного ионами Ca2+. Первым делом ученые проанализировали свойства молекулярных гидрогелей, содержащих из 1.0 мас.% связанного альгината, но без SDC. Гидрогель был получен путем добавления наночастиц CaCO3 и δ-лактона D-глюконовой кислоты (GDL) к раствору SA. Поскольку GDL подвергается гидролизу и понижает pH, CaCO3 медленно высвобождал ионы Ca2+. Спустя 2 часа уравновешивания были получены данные касательно вязкоупругих свойств гидрогеля (2c

). При концентрации CaCO3 выше 0.05 мас.% гидрогель вел себя как твердое вещество. При дальнейшем введении Ca2+ в гидрогель его жесткость продолжала увеличиваться. Но при CaCO3 выше 0.2 мас.% наблюдался синерезис (старении структуры) гидрогеля с последующим выделением воды. В результате было установлено, что для поддержания стабильности гидрогеля в его составе должно быть 1.0 мас.% SA и 0.1 мас.% CaCO3.

В итоге у исследователей было на руках две составляющие, которые требовали объединения, — SA SDC (альгинатные мягкие дендритные коллоиды) и молекулярная матрица SA CMH (альгинатный гель, связанный ионами Ca2+).

Было синтезировано множество гибридных HHG, где общая концентрация SA поддерживалась на постоянном уровне в 1 мас.%, а отношение SDC к CMH варьировалось.


Изображение №3

Все образцы, полученные таким путем, демонстрировали характеристики твердого вещества (3a

). Характерные кривые напряжение-деформация (
3b
), полученные при испытании на механическое растяжение, также демонстрируют, что гибридные HHG имеют большую жесткость, чем гели только из SDC или CMH. На графике
3c
показаны данные измерений растяжения-деформации и реометрии всех образцов. Анализ этих данных показывает, что гомокомпозитные системы, содержащие смешанные SDC и CMH, проявляют сильный синергетический эффект. Значения комплексного модуля (G) и модуля Юнга (E) для гомокомпозитных гелей показали трехкратное увеличение с максимумами при низких отношениях SDC к CMH.

Однако это нельзя приписывать исключительно увеличение концентрации Ca2+ в гомокомпозитной системе. Так максимальный модуль сдвига в HHG (G = 950 Па при 0.125 мас.% SDC / 0.875 мас.% CMH) не соответствует самой высокой концентрации Ca2+, поскольку дальнейшее увеличение доли SDC снижает получаемую жесткость HHG.

Следовательно, сильный синергетический эффект, приводящий к увеличению механической прочности HHG, может быть непосредственно связан с физическим переплетением молекулярной SA и коллоидных сетей SDC (3d

). Полученная структура сохраняет стабильность в большинстве сред, но может быть легко разрушена путем помещения ее в растворы сильных хелатирующих агентов, таких как ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота; C10h26N2O8).

Ученые отмечают, что еще одной важной особенностью разработанного гибридного гидрогеля является возможность менять кинетику его гелеобразования в зависимости.

Сначала была выполнена проверка зависимости гелеобразования от времени трех вариантов образцов: SDC, CMH и композитный HHG (концентрация SA у всех была одинаковой — 1 мас.%).


Изображение №4

На графике 4a

представлены результаты анализа чистой суспензии SDC. Видно, что SDC сразу проявляет твердое поведение без добавления CaCO3 или GDL. Это объясняется тем, что формирование этой сети происходит за счет контактного расщепления и переплетения фибриллярных дендриколлоидов.

С другой стороны, чистый CMH сначала проявляет жидкое поведение и постепенно затвердевает по мере высвобождения связывающего агента Ca2+ в результате гидролиза. CMH становится полностью связанной структурой спустя 120 минут (4b

).

Важно отметить, что зависимая от времени эволюция HHG напрямую зависит от кинетики, с которой SDC и CMH (основные составные элементы HHG) собираются в сети. Изначально происходит затвердевание HHG из-за гелеобразования механически жесткой сети SDC. Затем формируется более прочный гидрогель, поскольку взаимопроникающая молекулярная сеть CMH становится связанной ионами Ca2+ (4c

и
4d
).

Эти свойства материала показывают контролируемые начальные напряжения текучести и медленное нарастание эластичности гидрогеля с течением времени. Следовательно, подобный материал можно использовать в 3D-печати, что ученые и решили проверить на следующем этапе исследования.

Факт того, что созданный гидрогель является гомокомпозитной системой, позволяет точно контролировать его свойства. За счет этого такой гидрогель можно использовать в 3D-печати с помощью экструзии, что ранее было крайне сложной задачей. Для примера, оба SDC и CMH не пригодны для экструзии в своей чистой форме, в отличие от гибридного HHG.

Возможность контролировать свойства гидрогеля позволяют создать «чернила» для экструзии, в которых не зависящие от времени предел текучести и время затвердевания могут быть настроены так, как это угодно человеку.
Синергетический эффект в смешанных композитах SA-SDC.
Поскольку 3D-принтер применяет перепад давления, превышающий предел текучести HHG, экструдированная форма сохраняется за счет быстрого гелеобразования сети SDC (4c

, видео выше).


Изображение №5

Важно и то, что разработанный гидрогель можно было использовать для печати в обычных условиях без дополнительной обработки или подготовки материала (

). Примечательно, что G’ чистой суспензии SDC (1500 Па) почти на четыре порядка больше, чем у смеси CMH при до добавления GDL (0.5 Па;
5b
).

Несмотря на максимальную жесткость геля HHG, возникающую при более низких относительных соотношениях SDC/CMH (4c

), HHG с более высоким относительным содержанием SDC давали больше нитей с улучшенным наслоением (видео ниже).
3D-печать многослойной структуры путем экструзии.
На 5a

и
5c
показан процесс 3D-печати гомокомпозитного гидрогеля методом прямой экструзии. HHG экструдируется через сопло (25 G, внутренний диаметр 0.26 мм) при 140 кПа, и гель сохраняет свою форму благодаря пределу текучести (≈80 Па). Дополнительное формирование структур в z-направлении может быть достигнуто путем наложения последовательных слоев, которые, как было обнаружено, хорошо прилегают к нижележащим. Ученым удалось добиться аддитивной печати более 10 слоев гидрогеля в вертикальном направлении без снижения скорости экструзии. После затвердевания (60 минут) готовую напечатанную структуру можно было легко удалить с подложки (
5d
). Если же есть необходимость в структуре больших размеров, то тут необходима поэтапная экструзия, дающая дополнительное время для затвердевания геля, также необходимо увеличить предел текучести материала за счет изменения состава HHG.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данном труде ученые продемонстрировали свое удивительное творение — композитный гидрогель, свойствами которого можно манипулировать в зависимости от потребностей конечного пользователя. Созданный ими гидрогель отлично подходит для 3D-печати посредством экструзии, чем не могли похвастаться предшествующие гидрогели.
Ученые заявляют, что материалы на водной не отличаются особой прочностью, они хрупкие и мягкие, что вполне ожидаемо. Однако, если объединить альгинатные мягкие дендритные коллоиды и альгинатный гель, связанный ионами Ca2+, то можно получить гидрогель с повышенной прочностью. Другими словами, они объединили два разных гидрогеля в один, свойства которого превосходят свойства его составных.

К вариантам применения нового гидрогеля его создатели относят медицину, пищевую промышленность и мягкую робототехнику. Но до полноценного использования еще далеко, так как гидрогель требует доработок. В частности, ученые хотят изменить гидрогель так, чтобы его можно было применять в 3D-печати биомедицинских инъекционных материалов.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас:
Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме?

Только у нас
2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99!
Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Hydrogel — обзор | Темы ScienceDirect

9.2.1 Гидрогели в зависимости от происхождения

Гидрогели можно разделить на три категории в зависимости от их происхождения, включая синтетические полимеры, природные полимеры и гибридные полимеры. Синтетические полимеры для структурных применений, то есть пластики, обычно гидрофобны или имеют очень низкую полярность, кроме того, их можно обобщить, чтобы показать хорошие механические и термические свойства и быть химически более стойкими, чем природные полимеры, которые обычно более восприимчивы к химическим воздействиям. окисление.Однако синтетические полимеры, используемые для изготовления гидрогелей, не имеют такого же отношения с точки зрения свойств, как их аналоги гидрогелей. Основное условие гидрогеля — абсорбция и удержание воды, как следствие, молекулы полимера, составляющие гидрогель, должны быть в значительной степени гидрофильными. Это не исключает того, что гидрофобные молекулы являются частью гидрогеля, поскольку требование его природы как гидрогеля является функциональным, а не химической природой его компонентов. Примерами полимеров, используемых для типичных синтетических гидрогелей, являются поли (акриловая кислота), поли (стиролсульфонат), поли (этиленгликоль) и т. Д.˙ С другой стороны, природные гидрогели получают из природных полимеров или из прекурсоров, полученных из природных источников. По сравнению с синтетическими гидрогелями натуральные гидрогели более безопасны и во многих случаях являются биосовместимыми и биоразлагаемыми. Примеры природных гидрогелей включают гидрогели на основе белков (например, желатин, коллаген), гидрогели на основе ДНК, гидрогели на основе сложных полиэфиров, полученных из низкомолекулярных биомолекул, и гидрогели на основе полисахаридов (например, крахмал, гиалуроновая кислота, хитозан, альгинат и целлюлоза) (Liu et al., 2008; Саннино и др., 2009; Palencia et al., 2017a, 2017b; Park et al., 2018; Notodihardjo et al., 2019; Зайдлиц и др., 2019). Напротив, гибридные гидрогели определяют с использованием двух разных подходов. Во-первых, эти гидрогели получают путем добавления некоторых синтетических частей к природным субстратам, например привитой сополимеризации виниловых мономеров на полисахаридах (Kandile et al., 2019; Peng et al., 2019) или привитых полимеров крахмала и акриловой кислоты. (Pei et al., 2013; Peng et al., 2016; Ye et al., 2017). Обратите внимание, что это определение включает два разных типа материалов с точки зрения синтетического или природного происхождения. Таким образом, смеси полимеров, отвечающих указанным выше условиям, также следует рассматривать как гибридные гидрогели. Однако понятие «гибридные гидрогели» также относится к тем гидрогелям, образованным из гидрофильных полимеров и неорганического компонента, например глин или металлов. Некоторыми примерами являются геомиметические гидрогели, полученные из монтмориллонита и поли (акриловой кислоты) (Lerma et al., 2018), бентонита и поли (акриловой кислоты), функционализированных сложными полиэфирами сорбита (Lerma et al., 2020), гидрогели на основе наночастиц крахмала и серебра (Palencia et al., 2017a).

Гидрогели

( Nanowerk Spotlight ) Гидрогели — это удивительные природные или синтетические полимерные материалы, которые обладают очень разнообразным химическим составом, а также физическими или биологическими свойствами. Они представляют собой трехмерные сети из физически или химически сшитых полимеров, которые напоминают органические ткани и могут удерживать большие количества воды внутри своей взаимосвязанной молекулярной сети.
Эти мягкие полупрозрачные материалы набухают или сжимаются в ответ на поглощение или десорбцию воды и могут удерживать большое количество воды без потери своей структурной целостности.
Гидрогели были впервые предложены для биологического использования в 1960 году. Чтобы материал считался гидрогелем, вода должна составлять не менее 10% от его общего веса или объема.
Иллюстрация трехмерных макропористых гидрогелей.(Изображение: Университет Карнеги-Меллона)
Способность гидрогелей поглощать воду возникает из-за гидрофильных функциональных групп, присоединенных к основной цепи полимера, в то время как их сопротивление растворению возникает из-за сшивок между сетевыми цепями. Многие материалы, как природные, так и синтетические, подходят под определение гидрогелей.
Природные гидрогели включают коллаген, фиброин шелка, гиалуроновую кислоту, хитозан, альгинат и гидрогели, полученные из децеллюляризованных тканей.Их уникальные свойства включают: биосовместимость, биоразлагаемость, низкую цитотоксичность, возможность преобразования гидрогеля в гель для инъекций и их сходство с физиологической средой.
Однако природные гидрогели имеют некоторые ограничения, например, они не обладают сильными механическими свойствами и их нелегко контролировать из-за их вариаций от партии к партии. По этим причинам природные гидрогели часто комбинируют с синтетическими, создавая композитные полимеры.
Гидрогели стали очень актуальным биохимическим каркасом из-за их настраиваемых свойств, присущей биосовместимости и сходства с тканями и средами клеток. За последнее десятилетие гидрогели превратились из статических материалов в «умные» реагирующие материалы, адаптирующиеся к различным воздействиям, таким как pH, температура, химические, электрические или световые воздействия.
Помимо биомедицинских приложений, это делает их полезными материалами в мягкой робототехнике, а также гибкими и программируемыми материалами, которые можно использовать для катализаторов, химических детекторов и абсорбентов для улавливания углерода.

Виды гидрогелей

Гидрогели могут быть физическими, химическими или биохимическими. Физические гели могут превращаться из жидкости в гель в ответ на изменение условий окружающей среды, таких как температура, концентрация ионов, pH или другие условия, такие как смешивание двух компонентов. В химических гелях используется ковалентное связывание, которое обеспечивает механическую целостность и устойчивость к разрушению. Биохимические гидрогели содержат биологические агенты, такие как ферменты или аминокислоты, которые участвуют в процессе гелеобразования.
Классификация гидрогелей по разным свойствам. (Источник: doi 10.5772 / 64301) (щелкните изображение, чтобы увеличить)

Как сделать гидрогели

Три неотъемлемые части препарата гидрогеля — это мономер, инициатор и сшивающий агент.
Как правило, гидрогели можно получать либо из синтетических полимеров, либо из природных полимеров. Эти полимеры могут быть сшиты с образованием гидрогелей несколькими способами: связывание полимерных цепей посредством химической реакции; использование ионизирующего излучения для генерации свободных радикалов в основной цепи, которые могут рекомбинировать в виде перекрестных соединений; и физические взаимодействия, такие как запутывание, электростатика и образование кристаллитов.
По способам получения гидрогели можно разделить на гомополимеры, сополимеры, полупроникающие сети (полу-IPN) и взаимопроникающие сети (IPN).
Гомополимерные гидрогели относятся к полимерной сетке, полученной из одного вида мономера, который является базовой структурной единицей, состоящей из любой полимерной сетки. Сополимерные гидрогели состоят из двух или более различных видов мономеров, по меньшей мере, с одним гидрофильным компонентом, расположенных в случайной, блочной или чередующейся конфигурации вдоль цепи полимерной сетки.Мультиполимер , взаимопроникающий полимерный гидрогель (IPN), важный класс гидрогелей, состоит из двух независимых сшитых синтетических и / или природных полимерных компонентов, содержащихся в сетчатой ​​форме. В полу-IPN гидрогеле один компонент представляет собой сшитый полимер, а другой компонент — несшитый полимер.

Применение гидрогелей

Гидрогели используются во многих областях из-за их специфической структуры и совместимости с различными условиями использования.Гибкость гидрогелей позволяет использовать их в различных условиях, а их биосовместимость позволяет применять их в медицине.

Доставка лекарств

Благодаря совместимости с живыми тканями и способности сохранять встроенные белки в их естественном состоянии, гидрогели являются хорошими средствами доставки лекарств в организм.
Гидрогели как средства доставки лекарств привлекательны по ряду причин.В основном они состоят из воды, поэтому в сухом состоянии они могут сжиматься, становясь достаточно маленькими, чтобы их можно было проглотить, а затем могут расширяться и набухать в желудке, чтобы избежать попадания в тонкий кишечник. Они также могут быть загружены лекарством и выпускать его под контролем.
Такие системы контролируемой доставки лекарств используются для доставки лекарств с определенной скоростью в течение заранее определенных периодов времени. Эти системы использовались для преодоления ограничений обычных лекарственных форм.
Существуют различные методы приготовления гидрогелей для приложений доставки лекарств. Например, полимерный полиэтиленгликоль можно использовать для включения в гель доменов микрометрового размера. Эти домены действуют как резервуары для белкового лекарства, когда молекулы лекарства также связаны с полиэтиленгликолем. Химические взаимодействия между модифицированным белком и резервуарными доменами обеспечивают медленное и устойчивое высвобождение белка.

Тканевая инженерия

Конечная цель тканевой инженерии как лечения состоит в том, чтобы заменить или восстановить анатомическую структуру и функцию поврежденной, поврежденной или отсутствующей ткани, что в конечном итоге приведет к возможности замены целых органов.В основе тканевой инженерии лежит создание трехмерных каркасов из биоматериалов для обеспечения механической поддержки и направления роста клеток в новые ткани или органы.
Гидрогели привлекательны для тканевой инженерии, поскольку их физические (т.е. механическая прочность и биоразлагаемость) и биологические свойства (т.е. биосовместимость и сходство с естественным внеклеточным матриксом) могут быть адаптированы для имитации тканей. Инкапсулируя интересующие клетки в микрогели, биомедицинские инженеры могут адаптировать желаемый подход к инженерному формированию тканей, начиная от кровеносных сосудов и заканчивая органами и костями.Инъекционный гидрогель также может служить биомиметической основой для регенерации спинного мозга.
Новое поколение адгезивных гидрогелей используется в качестве перевязочного материала при хирургических вмешательствах для герметизации небольших ран, из которых может вытекать воздух и биологические жидкости. Полимеры гидрогеля связываются с биологическими тканями через три механизма — электростатическое притяжение к отрицательно заряженным поверхностям клеток, ковалентные связи между соседними атомами и физическое взаимопроникновение — что делает адгезив чрезвычайно прочным.

Восстановление окружающей среды

Загрязнение тяжелыми металлами и красителями обычно встречается в сточных водах многих промышленных процессов и, как известно, представляет серьезную угрозу для здоровья населения и экологических систем.
Исследователи разработали экологически чистый способ удаления из воды тяжелых металлов, красителей и других загрязнителей. Ответ заключается в фильтрации сточных вод с помощью гидрогелевого материала, взятого из растительной целлюлозы с добавлением небольших углеродных точек, образующихся в микроволновой печи.
Водный раствор метиленового синего до и после обработки лигноцеллюлозным гидрогелем. (Изображение: Джузеппе Мелилли)

Линзы контактные

Синтетические гидрогели, в основном сделанные из силикона, коммерчески используются для изготовления контактных линз; с ними легко работать и они экономичны. Гидрогелевые материалы, используемые в качестве контактных линз, должны иметь большое количество воды, хорошие механические свойства, проницаемость для кислорода, смачиваемость поверхности, хорошие оптические свойства, устойчивость к гидролизу и стерилизации, быть нетоксичными и иметь достаточную биологическую устойчивость для живых клеток. .

