Hydrogel

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 15. Dezember 2016
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Hydrogel ist ein Polymer, das einen hohen Gehalt an Wasser trägt und zugleich nicht wasserlöslich ist. Als Polymer besteht die Substanz aus Makromolekülen in einem dreidimensionalen Netzwerk, die im Kontakt mit einem Lösungsmittel aufquellen und dabei dennoch ihren Zusammenhalt bewahren. Hydrogel spielt in der Medizintechnik für Wundauflagen, Linsen und Implantate ein Rolle.

Inhaltsverzeichnis

Was ist Hydrogel?

Bei Hydrogel handelt es sich um ein Wasser enthaltendes und gleichzeitig wasserunlösliches Polymer. Hydrogel-Moleküle sind chemisch zu dreidimensionalen Netzwerken verbunden, so zum Beispiel durch ionische oder kovalente Bindungen. Zu einem Netzwerk können sie auch physikalisch verknüpft sein, so beispielsweise durch Verschlaufen von Polymerketten. In Wasser quellen sie aufgrund einer eingebauten und hydrophilen Polymerkomponente auf und erhalten so eine hohe Volumenzunahme. Der stoffliche Zusammenhalt bleibt dabei unverändert.

Hydrogele spielen für eine beträchtliche Anzahl von biotechnischen Entwicklungen eine Rolle, so zum Beispiel in Form von Kontaktlinsen. Aufgrund ihrer Biokompatibilität und den gewebeähnlichen mechanischen Eigenschaften eignen sie sich außerdem ideal zur Wirkstoffgabe und Wundversorgung.

So steht der Begriff der Hydrogele in der Medizin auch für eine Wundauflage aus Gelen, die hohen Wassergehalt besitzt. Die wässrigen Gele verflüssigen sich unter dem Einwirken von mechanischen Kräften. In der Bedeutung von Wundauflagen werden Hydrogele auch als hydrophile Gele bezeichnet. In diesem Zusammenhang ist Hydrogel vom Hydrokolloidverband zu unterscheiden, der eine Matrix aus Quellmitteln besitzt.

Formen, Arten & Typen

Von Hydrogelen existieren unterschiedlichste Arten und Verwendungsformen. Bei "smarten Hydrogelen" handelt es sich zum Beispiel um aufquellende Molekül-Netzwerke, die in Lösungsmittel zu einem Gel werden und durch ihre Quellkraft mechanische Arbeit verrichten können. Smartes Verhalten dieser Art zeigen nur bestimmte Polymernetzwerke, die selektiv auf einen Gradienten aus physikalischen Umgebungsgrößen reagieren können. Sensitivitäten lassen sich gegenüber der Temperatur, dem pH-Wert oder der Ionen- und Stoffkonzentration erzielen.

Weitere Einsatzbereiche von Hydrogelen in der Medizintechnik sind weiche Kontaktlinsen, Intraokularlinsen und plastische Implantate. Diese Substanzen entsprechen dispersen Systemen und bestehen aus zumindest zwei Komponenten. Meist ist eine der Komponenten ein fester Stoff wie Geliermittel oder Verdickungsmittel. Die zweite Komponente entspricht in der Regel Wasser, das als Dispersionsmittel zum Einsatz kommt.

Aufbau & Funktionsweise

Aufgrund ihrer Biokompatibilität und den gewebeähnlichen mechanischen Eigenschaften eignen sich Hydrogele ideal zur Wirkstoffgabe und Wundversorgung.

Das Hydrogel ist eine gelierte Flüssigkeit, also ein Gel, das im Kontakt mit einem geeigneten Quellmitte,l wie Cellulose-Derivat, hergestellt wird. Anders als die Oleogele besitzen alle Hydrogele einen hohen Wassergehalt. In der Regel beträgt der Gesamtwassergehalt zwischen 80 und 90 Prozent.

