Hydrożele od dawna wykorzystywane są w medycynie, kosmetyce i rolnictwie – głównie ze względu na swoją zdolność pochłaniania wody i tworzenia elastycznej, miękkiej matrycy sprzyjającej regeneracji tkanek. Jednak dominujące dotąd na rynku materiały syntetyczne mają swoje ciemne strony: nie ulegają biodegradacji, ich produkcja wiąże się z emisją toksycznych związków, a same produkty po użyciu stają się trudnym do utylizacji odpadem.
Czytaj też: Przełomowy nanomateriał. Zbiera wodę bezpośrednio z powietrza bez użycia energii
Badacze z Łukasiewicz – Instytutu Chemii Przemysłowej im. prof. Ignacego Mościckiego postanowili temu zaradzić. Stworzyli nowy typ hydrożeli w całości opartych na polimerach naturalnych: skrobi oraz glukomannanie, które łączą właściwości funkcjonalne z troską o środowisko.
Czym są hydrożele – i co czyni te nowe wyjątkowymi?
Hydrożele to trójwymiarowe sieci polimerowe, które mają zdolność do absorpcji i retencji znacznych ilości wody lub płynów biologicznych bez utraty integralności strukturalnej. Dzięki temu są idealnymi kandydatami na opatrunki, implanty czy nośniki leków. Nowe materiały z Łukasiewicza, stworzone pod kierunkiem dr Katarzyny Łęczyckiej-Wilk, wynoszą jednak te właściwości na nowy poziom – zarówno pod względem wydajności, jak i ekologii.
Czytaj też: Drewno przyszłości mocniejsze niż stal. Ten materiał może zrewolucjonizować budownictwo
Dr Katarzyna Łęczycka-Wilk mówi:
Hydrożele z polimerów syntetycznych od lat znajdują zastosowanie w wielu branżach – od medycyny po przemysł kosmetyczny – dzięki swojej elastyczności i znakomitym właściwościom absorpcyjnym. Niestety, ich powszechne wykorzystanie wiąże się z problemami środowiskowymi i wysokimi kosztami ekologicznymi. Większość syntetycznych polimerów nie ulega naturalnemu rozkładowi, co prowadzi do kumulacji odpadów. Dodatkowo ich produkcja często wiąże się z emisją toksycznych substancji i dużym zużyciem nieodnawialnych surowców, takich jak ropa naftowa.
Nowo opracowane hydrożele potrafią pochłonąć nawet 35-krotność swojej masy w wodzie, a ich chłonność dodatkowo wzrasta w środowisku zasadowym. Zastosowanie kwasu cytrynowego ogranicza nadmierne pęcznienie materiału, jednocześnie wzmacniając jego strukturę poprzez działanie sieciujące. Co jednak naprawdę wyróżnia te materiały, to ich zdolność do samonaprawy. Jeśli struktura hydrożelu zostanie uszkodzona – np. przez rozdarcie lub nacisk – potrafi ona się zregenerować w zaledwie kilka godzin, odzyskując integralność strukturalną.
Poza mechaniczną wytrzymałością i biodegradowalnością, hydrożele z Łukasiewicza mają jeszcze jedną istotną cechę – są biologicznie aktywne. Dzięki dodatkom naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych (DES) – związków zawierających mentol, tymol i wanilinę – wykazują działanie antybakteryjne i przeciwutleniające. To sprawia, że nie tylko sprzyjają gojeniu ran, ale też mogą być stosowane tam, gdzie higiena ma kluczowe znaczenie, np. w implantologii czy dermatologii.
Dr Katarzyna Łęczycka-Wilk dodaje:
Najwyższą aktywność przeciwutleniającą odnotowano w hydrożelach z dodatkiem hydrofobowych DES na bazie mentolu, tymolu i waniliny. Materiały te charakteryzują się także wysoką stabilnością termiczną – przy temperaturze 150 stopni Celsjusza masa hydrożelu zmniejsza się zaledwie o 5 proc.
Dzięki swoim unikalnym właściwościom, samonaprawiające się hydrożele mają szerokie spektrum potencjalnych zastosowań. Mogą pełnić rolę zaawansowanych opatrunków, które po uszkodzeniu samoczynnie odzyskują swoją strukturę, zapewniając stałą ochronę rany i sprzyjające warunki do odnowy tkanek. Ich elastyczność i zgodność z organizmem pozwalają na wykorzystanie ich jako implantów dostosowujących się do środowiska fizjologicznego. Sprawdzają się również jako nośniki leków, umożliwiając precyzyjne i kontrolowane uwalnianie substancji czynnych w odpowiedzi na określone sygnały z organizmu. Dodatkowo mogą być stosowane w inżynierii tkankowej jako rusztowania wspomagające regenerację, imitujące naturalną strukturę macierzy zewnątrzkomórkowej i stymulujące wzrost komórek.
W erze katastrofy klimatycznej, kwestie biodegradowalności i cyrkularności procesów technologicznych stają się nie tylko pożądane, ale niezbędne. Hydrożele stworzone przez zespół z Łukasiewicza spełniają te wymagania w sposób modelowy.
Dr Katarzyna Łęczycka-Wilk podsumowuje:
Ich produkcja pozwala ograniczyć zużycie nieodnawialnych surowców i zmniejszyć emisję szkodliwych substancji, oferując jednocześnie nową jakość w leczeniu ran, kosmetykach i innych zastosowaniach biomedycznych.
Innowacja stworzona przez polskich naukowców z Łukasiewicza pokazuje, że przyszłość materiałów medycznych może być nie tylko bardziej zaawansowana, ale też znacznie bardziej zrównoważona. Jeśli prototypy trafią do produkcji, samonaprawialne hydrożele na bazie skrobi mogą zmienić nie tylko sposób leczenia, ale też podejście do ekologii w biomedycynie.