Датчики

Датчики pH . Ярким примером использования гидрогелей в качестве датчиков является датчик pH. Гидрогель формируется в виде ряда выпуклых полос, называемых «дифракционной решеткой», которые покрыты золотом как на поверхности полос, так и в промежутках между ними. Полосы расширяются и сжимаются в зависимости от уровня pH окружающей среды.
Датчик работает, анализируя лазерный свет, отражающийся от золотого покрытия.Отражения от полос и промежутков между ними интерферируют друг с другом, создавая «дифракционную картину», которая различается в зависимости от высоты полос.
Эти дифракционные картины показывают мельчайшие изменения в движении полос гидрогеля в ответ на окружающую среду, в результате чего измеряются изменения pH.
Датчики излучения . Другой пример — гидрогель с плазмонным наносенсором для определения терапевтических уровней излучения.Матрица гидрогеля наполнена наночастицами золота, которые меняют свой цвет под воздействием излучения (видимого невооруженным глазом). Интенсивность цвета увеличивается с увеличением излучения. Эти гидрогели можно использовать для регистрации дозы радиации, доставленной в различные места в зоне воздействия.
Датчики загрязнения . Многие штаммы искусственно созданных бактерий можно использовать в качестве датчиков для обнаружения загрязнителей окружающей среды, таких как тяжелые металлы. Если эти датчики развернуты в естественной среде, они могут помочь ученым отслеживать, как уровни загрязняющих веществ меняются с течением времени в широком географическом районе.Чтобы сделать такое развертывание безопасным и предотвратить утечку бактерий в окружающую среду и возможное распространение модифицированных генов на другие организмы, бактериальные сенсоры заключены в прочную гидрогелевую оболочку.

Функциональные гидрогели с улучшенными свойствами

Электропроводящие гидрогели открывают дополнительные области применения, например, при передаче электрических сигналов в организме. Например, проводящие гидрогели могут использоваться для контроля высвобождения активных лекарственных веществ с целью более целенаправленного лечения некоторых заболеваний на местном уровне. .
Биоактивированный наноцеллюлозно-альгинатный гидрогель для 3D-печати предлагает платформу для разработки 3D-биопечати на основе гидрогеля, носимых сенсоров и высвобождающих лекарства материалов для заживления ран.
Гидрогелевые электролиты делают суперконденсаторы чрезвычайно растягиваемыми и сжимаемыми. В сочетании с электродами из композитной бумаги из углеродных нанотрубок этот гидрогель образует суперконденсатор, который можно растягивать до 1000 процентов по длине и сжимать до 50 процентов по толщине с равномерным увеличением емкости без потери емкости.
В эластичный гидрогель можно встроить различную электронику. Здесь лист гидрогеля прикреплен к матрице полимерных островков (красный), которые могут заключать в капсулу электронные компоненты, такие как полупроводниковые чипы, светодиодные лампы и датчики температуры. (Изображение: MIT)

Гидрогели в мягкой робототехнике

Приводы
Гидрогелевые материалы обладают естественной мягкостью, а также демонстрируют другие благоприятные свойства, которые делают их идеальным материалом для изготовления биомиметических мягких роботов: растяжимость, биосовместимость, проницаемость и адаптируемость к стимулам.
Но хотя гидрогели вызвали большой интерес в таких приложениях, как доставка лекарств или каркасы для роста тканей, исследователи обнаружили, что сложно превратить их в управляемые исполнительные механизмы, имитирующие движение мышц. Большинство гидрогелей набухают или сжимаются в ответ на абсорбцию или десорбцию воды, но эти деформации происходят равномерно, тогда как настоящие мышцы передают силы в определенных направлениях. Кроме того, удаление и поглощение воды из гидрогелей обычно является медленным процессом и, следовательно, не может соответствовать быстрой реакции мышц.
Одна исследовательская группа была вдохновлена ​​этим уникальным поведением морских огурцов, которые могут свободно менять форму, вступая в реакцию с водой, на разработку самоуправляемого мягкого актуатора с водным приводом, который превосходит по прочности и скорости обычные мягкие актуаторы.
Программируемый мощный и сверхбыстрый мягкий актуатор с водным приводом, вдохновленный изменчивой коллагеновой тканью морского огурца. (Изображение: POSTECH)
Другая группа исследователей разработала гидрогель, свойства которого значительно отличаются от свойств других гидрогелей.Их термочувствительный гидрогелевый материал может удлиняться в одном направлении и сокращаться в другом, не забирая и не выделяя воду, что позволяет этому похожему на мышцы устройству быстро работать на открытом воздухе. Секрет такого поведения кроется в крошечных нанолистах, встроенных в гидрогель, которые используют электростатическое отталкивание, заставляя гидрогель работать как спиральная пружина.
Вдохновленные тем, как растения растут к источникам света, явлением, известным как фототропизм, биоинженеры создали гидрогель, которым можно управлять с помощью света:

Кожа искусственная
Благодаря разработке уникального композита серебро-гидрогель, обладающего высокой электропроводностью и способного передавать постоянный ток, сохраняя при этом мягкую податливость и деформируемость.
Для этого они суспендировали серебряные хлопья микрометрового размера в полиакриламидно-альгинатной гидрогелевой матрице. Пройдя через процесс частичной дегидратации, хлопья образовали перколяционные сети, которые были электропроводными и устойчивыми к механическим деформациям. Управляя процессом обезвоживания и гидратации, можно заставить хлопья слипаться или разламываться, образуя обратимые электрические соединения.
Композитное серебро-гидрогель может быть напечатано стандартными методами, такими как трафаретная литография, аналогичная трафаретной печати.Исследователи использовали эту технику для разработки кожных электродов для нервно-мышечной электростимуляции. Композит может покрывать большую площадь человеческого тела, например, второй слой нервной ткани на вашей коже.
Самовосстанавливающиеся гидрогели
Самовосстанавливающиеся гели представляют особый интерес для проводящих гидрогелей в электротехнике или электронике. Супрамолекулярные гидрогели определяются как гели, которые используют нековалентные взаимодействия для образования трехмерных запутанных сетей в данном растворителе.
Например, исследователи разработали гибридный гель, который состоит из проводящего полимера и супрамолекулы металл-лиганд; новый гель демонстрирует привлекательные свойства, присущие как обычным полимерам, такие как простота синтеза и обработки, а также отличные характеристики самовосстановления при комнатной температуре без каких-либо стимулов.
В другом примере исследователи разработали полностью мягкий робот без электроники в форме стрекозы, который может скользить по воде и реагировать на условия окружающей среды, такие как pH, температура или присутствие масла.
В основе этой реакции лежат гидрогели. Покрасив одну пару крыльев гидрогелем, исследователи смогли заставить своего бота реагировать на изменения pH окружающей воды. Если вода становится кислой, переднее крыло одной стороны сливается с задним. Вместо того, чтобы двигаться по прямой в соответствии с инструкциями, дисбаланс заставляет робота вращаться по кругу.
Как только pH возвращается к нормальному уровню, гидрогель заживает, сросшиеся крылья разделяются, и бот снова становится полностью реагирующим на команды.

Магнитные гидрогели — феррогели

Исследователи создают гели, чувствительные к магнитному полю, называемые феррогелями, путем инкапсуляции микро- или наночастиц магнетита в химически сшитые гидрогели. Применяя магнитные поля, можно изменять форму и поведение гелей.
Например, ученые продемонстрировали способность переключать профиль высвобождения лекарства из магнитных гидрогелей между режимами «включено» и «выключено».
Используя магнитное поле и гидрогели, исследователи также продемонстрировали новый возможный способ восстановления сложных тканей тела, который может привести к более длительному лечению распространенных травм, таких как дегенерация хряща.
Они обнаружили, что если они добавят магнитную жидкость к трехмерному раствору гидрогеля, клетки и другие немагнитные объекты, включая микрокапсулы для доставки лекарств, могут быть организованы в определенные узоры, имитирующие естественную ткань, за счет использования внешнего магнитного поля.

Умные гидрогели

Материалы считаются «умными», если они могут самостоятельно реагировать на внешние раздражители, такие как pH, температура, интенсивность света, присутствие определенных химикатов, радиация и т. Д. В случае гидрогелей такие реагирующие на стимулы гидрогели способны значительно изменяют свой объем и другие свойства в ответ на раздражители окружающей среды. Результатом может быть высвобождение их полезной нагрузки или изменение цвета.
Интеллектуальные гидрогелевые материалы открывают большие перспективы для разработки чувствительных материалов, которые можно использовать для катализаторов, химических детекторов, каркасов тканевой инженерии и абсорбентов для улавливания углерода.
Одним из примеров является гидрогель, который высвобождает молекулы лекарств для лечения боли и восстановления тканей пациентов с остеоартритом. Только когда к суставу прикладывается определенное давление, гидрогель выделяет свое противовоспалительное средство.
Другой пример — гидрогель, который со временем меняет форму при изменении температуры:

Автор Майкл Бергер — Майкл является автором трех книг Королевского химического общества: Нано-общество: раздвигая границы технологий, Нанотехнологии: будущее крошечное и Наноинженерия: навыки и инструменты, которые делают технологии невидимыми Авторские права © Nanowerk

Информационный бюллетень Nanowerk

Получайте наши новости о нанотехнологиях на свой почтовый ящик!

Спасибо!

Вы успешно присоединились к нашему списку подписчиков.

Станьте приглашенным автором в центре внимания! Присоединяйтесь к нашей большой и постоянно растущей группе приглашенных участников. Вы только что опубликовали научную статью или хотите поделиться другими интересными разработками с нанотехнологическим сообществом? Вот как опубликовать на nanowerk.com.

Журнал биомедицинских наук | Insight Medical Publishing

есенюрт мото курье

ozellikle ticari islerimizde en cok ingilizce Turkce ceviri yapma gereksinimi duyariz, fakat dogru duzgun ingilizce Turkce ceviri hizmeti veren siteler cok az Sayidadir.Bu baglamda ingilizceturkce.gen.tr sunmus oldugu ingilizce Turkce ya da Turkce ingilizce ceviri kalitesiyle rakipleri arasindan kolayca siyrilmaktadir.ingilizceturkce

Index Copernicus Значение: 85,95

Journal of Biomedical Sciences (ISSN: 2254-609X) — это международный рецензируемый журнал с открытым доступом, в котором публикуются статьи высокого качества и новые исследования, вносимые в научные знания. Журнал позволяет быстро и своевременно рецензировать процесс быстрой публикации статей в широкой области биомедицинских наук.

Журнал биомедицинских наук приветствует рукописи по биохимии, биомедицинским наукам, биотехнологии, микробиологии, молекулярной биологии и генетике. Редакционная коллегия Journal of Biomedical Sciences должна стремиться поддерживать самые высокие стандарты качества и этики при публикации.

Отправьте рукопись по адресу https://www.imedpub.com/submissions/biomedical-sciences.html или отправьте в виде вложения по электронной почте в редакцию по адресу [электронная почта защищена]

ankara escort bayan

Когнитивные и нейробиологические науки

Когнитивная нейробиология — это мультидисциплинарная область исследований, охватывающая системную нейробиологию, вычисления и когнитивную науку.Его цель — углубить наше понимание взаимосвязи между когнитивными явлениями и основным физическим субстратом мозга. Используя сочетание поведенческого тестирования, расширенной визуализации мозга и теоретического моделирования, исследования когнитивной нейробиологии, проводимые в отделе, стремятся выяснить, как высокоуровневые функции, такие как распознавание языка и визуальных объектов, связаны с конкретными нейронными субструктурами в головном мозге.

Когнитивные и нейробиологические журналы Родственные журналы
Журнал биотехнологии и биоматериалов, трансляционная медицина, журнал биоинженерии и биомедицинских наук, журнал химической инженерии и технологических процессов, журнал когнитивной нейробиологии, журналы нейробиологии, журнал поведенческих наук, журнал нейробиологии и познания, журнал нейробиологии, журнал психологии, Журнал неврологии, Журналы геронтологии

Биохимическая инженерия

Биохимическая инженерия — это отрасль химической инженерии, которая в основном занимается проектированием и созданием единичных процессов, в которых задействованы биологические организмы или молекулы, такие как биореакторы.Биохимическая инженерия переводит захватывающие открытия в области науки о жизни в практические материалы и процессы, способствующие здоровью и благополучию человека
Биохимическая инженерия Связанные журналы
Журнал химических наук, Международный журнал сбора биомедицинских данных, Биомедицинские исследования, Журнал биомедицинской инженерии и медицинских устройств, Журнал биохимической инженерии, Журнал биоинженерии и биомедицинских наук, Журнал биологической инженерии, Журнал механического поведения биомедицинских материалов, Журнал Медицинская и биологическая инженерия, Журнал биологических исследований, Американский журнал химической и биохимической инженерии, Журнал биомиметики, биоматериалов и биомедицинской инженерии

Транспорт газа и метаболизм

Гемоглобин переносит почти весь кислород в наши метаболизирующие ткани.В этом уроке обсуждаются физиологические факторы, которые стимулируют гемоглобин к разгрузке кислорода в наших тканях. Например, температура, углекислый газ, pH и метаболизм влияют на сродство гемоглобина к кислороду. Когда кровь течет через легкие, кислород загружается на гемоглобин, и это образует то, что мы каллоксигемоглобин. Оксигемоглобин похож на грузовик, который доставляет кислород к тканям. Когда кровь течет через метаболизирующие ткани, кислород выгружается из оксигемоглобина, образуя то, что мы называем дезоксигемоглобином

.

Транспорт и метаболизм газа Журналы по теме
Журнал биотехнологии и биоматериалов, Трансляционная медицина, Журнал биоинженерии и биомедицинских наук, Журнал химической инженерии и технологических процессов, Журнал сравнительной физиологии, Журнал экспериментальной зоологии, Журнал экспериментальной биологии, Журнал экспериментальной ботаники, Международный журнал радиационной биологии, Журнал радиационной биологии и связанных исследований

Вспомогательные устройства для сердца

Вспомогательные устройства для сердца были разработаны в связи с постоянным увеличением случаев сердечной недостаточности.Вспомогательные устройства для сердца, такие как полная трансплантация сердца, или, если это невозможно из-за возраста или других медицинских проблем, устройства для поддержки желудочков предлагают спасающую жизнь терапию — это тип механического устройства поддержки кровообращения. Это механический насос, который имплантируется пациентам с сердечной недостаточностью, чтобы помочь ослабленному сердцу левому желудочку перекачивать кровь по всему телу. Вспомогательные устройства для левого желудочка могут использоваться двух типов, например, мост для транспортировки или конечная терапия

Вспомогательные устройства для сердца Связанные журналы
Журнал химических наук, Международный журнал биомедицинского анализа данных, Биомедицинские исследования, Журнал биомедицинской инженерии и медицинских устройств, Журнал трансплантации сердца и легких, Журнал медицины, Журнал кардиоторакальной хирургии, Журнал инвазивных заболеваний Кардиология, Журнал торакальной и сердечно-сосудистой хирургии, Журнал биомеханической инженерии, Американский журнал трансплантации, Южноафриканский медицинский журнал

Сосудистая ауторегуляция

Ауторегуляция кровотока, тенденция к тому, чтобы кровоток оставался постоянным, несмотря на изменения артериального перфузионного давления, является повсеместным и хорошо изученным явлением.Саморегуляция кровотока относится к регулировке кровотока из-за метаболической активности поставляемых тканей и поддержанию постоянного кровотока во время постоянной активности ткани за счет изменения перфузионного давления. Регулирование кровотока легче всего понять при постоянном уровне активности тканей и изучении изменения перфузии или артериального давления. Ауторегуляция вызывает изменение сопротивления сосудов в ответ на изменения артериального давления, чтобы поддерживать постоянный уровень кровотока, особенно через капилляры

Журналы, связанные с ауторегуляцией сосудов
Биология и медицина, Журнал биомедицинской инженерии и медицинских устройств, Журнал химической инженерии и технологических процессов, Журнал сбора биомедицинских данных, Американский журнал кардиологии, Британский журнал фармакологии, Журнал фармакологии, Журнал Инженерная математика, Журнал прикладной физиологии, Журнал гипертонии, Журнал болезни Альцгеймера

Белковедение

Наука о протеине — это исследование протеина и его дочерних компонентов, которое помогает формированию тканей на стадии роста.Науки о белке объединяют источники резки и дисциплины с упором на науки, ориентированные на белок

Белковедение Родственные журналы
Журнал биотехнологии и биоматериалов, Трансляционная медицина, Журнал биоинженерии и биомедицинских наук, Журнал химической инженерии и технологических процессов, Журнал науки о белке, Журнал белковой науки, Белковая инженерия, Журнал белков и протеомики, Журнал биоинформатики и вычислительной биологии

Структурная биология

Структурная биология — это исследование молекулярной биологии, биохимии и биофизики, которое касается молекулярной структуры биологических макромолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты.Они приобретают структуру, и изменение структуры влияет на функцию

Структурная биология Журналы по теме
Биология и медицина, Журнал биомедицинской инженерии и медицинских устройств, Журнал химической инженерии и технологических процессов, Журнал сбора биомедицинских данных, Журнал структурной биологии, Журнал биофизики и структурной биологии, Международный журнал биомедицины, Журнал протеомной науки, Журнал Proteome Science & Computational Biology, Journal of Allergy and Clinical Immunology

Биомедицинский ультразвук

Biomedical Ultrasound — это профессиональное инженерное, медицинское и прикладное научное сообщество, в котором исследователи объединяются для исследования и использования высокочастотных звуковых волн в медицинской диагностике и терапии.Есть много передовых методов, используемых в ультразвуковой диагностике и открытии новых терапевтических применений в области медицины и биологии

Журналы, связанные с биомедицинским ультразвуком
Журнал биотехнологии и биоматериалов, Трансляционная медицина, Журнал биоинженерии и биомедицинских наук, Журнал химической инженерии и технологических процессов, Журналы биомедицинской инженерии, Журнал критического ультразвука, Журнал ультразвука, Журнал медицинского ультразвука, Международный журнал биомедицинских и передовых исследований, Журнал биомедицинских и передовых исследований, Журнал терапевтического ультразвука, Журнал биомедицинских наук и инженерии, Журнал биомедицинской инженерии

Нейроинженерия

Нейроинженерия — это дисциплина из области биомедицинской инженерии, в которой используются инженерные методы для понимания, ремонта, замены, улучшения или использования свойств нейронных систем.Нейробиология и нано-микронауки, используемые в исследованиях мозга и технологическая основа для будущего нейропротезирования

Нейроинженерия Журналы по теме
Журнал химических наук, Международный журнал биомедицинского анализа данных, Биомедицинские исследования, Журнал биомедицинской инженерии и медицинских устройств, Журнал нейронной инженерии, Журнал биоинженерии и биомедицинских наук, Журнал биомедицинской инженерии, Международный журнал вычислительной и нейронной инженерии, Журнал вычислительной техники И нейронная инженерия, Журнал трансляционной инженерии

