Гидроге́ль, нерастворимая в воде гидрофильная сеть сшитых полимерных цепей. Представляет собой гелеобразную массу, способную абсорбировать большие объёмы жидкости – до 400 % собственной массы.

Благодаря своему свойству удерживать воду на длительное время, а также из-за простоты производства широко применяется в сельском хозяйстве, медицине, промышленной и прочих отраслях.

В сельском хозяйстве гидрогели чаще всего используют как вещество, способствующее сохранению влаги в почве, что приводит к сокращению потерь урожая, снижению эрозии и вымыванию плодородного слоя почвы. В медицине и биотехнологической отрасли гидрогели используют как нейтральную субстанцию, способную изолировать ожоги, стать основой для выращивания растительной и животной биомассы в лабораториях или же стать субстратом для срастания тканей человека.

Гидрогели классифицируются по типу связей-сшивок на ковалентные и физические.

Ковалентные связи образуют прочные и часто химически токсичные связки, которые можно использовать только в сельском хозяйстве или в технологическом производстве. К подобным можно отнести продукты на основе полиакрилата натрия, которые обладают низкой стоимостью производства и долго удерживают влагу, что делает такие гидрогели самыми популярными для применения в сельском хозяйстве. Гидрогели с ковалентными связями чаще всего создаются путём катализа, реакций конденсации или высокоэнергетического излучения (гамма-излучения и пучка электронов). Среди продуктов на основе гидрогеля с ковалентными связями можно отметить гелеобразные покрытия поверхностей, включая защитные стёкла для смартфонов и планшетов.

Физические сшивки, к которым также относят ионные сшивки, – наименее токсичный вид гидрогелей, который активно применяется в медицине. Был создан учёными для избегания потенциально токсичных метаболитов гидрогелей с ковалентными связями. В основе физических сшивок лежат водородные связи, гидрофобные взаимодействия и Ван-дер-ваальсовые силы. Из-за своих физических и химических свойств подобные гидрогели используют в качестве субстрата, а также как основу для повышения скорости восстановления органов или, например, хрящевой ткани людей. Часто в такие гидрогели добавляют лекарство, способствующее ускорению выздоровления пациентов. При этом в сельском хозяйстве подобные гидрогели практически не применяются из-за низкой стабильности гидрогелей и сложности их технологического применения в севообороте.

Ключевые качества гидрогелей

Набухание

Прямо пропорционально химической структуре полимера и обратно пропорционально уровню плотности поперечных сшивок. Постепенный разрыв поперечных связей приводит к потере гидрогелем своих свойств. Например, в сельском хозяйстве гидрогели с использованием акрилатов через 1–2 сезона регулярного использования теряют свои свойства, разлагаясь в почве под действием биотических и абиотических факторов.

Эластичность

Разбухшие гидрогели имеют свойство проявлять эластичные качества: эластическое напряжение и его противоположность – сжатие. Высокая плотность поперечных сшивок приводит к более высокой механической прочности, но понижает эластичность и набухание. Значительное повышение количества поперечных сшивок в некоторых гидрогелях вызывает образование хрупких гелей. Гидрогели, на основе которых делают плёнки для смартфонов стали популярны именно за счёт своей эластичности и способности «самовосстанавливаться» от повреждений. Эластичность гидрогелей также является достоинством при применении в сельском хозяйстве, т. к. набухший полимер принимает форму полости, в которой оказался. Это делает его удобным для помещения в горшки и в почву, что активно применяется в тепличных хозяйствах.

Диффузия

В клеточном конструировании тканей уровень диффузии растворённого вещества важен для определения высвобождения лекарственных веществ или транспорта питательных веществ и метаболитов. Диффузия питательных веществ, метаболитов и других растворённых веществ зависит от множества факторов, включая морфологию сети, состав полимеров, содержание воды, концентрацию растворённых веществ и полимеров, набухание и разрушение гелей. Тем не менее для гидрогелей с ковалентными связями, важность такого свойства как диффузия снижается, потому что такие гидрогели чаще абсорбируют жидкость без каких-либо добавок.

Проницаемость

Пористость гидрогелей или размер ячеек – это структурное свойство гидрогелей, определяющееся расстоянием между соседними поперечными сшивками. Пористость является следствием плотности поперечных сшивок, состава и концентрации мономеров. Сильно зависит от типа связей и их силы.