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Hydrogel: Unterschied zwischen den Versionen

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==Struktur==
 
==Struktur==
Hydrogele liegen als dreidimensionale Netzwerke vor. Die Fähigkeit von Hydrogelen Wasser zu [[absorbieren]] ergibt sich aus hydrophilen funktionellen Gruppen, die an das Polymergerüst gebunden sind, während ihre Beständigkeit gegen Auflösung aus Vernetzungen zwischen den Netzwerkketten resultiert. Das Polymermaterial kann also zu einem beträchtlichen Volumen quellen, ohne dass sich dabei der eigene stoffliche Zusammenhalt löst. Abhängig von den Eigenschaften des verwendeten Polymers sowie von der Art und Dichte der Netzwerkverbindungen können solche Strukturen unterschiedliche Mengen an Wasser binden.
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Hydrogele liegen als dreidimensionale Netzwerke vor. Die Fähigkeit von Hydrogelen, Wasser zu [[absorbieren]], ergibt sich aus hydrophilen funktionellen Gruppen, die an das Polymergerüst gebunden sind, während ihre Beständigkeit gegen Auflösung aus Vernetzungen zwischen den Netzwerkketten resultiert. Das Polymermaterial kann also zu einem beträchtlichen Volumen quellen, ohne dass sich dabei der stoffliche Zusammenhalt des Polymers löst. Abhängig von den Eigenschaften des verwendeten Polymers sowie von der Art und Dichte der Netzwerkverbindungen können Hydrogele unterschiedliche Mengen an Wasser binden. Sie besitzen darüber hinaus einen hohen Grad an Flexibilität, der biologischen [[Gewebe]]n aufgrund ihres hohen Wassergehalts sehr ähnlich ist.
 
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Sie besitzen darüber hinaus einen hohen Grad an Flexibilität, der dem natürlichen [[Gewebe]] aufgrund ihres hohen Wassergehalts sehr ähnlich ist.
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==Zusammensetzung==
 
==Zusammensetzung==
Hydrogele enthalten neben dem [[Gelbildner]] und Wasser oft Feuchthaltemittel (z.B. [[Glycerol]], [[Sorbitol]], [[Propylenglycol]]). Diese schützen das Gel einerseits vor Austrocknung, zum anderen machen sie es streichfähiger. Da Hydrogele aufgrund des hohen Wasseranteils [[mikrobiell]] anfällig sind, enthalten sie oft [[Konservierungsmittel]] (z.B. Sorbinsäure, PHB-Ester).  
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Hydrogele enthalten neben dem [[Gelbildner]] und Wasser oft [[Feuchthaltemittel]] (z.B. [[Glycerol]], [[Sorbitol]], [[Propylenglycol]]). Sie schützen das Gel einerseits vor Austrocknung, zum anderen machen sie es streichfähiger. Da Hydrogele aufgrund des hohen Wasseranteils [[mikrobiell]] anfällig sind, enthalten sie oft [[Konservierungsmittel]] (z.B. [[Sorbinsäure]], [[PHB-Ester]]).  
  
Als Gelbildner von Hydrogelen werden folgende Substanzen verwendet. Man unterscheidet zwischen [[anorganisch]]en und [[organisch]]en Gelbildnern:
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Als Gelbildner von Hydrogelen werden verschiedene Substanzen verwendet. Man unterscheidet zwischen [[anorganisch]]en und [[organisch]]en Gelbildnern.
 