Механика сердца

Механическая функция сердца определяется сократительными свойствами клеток, механической жесткостью мышечной и соединительной ткани, а также условиями давления и объемной нагрузки на орган.Механическая функция для микро- и макроанатомических вращательных движений бьющегося сердца. Цели этого: изучить термины, которые традиционно используются для описания механических напряжений и деформаций в желудочке, изучить трехмерную организацию кардиомиоцитов, которая влияет на глобальную функцию желудочков, применить механические меры как к отдельным кардиомиофибриллам, так и к интактным. желудочка и для оценки математических и компьютерных моделей, используемых для характеристики механики сердца

Механика сердца Журналы по теме
Биология и медицина, Журнал биомедицинской инженерии и медицинских устройств, Журнал химической инженерии и технологических процессов, Журнал биомедицинского анализа данных, Журнал биомеханики, Европейский журнал механики, Европейский журнал сердца, Европейский журнал сердца — Визуализация сердечно-сосудистой системы, Журнал гидромеханики , Американский медицинский журнал

Биомедицинская наука

Биомедицинские науки — это смежные науки в области здравоохранения, предназначенные для диагностики заболевания и оценки надлежащего лечения с помощью различных анализов.Анализ может проводиться с использованием различных образцов тканей или жидкостей

Биомедицинские науки Связанные журналы
Журнал биотехнологии и биоматериалов, Трансляционная медицина, Журнал биоинженерии и биомедицинских наук, Журнал химической инженерии и технологических процессов, Журнал биомедицинских наук, Журнал биоинженерии и биомедицинских наук, Британский журнал биомедицинских наук, Американский журнал биомедицинских наук, журнал биомедицины, журнал медицинских и биомедицинских наук

Генетика

Генетика — это исследование генов и наследственности.Вариация вызвана образованием генов и аллелей. Биологический стандарт развития показал, что гены — самый мощный компонент живого организма

Журналы по генетике
Журнал химических наук, Международный журнал сбора биомедицинских данных, Биомедицинские исследования, Журнал биомедицинской инженерии и медицинских устройств, Американский журнал генетики человека, Европейский журнал генетики человека, журналы по генетике, Журнал медицинской генетики, Журнал генетики и геномики, американский Журнал медицинской генетики, Международный журнал генетических и генетических исследований

Frontiers | Функциональные гидрогели с настраиваемой структурой и свойствами для тканевой инженерии

Введение

Тканевая инженерия (TE) появилась как полезный подход к лечению повреждений тканей, вызванных заболеваниями и травмами, который показал много преимуществ по сравнению с традиционными стратегиями лечения.Чтобы обеспечить желаемый терапевтический результат, для ТЕ использовались каркасы, приготовленные из различных видов биоматериалов, чтобы вмещать достаточное количество клеток и контролировать функции клеток (Chen and Kawazoe, 2016a, b; Chen et al., 2018).

Среди различных типов каркасов гидрогели привлекают все больше и больше внимания в области ТЕ из-за их сходства с in vivo клеточного микроокружения и настраиваемых физико-химических свойств (Drury and Mooney, 2003). Гидрогели обычно получают путем преобразования раствора гидрофильных полимеров в трехмерную сетчатую структуру посредством физического или химического сшивания.Во время этого процесса гидрогели могут однородно инкапсулировать клетки и обеспечивать клетки трехмерным микроокружением, аналогичным нативному внеклеточному матриксу (ECM) (Tibbitt and Anseth, 2009). Поведение и функции клеток in vivo зависят от стимулов, которые производятся окружающим ЕСМ. Точно так же структуры и физико-химические свойства гидрогелей предоставляют важные сигналы для управления функциями встроенных клеток и, таким образом, направляют регенерацию тканей.

Структуры и физико-химические свойства гидрогелей можно проектировать и контролировать путем выбора различных биоматериалов, методов сшивания и стратегий производства.В этом обзоре обобщены последние разработки функциональных гидрогелей для применения в TE. Сначала представлены материалы и методы сшивания, используемые для приготовления гидрогелей. Затем сравниваются подходы к настройке структуры и физико-химических свойств гидрогелей и их влияния на функции клеток и регенерацию тканей. Наконец, обсуждаются проблемы и перспективы функциональных гидрогелей.

Материалы и методы сшивания для получения функциональных гидрогелей

Есть несколько критериев для подготовки гидрогелей для применения в TE.Во-первых, материалы и сшивающие агенты должны быть совместимы с живыми клетками и биологическими факторами (например, факторами роста). Во-вторых, процесс приготовления должен проходить в мягких условиях. В-третьих, продукты распада гидрогеля должны быть нетоксичными для клеток и тканей. Материалы и методы сшивания, использованные для приготовления гидрогеля для ТЕ, приведены в Таблице 1.

Таблица 1 . Материалы и методы сшивания для получения функциональных гидрогелей.

Гидрогелевые строительные материалы

Материалы, используемые для получения гидрогелей ТЕ, можно кратко разделить на природные и синтетические полимеры. Гидрогели, полученные из природных полимеров, обладают такими внутренними преимуществами, как высокая биосовместимость, биоразлагаемость и микросреда, схожая с микроокружением нативных тканей. Природные полимеры, используемые для приготовления гидрогеля, включают материалы на основе белков (например, желатин, коллаген, фибрин и фиброин шелка) и материалы на основе полисахаридов (такие как гиалуроновая кислота (HA), хондроитинсульфат (CS), альгинат, хитозан и т. Д.). ).Коллаген, как основной компонент внеклеточного матрикса различных тканей, является привлекательным материалом для приготовления гидрогелей (Heo et al., 2016). Его производное, желатин, также является часто используемым материалом на основе белка для образования гидрогелей, который имеет более высокую растворимость и более низкую стоимость по сравнению с коллагеном (Zhao et al., 2016). Гидрогели на основе желатина являются хорошими кандидатами для различных ТЭ. Например, инъекционные желатинметакрилоиловые (GelMA) гидрогели готовят для TE хряща (Li et al., 2016). 3D-культивирование хондроцитов в этих гидрогелях продемонстрировало отличную жизнеспособность и желаемые функции.ГК как гликозаминогликан обычно преобладает в жидкости организма и нативном ВКМ (Shendi et al., 2016). Поэтому его использовали для приготовления различных видов гидрогелей для хрящей, кожи и многих других ТЕ. Например, сообщалось, что молекула НА может связываться с мезенхимальными стволовыми клетками (МСК) через рецепторы CD44 и способствовать хондрогенезу (Chung and Burdick, 2008). CS представляет собой сульфатированный гликозаминогликан с линейной структурой, существующий в ECM хрящевой ткани (Levett et al., 2014). Хондроциты, культивируемые в гидрогелях CS, имеют округлую морфологию, повышенную экспрессию генов и секрецию хрящевого внеклеточного матрикса (Levett et al., 2014; Чжу и др., 2014). Другие материалы на основе полисахаридов, такие как альгинат (полученный из бактерий и бурых водорослей) и хитозан (полученный из хитина, который получают из панцирей крабов и креветок), также обычно используются для приготовления гидрогелей из-за их биосовместимости, разлагаемости и простоты модификации (Kim et al., 2016; Hunt et al., 2017).

С другой стороны, синтетические полимеры также широко используются благодаря их управляемости, воспроизводимости и хорошим механическим свойствам (Guan et al., 2017). Типичные синтетические полимеры, используемые для гидрогелей TE, включают поли (этиленгликоль) (PEG), поливиниловый спирт (PVA), поли (N-изопропилакриламид) (PNIPAM) (Haq et al., 2017) и полиакриламид (PAM) ( Darnell et al., 2013). ПЭГ и ПВС обладают низкой токсичностью, что делает их широко используемыми для наполненных клетками гидрогелей и носителей лекарств (Kim et al., 2016; You et al., 2018). Однако из-за отсутствия биологической активности биосовместимость этих синтетических полимеров находится под угрозой по сравнению с природными материалами.Гибридизация с натуральными материалами — это эффективный и простой подход к объединению преимуществ натуральных и синтетических компонентов. Сообщалось, что биосовместимость гидрогелей PAM, PVA, PNIPAM и PEG значительно улучшается после смешивания с желатином (Gao et al., 2015; Kim et al., 2016; Navaei et al., 2016b; Han et al. , 2017). Распространение и пролиферация клеток в этих гибридных гидрогелях улучшены по сравнению с клетками, 3D культивированными в синтетических гидрогелях. Кроме того, гибридизация различных природных материалов также может проявлять новые привлекательные свойства.Например, альгинат проникает и сшивается в фотополимеризованную сеть гидрогеля желатина с образованием гибридного гидрогеля альгинат / желатин (Pacelli et al., 2018). Подтверждено, что такой гидрогель способствует регенерации костной ткани благодаря хорошей биосовместимости и улучшенным механическим свойствам.

Методы сшивания

Существуют различные методы сшивания цепей гидрофильных полимеров с образованием гидрогелей, которые обычно выбирают в зависимости от химического состава материалов и ожидаемых функций.В целом их можно разделить на физические и химические методы сшивания.

Физические методы сшивания

Физически сшитые гидрогели могут быть получены в очень мягких условиях без использования сшивающих агентов, которые часто вызывают токсичность для клеток или могут влиять на активность биологических молекул, инкапсулированных в гидрогели (Hennink and Van Nostrum, 2012). Существует множество методов приготовления физически сшитых гидрогелей для применения в ТЕ, таких как ионное взаимодействие, взаимодействие «гость-хозяин» и термогелеобразование.

Ионное сшивание

Метод ионного сшивания часто используется для инкапсулирования клеток и лекарств из-за мягких процедур сшивания (Goosen et al., 1985; Gombotz and Wee, 2012). Наиболее типичным гидрогелем, образованным ионным сшиванием, является альгинатный гидрогель. Сшивание происходит за счет обмена ионов натрия из звеньев гулуроновой кислоты с двухвалентными катионами, такими как кальций, с образованием зон соединения (Gacesa, 1988). Этот физически сшитый альгинатный гидрогель не только продемонстрировал биосовместимость, но также имеет много других функций, таких как самовосстановление и снятие напряжения, благодаря обратимой диссоциации и повторному связыванию между α-L-гулуроновой кислотой в альгинате и ионами кальция.Однако при использовании в физиологических условиях следует учитывать стабильность ионного гидрогеля. Например, сшитый кальцием альгинатный гидрогель будет терять стабильность в 0,9 мас.% Растворе хлорида натрия из-за обмена ионов кальция на ионы натрия (Martinsen et al., 1989).

Химия гостя-хозяина

Химия «гость-хозяин» имеет большой потенциал для приготовления гидрогелей из-за низкой цитотоксичности и специфической селективности. В этой реакции молекулы-хозяева могут избирательно распознавать и физически связываться с определенными молекулами-гостями, образуя сшитую сеть.Взаимодействие включает гидрофобную ассоциацию, водородную связь, электростатическое взаимодействие, силы Ван-дер-Ваальса и так далее (Steed et al., 2007). Циклодекстрин, как один макроцикл, имеет гидрофобные внутренние полости, которые обладают высоким сродством к определенным гидрофобным группам гостей. В частности, пара гость-хозяин, адамантан (гость) и β-циклодекстрин (хозяин), широко используется для синтеза соответствующих макромеров. Связь гость-хозяин может легко переводить смешанный раствор в гидрогели (Rodell et al., 2016). В другом исследовании акрилатный β-циклодекстрин может создавать связывание «гость-хозяин» с бензольным кольцом желатина с образованием супрамолекулярных гидрогелей. Эти гидрогели обладают очень хорошими биоадгезивными свойствами и устойчивым высвобождением гидрофобных препаратов, что является многообещающим для ТЭ костей, хрящей и сухожилий (Feng et al., 2016).

Термо-гелеобразование

Термогелеобразование — это создание физически сшитой сети за счет изменения температуры. Например, кристаллическая природа ПВС была применена для изготовления физически сшитого гидрогеля путем нескольких повторяющихся циклов замораживания и оттаивания (Hassan and Peppas, 2000).Сообщается, что эти физически сшитые гидрогели ПВС обладают многими характеристиками, такими как высокая степень набухания и механическая прочность. Раствор желатина становится гидрогелем из-за образования межмолекулярных водородных связей, когда температура опускается ниже верхней критической температуры раствора (UCST). Напротив, некоторые другие макромеры, такие как PNIPAM, становятся гидрогелями при повышении температуры выше нижней критической температуры раствора (НКТР) из-за баланса между водородными связями и гидрофобными эффектами (Ashraf et al., 2016). Эти чувствительные к температуре полимеры могут преобразовывать фазы между золем и гелем при температуре, близкой к физиологической, что позволяет вводить гидрогели. Инъекционный гидрогель на основе PNIPAM использовался для инкапсуляции кардиомиоцитов, и инкапсулированные клетки демонстрируют высокую жизнеспособность и зрелые фенотипы (Navaei et al., 2016b).

Химические методы сшивания

Химически сшитые гидрогели обладают лучшими характеристиками стабильности, чем физически сшитые гидрогели, благодаря более высокой энергии связи и существенно улучшенной гибкости.Водорастворимые полимеры, образующие гидрогель, имеют множество функциональных групп, таких как OH, COOH и NH 2 . Трехмерная сеть может быть создана путем ковалентной связи между этими функциональными группами с использованием глутаральдегида и EDC / NHS (Balakrishnan et al., 2013; Omobono et al., 2015; Cheaburu Yilmaz et al., 2017). Однако токсичность сшивающих агентов и процесса ограничивают области применения ТЕ. Например, сообщалось, что низкомолекулярные сшивающие агенты, такие как глутаральдегид и карбодиимиды, токсичны и не рекомендуются для изготовления нагруженных клетками гидрогелей (Balakrishnan, 2016).Ниже будут рассмотрены несколько доступных стратегий получения функционального гидрогеля, отвечающих требованиям TE.

Фотополимеризация

Фотополимеризация широко используется для изготовления гидрогелей из-за ее биосовместимости и пространственно-временной управляемости. Обычно макромеры модифицированы фотореактивными фрагментами, такими как метакрилатные или акрилатные группы. Раствор фотореактивного макромера с фотоинициатором можно сшивать под УФ или видимым светом.Фотоинициаторы могут генерировать свободные радикалы, которые переносятся на группы фотореактивных углеродных двойных связей в модифицированных макромерах, чтобы начать цепную полимеризацию. Однако при сильном воздействии света фотоинициатор будет генерировать большое количество свободных радикалов, которые могут реагировать с внутриклеточными молекулами, вызывая повреждение клеток. Эту проблему можно решить, уменьшив световую энергию и количество фотоинициатора (Bryant et al., 2000; Fedorovich et al., 2009). Сообщалось, что высокая плотность метакрилатных групп защищает инкапсулированные клетки за счет тушения свободных радикалов (Bartnikowski et al., 2015). Этот метод можно использовать для приготовления гидрогелей из различных типов полимеров, и различные типы клеток могут быть инкапсулированы в гидрогели для применения ТЕ (Park et al., 2003; Chen et al., 2018). Одним из наиболее часто используемых макромеров является GelMA, который сохраняет клеточную адгезивную пептидную последовательность (аргинин-глицин-аспарагиновая кислота, RGD) и пептид, разлагаемый матричной металлопротеиназой (MMP) (Yue et al., 2015).

Ферментное сшивание

Ферментное сшивание является высокоселективным по отношению к конкретному ферменту и может быть достигнуто в мягких физиологических условиях (Ulijn, 2006).Трансглутаминаза и пероксидаза хрена — два широко используемых фермента. Трансглутаминаза катализирует реакцию трансамидирования, которая вводит поперечные связи N-(γ-глутамил) лизина в белки, превращая раствор белка в трехмерную гидрогелевую сеть (Chen et al., 2003). Пероксидаза хрена может создавать сети между полимерами путем окислительного связывания фрагментов гидроксифенилпропионовой кислоты (Wang et al., 2014). Помимо селективности, этот метод ферментно-опосредованного сшивания также демонстрирует быстрое гелеобразование и легко настраиваемые механические свойства путем изменения концентрации пероксидазы хрена и H 2 O 2 (Ren et al., 2015).

Щелкните по химии
Химия

Click отличается высокой эффективностью, высоким выходом и отсутствием побочных продуктов, что делает этот метод широко изученным. Применение ТЕ требует, чтобы реакция протекала в физиологических условиях. Типичной реакцией щелчка является реакция тиол-енового радикала, которой препятствует ингибирующая способность кислорода и которая демонстрирует сложную релаксацию объема и развитие напряжения по сравнению с классической радикальной фотополимеризацией (Hoyle and Bowman, 2010).Другой типичный химический состав цыплят включает реакцию Дильса-Альдера, химию азид-алкинового циклоприсоединения (Xu and Bratlie, 2018) и добавление Михала. Штамм-промотируемое азид-алкиновое циклоприсоединение (SPAAC) щелк-химия в последнее время привлекает все большее внимание из-за мягких условий реакции и биоортогональности (Xu et al., 2014). Инъекционный и разлагаемый гидрогель на основе ПЭГ был приготовлен с помощью биоортогональной клик-химии SPAAC (Jiang et al., 2015). Реакция присоединения Майкла представляет собой нуклеофильное присоединение карбаниона или нуклеофила к α, β-ненасыщенному карбонильному соединению.Опосредованные присоединением Майкла гидрогели могут быть получены в физиологических условиях, что делает этот вид гидрогелей инъекционным (Sun et al., 2017). Например, НА с тиоловыми функциональными группами может образовывать трехмерную сеть с макромерами винисульфона ПЭГ посредством добавления Майкла. Время гелеобразования можно контролировать степенью функционализации и соотношением двух функциональных групп (Jin et al., 2010).

реакция основания Шиффа

Реакция основания Шиффа широко используется для образования гидрогелей посредством связывания альдегидных и аминогрупп в полимерных цепях.Сообщалось, что эти гидрогели обладают способностью к самовосстановлению благодаря динамическому равновесию связей. Например, гликоль-хитозан и ПЭГ с бензальдегидом были синтезированы и использованы для образования гидрогеля со свойством самовосстановления для регенерации центральной нервной системы (Tseng et al., 2015). Скорость пролиферации и тенденция к дифференцировке нейросфероподобных предшественников увеличиваются в самовосстанавливающемся гидрогеле.