Hydrogel ist im Normalfall fettfrei und besitzt wasserunlösliche Eigenschaften. Es handelt sich um ein Polymer, also um einen chemischen Stoff aus Makromolekülen. Diese Makromoleküle sind aus einer bestimmten Anzahl von Struktureinheiten aufgebaut, die auch als konstitutionelle Repetiereinheiten bezeichnet werden.

Das Adjektiv "polymer" heißt wörtlich übersetzt „aus gleichen Teilen aufgebaut“. Die Moleküle eines Polymers müssen nicht identisch sein. Polymer gibt es auch in der Physiologie. Dabei handelt es sich um intrazellulär synthetisierte Substanzen, die in Form von Proteinen, Nukleinsäuren oder ähnlichen Stoffen als Energiespeicher dienen. Sie erfüllen strukturelle Zellfunktionen und sind außerdem im Stoffwechsel aktiv, erkennen Zustände und können Veränderungen bewirken.

Polymere sind als Biopolymere essentiell für das Leben an sich. Diese Art der Polymere ist allerdings vom künstlich synthetisierten Hydrogel zu unterscheiden. Beim Hydrogel sind die Makromoleküle durch ionische oder kovalente Bindungen in ein dreidimensionales Netzwerk verknüpft. Physikalisch betrachtet sind sie zu einem Netzwerk aus Polymerketten verschlauft. Aufgrund der enthaltenen Polymerkomponenten mit hydrophilen Eigenschaften quellen sie meist in der Anwesenheit von Wasser zu einer beträchtlichen Volumenzunahme auf, ohne dabei ihren Zusammenhalt im Netzwerk zu verlieren.

Die Hydrogele der Medizintechnik sind biokompatibel und zeigen mechanische Eigenschaften, die an die Eigenschaften von Gewebe erinnern.

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Medizinischer & gesundheitlicher Nutzen

Hydrogele kommen zur Verabreichung von lokal angewandten Wirkstoffen zum Einsatz, sind für die Implantationstechnik relevant und dienen der Behandlung von trockenen Wunden oder rheumatischen Läsionen. Als Wundauflagen wirken Hydrogele kühlend. Darüber hinaus zeigen sie wegen der Verdunstung von Wasser kurzzeitig hydratisierende Wirkung und wirken auf lange Sicht gleichzeitig austrocknend.

Hydrogele Wundauflagen sind nicht rückfettend. Sie können einen Wirkstoff enthalten und kommen in dieser Form zur Verabreichung bestimmter Arzneien zum Einsatz, um Erkrankungen lokal zu behandeln. Kühlung und Austrocknung sind zum Beispiel im Rahmen von Insektenstichen, Sonnenbrand, Sportverletzungen, Rheuma und nächtlichen Wadenkrämpfen erwünscht. Auch bei der Behandlung von verschiedenen Hauterkrankungen wird mittlerweile auf Hydrogele zurückgegriffen.

Die wirkstofflosen Hydrogele dienen wiederum der feuchten Wundversorgung und kommen in diesem Zusammenhang vor allem zur Feuchthaltung zum Einsatz. Eine solche Feuchthaltung findet im Rahmen von trockenen Nekrosen statt, aber kann auch die Heilung von einfachen Wunden innerhalb der Granulations- oder Epithelisierungsphase unterstützen. Das Gel kann entweder für sich aufgetragen werden oder abgeschlossen unter eine Wundauflage gelegt werden.

Die Bedeutung von Hydrogelen innerhalb der Medizin ist jedoch nicht nur für die Wundversorgung relevant. Hydrogele haben die Erfindung von weichen Kontaktlinsen und Intraokularlinsen erst ermöglicht, wie sie seit dem vergangenen Jahrhundert im Einsatz sind. Darüber hinaus haben sie Fortschritte in der Implantationstechnik unterstützt. Plastische Implantate werden von der plastischen Chirurgie als Ersatz für beschädigte oder vollends zerstörte Körperteile angewandt und können außerdem der Vergrößerung von existierenden Körperteilen dienen, so zum Beispiel als Brustimplantate zur Brustvergrößerung.

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