===Anorganische Gelbildner===  
 
===Anorganische Gelbildner===  
*[[Bentonit]] („Quellton“): Besteht aus einem quellfähigen, kolloiden [[Aluminium]]-[[Silikat|Schichtsilikat]], das ein Laminarkolloidgerüst ausbildet. Dieses ist die Grundlage von [[Bentonitgel]]en.
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*[[Bentonit]] ("Quellton"): Besteht aus einem quellfähigen, kolloiden [[Aluminium]]-[[Silikat|Schichtsilikat]], das ein Laminarkolloidgerüst ausbildet. Es ist die Grundlage von [[Bentonitgel]]en.
* [[Hochdisperses]] [[Siliziumdioxid]]: Das Gelgerüst (Sphärokolloidgerüst) entsteht über Wasserstoffbrückenbindungen. Zur Gelbildung werden jedoch hohe Konzentrationen an SiO<sub>2</sub> benötigt (Ausnahme: Zusatz von nichtionogenen Tensiden, welche das Gelbildungsvermögen von Siliziumdioxid deutlich erhöhen). Durch Zugabe von [[Glycerol]] (Angleichung des Brechungsindex der wässrigen Phase auf den Brechungsindex des Siliziumdioxids) entstehen klare, stark [[Thixotropie|thixotrop]]e Hydrogele, die häufig in der [[Zahnheilkunde]] Anwendung finden.
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* [[Dispers|Hochdisperses]] [[Siliziumdioxid]]: Das Gelgerüst (Sphärokolloidgerüst) entsteht über [[Wasserstoffbrückenbindung]]en. Zur Gelbildung werden jedoch hohe Konzentrationen an SiO<sub>2</sub> benötigt. Das gilt nicht beim Zusatz von nichtionogenen [[Tensid]]en, da sie das Gelbildungsvermögen von Siliziumdioxid deutlich erhöhen. Durch Zugabe von [[Glycerol]] entstehen klare, stark [[Thixotropie|thixotrop]]e Hydrogele, die häufig in der [[Zahnheilkunde]] Anwendung finden. Das Glycerol sorgt für eine Angleichung des [[Brechungsindex]] der wässrigen Phase auf den Brechungsindex des Siliziumdioxids.  
 
===Organische Gelbildner===
 
===Organische Gelbildner===
* Natürliche Gelbildner: umfassen [[Protein]]e und [[Polysaccharid]]e.
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* Natürliche Gelbildner umfassen [[Protein]]e und [[Polysaccharid]]e:
** [[Gelatine]]: ein aus tierischem [[Bindegewebe]] gewonnenes Protein.
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** [[Gelatine]]: Ein aus tierischem [[Bindegewebe]] gewonnenes Protein
** [[Alginat]]: ein Salz der aus Braunalgen gewonnenen [[Alginsäure]], bestehend aus verknüpfter Glucuronsäure und Mannuronsäure.
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** [[Alginat]]: Ein Salz der aus Braunalgen gewonnenen [[Alginsäure]], bestehend aus verknüpfter [[Glucuronsäure]] und [[Mannuronsäure]]
** [[Xanthangummi]]: Heteropolysaccharid, bestehend aus [[Glucose]], [[Mannose]] und [[Glucuronsäure]], das aus dem Mikroorganismus Xanthamonas campestris gewonnen wird.
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** [[Xanthangummi]]: [[Heteropolysaccharid]], bestehend aus [[Glucose]], [[Mannose]] und [[Glucuronsäure]], das aus dem Mikroorganismus [[Xanthamonas campestris]] gewonnen wird
** [[Guargummi]]: Endosperm der Guarbohne, bestehend aus einem [[Galaktomanan]] mit Mannose und [[Galaktose]].
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** [[Guargummi]]: Endosperm der Guarbohne, bestehend aus einem [[Galaktomanan]] mit Mannose und [[Galaktose]]
 
* Halbsynthetische Gelbildner:
 
* Halbsynthetische Gelbildner:
** [[Celluloseether]]
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** [[Celluloseether]], die [[Cellulosegel]]e bilden
 
* Vollsynthetische Gelbildner:
 
* Vollsynthetische Gelbildner:
** [[Poloxamer]]e: Blockpolymere aus Polyethylenglycol- und Polypropylenglycolblöcken bilden die sogenannten [[Tensidgel]]e.
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** [[Poloxamer]]e: Blockpolymere aus [[Polyethylenglycol]]- und [[Polypropylenglycol]]blöcken bilden die sogenannten [[Tensidgel]]e.
** [[Carbomer]]e
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** [[Carbomer]]e, die [[Polyacrylatgel]]e bilden
  
Gelatine und Galaktomanane bilden ihre Gelgerüste durch Ausbildung [[Helix|helikaler]] Strukturen durch zwei Polymerstränge. Es bilden sich Hydrogele, welche [[rheodestruktiv]] sind, d.h. ein durch Scherung irreversibel zerstörtes Gel kann ohne Temperatureinfluss nicht mehr in den Gelzustand zurückgeführt werden. Sie besitzen allerdings thermoreversible Sol-Gel-Übergänge.  
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Gelatine und Galaktomanane bilden ihre Gelgerüste durch Ausbildung [[Helix|helikaler]] Strukturen durch zwei Polymerstränge. Es bilden sich Hydrogele, die [[rheodestruktiv]] sind, d.h. ein durch Scherung irreversibel zerstörtes Gel kann ohne Temperatureinfluss nicht mehr in den [[Gelzustand]] zurückgeführt werden. Sie besitzen allerdings thermoreversible Sol-Gel-Übergänge.  
  