Вышеописанные материалы и реакции сшивания имеют свои достоинства и недостатки.В то время как рациональная комбинация природных и синтетических полимеров или различных методов сшивания может предоставить оптимизированный подход для улучшения функций гидрогеля. Например, ферментативное сшивание и химия щелчков Дильса-Альдера могут быть индуцированы в гидрогелях HA / PEG для TE хряща (Mahadevaiah et al., 2015). И биосовместимость, и механические свойства улучшаются за счет смешивания полимеров НА и ПЭГ. Ферментативное сшивание обеспечивает подходящую скорость гелеобразования для инъекций, в то время как реакция щелчка генерирует второе сшивание, которое обеспечивает выдающуюся память формы и антиусталостные свойства.Все эти признаки необходимы для TE хряща.

Контроль физических свойств

Физические свойства гидрогелей, такие как механическая прочность, жесткость, релаксация напряжений, самовосстановление и деградация, можно контролировать на разных уровнях для удовлетворения конкретных требований к TE. Эти физические свойства оказывают очевидное влияние на функции клеток, поэтому их следует изучить и проанализировать. Гидрогели, приготовленные с различными физическими свойствами, и их влияние на функции клеток, а также их применение для ТЭ приведены в таблице 2.

Таблица 2 . Физические свойства гидрогелей и их характеристики в качестве каркасов TE.

Механическая прочность и жесткость

Обычные гидрогели обычно обладают хрупкими характеристиками, которые снижают их стабильность, и поэтому их нельзя использовать для определенных тканей, таких как кости, хрящи и сухожилия. Для решения этой проблемы были разработаны две эффективных стратегии. Один из них — гибридизация гидрогелей с другими полимерами, наночастицами или нановолокнами.Например, регенерированный фиброин шелка и нановолокно хитина были использованы для улучшения механической прочности гидрогелей GelMA за счет складывания β-листов и самосборки соответственно. Модуль упругости гидрогеля увеличивается в тысячу раз, а деформация до разрушения увеличивается примерно на 200% после сборки хитиновых нановолокон (Hassanzadeh et al., 2016). Гидрогели также демонстрируют хорошую жизнеспособность клеток, стимулирующую дифференцировку клеток и стабильное формирование сосудистой сети. Гидрогели на основе коллагена с 10-кратным увеличением жесткости были получены после смешивания с очень низким количеством химически функционализированных наночастиц, работающих в качестве эпицентров сшивателя, чтобы цепи коллагена сшивались на поверхности наночастиц (Jaiswal et al., 2015). За счет взаимодействия между наночастицами и полимерными цепями можно улучшить механические свойства гибридных гидрогелей. Другая стратегия — приготовление гидрогелей с взаимопроникающей полимерной сеткой (IPN) с высокой износостойкостью и высокой прочностью на излом, что в последнее время привлекло большое внимание (Dragan, 2014). Двойные сети (DN) вводятся в гидрогели для улучшения механических свойств TE хряща (Gong et al., 2003; Yasuda et al., 2009; Fukui et al., 2014). Особенностью гидрогелей DN является состав первого плотно сшитого гидрогеля и второго рыхлого каркаса.Первая сеть служит жертвенными связями для рассеивания напряжения, в то время как вторая полимерная цепь работает как скрытая длина, которая может увеличиваться, выдерживая большую деформацию (Haque et al., 2012). Точно так же ионно-сшитый хитозан с низкой молекулярной массой используется в качестве второго сшивающего компонента для повышения механической прочности гидрогеля ПАМ, инициированного УФ-излучением (Yang et al., 2018).

С макроскопической точки зрения, механические свойства важны для поддержания устойчивости строительных лесов при нагрузках и устранении дефектов.Между тем, на микроскопическом уровне механические сигналы играют решающую роль в воздействии на активность и судьбу клеток. Например, сообщалось, что жесткость матрикса влияет на распространение, миграцию, пролиферацию и дифференцировку клеток (Wen et al., 2014). Жесткость гидрогелей можно регулировать, изменяя плотность сшивания, длину сшивающего агента и молекулярную массу предшественников (Slaughter et al., 2009; Li et al., 2016, 2017b). Дифференциация мезенхимальных стволовых клеток (МСК), культивируемых на поверхности 2D-матрикса, зависит от жесткости субстрата (Engler et al., 2006). МСК, культивируемые в гидрогелях с жесткостью ниже (0,1–1 кПа), промежуточного (8–17 кПа) или более высокого диапазона (34 кПа), могут дифференцироваться на нейральный, миогенный или остеогенный фенотип, соответственно. Однако микросреда, обеспечиваемая клеткам в 3D-культуре, отличается от таковой в традиционной 2D-системе (Baker and Chen, 2012). Остеогенная дифференцировка мышиных МСК усиливается в RGD-модифицированном альгинате, агарозе и диакрилате ПЭГ (PEGDA) с промежуточной жесткостью (11-30 кПа) (Huebsch et al., 2010) (рисунок 1А). Также изучалось влияние жесткости на хондрогенную, сосудистую и нервную дифференцировку (Banerjee et al., 2009; Bian et al., 2013; Mahadevaiah et al., 2015). Например, чтобы исследовать влияние жесткости на поддержание фенотипа хондроцитов, гидрогели GelMA с различной жесткостью, но с одинаковой плотностью RGD получают путем изменения степени замещения метакрилоила при использовании той же концентрации GelMA. Суставные хондроциты крупного рогатого скота инкапсулируются и культивируются в гидрогеле GelMA с низкой, средней и высокой жесткостью.Хондроциты, инкапсулированные в гидрогель высокой жесткости, демонстрируют морфологию круглых клеток и высокую экспрессию хондрогенных генов, в то время как хондроциты, культивируемые в аналогах с низкой жесткостью, демонстрируют удлиненную морфологию и низкую экспрессию хондрогенных генов (Li et al., 2016).

Рисунок 1 . Контроль жесткости и релаксации стресса гидрогелей и их влияние на функции клеток: (A) Дифференциация MSC под влиянием жесткости RGD-модифицированного альгината (i), RGD-модифицированной агарозы (ii) и RGD-модифицированного PEGDA (iii) ) гидрогели.Активность щелочной фосфатазы (ЩФ) (быстрый синий; остеогенный биомаркер, синий) и накопление нейтральных липидов (масляный красный О; адипогенный биомаркер, красный) окрашивание МСК через 1 неделю культивирования. Окрашивание остеокальцином (OCN, зеленый) и ядерным контрастным красителем 4 ‘, 6-диамидино-2-фенилиндолом (DAPI, синий) в альгинатном гидрогеле (iv). Масштабные линейки: (i) 100 мкм, (ii) — (iii) 50 мкм и (iv) 20 мкм соответственно. Воспроизведено с разрешения Huebsch et al. (2010 г.), © Springer Nature, 2010 г. (B) Релаксационные свойства живых тканей и приготовленных гидрогелей (i).Предполагается, что уменьшение молекулярной массы (MW) альгината и связывающих спейсеров PEG увеличивают скорость релаксации напряжения (ii). МСК, культивированные в гидрогелях при указанном начальном модуле и временной шкале релаксации стресса, претерпевают адипогенную и остеогенную дифференцировку (окрашивание Oil Red O и окрашивание щелочной фосфатазой) в течение 7 дней (iii). Масштабные линейки 25 мкм. Воспроизведено с разрешения Chaudhuri et al. (2016 г.), © Springer Nature, 2016 г.

Релаксация стресса

Релаксация напряжений — еще одно важное механическое свойство гидрогелей, которое также является обычным поведением тканевого матрикса.Сообщалось, что ионные и ковалентные гидрогели демонстрируют релаксацию напряжений за счет разобщения-преобразования поперечных связей и миграции воды, соответственно (Zhao et al., 2010). Ионные гидрогели имеют более быстрое расслабление напряжения и более легкую модуляцию, чем ковалентные гидрогели. Альгинат натрия обычно используется для образования гидрогелей с регулируемой релаксацией напряжения. В предыдущем исследовании альгинат, модифицированный RGD, использовался для приготовления мягкого, но сильно расслабляющего стресс субстрата. Клетки, культивируемые в этом субстрате, распространяются аналогично клетке на поверхности жестких эластичных субстратов (Chaudhuri et al., 2015). Снятие напряжения ковалентно сшитого гидрогеля PAM, физически сшитого гидрогеля коллагена и живых тканей, таких как жировая ткань, печень, мозг и гематома с начальным переломом, сравнивают путем измерения изменения напряжения при фиксации напряжения на уровне 15% (Chaudhuri et al., 2016). Результаты показывают, что релаксация стресса гидрогеля коллагена происходит быстрее, чем у живых тканей и гидрогеля PAM, в то время как релаксация PAM происходит медленнее всего. Связанный с RGD альгинат с разной молекулярной массой и спейсеры из ПЭГ используются для приготовления гидрогелей с различными свойствами релаксации напряжений, независимо от начального модуля упругости и разрушения матрицы.Быстрая релаксация стресса усиливает распространение, пролиферацию и остеогенную дифференцировку стволовых клеток за счет связывания интегрина с RGD и кластеризации (рис. 1B). Также было продемонстрировано, что релаксация стресса способна изменять фенотип хондроцитов и отложение матрикса посредством модуляции увеличения объема клетки (Lee et al., 2017). Медленно расслабляющая среда ограничивает объем клеток, что приводит к увеличению секреции интерлейкина-1β, что, в свою очередь, активирует гены, связанные с деградацией матрикса и гибелью клеток.Чтобы полностью имитировать механические и структурные сигналы нативного ECM, HA, сшитый динамическими ковалентными связями и фибриллярным коллагеном типа I, используется для приготовления гидрогеля IPN с настраиваемой релаксацией напряжения (Lou et al., 2018). Распространение клеток, ремоделирование волокон и формирование очаговой адгезии усиливаются в гидрогелях с более быстрой релаксацией.

Самовосстановление

Самовосстанавливающийся гидрогель способен автоматически заживлять трещины, возвращая себе первоначальную форму и механические свойства.Это свойство напрямую основано на химии обратимого или динамического сшивания (Taylor and in het Panhuis, 2016). Один из типичных самовосстанавливающихся гидрогелей получают из гликоль-хитозана и функционализированного бензальдегидом ПЭГ посредством реакции с основанием Шиффа (Tseng et al., 2015). Скорость пролиферации и тенденция к дифференцировке нейросфероподобных предшественников, культивируемых в этом самовосстанавливающемся гидрогеле, увеличиваются (рис. 2А). Сшитый тромбином фибриноген может создавать трехмерную сетчатую структуру, которая используется для получения структуры IPN после смешивания с вышеупомянутым гидрогелем хитозан-ПЭГ (Hsieh et al., 2017). Этот гидрогель, инкапсулированный эндотелиальными клетками сосудов, демонстрирует превосходную способность к самовосстановлению и индуцированию капилляров. Инъекция этого гидрогеля способствует ангиогенезу у рыбок данио и мышей. Динамическая ацилгидразоновая связь и ковалентное сшивание по методу Дильса-Альдера комбинируются для получения самовосстанавливающихся гидрогелей с желаемыми механическими свойствами (Lü et al., 2017). Эти гидрогели повышают жизнеспособность, снижают апоптоз МСК и усиливают регенерацию костной ткани при дефектах черепной кости. Сшивание «гость-хозяин» также использовали для приготовления самовосстанавливающихся гидрогелей.Циклодекстрин, конъюгированный в одной полимерной цепи, может работать как хозяин, поглощая гидрофобные части другой полимерной цепи для достижения самовосстановления. Это свойство самовосстановления может быть дополнительно улучшено, если реагирующий на раздражители фрагмент, такой как полиакриламид-ферроцен с обратимым переходом гидрофобного заряда в восстановленном / окисленном состоянии, включен в вышеуказанные гидрогели (Nakahata et al., 2011).

Рисунок 2 . Влияние самовосстановления и разложения гидрогеля на функции клеток: (A) Самовосстанавливающийся гидрогель, образованный сшивкой бензальдегидов на обоих концах дифункционального PEG (DF-PEG) с гликоль-хитозаном (i).Экспрессия генов, связанных с нейронами (нестин, β-тубулин и Map2) клеток после 3 и 7 дней культивирования в 3D-гелях, * p <0,05 (ii). Воспроизведено с разрешения Tseng et al. (2015 г.), © John Wiley and Sons, 2013 г. (B) (i) Схема последовательного сшивания MeMaHA с использованием первичного присоединения и вторичной радикальной полимеризации для создания гидрогелей -UV и D0 UV. (ii) Процент hMSC в отношении остеогенной или адипогенной дифференцировки в -UV или D0 УФ гидрогелях (# p <0: 005, t -test).Воспроизведено с разрешения Khetan et al. (2013 г.), © Springer Nature, 2013 г.

Деградация

Ковалентно сшитые гидрогели могут подвергаться деградации в результате гидролиза сложного эфира, ферментативного гидролиза или фотолитического расщепления полимерных цепей (Kharkar et al., 2013). На основе этих механизмов можно разработать гидрогели с хорошей биоразлагаемостью и желаемой скоростью разложения, работающие как временные опоры и постепенно разрушающиеся и заменяемые регенерирующими тканями (Bryant et al., 2004). Например, фото-сшиваемые гибридные гидрогели ПВС / ПЭГ с контролируемыми профилями деградации были использованы для ТЕ хряща. Время разложения можно регулировать от менее 1 до 34 дней, изменяя соотношение ПВС к ПЭГ. Результаты показывают, что содержание ДНК и ГАГ увеличивается со временем культивирования, а неокрящевая ткань через 6 недель гомогенно распределяется в гидрогеле PVA / PEG в соотношении 1: 3, что указывает на важность разложения для TE (Martens et al., 2003 г.).При имплантации in vivo гидрогель на основе HA часто демонстрирует слишком быстрое разложение, чтобы удовлетворить потребности в восстановлении хрящевой ткани. Чтобы снять это ограничение, сульфатные группы конъюгированы с HA для замедления скорости разложения гиалуронидазы. Сульфатированный HA демонстрирует медленную деградацию и увеличивает способность связывания с белками, способствуя хондрогенезу hMSC с пониженной гипертрофией (Feng et al., 2017).

Деградация гидрогеля — это химический процесс, но он может работать как динамический физический стимул, влияющий на поведение клеток и функции взаимодействия клетки с матрицей, такие как распространение, миграция, пролиферация и дифференциация клеток, чтобы дополнительно имитировать нативный ECM и улучшить регенерацию тканей.Например, светочувствительные гидрогели могут быть получены из производных ПЭГ, содержащих фотолабильные фрагменты нитробензилового эфира. Когда мезенхимальные стволовые клетки человека (hMSC) культивируются в фотодеградируемом гидрогеле, распространение клеток усиливается после воздействия света (Kloxin et al., 2010). Деградация гидрогеля всегда сопровождается уменьшением жесткости, что затрудняет различение влияний деградации и жесткости. Чтобы отделить влияние от механических свойств разлагаемых гидрогелей, гидрогели предназначены для разложения, в то время как их механические свойства остаются неизменными.Например, HA, функционализированный как малеимидом, так и метакрилатом, используется для получения гидрогелей путем сшивания тиол-еном через разлагаемый сшивающий агент MMP и фотоинициируемого сшивания метакрилата. Пептидный сшивающий агент, расщепляемый ММР, допускает клеточно-опосредованную деградацию. Фотоинициированное сшивание может динамически контролировать вторичное сшивание в самом начале или после периода культивирования. Жесткость гидрогелей при воздействии УФ-излучения или без него контролируется на одном уровне путем изменения молекулярной массы макромеров ГК.Когда hMSC культивируются в настроенных гидрогелях, они проявляют различную остеогенную и адипогенную дифференцировку. Результаты показывают, что дифференцировка hMSCs направляется клеточной тракцией, опосредованной деградацией, независимо от механики матрикса. (Khetan et al., 2013) (Рисунок 2B).

Контроль химических свойств

Состав гидрогелей может сильно влиять на поведение клеток, включая жизнеспособность, адгезию, распространение, пролиферацию и дифференцировку (Ruoslahti and Pierschbacher, 1987).Состав гидрогеля можно контролировать, выбирая различные предшественники и методы приготовления. Методы, используемые для настройки химических свойств функциональных гидрогелей, приведены в Таблице 3.

Таблица 3 . Контроль химических свойств гидрогелей для ТЭ приложений.

Лиганд клеточной адгезии является важным биохимическим компонентом внеклеточного матрикса, поскольку многие типы клеток должны прикрепляться к своему микроокружению через интегрин клеточной поверхности, чтобы выполнять относительные функции и поддерживать свою жизнеспособность (Huettner et al., 2018). Белки природного происхождения, такие как коллаген и желатин, сохраняют многие лиганды клеточной адгезии. Однако в природных материалах на основе полисахаридов и синтетических полимерах эти лиганды отсутствуют. Следовательно, биоактивная модификация пептида была использована для улучшения биохимических свойств неадгезионных гидрогелей. Пептид RGD, как один из сильнодействующих лигандов адгезии, играет важную роль в адгезии клеток и других функциях. Чтобы изучить влияние динамического представления RGD в матрице на функции клеток, синтезируется светочувствительный гидрогель PEGDA, в котором защитная группа используется для временного и пространственного управления представлением RGD посредством трансдермального воздействия света (рис. 3A).Гидрогели PEGDA с пептидами RGD и светоиндуцированными неклеточными пептидами RGD поддерживают большое количество адгезивных клеток. С другой стороны, гидрогели PEGDA без модификаций RGD или с RGD в клетке поддерживают небольшое количество прикрепленных клеток, и клетки имеют круглую морфологию. Кроме того, сообщалось, что пептиды RGD можно вводить в полимеры, такие как HA (Lee et al., 2015), альгинат (Sun et al., 2017), хитозан (Kim et al., 2016) и PEG ( Long et al., 2017) путем химического связывания с изготовленными биоактивными гидрогелями.Эти функционализированные гидрогели демонстрируют улучшенные биологические свойства, способствующие адгезии, распространению, пролиферации и дифференцировке клеток. Например, пептиды RGD способствуют выживанию МСК в гидрогелях ПЭГ и индуцируют хондрогенную дифференцировку (Salinas and Anseth, 2008). Лиганды RGD в гидрогелях увеличивают экспрессию хондрогенных генов, когда матрицы гидрогелей нагружены динамической механической силой (Steinmetz and Bryant, 2011). Более того, плотность RGD влияет на повторную дифференцировку хондроцитов (Schuh et al., 2012).

Рисунок 3 . Влияние пептидов RGD и факторов роста в гидрогелях на функции клеток: (A) Схематическое изображение активации сцепленных пептидов RGD в гидрогелях PEGDA под воздействием света (i). Адгезия и распространение клеток могут быть усилены после культивирования в гидрогелях с пептидами RGD и клеточными пептидами RGD, подвергшимися воздействию УФ-света (ii). Воспроизведено с разрешения Lee et al. (2015), Copyright © 2015, Springer Nature. (B) Продукция хондроцитов ЕСМ увеличивается после культивирования в гидрогелях PEG с ковалентно связанным TGF-β.Содержание ДНК в хондроцитах, подвергшихся воздействию 50 нМ привязанного TGF-β, является самым высоким (i). Отложение хондрогенного матрикса (коллагена и гликозаминогликанов) усиливается при воздействии TGF-β. Матрица, полученная в 50 нМ (связанной) группе, выше, чем матрица в 0,3 нМ (растворимой) группе (ii). Воспроизведено с разрешения Sridhar et al. (2014 г.), © John Wiley and Sons, 2014 г.

Гибридизация с природными полимерами — еще один простой способ настроить биохимические свойства гидрогелей, которые могут изменить состав гидрогелей в пользу улучшения функции клеток и ТЕ.Например, GelMA используется для гибридизации с PAM для получения фотополимеризованного гидрогеля для регенерации хрящевой ткани. Клетки, культивируемые в гибридном гидрогеле, демонстрируют более высокую жизнеспособность и скорость пролиферации, чем клетки, культивируемые в чистом гидрогеле PAM (Han et al., 2017). Более того, гибридный гидрогель HA / PEG, полученный посредством сшивания SPAAC, демонстрирует превосходную биосовместимость (Fu et al., 2017), что может быть связано с тем, что HA может связываться с некоторыми рецепторами на клеточной мембране, влияя как на путь выживания хондроцитов, так и на апоптоз. путь (Knudson, Knudson, 2004).

Помимо гибридизации с природными полимерами или модификации биологическими компонентами для улучшения биохимических свойств гидрогелей для ТЕ, загрузка факторов роста и наночастиц часто адаптировалась для улучшения функций гидрогеля. Факторы роста играют важную роль в росте клеток, определении функций клеток, регенерации тканей и развитии органов (Parker et al., 2016; Yan et al., 2018). Следовательно, иммобилизация факторов роста в гидрогелях значительно улучшит функциональность гидрогелей.Существует две стратегии иммобилизации факторов роста в гидрогелях, а именно физическая и химическая иммобилизация (Nguyen and Alsberg, 2014). Гепарин может связывать многие типы факторов роста за счет сильных электростатических взаимодействий. Было показано, что иммобилизация фактора роста фибробластов-2 и фактора роста эндотелия сосудов в гидрогелях PEG, модифицированных гепарином, усиливает ангиогенез (Zieris et al., 2010). По сравнению с физической иммобилизацией, химическая иммобилизация может дополнительно улучшить стабильность, продлить высвобождение факторов роста и уменьшить необходимое количество.Например, трансформирующий фактор роста бета 1 (TGF-β1) ковалентно связан с гидрогелем PEG посредством тиоленовой реакции (Sridhar et al., 2014; Mao et al., 2017). Хондроциты, культивируемые в гидрогеле PEG, иммобилизованном TGF-β1, показывают более высокое содержание ДНК и продукцию хондрогенного матрикса, чем клетки, культивируемые в гидрогеле PEG с растворимым TGF-β1 (рис. 3B).

Различные наночастицы также были включены в различные виды природных или синтетических полимерных сетей для получения нанокомпозитных гидрогелей для ТЕ.Включение наночастиц может обеспечить не только более высокие механические свойства, но и возможность настройки биохимических характеристик трехмерной сети. Например, наносиликаты включают в гидрогели GelMA для получения биоактивного нанокомпозита (Xavier et al., 2015). Повышается не только механическая прочность гидрогеля, но также стимулируется остеогенная дифференцировка преостеобластов (рис. 4). В другом исследовании наноразмерный гидроксиапатит вводят в гидрогель PEG с целью получения высокопрочной матрицы для TE кости.После включения морфология этих гидрогелей показывает сильно взаимосвязанные пористые структуры. Более того, присутствие наночастиц гидроксиапатита может обеспечивать адгезию клеток остеобластов и биоактивные участки прикрепления по сравнению с чистыми гидрогелями PEG (Gaharwar et al., 2011). Для регенерации сердечной ткани в гидрогели GelMA добавляют проводящие наночастицы, такие как углеродные нанотрубки, что приводит к улучшенной адгезии и созреванию клеток (Shin et al., 2013). Процент удержания и жизнеспособности клеток на нанокомпозите из углеродных нанотрубок и гидрогеле GelMA выше, чем на чистом GelMA.Лист зрелых клеток / гидрогеля с очень хорошими электрофизиологическими и механическими свойствами демонстрирует сильное спонтанное и стимулированное синхронное биение.

Рисунок 4 . Схематическое изображение изготовления нанокомпозитных гидрогелей из GelMA и наносиликатов путем фотошивки (A) . Наносиликатные гидрогели желатина могут поддерживать адгезию и распространение клеток (живое / мертвое окрашивание) и увеличивать отложение неорганического кальция в нормальной и остеокондуктивной среде (окрашивание ализарином Red S) (B) .Воспроизведено с разрешения Xavier et al. (2015), Copyright © 2015, Американское химическое общество.

Структурный контроль гидрогелей

Микроструктура — еще один критический фактор, влияющий на активность и функции клеток, потому что оптимизированная архитектура сконструированной ткани выполняет функцию организации множественных типов клеток для TE (Stevens et al., 2013). Гидрогели с микроархитектурой кратко подразделяются на микропористые, канальные, двухкольцевые, многослойные и иерархически структурированные.Типы структур функциональных гидрогелей и их влияние на функции клеток и регенерацию тканей приведены в таблице 4.

Таблица 4 . Структурный контроль гидрогелей и ТЭ приложений.

Микропористые гидрогели

Структура объемных гидрогелей представляет собой плотные полимеры с поглощенной водой и наноразмерными порами внутри сети (Hoffman, 2012), в которых наноразмерные поры слишком малы, чтобы способствовать миграции клеток, пролиферации и диффузии ECM.Таким образом, были предложены микропористые структуры. Влияние различных структур пор и диапазонов размеров пор было изучено для клеточных культур и ТЕ (Zhang et al., 2014; Chen et al., 2016). Для регулирования пористости гидрогеля можно использовать различные технологии, включая заливку растворителем, выщелачивание частиц, сублимационную сушку и вспенивание газа (Annabi et al., 2010). Среди них чувствительные к стимулам порогены, такие как желатин, альгинат и HA, используются для создания нагруженных клетками гидрогелей с регулируемой пористостью. Эти порогены могут быть удалены с помощью определенных стимулов, включая температуру, хелатирование и ферментативное переваривание, соответственно (Han et al., 2013). Точно так же желатиновые микросферы, изготовленные из водно-масляной эмульсии, используются для создания микропор в альгинатных (Leong et al., 2016) и HA (Fan and Wang, 2015) гидрогелях. После растворения желатиновых микрогранул при 37 ° C остается множество микропор. Хондроциты, культивируемые в пористых гидрогелях, демонстрируют высокую пролиферацию и секрецию внеклеточного матрикса. Микрочастицы желатина также использовались для приготовления микропористых гидрогелей для ТЕ костной ткани (Vo et al., 2016). Порообразующие микрочастицы желатина могут использоваться не только для образования микропор, но и для внедрения живых клеток в микропоры.Наполненные клетками желатиновые микрокубцы получают методом разрезания сетки и используются для приготовления микропористых гидрогелей, способствующих пролиферации клеток (Li et al., 2017a). Хондроциты, культивируемые в микропористых гидрогелях, демонстрируют высокую пролиферацию, и клетки предпочитают мигрировать в микропористые полости (рис. 5А).

Рисунок 5 . Изготовление пористых и канальных гидрогелей и влияние на функции клеток. (A) Схема приготовления гидрогелей GelMAGMA с микропористыми структурами или без них.(я). Окрашивание живых / мертвых хондроцитов в гидрогелях после УФ-сшивки (0 неделя) и через 28 дней культивирования in vitro (4 недели) (ii). Масштабная линейка: 200 мм. Воспроизведено с разрешения Li et al. (2017a), © Королевское химическое общество, 2017 г. (B) Изготовление гидрогеля с канальной структурой путем растворения напечатанной на 3D-принтере решетки углевод-стекло (i). Репрезентативное живое / мертвое изображение HUVEC и 10T1 / 2, совместно культивируемых в интерстициальном пространстве фибринового геля (ii).Клетки выживают и распространяются рядом с открытыми каналами (выделены белой стрелкой). Масштабная линейка: 200 мкм. Воспроизведено с разрешения Miller et al. (2012) Авторское право © 2012, Springer Nature.

Канальные гидрогели

Клетки должны располагаться на расстоянии 100–200 мкм от соседних капиллярных кровеносных сосудов, чтобы оставаться жизнеспособными, иначе они будут подвергаться некрозу из-за недостаточной оксигенации и диффузии питательных веществ (Carmeliet and Jain, 2000). Следовательно, гидрогели с микроканалами крайне необходимы для васкуляризации искусственной ткани или изучения поведения клеток в сосудистой структуре, в частности, для регенерации крупных и сложных тканей и органов.Для приготовления канальных гидрогелей для применений TE было разработано множество стратегий и методов.

Жертвенные шаблоны на основе

PVA изготавливаются в разветвленные жидкие архитектуры путем литья (Tocchio et al., 2015). Архитектура, полученная после промывки, демонстрирует ускоренную регенерацию иерархически разветвленного эндотелия и высокую жизнеспособность клеток внутри объемных гидрогелей, образованных 2-гидроксиэтилметакрилатом, агарозой или GelMA. Чтобы подготовить сложную капиллярно-подобную микроканальную сосудистую структуру, микроволокна PNIPAM, изготовленные методом прядения из растворителя, используются в качестве термочувствительных матриц (Lee et al., 2016). Микроволокна PNIPAM прядут и выдерживают при температуре выше 32 ° C. Клеточно-суспендированный раствор предшественника желатина хранят при 37 ° C перед заделкой матриц. После полного гелеобразования желатинового гидрогеля микроволокна PNIPAM удаляют путем погружения в среду для культивирования клеток при комнатной температуре, чтобы создать капиллярно-подобную микроканальную сосудистую структуру. Жизнеспособность клеток выше 96% в течение 7 дней культивирования в перфузируемом микроканальном гидрогеле. Микроволокна из углеводного стекла напечатаны для создания сосудистой структуры в объемных гидрогелях, которые могут быть удалены перфузией клеточной среды (Miller et al., 2012). Гидрогели с микроканалами демонстрируют хорошую биосовместимость и улучшенное распределение питательных веществ. Сочетание углеводного стеклянного материала с 3D-печатью обеспечивает независимый контроль геометрии сосудистой сети, эндотелизации и образования внесосудистой ткани (рис. 5B).

Структурные гидрогели с двойным кольцом

Остеоноподобная концентрическая двойная кольцевая структура получена из гибридных гидрогелей GelMA и гидроксиапатита с помощью технологии фотолитографии и самосборки (Zuo et al., 2015). Эндотелиальные клетки пуповины человека (HUVEC) инкапсулированы во внутреннем кольце, чтобы имитировать канальцы кровеносных сосудов, в то время как человеческие остеобластоподобные клетки (MG63) расположены во внешнем кольце как костная часть (рис. 6А). Стимулируется экспрессия генов, связанных с ангиогенезом, и генов, связанных с остеогенезом. Остеоноподобные волокна с отдельно инкапсулированными HUVEC и MG63 создаются с помощью комбинации фотолитографии и методов микрожидкостного чипа (Wei et al., 2017). Модифицированный RGD предшественник альгината с фотореактивной функционализацией используется для приготовления гидрогеля, поскольку модифицированный альгинат обладает участками адгезии клеток и свойствами сшивания UV / Ca 2+ .Это не только удовлетворяет пролиферацию клеток, но и увеличивает относительную экспрессию генов и секрецию белка в остеоноподобной архитектуре.

Рисунок 6 . Изготовление гидрогелей с двойным кольцом и иерархической структурой и влияние на функции клеток. (A) Изготовление гидрогелей с остеоноподобной двойной кольцевой структурой с помощью фотолитографии и самосборки. Жизнеспособность клеток MG63 и HUVEC, инкапсулированных во внешнем кольце и внутреннем кольце остеоноподобного модуля.Воспроизведено с разрешения Zuo et al. (2015), Copyright © 2015, Американское химическое общество. (B) Деградация гидрогеля посредством фотоотщепления oNB (i). Создание гидрогелей с иерархической сосудистой структурой путем программируемой фотодеградации (ii). Воспроизведено с разрешения Аракавы и др. (2017 г.), © John Wiley and Sons, 2017 г.

Многослойные гидрогели

ECM Состав и структура хрящевой и костной тканей имеют очевидное различие.Биохимическая и биофизическая микросреда, окружающая клетки хряща и кости, также различна. Для восстановления полноразмерных дефектов суставного хряща разработана двухслойная гидрогелевая архитектура. Например, двухслойные гидрогели агарозы готовят для восстановления костно-хрящевой ткани (Sheehy et al., 2013). Верхний слой гидрогеля инкапсулирован хондроцитами, а нижний слой засеян МСК. После 49 дней культивирования in vitro верхний слой способствует выработке хрящевого ECM, в то время как гипертрофия МСК, инкапсулированных в нижнем слое, уменьшается.Результаты показывают, что двухслойная структура имеет большой потенциал для пространственно разделенного сокультивирования хондроцитов и МСК и регенерации костно-хрящевой ткани. Двухслойная структура также может обеспечивать настраиваемое биохимическое и механическое микроокружение для дифференциации МСК. Например, верхний слой гидрогеля, изготовленный с низкой концентрацией RGD и мягкой матрицей, может способствовать хондрогенезу МСК, в то время как нижний слой, сконструированный так, чтобы иметь высокое количество RGD и жесткие механические свойства, может способствовать остеогенезу МСК (Steinmetz et al., 2015).

Иерархически структурированные гидрогели

Иерархическая архитектура существует в живых тканях. Например, кровеносные сосуды обладают множеством размеров для адаптации к требованиям тканей. Они включают в себя крупные артерии, более мелкие артериолы и мельчайшие капилляры, которые имеют функции, позволяющие обеспечивать большой объемный кровоток и поддерживать перенос массы посредством диффузии (Michiels, 2003). Вышеупомянутые методологии для канальных структур имеют ограничения для введения таких иерархических структур в нагруженные клетками гидрогелевые конструкции, особенно для размеров диаметром менее 150 мкм (Lee et al., 2014). Фотоделение с помощью многофотонной литографии, как стратегия цито-совместимого изготовления, используется для создания иерархических сосудов, охватывающих почти все диапазоны размеров в теле человека (Arakawa et al., 2017) (Рисунок 6B). Сеть гидрогеля сшита посредством азид-алкинового циклоприсоединения между тетрабициклононином ПЭГ и функционализированным диазидом пептидом. Фотодеградация основана на фрагменте орто-нитробензилового эфира (oNB), который подвергается фотолизу при воздействии импульсного света в ближней инфракрасной области (DeForest and Tirrell, 2015).Стромальные клетки hS5, полученные из костного мозга человека, инкапсулируют внутри гидрогеля с последующим приготовлением фотодеградируемых сосудов. Клетки hS5 жизнеспособны в течение всего периода культивирования. Эти сложные и иерархические структуры могут поддерживать жизнеспособность и функции клеток, что важно для регенерации гетерогенных тканей. Кроме того, иерархическая сосудистая структура является многообещающей для исследования эндотелизации и кровно-капиллярного взаимодействия в различных средах.

Техника 3D-штамповки

также может быть использована для приготовления гидрогелей с иерархической структурой. Этим методом готовят AngioChip с иерархической сосудистой и пористой архитектурой (Zhang et al., 2016). В стенках сосудов создаются нанопоры и микроотверстия, способствующие молекулярному обмену и миграции клеток. Проницаемость для крупномолекулярного (70 кДа TRITC-декстрана) AngioChip с микроотверстиями более чем в 4 раза выше, чем у аналогов без микроотверстий. Сливающийся эндотелий проявляется на поверхности микроканала, а эндотелиальные отростки наблюдаются через микроотверстия.Гепатоциты и hMSC, полученные из эмбриональных стволовых клеток человека, инкапсулируются в коллагеновый матрикс и засеваются в паренхиматозное пространство для создания AngioChip. Секреция мочевины на клетку из этой иерархической конструкции намного выше, чем у контрольного сэндвича с коллагеном. Кроме того, этот сложный иерархический структурный AngioChip также используется для in vitro, регенерации моделей сердечной ткани и имплантации для прямого хирургического анастомоза. Благодаря сложной и иерархической архитектуре жизнеспособность ячеек и относительные функции улучшаются.

Заключение и перспективы

Контроль структуры и физико-химических свойств гидрогелей важен для их использования в ТЕ. Клетки сначала воспринимают сигналы от окружающей матрицы гидрогеля, что делает физико-химические свойства гидрогеля критическими для функций клеток. Различные структуры гидрогелей могут дополнительно изменять микросреду и обеспечивать возможность стимулирования потока за счет структуры микроканалов или микросреды совместного культивирования за счет пространственно-слоистых структур.Для ТЭ различных тканей и органов разработаны различные методы приготовления и функциональные гидрогели. Несмотря на эти достижения, гидрогели с улучшенными биохимическими и биофизическими свойствами, а также биомиметические структуры заслуживают дальнейшего изучения. Исследованные до сих пор гидрогели имеют некоторые схожие, но не полностью совпадающие функции с микроокружением in vivo, окружающим клетки. Динамически реагирующие биофизические и биохимические стимулы и пространственно-временная контролируемая архитектура могут стать основным направлением проектирования и подготовки функциональных гидрогелей для реализации полной функциональности для приложений ТЕ.

Взносы авторов

Все перечисленные авторы внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее к публикации.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Эта работа поддержана грантами JSPS KAKENHI № 15H03027 и 18K19947.