Alginate verfügen über eine ionotrope Gelbildung. Es kommt zur Quervernetzung von ionischen Molekülen durch mehrwertige Kationen. Im Falle des Alginats führen [[Calcium]]ionen zur sogenannten "Egg-Box"-Struktur.
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Alginate verfügen über eine [[ionotrop]]e Gelbildung. Es kommt zur Quervernetzung von ionischen Molekülen durch mehrwertige [[Kation]]en. Im Falle des Alginats führen [[Calcium]]ionen zur sogenannten "Egg-Box"-Struktur.
  
 
==Eigenschaften==
 
==Eigenschaften==
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* Homopolymer: Das Polymernetzwerk ist von einer einzelnen [[Monomer]]spezies abgeleitet. Es handelt sich also um eine grundlegende Einheit in der Struktur, die eine beliebige vernetzte Gerüststruktur aufweist.
 
* Homopolymer: Das Polymernetzwerk ist von einer einzelnen [[Monomer]]spezies abgeleitet. Es handelt sich also um eine grundlegende Einheit in der Struktur, die eine beliebige vernetzte Gerüststruktur aufweist.
 
* Copolymerhydrogel: Besteht aus zwei oder mehr verschiedenen Monomerspezies mit mindestens einer hydrophilen Komponente, die in einer zufälligen Block- oder Wechselkonfiguration entlang der Kette des Polymernetzwerks angeordnet ist.
 
* Copolymerhydrogel: Besteht aus zwei oder mehr verschiedenen Monomerspezies mit mindestens einer hydrophilen Komponente, die in einer zufälligen Block- oder Wechselkonfiguration entlang der Kette des Polymernetzwerks angeordnet ist.
* Multipolymer-interpenetrierendes polymeres Hydrogel (IPN): Besteht aus zwei unabhängigen vernetzten synthetischen und/oder natürlichen Polymerkomponenten. In einem semi-IPN-Hydrogel besteht eine Komponente aus einem vernetzten Polymer und die andere Komponente aus einem nicht-vernetzten Polymer.
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* Multipolymer-interpenetrierendes polymeres Hydrogel (IPN): Besteht aus zwei unabhängigen vernetzten, synthetischen und/oder natürlichen Polymerkomponenten. In einem semi-IPN-Hydrogel besteht eine Komponente aus einem vernetzten Polymer und die andere Komponente aus einem nicht-vernetzten Polymer.
  
 
===...nach Konfiguration===
 
===...nach Konfiguration===
Die [[chemisch]]e Zusammensetzung der Hydrogele kann wie folgt klassifiziert werden:
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Die molekularen Komponenten der Hydrogele können wie folgt klassifiziert werden:
* [[Amorph]]: nicht kristallin
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* [[Amorph]]: ungeordnet, d.h. nicht kristallin
* Teilkristallin: komplexe Mischung aus amorphen und kristallinen Phasen
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* [[Teilkristallin]]: komplexe Mischung aus amorphen und kristallinen Phasen
* [[Kristallin]]
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* [[Kristallin]]:
  
 
===...nach Art der Vernetzung===
 
===...nach Art der Vernetzung===
Hydrogele können basierend auf der der Vernetzungsübergänge in zwei Kategorien unterteilt werden:
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Hydrogele können basierend auf den Vernetzungsübergängen in zwei Kategorien unterteilt werden:
 
* Chemisches Netzwerk: Netzwerke weisen permanente Übergänge auf.
 
* Chemisches Netzwerk: Netzwerke weisen permanente Übergänge auf.
* [[Physikalisch]]es Netzwerk: [[Passager|transient]]e Übergänge, die entweder aus Verwicklungen der Polymerkette oder aus physikalischen Wechselwirkungen wie [[Ionisation |ionischen Wechselwirkungen]], [[Wasserstoffbrückenbindung]]en oder [[hydrophob]]en Wechselwirkungen resultieren.
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* [[Physikalisch]]es Netzwerk: Es bestehen [[transient]]e Übergänge, die entweder aus Verwicklungen der Polymerketten oder aus physikalischen Wechselwirkungen wie [[Ionenbindung|elektrostatischen Anziehungskräften]], [[Wasserstoffbrückenbindung]]en oder [[hydrophob]]en Wechselwirkungen resultieren.
  