Список литературы

Abbadessa, A., Blokzijl, M. M., Mouser, V., Marica, P., Malda, J., Hennink, W., et al. (2016). Термочувствительный и фотополимеризуемый гидрогель на основе хондроитинсульфата для приложений 3D-печати. Carbohydr. Polym. 149, 163–174. DOI: 10.1016 / j.carbpol.2016.04.080

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Annabi, N., Nichol, J. W., Zhong, X., Ji, C., Koshy, S., Khademhosseini, A., et al. (2010).Контроль пористости и микроархитектуры гидрогелей для тканевой инженерии. Tissue Eng. B Rev. 16, 371–383. DOI: 10.1089 / ten.teb.2009.0639

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Аракава, К. К., Бадо, Б. А., Чжэн, Ю., и ДеФорест, К. А. (2017). Многоклеточные васкуляризованные инженерные ткани посредством программируемого пользователем фотодеградации биоматериала. Adv. Мат. 29: 1703156. DOI: 10.1002 / adma.201703156

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ашраф, С., Парк Х.-К., Парк Х. и Ли С.-Х. (2016). Снимок фазового перехода в термореактивном гидрогеле PNIPAM: роль в доставке лекарств и тканевой инженерии. Macromol. Res. 24, 297–304. DOI: 10.1007 / s13233-016-4052-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Баеи П., Джалили-Фироозинежад С., Раджаби-Зелети С., Тафаззоли-Шадпур М., Бахарванд Х. и Агдами Н. (2016). Электропроводящие термочувствительные гидрогели с наночастицами золота и хитозаном для тканевой инженерии сердца. Мат. Sci. Англ. С 63, 131–141. DOI: 10.1016 / j.msec.2016.02.056

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бай, X., Лю, С., Цао, З., Ни, Б., Ван, X., Нин, П. и др. (2017). Инъекционный гидрогель с двойным поперечным сшиванием хондроитинсульфата, полученный путем непрерывного химического взаимодействия по методу Дильса-Альдера (DA) для восстановления кости. Carbohydr. Polym. 166, 123–130. DOI: 10.1016 / j.carbpol.2017.02.062

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бейкер, Б.М., и Чен, С. С. (2012). Деконструирование третьего измерения — того, как микросреда трехмерной культуры изменяет клеточные сигналы. J. Cell Sci. 125, 3015–3024. DOI: 10.1242 / jcs.079509

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Балакришнан Б. (2016). «Инъецируемые гидрогели путем химического сшивания», в Инъецируемые гидрогели для регенеративной инженерии , изд. Л. С. Наир (Сингапур: World Scientific), 155–200.

Google Scholar

Балакришнан, Б., Джоши, Н., и Банерджи, Р. (2013). Борат способствует образованию основания Шиффа, в результате чего образуются гелеобразующие гидрогели для регенерации хряща. J. Mater. Chem. B 1, 5564–5577. DOI: 10.1039 / c3tb21056a

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Banerjee, A., Arha, M., Choudhary, S., Ashton, R. S., Bhatia, S. R., Schaffer, D. V., et al. (2009). Влияние модуля гидрогеля на пролиферацию и дифференцировку инкапсулированных нервных стволовых клеток. Биоматериалы 30, 4695–4699.DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2009.05.050

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Baniasadi, H., Mashayekhan, S., Fadaoddini, S., and Haghirsharifzamini, Y. (2016). Разработка, изготовление и характеристика окисленных альгинат-желатиновых гидрогелей для инженерии мышечной ткани. J. Biomater. Прил. 31, 152–161. DOI: 10.1177 / 0885328216634057

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бартниковский, М., Бартниковски, Н., Вудрафф, М., Шроббак, К., и Кляйн, Т. (2015). Защитное действие реакционноспособных функциональных групп на хондроциты в системах фото-сшиваемых гидрогелей. Acta Biomater. 27, 66–76. DOI: 10.1016 / j.actbio.2015.08.038

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бентон, Дж. А., ДеФорест, К. А., Вивеканандан, В., и Ансет, К. С. (2009). Фотосшивание макромеров желатина для синтеза пористых гидрогелей, которые способствуют функции клапанных интерстициальных клеток. Tissue Eng. А 15, 3221–3230. DOI: 10.1089 / ten.tea.2008.0545

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Биан, Л., Хоу, К., Тоус, Э., Рай, Р., Маук, Р. Л., и Бердик, Дж. А. (2013). Влияние плотности сшивания гидрогеля гиалуроновой кислоты и макромолекулярной диффузии на хондрогенез и гипертрофию МСК человека. Биоматериалы 34, 413–421. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2012.09.052

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брайант, С.Дж., Бендер, Р. Дж., Дюран, К. Л., и Ансет, К. С. (2004). Инкапсуляция хондроцитов в деградирующие гидрогели PEG с высоким модулем: инженерные структурные изменения геля для облегчения образования хрящевой ткани. Biotechnol. Bioeng. 86, 747–755. DOI: 10.1002 / бит.20160

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брайант, С. Дж., Нуттельман, К. Р., и Ансет, К. С. (2000). Цитосовместимость фотоинициирующих систем УФ и видимого света на культивируемых фибробластах NIH / 3T3 in vitro . J. Biomater. Sci. Polym. Эд. 11, 439–457. DOI: 10.1163 / 156856200743805

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чаудхури О., Гу Л., Дарнелл М., Кламперс Д., Бенчериф С. А., Уивер Дж. К. и др. (2015). Релаксация стресса субстрата регулирует распространение клеток. Нат. Commun. 6: 6365. DOI: 10.1038 / ncomms7365

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чаудхури, О., Гу, Л., Кламперс, Д., Дарнелл, М., Бенчериф, С.А., Уивер, Дж. К. и др. (2016). Гидрогели с настраиваемой релаксацией стресса регулируют судьбу и активность стволовых клеток. Нат. Матер. 15: 326. DOI: 10.1038 / nmat4489

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Cheaburu Yilmaz, C. N., Pamfil, D., Vasile, C., Bibire, N., Lupuşoru, R.-V., Zamfir, C.-L., et al. (2017). Токсичность, биосовместимость, pH-чувствительность и высвобождение метотрексата из криогелей PVA / гиалуроновой кислоты для терапии псориаза. Полимеры 9: 123. DOI: 10.3390 / polym23

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен Г., Кавазо Н. (2016a). «Полимерные и биомиметические каркасы ECM для тканевой инженерии», в Полимерные биоматериалы для регенерации тканей , изд. К. Гао (Сингапур: Springer), 41–56.

Google Scholar

Чен Г., Кавазо Н. (2016b). «Подготовка полимерных каркасов методом частиц льда для тканевой инженерии», в Biomaterials Nanoarchitectonics , ed.М. Эбара (Амстердам: Elsevier), 77–95.

Google Scholar

Чен, Г., Кавазо, Н., Ито, Ю. (2018). «Фотосшиваемые гидрогели для применения в тканевой инженерии», в Photochemistry for Biomedical Applications , ed. Я. Ито (Сингапур: Springer), 277–300.

Google Scholar

Chen, S., Zhang, Q., Nakamoto, T., Kawazoe, N., and Chen, G. (2016). Каркасы из желатина с контролируемой структурой пор и механическими свойствами для инженерии хрящевой ткани. Tissue Eng. C Методы 22, 189–198. DOI: 10.1089 / ten.tec.2015.0281

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен Т., Смолл Д. А., Макдермотт М. К., Бентли В. Э. и Пейн Г. Ф. (2003). Ферментативные методы захвата и высвобождения клеток in situ. Биомакромолекулы 4, 1558–1563. DOI: 10.1021 / bm034145k

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чанг, К., и Бердик, Дж. А. (2008).Влияние трехмерного микроокружения гиалуроновой кислоты на хондрогенез мезенхимальных стволовых клеток. Tissue Eng. А 15, 243–254. DOI: 10.1089 / ten.tea.2008.0067

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дарнелл, М. К., Сан, Дж. Ю., Мехта, М., Джонсон, К., Арани, П. Р., Суо, З. и др. (2013). Характеристики и биосовместимость чрезвычайно прочных альгинатных / полиакриламидных гидрогелей. Биоматериалы 34, 8042–8048. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2013.06.061

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

ДеФорест, К. А., Тиррелл, Д. А. (2015). Подход фотообратимого белкового паттерна для управления судьбой стволовых клеток в трехмерных гелях. Нат. Матер. 14: 523. DOI: 10,1038 / nmat4219

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Драган, Э. С. (2014). Разработка и применение гидрогелей взаимопроникающих полимерных сеток. Обзор. Chem. Англ. Дж. 243, 572–590. DOI: 10.1016 / j.cej.2014.01.065

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Друри, Дж. Л., и Муни, Д. Дж. (2003). Гидрогели для тканевой инженерии: переменные конструкции и области применения каркаса. Биоматериалы 24, 4337–4351. DOI: 10.1016 / S0142-9612 (03) 00340-5

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эке, Г., Мангир, Н., Хасирчи, Н., Макнейл, С., и Хасирчи, В. (2017). Разработка биоразлагаемого гидрогеля, сшитого под действием УФ-излучения, содержащего стволовые клетки, полученные из жировой ткани, для обеспечения васкуляризации кожных ран и тканевой инженерии. Биоматериалы 129, 188–198. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2017.03.021

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фан, К., и Ван, Д. А. (2015). Влияние проницаемости и жизненного пространства на судьбу клеток и развитие новых тканей в каркасах на основе гидрогелей: исследование с хрящевой моделью. Macromol. Biosci. 15, 535–545. DOI: 10.1002 / mabi.201400453

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вентилятор, м., Ма, Ю., Чжан, З., Мао, Дж., Тан, Х., Ху, X. (2015a). Биоразлагаемые гидрогели гиалуроновой кислоты для контроля высвобождения дексаметазона с помощью водной химии Дильса-Альдера для инженерии жировой ткани. Mater. Sci. Англ. С 56, 311–317. DOI: 10.1016 / j.msec.2015.04.004

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фань, М., Чжан, З., Мао, Дж., И Тан, Х. (2015b). Инъекционные гидрогели из поли (этиленгликоля) / гиалуроновой кислоты с множеством ответвлений для инженерии жировой ткани. J. Macromol. Sci. А 52, 345–352. DOI: 10.1080 / 10601325.2015.1018804

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Федорович, Н. Э., Оудсхорн, М. Х., ван Гимен, Д., Хеннинк, В. Э., Альблас, Дж., И Дхерт, В. Дж. (2009). Влияние фотополимеризации на стволовые клетки, заключенные в гидрогели. Биоматериалы 30, 344–353. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2008.09.037

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фэн, К., Линь, С., Zhang, K., Dong, C., Wu, T., Huang, H., et al. (2017). Гидрогели сульфатированной гиалуроновой кислоты с замедленной деградацией и повышенным удерживанием фактора роста способствуют хондрогенезу hMSC и целостности суставного хряща с уменьшенной гипертрофией. Acta Biomater. 53, 329–342. DOI: 10.1016 / j.actbio.2017.02.015

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фэн, К., Вэй, К., Лин, С., Сюй, З., Сунь, Ю., Ши, П., и др. (2016). Механически упругие, инъекционные и биоадгезивные супрамолекулярные гидрогели желатина, сшитые слабыми взаимодействиями хозяина и гостя, способствуют инфильтрации клеток и регенерации тканей in situ. Биоматериалы 101, 217–228. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2016.05.043

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фу С., Дун Х., Дэн Х., Чжо Р. и Чжун З. (2017). Инъецируемые гидрогели гиалуроновой кислоты / поли (этиленгликоля), сшитые посредством активируемой напряжением реакции азид-алкинового циклоприсоединения. Carbohydr. Polym. 169, 332–340. DOI: 10.1016 / j.carbpol.2017.04.028

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фукуи, Т., Китамура, Н., Курокава, Т., Йокота, М., Кондо, Э., Гонг, Дж. П. и др. (2014). Внутрисуставное введение гиалуроновой кислоты увеличивает объем гиалинового хряща, регенерированного в большом костно-хрящевом дефекте путем имплантации геля с двойной сеткой. J. Mater. Sci. Матер. Med. 25, 1173–1182. DOI: 10.1007 / s10856-013-5139-3

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гахарвар, А.К., Дамму, С.А., Кантер, Дж. М., Ву, К. Дж., И Шмидт, Г.(2011). Сильно растяжимые, прочные и эластомерные нанокомпозитные гидрогели из наночастиц полиэтиленгликоля и гидроксиапатита. Биомакромолекулы 12, 1641–1650. DOI: 10.1021 / BM200027z

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гао, Г., Шиллинг, А. Ф., Хаббелл, К., Йонедзава, Т., Чыонг, Д., Хонг, Ю., и др. (2015). Улучшенные свойства костной и хрящевой ткани из мезенхимальных стволовых клеток человека, отпечатанных с помощью 3D-струйной печати, путем одновременного осаждения и фотошивки в PEG-GelMA. Biotechnol. Lett. 37, 2349–2355. DOI: 10.1007 / s10529-015-1921-2

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гомботц, В. Р., Ви, С. Ф. (2012). Высвобождение белка из альгинатных матриц. Adv. Препарат Делив. Ред. 64, 194–205. DOI: 10.1016 / j.addr.2012.09.007

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гонг, Дж. П., Кацуяма, Ю., Курокава, Т., и Осада, Ю. (2003). Гидрогели с двойной сеткой и чрезвычайно высокой механической прочностью. Adv. Матер. 15, 1155–1158. DOI: 10.1002 / adma.200304907

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гусен, М. Ф., О’Ши, Г. М., Карапетиан, Х. М., Чжоу, С., и Сан, А. М. (1985). Оптимизация параметров микрокапсулирования: полупроницаемые микрокапсулы как биоискусственная поджелудочная железа. Biotechnol. Bioeng. 27, 146–150. DOI: 10.1002 / бит. 260270207

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гуань, X., Авджи-Адали, М., Alarçin, E., Cheng, H., Kashaf, S. S., Li, Y., et al. (2017). Разработка гидрогелей для регенеративной инженерии. Biotechnol. J. 12: 1600394. DOI: 10.1002 / biot.201600394

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хан, Л., Сюй, Дж., Лу, X., Ган, Д., Ван, З., Ван, К. и др. (2017). Биогибридные метакрилированные гидрогели желатина / полиакриламида для восстановления хрящей. J. Mater. Chem. B 5, 731–741. DOI: 10.1039 / C6TB02348G

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хан, Л.Х., Лай, Дж. Х., Ю, С., Янг, Ф. (2013). Каркасы динамической тканевой инженерии с формированием макропористости, реагирующей на раздражители. Биоматериалы 34, 4251–4258. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2013.02.051

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хак, М. А., Курокава, Т., и Гонг, Дж. П. (2012). Сверхпрочные гидрогели с двойной сеткой и их применение в качестве биоматериалов. Полимер 53, 1805–1822. DOI: 10.1016 / j.polymer.2012.03.013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хасан, К.М., и Пеппас, Н. А. (2000). «Структура и применение гидрогелей поливинилового спирта, полученных обычным сшиванием или методами замораживания / оттаивания», в Биополимеры · Гидрогели ПВС, Нанокомпозиты анионной полимеризации , изд. Д. Ю. Годовский (Берлин: Springer), 37–65.

Google Scholar

Hassanzadeh, P., Kazemzadeh-Narbat, M., Rosenzweig, R., Zhang, X., Khademhosseini, A., Annabi, N., et al. (2016). Сверхпрочные и гибкие гибридные гидрогели, основанные на самосборке в растворе нановолокон хитина в метакрилоиле желатина (GelMA). J. Mater. Chem. B 4, 2539–2543. DOI: 10.1039 / C6TB00021E

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хеннинк, В., и Ван Нострам, К. Ф. (2012). Новые методы сшивания для создания гидрогелей. Adv. Препарат Делив. Ред. 64, 223–236. DOI: 10.1016 / j.addr.2012.09.009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хео, Дж., Кох, Р. Х., Шим, В., Ким, Х. Д., Йим, Х. Г. и Хван, Н. С. (2016). Рибофлавин-индуцированное фото-кросслинкинг гидрогеля коллагена и его применение в тканевой инженерии мениска. Drug Deliv. Пер. Res. 6, 148–158. DOI: 10.1007 / s13346-015-0224-4

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хо, С.С., Фоллмер, Н.Л., Рефаат, М.И., Чон, О., Альсберг, Э., Ли, М.А. и др. (2016). Костный морфогенетический белок-2 способствует выживанию мезенхимальных стволовых клеток человека и, как следствие, образованию кости, когда он заключен в фото-сшитые альгинатные гидрогели. Adv. Здоровьеc. Матер. 5, 2501–2509. DOI: 10.1002 / adhm.201600461

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хоффман, А.С. (2012). Гидрогели для биомедицинских приложений. Adv. Препарат Делив. Ред. 64, 18–23. DOI: 10.1016 / j.addr.2012.09.010

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hsieh, F.-Y., Tao, L., Wei, Y., and Hsu, S.-H. (2017). Новый биоразлагаемый самовосстанавливающийся гидрогель, вызывающий образование капилляров в крови. Npg Asia Mater. 9: e363. DOI: 10.1038 / am.2017.23

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хюбш Н., Арани П. Р., Мао А. С., Шварцман Д., Али, О.А., Бенчериф, С.А., и др. (2010). Использование опосредованных тракцией манипуляций на интерфейсе клетка / матрица для управления судьбой стволовых клеток. Нат. Матер. 9: 518. DOI: 10.1038 / nmat2732

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хюттнер, Н., Даргавилль, Т. Р., и Форгет, А. (2018). Открытие пептидов клеточной адгезии в тканевой инженерии: за пределами RGD. Тенденции Биотехнологии . 6, 372–383. DOI: 10.1016 / j.tibtech.2018.01.008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хант, Н.К., Халлам, Д., Карими, А., Меллоу, С. Б., Чен, Дж., Стил, Д. Х. и др. (2017). 3D-культура плюрипотентных стволовых клеток человека в RGD-альгинатном гидрогеле улучшает развитие ткани сетчатки. Acta Biomater. 49, 329–343. DOI: 10.1016 / j.actbio.2016.11.016

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Изадифар М., Чепмен Д., Бабин П., Чен X. и Келли М. Э. (2018). Трехмерная биопечать с помощью УФ-излучения наноармированной гибридной кардиальной пластыря для тканевой инженерии миокарда. Tissue Eng. C Методы 24, 74–88. DOI: 10.1089 / ten.tec.2017.0346

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джайсвал, М. К., Ксавьер, Дж. Р., Кэрроу, Дж. К., Десаи, П., Алдж, Д., и Гахарвар, А. К. (2015). Механически жесткие нанокомпозитные гидрогели при сверхнизком содержании наночастиц. САУ Нано 10, 246–256. DOI: 10.1021 / acsnano.5b03918

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цзян, Х., Цинь, С., Донг, Х., Лэй, К., Су, X., Чжо, Р. и др. (2015). Инъецируемый и быстро разлагаемый гидрогель полиэтиленгликоля, полученный с помощью клик-химии азид-алкинового циклоприсоединения, стимулированного биоортогональным штаммом. Мягкое вещество 11, 6029–6036. DOI: 10.1039 / C5SM00508F

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джин Р., Тейшейра Л. М., Кроувельс А., Дейкстра П. Дж., Ван Блиттерсвейк К., Карпериен М. и др. (2010). Синтез и характеристика гидрогелей гиалуроновая кислота-поли (этиленгликоль) с помощью добавления Майкла: инъекционный биоматериал для восстановления хряща. Acta Biomater. 6, 1968–1977. DOI: 10.1016 / j.actbio.2009.12.024

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Jo, H., Sim, M., Kim, S., Yang, S., Yoo, Y., Park, J.-H., et al. (2017). Электропроводящие гидрогели графен / полиакриламид, полученные мягким химическим восстановлением для ускоренного роста и дифференциации миобластов. Acta Biomater. 48, 100–109. DOI: 10.1016 / j.actbio.2016.10.035

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Харкар, П.М., Киик, К. Л., Клоксин, А. М. (2013). Разработка разлагаемых гидрогелей для ортогонального контроля клеточного микроокружения. Chem. Soc. Rev. 42, 7335–7372. DOI: 10.1039 / C3CS60040H

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хетан, С., Гувендирен, М., Легант, В. Р., Коэн, Д. М., Чен, С. С., и Бурдик, Дж. А. (2013). Опосредованная деградацией клеточная тракция управляет судьбой стволовых клеток в ковалентно сшитых трехмерных гидрогелях. Нат.Матер. 12: 458. DOI: 10.1038 / nmat3586

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким Д. Х., Мартин Дж. Т., Эллиотт Д. М., Смит Л. Дж. И Маук Р. Л. (2015). Фенотипическая стабильность, формирование матрикса и функциональное созревание клеток пульпозного ядра, инкапсулированных в гидрогели фотопересшиваемой гиалуроновой кислоты. Acta Biomater. 12, 21–29. DOI: 10.1016 / j.actbio.2014.10.030

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, С., Цуй, З. К., Фан, Дж., Фарташ, А., Агалоо, Т. Л., и Ли, М. (2016). Фотосшивающие гидрогели хитозана, функционализированные пептидом RGD и фосфосерином для усиления остеогенеза. J. Mater. Chem. B 4, 5289–5298. DOI: 10.1039 / C6TB01154C

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Клоксин, А. М., Тиббит, М. В., Каско, А. М., Фэйрбэрн, Дж. А., и Ансет, К. С. (2010). Настраиваемые гидрогели для внешних манипуляций с клеточными микросредами посредством контролируемого фотодеградации. Adv. Матер. 22, 61–66. DOI: 10.1002 / adma.2007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кнудсон, К. Б., и Кнудсон, В. (2004). Гиалуронан и CD44: модуляторы метаболизма хондроцитов. Clin. Ортоп. Relat. Res. 427, S152 – S162. DOI: 10.1097 / 01.blo.0000143804.26638.82

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ко, Р. Х., Джин, Ю., Кан, Б. Дж., И Хван, Н. С. (2017). Хондрогенно примированные мезенхимальные стволовые клетки, полученные из миндалин, инкапсулированные в индуцированном рибофлавином фотоперешивающем гидрогеле коллаген-гиалуроновая кислота для восстановления тканей мениска. Acta Biomater. 53, 318–328. DOI: 10.1016 / j.actbio.2017.01.081

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ле Тхи, П., Ли, Ю., Нгуен, Д. Х., и Парк, К. Д. (2017). In situ формирование гидрогелей желатина путем двойного ферментативного поперечного сшивания для повышения адгезии тканей. J. Mater. Chem. В 5, 757–764. DOI: 10.1039 / C6TB02179D

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Х. П., Гу, Л., Муни, Д. Дж., Левенстон М. Э., Чаудхури О. (2017). Механическое ограничение регулирует формирование хрящевого матрикса хондроцитами. Нат. Матер. 16: 1243. DOI: 10.1038 / nmat4993

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Дж. Б., Ван, X., Фейли, С., Баер, Б., Баликов, Д. А., Сунг, Х. Дж. И др. (2016). Разработка трехмерных микрососудистых сетей в желатиновых гидрогелях с использованием термочувствительных жертвенных микроволокон. Adv. Здоровьеc. Матер. 5, 781–785.DOI: 10.1002 / adhm.201500792

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Т. Т., Гарсия, Дж. Р., Паес, Дж. И., Сингх, А., Фелпс, Э. А., Вейс, С. и др. (2015). Определяемая светом in vivo активация адгезионных пептидов регулирует клеточную адгезию, воспаление и васкуляризацию биоматериалов. Нат. Матер. 14: 352. DOI: 10.1038 / nmat4157

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, В. К., Ким, Д.Й., Нго, Х., Ли, Й., Со, Л., Ю, С. С. и др. (2014). Создание перфузионных функциональных сосудистых каналов с использованием технологии 3D биопечати. Биоматериалы 35, 8092–8102. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2014.05.083

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Леонг В., Кремер А. и Ван Д. А. (2016). Разработка сфероидов гепатокарциномы индивидуального размера в качестве потенциальной платформы для тестирования лекарств с использованием системы жертвенных желатиновых микросфер. Mater.Sci. Англ. С 63, 644–649. DOI: 10.1016 / j.msec.2016.03.046

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Леветт П. А., Мелчельс Ф. П., Шроббак К., Хутмахер Д. В., Мальда Дж. И Кляйн Т. Дж. (2014). Биомиметический внеклеточный матрикс для инженерии хрящевой ткани на основе фотоотверждаемого желатина, гиалуроновой кислоты и хондроитинсульфата. Acta Biomater. 10, 214–223. DOI: 10.1016 / j.actbio.2013.10.005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lewandowska-ancucka, J., Мыстек, К., Миньон, А., Ван Влиерберг, С., Латкевич, А., Новаковска, М. (2017). Биоактивные фотоактивные гибридные материалы на основе альгината и желатина для инженерии костной ткани. Carbohydr. Polym. 157, 1714–1722. DOI: 10.1016 / j.carbpol.2016.11.051

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, X., Chen, S., Li, J., Wang, X., Zhang, J., Kawazoe, N., et al. (2016). 3D-культура хондроцитов в желатиновых гидрогелях различной жесткости. Полимеры 8: 269. DOI: 10.3390 / polym8080269

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, X., Чен, Ю., Кавазо, Н., и Чен, Г. (2017a). Влияние микропористых желатиновых гидрогелей на функции хондроцитов. J. Mater. Chem. B 5, 5753–5762. DOI: 10.1039 / C7TB01350G

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли X., Чжан Дж., Кавазо Н. и Чен Г. (2017b). Изготовление высокосшитого желатинового гидрогеля и его влияние на пролиферацию и фенотип хондроцитов. Полимеры 9: 309. DOI: 10.3390 / polym

09

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю Ю. и Чан-Парк М. Б. (2009). Гидрогель на основе взаимопроникающих полимерных сетей декстрана и желатина для тканевой инженерии сосудов. Биоматериалы 30, 196–207. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2008.09.041

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лонг, Дж., Ким, Х., Ким, Д., Ли, Дж. Б. и Ким, Д. Х. (2017). Биоматериал подход к перепрограммированию и дифференцировке клеток. J. Mater. Chem. B 5, 2375–2389. DOI: 10.1039 / C6TB03130G

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лу Дж., Стоуэрс Р., Нам С., Ся Ю. и Чаудхури О. (2018). Расслабляющие стресс гидрогели гиалуроновой кислоты и коллагена способствуют распространению клеток, ремоделированию волокон и образованию очаговых адгезий в трехмерной культуре клеток. Биоматериалы 154, 213–222. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2017.11.004

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю, С., Bai, X., Liu, H., Ning, P., Wang, Z., Gao, C., et al. (2017). Инъекционный самовосстанавливающийся гидрогель с ковалентными поперечными связями in vivo для восстановления черепных костей. J. Mater. Chem. B 5, 3739–3748. DOI: 10.1039 / C7TB00776K

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Магаринос, А. М., Педрон, С., Крейксель, М., Килинч, М., Табанский, И., Пфафф, Д. В. и др. (2018). Возможность инкапсулированных эмбриональных ретикулярных клеток мозгового вещества расти и дифференцироваться в нейроны в функционализированных гидрогелях на основе желатина. Перед. Матер. 5:40. DOI: 10.3389 / fmats.2018.00040

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Махадевайя, С., Робинсон, К. Г., Харкар, П. М., Киик, К. Л., и Акинс, Р. Э. (2015). Уменьшение модуля матрицы гидрогелей ПЭГ индуцирует сосудистый фенотип в стволовых клетках пуповинной крови человека. Биоматериалы 62, 24–34. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2015.05.021

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мао, Х., Ким, С.М., Уэки, М., Ито, Ю. (2017). Бессывороточное культивирование мезенхимальных стволовых клеток человека с иммобилизованными факторами роста. J. Mater. Chem. B 5, 928–934. DOI: 10.1039 / C6TB02867E

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мартенс, П. Дж., Брайант, С. Дж., И Ансет, К. С. (2003). Адаптация деградации гидрогелей, образованных из поливинилполи (этиленгликоля) и поливинилового спирта, макромеров для инженерии хрящевой ткани. Биомакромолекулы 4, 283–292.DOI: 10.1021 / bm025666v

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мартинсен, А., Скьяк-Брек, Г., и Смидсред, О. (1989). Альгинат как иммобилизирующий материал: I. Корреляция между химическими и физическими свойствами гранул альгинатного геля. Biotechnol. Bioeng. 33, 79–89. DOI: 10.1002 / бит.260330111

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Меллати, А., Фан, К. М., Тамайол, А., Аннаби, Н., Дай, С., Би, Дж., и другие. (2017). Микроинженерные трехмерные термочувствительные гидрогели с клетками для имитации морфологии и ориентации клеток в инженерии хрящевой ткани. Biotechnol. Bioeng. 114, 217–231. DOI: 10.1002 / бит. 26061

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мигель С. П., Рибейро М. П., Бранкал Х., Коутиньо П. и Коррейя И. Дж. (2014). Термореактивный хитозан-агарозный гидрогель для регенерации кожи. Carbohydr. Polym. 111, 366–373.DOI: 10.1016 / j.carbpol.2014.04.093

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Миллер, Дж. С., Стивенс, К. Р., Янг, М. Т., Бейкер, Б. М., Нгуен, Д. Х. Т., Коэн, Д. М. и др. (2012). Быстрое моделирование структурированных сосудистых сетей для перфузионных инженерных трехмерных тканей. Нат. Матер. 11: 768. DOI: 10.1038 / nmat3357

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Накахата, М., Такашима, Ю., Ямагути, Х., и Харада, А. (2011). Самовосстанавливающиеся окислительно-восстановительные материалы, сформированные из полимеров «хозяин-гость». Нат. Commun. 2: 511. DOI: 10.1038 / ncomms1521

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Наваи, А., Сайни, Х., Кристенсон, В., Салливан, Р. Т., Рос, Р., и Никкх, М. (2016a). Проводящие гидрогели на основе желатина с золотыми наностержнями для конструирования конструкций сердечной ткани. Acta Biomater. 41, 133–146. DOI: 10.1016 / j.actbio.2016.05.027

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Наваи, А., Чыонг, Д., Хеффернан, Дж., Каттс, Дж., Брафман, Д., Сирианни, Р. В. и др. (2016b). Биогибридный инъекционный гидрогель на основе PNIPAAm для тканевой инженерии сердца. Acta Biomater. 32, 10–23. DOI: 10.1016 / j.actbio.2015.12.019

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нойман, А. Дж., Куинн, Т., и Брайант, С. Дж. (2016). Неразрушающая оценка нового гидролитически разлагаемого и фото-кликабельного гидрогеля ПЭГ для инженерии хрящевой ткани. Acta Biomater. 39, 1–11. DOI: 10.1016 / j.actbio.2016.05.015

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нгуен, М. К., и Альсберг, Э. (2014). Стратегии доставки биоактивного фактора из инженерных полимерных гидрогелей для терапевтической медицины. Прог. Polym. Sci. 39, 1235–1265. DOI: 10.1016 / j.progpolymsci.2013.12.001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Омобоно, М.А., Чжао, X., Ферлонг, М.A., Kwon, C.H., Gill, T.J., Randolph, M.A., et al. (2015). Повышение жесткости гидрогелей коллагена для доставки инкапсулированных хондроцитов в суставные поражения для регенерации хряща. J. Biomed. Матер. Res. А 103, 1332–1338. DOI: 10.1002 / jbm.a.35266

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Pacelli, S., Rampetsreiter, K., Modaresi, S., Subham, S., Chakravarti, A.R., Lohfeld, S., et al. (2018). Изготовление поверхности гидрогеля с двойной поперечносшитой взаимопроникающей полимерной сеткой (IPN), модифицированной полидофамином для модуляции остеогенной дифференцировки стволовых клеток, полученных из жировой ткани. ACS Appl. Матер. Интерфейсы . 10, 24955–24962. DOI: 10.1021 / acsami.8b05200

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Парк, Ю. Д., Тирелли, Н., Хаббелл, Дж. А. (2003). Фотополимеризованные гидрогели на основе гиалуроновой кислоты и взаимопроникающие сети. Биоматериалы 24, 893–900. DOI: 10.1016 / S0142-9612 (02) 00420-9

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Паркер Дж., Митрусис Н. и Шойхет М. С. (2016).Гидрогель для одновременной доставки регулируемого фактора роста и повышения жизнеспособности инкапсулированных клеток in vitro . Биомакромолекулы 17, 476–484. DOI: 10.1021 / acs.biomac.5b01366

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пэн, Ю., Лю, К., Хэ, Т., Е, К., Яо, X., и Дин, Дж. (2018). Скорость деградации дает динамический сигнал для регулирования стволовых клеток за пределами различной жесткости матрикса. Биоматериалы 78, 467–480. DOI: 10.1016 / j.биоматериалы.2018.04.021

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рен, К., Хэ, К., Сяо, К., Ли, Г., и Чен, X. (2015). Инъекционные гликополипептидные гидрогели в качестве биомиметических каркасов для инженерии хрящевой ткани. Биоматериалы 51, 238–249. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2015.02.026

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ризван, М., Пех, Г. С., Анг, Х. П., Лвин, Н. К., Аднан, К., Мехта, Дж. С. и др. (2017). Последовательно сшитые биоактивные гидрогели в качестве субстратов с наноразмерным рисунком с настраиваемой жесткостью и деградацией для инженерии тканей роговицы. Биоматериалы 120, 139–154. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2016.12.026

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Роделл, К. Б., Хайли, К. Б., Чен, М. Х., Дусадж, Н. Н., Ван, К., Хан, Л. и др. (2016). Эволюция иерархических пористых структур в супрамолекулярных гидрогелях гость – хозяин. Soft Matter 12, 7839–7847. DOI: 10.1039 / C6SM01395C

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Салинас, К.Н. и Ансет К. С. (2008). Усиление хондрогенной дифференцировки мезенхимальных стволовых клеток человека за счет ферментативно регулируемых функций RGD. Биоматериалы 29, 2370–2377. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2008.01.035

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шу Э., Хофманн С., Сток К., Нотбом Х., Мюллер Р. и Роттер Н. (2012). Редифференцировка хондроцитов в 3D: влияние плотности участков адгезии и эластичности субстрата. J. Biomed. Матер. Res. А 100, 38–47. DOI: 10.1002 / jbm.a.33226

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шихи, Э. Дж., Винарделл, Т., Бакли, К. Т., и Келли, Д. Дж. (2013). Создание костно-хрящевых конструкций за счет пространственной регуляции эндохондральной оссификации. Acta Biomater. 9, 5484–5492. DOI: 10.1016 / j.actbio.2012.11.008

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шенди Д., Деде А., Инь, Ю., Ван, К., Валмикинатан, К., и Джайн, А. (2016). Настраиваемый гидрогель гиалуроновой кислоты, конъюгированный с биоактивным белком, для применения в нейронной инженерии. J. Mater. Chem. B 4, 2803–2818. DOI: 10.1039 / C5TB02235E

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шин, С. Р., Юнг, С. М., Залабани, М., Ким, К., Зорлутуна, П., Ким, С. Б. и др. (2013). Листы гидрогеля с углеродными нанотрубками для инженерных конструкций сердца и биоактуаторов. ACS Nano 7, 2369–2380.DOI: 10.1021 / nn305559j

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Скаалуре, С. К., Димсон, С. О., Пеннингтон, А. М., и Брайант, С. Дж. (2014). Полувзаимопроникающие сети гиалуроновой кислоты в деградируемых гидрогелях ПЭГ для инженерии хрящевой ткани. Acta Biomater. 10, 3409–3420. DOI: 10.1016 / j.actbio.2014.04.013

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Слотер, Б.В., Хуршид, С.С., Фишер, О.З., Хадемхоссейни А. и Пеппас Н. А. (2009). Гидрогели в регенеративной медицине. Adv. Матер. 21, 3307–3329. DOI: 10.1002 / adma.200802106

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шридхар, Б.В., Брок, Дж. Л., Сильвер, Дж. С., Лейт, Дж. Л., Рэндольф, М. А., и Ансет, К. С. (2015). Разработка клеточно разлагаемого гидрогеля PEG для ускорения отложения внеклеточного матрикса суставного хряща. Adv. Здоровьеc. Матер. 4, 702–713.DOI: 10.1002 / adhm.201400695

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шридхар Б. В., Дойл Н. Р., Рэндольф М. А. и Ансет К. С. (2014). Ковалентно связанный TGF-β1 с инкапсулированными хондроцитами в системе гидрогеля PEG усиливает продукцию внеклеточного матрикса. J. Biomed. Матер. Res. А 102, 4464–4472. DOI: 10.1002 / jbm.a.35115

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стид, Дж. У., Тернер, Д. Р., и Уоллес, К. (2007). Основные концепции супрамолекулярной химии и нанохимии . Чичестер: Джон Вили и сыновья.