 
===...nach elektrischer Ladung===
 
===...nach elektrischer Ladung===
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* [[Zwitterion]] (Polybetain): enthält sowohl anionische als auch kationische Gruppen in jeder strukturellen Wiederholungseinheit.
 
* [[Zwitterion]] (Polybetain): enthält sowohl anionische als auch kationische Gruppen in jeder strukturellen Wiederholungseinheit.
  
==Indikation==
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==Medizinische Bedeutung==
Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften werden Hydrogele in der [[Wundversorgung]] verwendet. Sie sind dabei insbesondere zum Feuchthalten oder zur [[Rehydrierung]] trockener Wunden (z.B. [[Nekrose]]n, [[seborrhoisch]]e Haut oder [[Wunde]]n in der Granulations- oder Epithelisierungsphase) geeignet. Bei juckenden Hauterkrankungen spenden sie Linderung durch ihren kühlenden Effekt.  
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Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften werden Hydrogele in der [[Wundversorgung]] verwendet. Sie sind dabei insbesondere zum Feuchthalten oder zur [[Rehydrierung]] trockener Wunden (z.B. [[Nekrose]]n oder [[Wunde]]n in der [[Granulation]]s- oder [[Epithelisierung]]sphase) geeignet. Bei juckenden Hauterkrankungen spenden sie Linderung durch ihren kühlenden Effekt. Je nach Indikation kann ein Hydrogel bestimmte [[Wirkstoff]]e enthalten, um den Heilungsprozess zu beschleunigen.  
  
Je nach Indikation kann ein Hydrogel bestimmte [[Wirkstoff]]e enthalten, um den Heilungsprozess zu beschleunigen. Diese finden Anwendung bei:
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Hydrogele finden zum Beispiel Anwendung bei:
*[[Insektenstich]]en
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* [[Insektenstich]]en
*[[Sonnenbrand]]
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* [[Sonnenbrand]]
*Sportverletzungen
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* [[Sportverletzung]]en
*[[rheumatisch]]en Beschwerden
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* [[rheumatisch]]en Beschwerden
  
 
==Literatur==
 
==Literatur==

Aktuelle Version vom 23. Januar 2021, 01:29 Uhr

Synonym: Hydrophiles Gel

1 Definition

Als Hydrogel bezeichnet man Gele mit einem hohen Wassergehalt. Sie bestehen aus hydrophilen, aber wasserunlöslichen Polymeren, die in Wasser unter weitgehender Formerhaltung beträchtlich aufquellen können.

2 Struktur

Hydrogele liegen als dreidimensionale Netzwerke vor. Die Fähigkeit von Hydrogelen, Wasser zu absorbieren, ergibt sich aus hydrophilen funktionellen Gruppen, die an das Polymergerüst gebunden sind, während ihre Beständigkeit gegen Auflösung aus Vernetzungen zwischen den Netzwerkketten resultiert. Das Polymermaterial kann also zu einem beträchtlichen Volumen quellen, ohne dass sich dabei der stoffliche Zusammenhalt des Polymers löst. Abhängig von den Eigenschaften des verwendeten Polymers sowie von der Art und Dichte der Netzwerkverbindungen können Hydrogele unterschiedliche Mengen an Wasser binden. Sie besitzen darüber hinaus einen hohen Grad an Flexibilität, der biologischen Geweben aufgrund ihres hohen Wassergehalts sehr ähnlich ist.

3 Zusammensetzung

Hydrogele enthalten neben dem Gelbildner und Wasser oft Feuchthaltemittel (z.B. Glycerol, Sorbitol, Propylenglycol). Sie schützen das Gel einerseits vor Austrocknung, zum anderen machen sie es streichfähiger. Da Hydrogele aufgrund des hohen Wasseranteils mikrobiell anfällig sind, enthalten sie oft Konservierungsmittel (z.B. Sorbinsäure, PHB-Ester).

Als Gelbildner von Hydrogelen werden verschiedene Substanzen verwendet. Man unterscheidet zwischen anorganischen und organischen Gelbildnern.

3.1 Anorganische Gelbildner

3.2 Organische Gelbildner

Gelatine und Galaktomanane bilden ihre Gelgerüste durch Ausbildung helikaler Strukturen durch zwei Polymerstränge. Es bilden sich Hydrogele, die rheodestruktiv sind, d.h. ein durch Scherung irreversibel zerstörtes Gel kann ohne Temperatureinfluss nicht mehr in den Gelzustand zurückgeführt werden. Sie besitzen allerdings thermoreversible Sol-Gel-Übergänge.

Alginate verfügen über eine ionotrope Gelbildung. Es kommt zur Quervernetzung von ionischen Molekülen durch mehrwertige Kationen. Im Falle des Alginats führen Calciumionen zur sogenannten "Egg-Box"-Struktur.

4 Eigenschaften

Hydrogele sind aufgrund ihres hohen Wassergehalts sehr streichfähig und feuchtigkeitsspendend. Sie sind in der Regel fettfrei und somit abwaschbar. Beim Auftragen auf die Haut kommt es zur Verdunstung des Wassers. Die dabei entstehende Verdunstungskälte schafft einen kühlenden Effekt. Hydrogele liegen in Form von Kompressen oder Tubengel vor.

5 Einteilung

Die Klassifikation der Hydrogele kann nach unterschiedlichen Kriterien erfolgen:

5.1 ...nach Herkunft

Man unterscheidet einerseits zwischen natürlich vorkommenden und synthetisch hergestellten Hydrogelen. Die natürlichen Hydrogele wurden v.a. in den letzten zwei Jahrzehnten schrittweise durch synthetische Varianten ersetzt, die eine lange Lebensdauer, eine hohe Wasserabsorptionskapazität sowie eine hohe Gelstärke aufweisen, die auch unter extremen Temperaturschwankungen stabil ist. Sie werden traditionell unter Verwendung chemischer Polymerisationsverfahren hergestellt.

5.2 ...nach Polymerzusammensetzung

Die verschiedenen Herstellungsmethoden führen zur Bildung unterschiedlicher Hydrogel-Klassen. Man unterscheidet in diesem Zusammenhang:

  • Homopolymer: Das Polymernetzwerk ist von einer einzelnen Monomerspezies abgeleitet. Es handelt sich also um eine grundlegende Einheit in der Struktur, die eine beliebige vernetzte Gerüststruktur aufweist.
  • Copolymerhydrogel: Besteht aus zwei oder mehr verschiedenen Monomerspezies mit mindestens einer hydrophilen Komponente, die in einer zufälligen Block- oder Wechselkonfiguration entlang der Kette des Polymernetzwerks angeordnet ist.
  • Multipolymer-interpenetrierendes polymeres Hydrogel (IPN): Besteht aus zwei unabhängigen vernetzten, synthetischen und/oder natürlichen Polymerkomponenten. In einem semi-IPN-Hydrogel besteht eine Komponente aus einem vernetzten Polymer und die andere Komponente aus einem nicht-vernetzten Polymer.

5.3 ...nach Konfiguration

Die molekularen Komponenten der Hydrogele können wie folgt klassifiziert werden:

5.4 ...nach Art der Vernetzung

Hydrogele können basierend auf den Vernetzungsübergängen in zwei Kategorien unterteilt werden:

5.5 ...nach elektrischer Ladung

Hydrogele können auf der Grundlage der Anwesenheit oder Abwesenheit elektrischer Ladung an den vernetzten Ketten in vier Gruppen eingeteilt werden:

6 Medizinische Bedeutung

Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften werden Hydrogele in der Wundversorgung verwendet. Sie sind dabei insbesondere zum Feuchthalten oder zur Rehydrierung trockener Wunden (z.B. Nekrosen oder Wunden in der Granulations- oder Epithelisierungsphase) geeignet. Bei juckenden Hauterkrankungen spenden sie Linderung durch ihren kühlenden Effekt. Je nach Indikation kann ein Hydrogel bestimmte Wirkstoffe enthalten, um den Heilungsprozess zu beschleunigen.

Hydrogele finden zum Beispiel Anwendung bei:

7 Literatur

Diese Seite wurde zuletzt am 23. Januar 2021 um 01:29 Uhr bearbeitet.

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