Google Scholar

Стейнмец, Н. Дж., Айзенбрей, Э. А., Уэстбрук, К. К., Ци, Х. Дж. И Брайант, С. Дж. (2015). Механическая нагрузка регулирует дифференцировку МСК человека в многослойном гидрогеле для инженерии костно-хрящевой ткани. Acta Biomater. 21, 142–153. DOI: 10.1016 / j.actbio.2015.04.015

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Штайнмец, Н.Дж. И Брайант С. Дж. (2011). Влияние периодической динамической нагрузки на хондрогенную и остеогенную дифференцировку стромальных клеток костного мозга человека, инкапсулированных в RGD-модифицированные гидрогели полиэтиленгликоля. Acta Biomater. 7, 3829–3840. DOI: 10.1016 / j.actbio.2011.06.031

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стивенс К. Р., Унгрин М., Шварц Р., Нг, С., Карвалью Б., Кристин К. и др. (2013). Формование InVERT для масштабируемого управления микроархитектурой тканей. Нат. Commun. 4: 1847. DOI: 10.1038 / ncomms2853

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Stüdle, C., Vallmajó-Martín, Q., Haumer, A., Guerrero, J., Centola, M., Mehrkens, A., et al. (2018). Пространственно ограниченная индукция эндохондральной оссификации функционализированными гидрогелями для эктопической инженерии костно-хрящевых тканей. Биоматериалы 171, 219–229. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2018.04.025

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сан, Дж., Вэй, Д., Ян, К., Ян, Ю., Лю, X., Фань, Х., и др. (2017). Разработка инициируемого клетками разлагаемого гидрогеля на основе метакрилированного альгината, применимого к множеству технологий микротехнологий. J. Mater. Chem. В 5, 8060–8069. DOI: 10.1039 / C7TB01458A

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Tocchio, A., Tamplenizza, M., Martello, F., Gerges, I., Rossi, E., Argentiere, S., et al. (2015). Универсальное изготовление васкуляризуемых каркасов для инженерии крупных тканей в биореакторах. Биоматериалы 45, 124–131. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2014.12.031

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ценг, Т. К., Тао, Л., Се, Ф. Ю., Вэй, Ю., Чиу, И. М., и Сю, С. Х. (2015). Самовосстанавливающийся гидрогель для инъекций для восстановления центральной нервной системы. Adv. Матер. 27, 3518–3524. DOI: 10.1002 / adma.201500762

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Улейн, Р. В. (2006). Ферментно-чувствительные материалы: новый класс интеллектуальных биоматериалов. J. Mater. Chem. 16, 2217–2225. DOI: 10.1039 / b601776m

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Во, Т. Н., Шах, С., Лу, С., Татара, А., Ли, Э., Ро, Т. и др. (2016). Инъекционные композитные гидрогели с двойным гелеобразованием и клетками для инженерии костной ткани. Биоматериалы 83, 1–11. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2015.12.026

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, Дж., Чжан, Ф., Цанг, В. П., Ван, К., и Ву, К.(2017а). Изготовление инъекционного высокопрочного гидрогеля на основе ПЭГ с 4-мя звёздами для инженерии хрящевой ткани. Биоматериалы 120, 11–21. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2016.12.015

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, Л. С., Ду, К., То, В. С., Ван, А. С., Гао, С. Дж., И Курисава, М. (2014). Модуляция функций хондроцитов и зависящее от жесткости восстановление хряща с помощью вводимого ферментативно сшитого гидрогеля с настраиваемыми механическими свойствами. Биоматериалы 35, 2207–2217. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2013.11.070

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, X., Li, Z., Shi, T., Zhao, P., An, K., Lin, C., et al. (2017b). Инъекционные гидрогели декстрана, полученные с помощью безметалловой щелочной химии для инженерии хрящевой ткани. Mater. Sci. Англ. С 73, 21–30. DOI: 10.1016 / j.msec.2016.12.053

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вэй, Д., Sun, J., Bolderson, J., Zhong, M., Dalby, M.J., Cusack, M., et al. (2017). Непрерывное изготовление и сборка пространственных наполненных клетками волокон для тканеподобной конструкции с помощью микрофлюидного чипа на основе фотолитографии. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 9, 14606–14617. DOI: 10.1021 / acsami.7b00078

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wei, K., Zhu, M., Sun, Y., Xu, J., Feng, Q., Lin, S., et al. (2016). Прочные биополимерные супрамолекулярные гидрогели типа «хозяин-гость», армированные поливалентными нанокластерами in situ для регенерации хряща. Макромолекулы 49, 866–875. DOI: 10.1021 / acs.macromol.5b02527

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вен, Дж. Х., Винсент, Л. Г., Фурманн, А., Чой, Ю. С., Хрибар, К. С., Тейлор-Вайнер, Х., и др. (2014). Взаимодействие жесткости матрикса и связывания белков в дифференцировке стволовых клеток. Нат. Матер. 13: 979. DOI: 10.1038 / nmat4051

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ксавьер, Дж. Р., Такур, Т., Десаи, П., Jaiswal, M.K., Sears, N., Cosgriff-Hernandez, E., et al. (2015). Биоактивные наноинженерные гидрогели для инженерии костной ткани: подход без факторов роста. ACS Nano 9, 3109–3118. DOI: 10.1021 / nn507488s

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сюй Дж., Фэн Э. и Сун Дж. (2014). Биоортогонально сшитая гидрогелевая сеть с точно контролируемым временем распада в широком диапазоне. J. Am. Chem. Soc. 136, 4105–4108.DOI: 10.1021 / ja4130862

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сюй, З., и Братли, К. М. (2018). Нажмите «Выбор химии и материала» для изготовления гидрогелей in situ для применения в тканевой инженерии. ACS Biomater. Sci. Eng . 4, 2276–2291. DOI: 10.1021 / acsbiomaterials.8b00230

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ян, Х. Дж., Казалини, Т., Хулсарт-Бильстрём, Г., Ван, С., Ооммен, О. П., Сальвалаглио, М., и другие. (2018). Синтетический дизайн гидрогеля-миметика внеклеточного матрикса, изолирующего фактор роста, для стимулирования образования кости in vivo . Биоматериалы 161, 190–202. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2018.01.041

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Янг Г., Линь Х., Ротрафф Б. Б., Ю С. и Туан Р. С. (2016). Многослойный композит поликапролактон / желатиновые волокна-гидрогель для тканевой инженерии сухожилий. Acta Biomater. 35, 68–76. DOI: 10.1016 / j.actbio.2016.03.004

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Янг, Ю., Ван, X., Ян, Ф., Ван, Л., и Ву, Д. (2018). Высокоэластичные и сверхпрочные гибридные ионно-ковалентные гидрогели с настраиваемой структурой и механикой. Adv. Матер. 30: 1707071. DOI: 10.1002 / adma.201707071

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ясуда, К., Китамура, Н., Гонг, Дж. П., Аракаки, ​​К., Квон, Х.J., Onodera, S., et al. (2009). Новый гидрогель с двойной сеткой вызывает спонтанную регенерацию суставного хряща in vivo в большом костно-хрящевом дефекте. Macromol. Biosci. 9, 307–316. DOI: 10.1002 / mabi.200800223

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ю, С., Ли, Дж., Чжу, В., Ю, К., Мэй, Д., и Чен, С. (2018). Наноразмерная 3D-печать гидрогелей для инженерии клеточных тканей. J. Mater. Chem. B 6, 2187–2197.DOI: 10.1039 / C8TB00301G

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Юэ К., Трухильо-де-Сантьяго Г., Альварес М. М., Тамайол А., Аннаби Н. и Хадемхоссейни А. (2015). Синтез, свойства и биомедицинские применения желатинметакрилоиловых (GelMA) гидрогелей. Биоматериалы 73, 254–271. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2015.08.045

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан Б., Монтгомери М., Чемберлен М.Д., Огава, С., Король, А., Панке, А. и др. (2016). Биоразлагаемый каркас со встроенной сосудистой сетью для инженерии «орган на чипе» и прямого хирургического анастомоза. Нат. Матер. 15: 669. DOI: 10.1038 / nmat4570

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан, К., Лу, Х., Кавазо, Н., Чен, Г. (2014). Влияние размера пор коллагеновых каркасов на регенерацию хряща. Acta Biomater. 10, 2005–2013. DOI: 10.1016 / j.actbio.2013.12.042

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, X., Xu, B., Puperi, D. S., Yonezawa, A. L., Wu, Y., Tseng, H., et al. (2015). Интеграция конструктивных особенностей клапана в каркасы из гидрогеля из полиэтиленгликоля для тканевой инженерии клапана сердца. Acta Biomater. 14, 11–21. DOI: 10.1016 / j.actbio.2014.11.042

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжао, X., Lang, Q., Yildirimer, L., Lin, Z.Y., Cui, W., Annabi, N., et al. (2016). Фотосшиваемый желатиновый гидрогель для тканевой инженерии эпидермиса. Adv. Здоровьеc. Матер. 5, 108–118. DOI: 10.1002 / adhm.201500005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжу, Ю., Ву, Х., Сун, С., Чжоу, Т., Ву, Дж., И Ван, Ю. (2014). Разработаны композиты для имитации сжимающих механических свойств матрикса суставного хряща. J. Mech. Behav. Биомед. Матер. 36, 32–46. DOI: 10.1016 / j.jmbbm.2014.04.003

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zieris, A., Prokoph, S., Levental, K. R., Welzel, P. B., Grimmer, M., Freudenberg, U., et al. (2010). FGF-2 и VEGF функционализация гидрогелей starPEG-гепарин для модуляции биомолекулярных и физических сигналов ангиогенеза. Биоматериалы 31, 7985–7994. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2010.07.021

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цзо Ю., Лю X., Wei, D., Sun, J., Xiao, W., Zhao, H., et al. (2015). Фото-сшиваемый гибридный гидрогель из метакрилированного желатина и гидроксиапатита для модульной инженерии биомиметических остеонов. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 7: 10386–10394. DOI: 10.1021 / acsami.5b01433

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

гидрогель

Гидрогель представляет собой сеть нерастворимых в воде полимерных цепей, иногда встречается в виде коллоидного геля, в котором вода является дисперсионной средой.Гидрогели — это супервпитывающие (они могут содержать более 99% воды) натуральные или синтетические полимеры. Гидрогели обладают также степенью гибкости, очень похожей на естественные ткани, благодаря значительному содержанию воды.

Рекомендуемые дополнительные знания

Общие области применения гидрогеля:

  • в настоящее время используется в качестве каркаса в тканевой инженерии.При использовании в качестве каркаса гидрогели могут содержать человеческие клетки для восстановления тканей.
  • экологически чистые гидрогели. Эти гидрогели обладают способностью определять изменения pH, температуры или концентрации метаболитов и снимать нагрузку в результате такого изменения.
  • как система доставки с замедленным высвобождением
  • обеспечивает абсорбцию, удаление шлейфа и очистку некротических и фиброзных тканей.
  • гидрогелей, которые реагируют на определенные молекулы, такие как глюкоза или антигены, можно использовать в качестве биосенсоров, а также в DDS.
  • В одноразовых подгузниках, где они «захватывают» мочу, или в гигиенических прокладках
  • линзы контактные (силикон-гидрогели, полиакриламиды)
  • медицинские электроды с использованием гидрогелей, состоящих из сшитых полимеров (полиэтиленоксид, полиАМПС и поливинилпирролидон)
  • Взрывчатые вещества на водном геле

Другое, менее распространенное использование:

  • грудных имплантатов
  • гранулы для удержания влаги в почве в засушливых районах
  • повязки для заживления ожоговых и других трудно заживающих ран.Wound GEL отлично подходит для создания или поддержания окружающей среды.
  • резервуаров для местной доставки лекарств; особенно ионные препараты, доставляемые ионофорезом (см. ионообменную смолу)

Общие ингредиенты, например, поливиниловый спирт, полиакрилат натрия, акрилатные полимеры и сополимеры с большим количеством гидрофильных групп.

Природные гидрогелевые материалы исследуются для тканевой инженерии, эти материалы включают агарозу, метилцеллюлозу, гиларонан и другие полимеры природного происхождения.

См. Также

Этот гидрогель Массачусетского технологического института на 90 процентов состоит из воды и позорит суперклей

Исследователи из Массачусетского технологического института, вдохновленные крошечными морскими ракушками, разработали похожее на клей вещество, которое могло бы оказать огромное влияние на область робототехники. в ближайшие годы.

Подобно тому, как ракушки приклеиваются к корпусам кораблей с присасыванием, которое кажется неподвижным, исследователи из Массачусетского технологического института говорят, что они разработали гидрогель, обладающий такой же степенью прочности и липкости.Более того, гель на 90% состоит из воды и может стать катализатором некоторых серьезных достижений в области робототехники в ближайшие годы.

Гидрогель, имеющий липкую консистенцию и в основном прозрачный, прозрачный цвет, может прилипать к множеству поверхностей, таких как стекло, силикон и титан. Согласно исследованиям, он отражает силу, которую сухожилие и хрящ оказывают на кость.

Подробно в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Materials , описаны методы, которые исследователи использовали для разработки ультра-уклончивого вещества.В видео, опубликованном сегодня Массачусетским технологическим институтом, серия испытаний показывает, что гидрогель по прочности не уступает прочному промышленному клею.

На видео выше, загруженном сегодня на YouTube, исследователи проводят несколько тестов, в том числе разбивают силиконовую пластину, покрытую гидрогелем.

Благодаря химическим связям полимерных сеток, аналогичных тем, которые содержатся в клее, пластина не ломается:

Гидрогель также является проводящим. Исследователи подключили гель к двум разным электродам и обнаружили, что он может обеспечивать провод, необходимый для питания светодиодной лампочки, даже при растяжении до четырех.В 5 раз больше исходного размера.

Различные гидрогели уже используются в различных областях и часто используются для восстановления поврежденных тканей при хирургических процедурах, но Сюань Хэ Чжао, ведущий исследователь в этой статье и профессор кафедры машиностроения Массачусетского технологического института, в восторге от работы своей группы. гидрогель, и говорит, что он может оказаться пригодным для различных применений в робототехнике.

«Гидрогели могут действовать как исполнительные механизмы», — говорит Чжао. «Вместо использования обычных петель вы можете использовать этот мягкий материал с прочным сцеплением с жесткими материалами, и он может дать роботу гораздо больше степеней свободы.

В этом смысле Чжао сравнивает различные механические шарниры роботов с человеческими суставами, которые поворачиваются, сгибаются и движутся. Подобно хрящу, который дает человечеству импульс, гидрогель MIT сдерживает движения наших собратьев-роботов.

Исследование Чжао должно развеять любые мысли о геле, который предупреждается трением движений машины. По словам Чжао, он невероятно прочен и «находится на одном уровне прочности для поверхностей раздела сухожилий и костей и хрящ-кость».

Однако при более традиционной структуре гидрогель будет обеспечивать «мягкие, влажные, но прочные покрытия и матрицы для биомедицинских устройств, находящихся в тесном контакте с человеческим телом», таких как катетеры и биомедицинские устройства, имплантированные в человеческое тело.

Hydrogel — Soft-Matter

Под редакцией Pichet Adstamongkonkul, AP225, осень 2011

Введение

После новаторской работы Вихтерле и Лима в 1960-х годах над сшитыми гидрогелями HEMA, многие другие исследования были сосредоточены на разработке гидрогелей для широкого круга приложений. [2] Гидрогель представляет собой трехмерную сеть гидрофильных полимерных цепей, удерживаемых вместе ассоциативными связями, такими как ковалентные связи и более слабые когезионные или межмолекулярные силы.[1] Они могут быть химически стабильными или могут разлагаться и, в конечном итоге, распадаться, в зависимости от применения. Следовательно, гидрогели обладают определенной гибкостью, поскольку они обладают способностью впитывать воду и набухать, что аналогично естественным тканям из-за значительного содержания воды (около 99%).

Файл: Hydrogel.jpg

Классификации

Существует множество полимеров, используемых для образования гидрогелей. Эти полимеры растворимы в воде, но во время синтеза гидрогеля они связаны молекулами сшивающего агента или физическим переплетением и сохраняют общую структуру.

Физические гидрогели

Эти гидрогели, образованные физическим переплетением или физическим сшиванием, называются «физическими» или «обратимыми» гидрогелями. [1] В образовании этого типа гидрогелей участвует ряд механизмов сшивания:

  • сшивка ионными взаимодействиями
  • сшивка кристаллизацией
  • сшивка за счет гидрофобного взаимодействия
  • сшивка за счет образования водородной связи
  • сшивка посредством других специфических взаимодействий [3]

Файл: Физическая ссылка.jpg

Физические гидрогели не являются гомогенными, поскольку молекулярные зацепления или гидрофобные или ионные домены могут образовывать кластеры, создавая неоднородности.

Одним из примеров гидрогелей этого класса является гидрогель альгината кальция. Когда на полиэлектролит воздействуют многовалентные ионы противоположного заряда, образуется так называемый «ионотропный» гидрогель. Гелеобразование или осаждение зависит от концентрации ионов, ионной силы и pH раствора. Взаимодействия в этих гидрогелях обратимы, что означает, что они могут быть нарушены изменениями физических условий, включая стресс, температуру и pH.[1]

Химические гидрогели

Гидрогели называют «постоянными» или «химическими» гелями, если они образуют ковалентно-сшитые сети. Сшивающие агенты представляют собой небольшие молекулы с функциональными группами, которые могут полимеризоваться с макромерами, образуя мостики, которые соединяют эти длинные полимерные цепи и в конечном итоге приводят к сети гидрогеля. Этот класс гидрогелей может быть образован путем сшивания водорастворимых полимеров или путем превращения гидрофобных полимеров в гидрофильные полимеры с добавлением сшивающих агентов.Есть много способов полимеризации сшивок:

  • Радикальная полимеризация — поперечные связи имеют двойные связи в качестве функциональных групп
  • Реакции конденсации
  • Химическая реакция дополнительных групп — альдегиды / амин / амид / спирт
  • Ферментативные реакции [3]

Файл: Radical polymerization.jpg

Приложения

Эти гидрогели можно сконструировать так, чтобы они реагировали на внешние раздражители, такие как pH и температура, для контролируемого высвобождения лекарств или других компонентов.Ниже приводится список некоторых примеров этих гидрогелей.

  • pH-чувствительные гидрогели, состоящие из поли (акриловой кислоты) и поли (N, N’-диэтиламиноэтилметакрилата) [3]

Файл: PH sensitive.jpg

  • Гидрогели, реагирующие на матриксную металлопротеиназу (ММП) — сеть расщепляется ферментами ММП, локально реагирует на локальную активность протеазы на поверхности клетки [3]

Файл: MMP.jpg

  • Светочувствительные гидрогели — используются для изготовления искусственного просвета внутри гидрогелей [3]

Файл: Светочувствительный.jpg

Список литературы

[1] Авторы Википедии. «Гель.» Википедия, свободная энциклопедия. Википедия, Бесплатная энциклопедия, 29 ноября 2011 г.

[2] Аллан С. Хоффман. «Гидрогели для биомедицинских приложений». Расширенные обзоры доставки лекарств. 43. (2002): 3-12.

[3] Хай-Цюань Мао, доктор философии «Гидрогели». Университет Джона Хопкинса, Балтимор. 2009. Лекция.

Ключевое слово в ссылках:

Био-вдохновленный дизайн погруженных гидрогелевых полимерных микроструктур, работающих в зависимости от pH

Прямая запись и приведение в действие подушек из гидрогеля с трехмерным рисунком на опорах Micropillar

Интегрированные реагирующие системы с гидрогелем (HAIRS): переход к адаптивным материалам

Снижение испарения воды в микрожидкостных устройствах с полимеразной цепной реакцией на основе осциллирующего потока

Регулирование переходов объема высокочувствительных гидрогелевых каркасов путем регулирования сетевых свойств коллоидов строительных блоков микрогелей

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *