Hidrogel

Classificação

As reticulações que unem os polímeros de um hidrogel pertencem a duas classes gerais, os hidrogéis físicos e os hidrogéis químicos. Os hidrogéis químicos possuem ligações covalentes de reticulação, enquanto nos físicos os pontos ou zonas de junção são mantidos por interações não covalentes, cristalização, entrelaçamento de cadeias ou outros mecanismos físicos. As ligações covalentes de um hidrogel químico podem ser permanentes ou, em alguns sistemas, reversíveis. Entre os exemplos de redes covalentes reversíveis estão hidrogéis de tiômeros ligados por pontes dissulfeto, estudados para aplicações farmacêuticas e biomédicas.

Muitos hidrogéis fisicamente reticulados podem ser formados ou desfeitos pela alteração de um estímulo externo, como o pH, a concentração de íons, no caso da alginato, ou a temperatura, no caso da gelatina. Essa reversibilidade é usada em aplicações biomédicas, embora nem toda rede física seja necessariamente reversível na escala de tempo considerada. As reticulações físicas podem resultar de ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas, interações π-π, cristalização e entrelaçamentos de cadeias. Hidrogéis formados dessa maneira às vezes são chamados de hidrogéis "reversíveis". Redes dominadas por reticulações covalentes permanentes são por vezes chamadas de hidrogéis "permanentes".

Os hidrogéis podem ser preparados com muitos materiais poliméricos, divididos pela origem em polímeros naturais e sintéticos. Entre os polímeros naturais usados na preparação de hidrogéis estão ácido hialurônico, quitosana, heparina, alginato, gelatina e fibrina. Entre os polímeros sintéticos comuns estão álcool polivinílico, polietilenoglicol, poliacrilato de sódio, polímeros de acrilato e seus copolímeros. Polímeros naturais podem oferecer vantagens como biocompatibilidade e biodegradabilidade e, dependendo do material, propriedades antibacterianas, antifúngicas ou bioativas. Sua estabilidade química e resistência mecânica podem ser menores ou menos controláveis que as de redes sintéticas. Hidrogéis sintéticos como polietilenoglicol, poliacrilato e polivinilpirrolidona também podem ser empregados em aplicações médicas.

Preparação

Em hidrogéis físicos formados por peptídeos e proteínas, dois mecanismos gerais de organização são encontrados com frequência. O primeiro é a gelificação de agregados nanofibrosos de peptídeos, observada especialmente com precursores oligopeptídicos. Os precursores se automontam em fibras, fitas, tubos ou faixas que se entrelaçam e formam reticulações não covalentes. O segundo mecanismo envolve interações não covalentes entre domínios associados separados por ligantes solúveis em água e ocorre em estruturas multidomínio mais longas. Para ocorrer gelificação, as interações supramoleculares precisam produzir uma rede autossustentável que não precipite e que imobilize água. Muitos hidrogéis de oligopeptídeos apresentam estrutura de folha β e se organizam em fibras, embora também tenham sido produzidos peptídeos α-helicoidais. Em um mecanismo típico de gelificação de oligopeptídeos, os precursores se automontam em fibras que se alongam e se entrelaçam até formar géis reticulados.

Uma forma de iniciar uma reação de polimerização usa a luz como estímulo. Fotoiniciadores, compostos que geram espécies reativas após absorver fótons, são adicionados à solução precursora que dará origem ao hidrogel. Quando essa solução é exposta a uma fonte concentrada de luz, frequentemente radiação ultravioleta, os fotoiniciadores geram radicais que iniciam a polimerização e criam reticulações entre cadeias poliméricas. A geração fotoquímica de radicais diminui quando a iluminação é interrompida, o que permite controle espacial e temporal da reticulação. Como as propriedades do hidrogel dependem fortemente do tipo e da quantidade de reticulações, a fotopolimerização permite ajustá-las. A técnica é usada em engenharia celular e de tecidos porque uma solução precursora carregada com células pode ser injetada ou moldada no local de uma ferida e depois solidificada in situ.

Hidrogéis fisicamente reticulados podem ser preparados por métodos diferentes, conforme a natureza das junções. Hidrogéis de álcool polivinílico costumam ser produzidos pela técnica de congelamento e descongelamento. A solução é congelada por algumas horas, descongelada à temperatura ambiente e submetida repetidamente ao ciclo até que se forme um hidrogel resistente e estável. Hidrogéis de alginato são formados por interações iônicas entre o alginato e cátions divalentes. Um sal, geralmente cloreto de cálcio, é dissolvido em uma solução aquosa de alginato de sódio, e os íons de cálcio formam junções iônicas entre as cadeias de alginato.

Hidrogéis físicos de gelatina podem gelificar reversivelmente ao serem resfriados. Em temperaturas altas, grande parte das cadeias de gelatina permanece em conformações desordenadas. O resfriamento promove uma renaturação parcial, com formação de zonas de junção de estrutura helicoidal semelhante à tripla hélice do colágeno. Essas zonas, estabilizadas principalmente por ligações de hidrogênio e outras interações não covalentes, conectam as cadeias e formam a rede do gel. A temperatura de transição depende da origem e concentração da gelatina, do pH, da força iônica e do histórico térmico e costuma ficar na faixa de algumas dezenas de graus Celsius, frequentemente abaixo de cerca de 35 °C.

Hidrogéis à base de peptídeos

Hidrogéis à base de peptídeos apresentam alta biocompatibilidade e biodegradabilidade e são usados especialmente em aplicações biomédicas. Suas propriedades físicas podem ser ajustadas para diferentes usos. Entre os meios empregados estão a alteração da sequência de aminoácidos, do pH e da quiralidade, além do aumento do número de resíduos aromáticos. A ordem dos aminoácidos na sequência pode determinar se ocorre gelificação. Em um exemplo, a sequência peptídica curta Fmoc-Phe-Gly formou prontamente um hidrogel, enquanto Fmoc-Gly-Phe não o fez porque a mudança de posição dos dois grupos aromáticos adjacentes prejudicou as interações aromáticas.

A alteração do pH pode produzir efeitos semelhantes. Em um experimento com os dipeptídeos modificados com naftaleno Nap-Gly-Ala e Nap-Ala-Gly, a redução do pH induziu a gelificação do primeiro, mas levou o segundo à cristalização. Um método usa glucono-δ-lactona, ou GdL, para reduzir o pH de maneira controlada. A GdL é hidrolisada em ácido glucônico na água, permitindo a formação de hidrogéis homogêneos e reproduzíveis. A hidrólise lenta produz uma alteração uniforme do pH e, por consequência, géis homogêneos e reproduzíveis. O pH final pode ser controlado pela quantidade de GdL adicionada. A GdL foi usada na hidrogelificação de dipeptídeos Fmoc e Nap. Morris e colaboradores também usaram GdL como um "gatilho molecular" para prever e controlar a ordem de gelificação.

A quiralidade também afeta a formação do gel. A alteração da quiralidade de um único aminoácido, de sua forma L natural para a forma D, pode mudar fortemente as propriedades de gelificação, e em alguns sistemas a forma natural não forma gel. Interações aromáticas também podem induzir a gelificação por empilhamento π-π.

Hidrogéis supramoleculares

Hidrogéis supramoleculares são redes nas quais parte ou a totalidade das junções entre os componentes resulta de associações não covalentes reversíveis. Motivos de reconhecimento supramolecular podem ser incorporados às redes para controlar sua mecânica e a afinidade entre o material e moléculas transportadas. A reversibilidade dessas associações permite produzir hidrogéis com comportamento de afinamento por cisalhamento e gelificação in situ, propriedades usadas em formulações injetáveis ou pulverizáveis.

Uma classe estudada usa interações de hóspede-hospedeiro com ciclodextrinas. As ciclodextrinas α e γ podem formar hidrogéis de pseudopolirotaxanos com polímeros baseados em polietilenoglicol, enquanto a β-ciclodextrina pode formar redes supramoleculares com motivos moleculares adequados. Esses sistemas podem combinar interações hóspede-hospedeiro com ligações de hidrogênio e responder a estímulos externos.

Outros

O alto teor de água dá aos hidrogéis uma flexibilidade semelhante à de muitos tecidos naturais. Como materiais responsivos, eles podem conter sistemas químicos que reagem a estímulos externos. Uma alteração de pH, por exemplo, pode modificar o intumescimento ou provocar a liberação de compostos, algumas vezes acompanhada por uma transição gel-sol. Hidrogéis responsivos também podem alterar o volume ou a forma após um estímulo e funcionar como atuadores ou sensores.

• Uma microbomba baseada em uma barra de hidrogel de 4 × 0,3 × 0,05 mm, acionada por tensão elétrica. A bomba pode funcionar continuamente com uma bateria de 1,5 V por pelo menos seis meses.
• 
  Matriz de hidrogel à base de peptídeos curtos, capaz de reter cerca de cem vezes sua própria massa em água. Foi desenvolvida para uso como curativo médico.
• 
  O mesmo hidrogel à base de peptídeos curtos, segurado com uma pinça para mostrar sua rigidez e transparência.

Intumescimento

O intumescimento ocorre quando um gel ou sólido aumenta de volume ao incorporar um líquido ou gás. Nos hidrogéis, a entrada de água é favorecida por contribuições de mistura e forças osmóticas, enquanto a elasticidade da rede se opõe ao alongamento indefinido das cadeias. O equilíbrio entre esses efeitos determina o grau de intumescimento. A natureza do polímero, os grupos funcionais presentes e a densidade de reticulação alteram esse equilíbrio.

Para redes neutras, uma descrição clássica é dada pela teoria de Flory-Rehner, na qual a variação da energia livre associada ao intumescimento é aproximada pela soma de uma contribuição de mistura entre polímero e solvente e de uma contribuição elástica da rede:

${\displaystyle \Delta G=\Delta G_{\mathrm {mix} }+\Delta G_{\mathrm {el} }}$

O modelo foi criado para redes poliméricas idealizadas e recebeu extensões para hidrogéis mais elaborados. Redes com ramificações, reticulantes macromoleculares, cargas ou outras arquiteturas que se afastam das hipóteses do modelo podem exigir descrições modificadas.

Elasticidade da borracha

Modelos de elasticidade da borracha relacionam a rigidez da rede ao número efetivo de cadeias elastically active por unidade de volume. Em uma rede ideal de referência, uma forma simplificada é:

${\displaystyle G=N_{p}kT={\rho RT \over {\overline {M}}_{c}}}$

em que G é o módulo de cisalhamento, k é a constante de Boltzmann, T é a temperatura, N_p é o número de cadeias efetivas por unidade de volume, ρ é a densidade, R é a constante dos gases ideais e ${\displaystyle {\overline {M}}_{c}}$ é a massa molar média entre pontos de reticulação. A aplicação dessas relações a hidrogéis reais exige correções para o intumescimento e para imperfeições da rede.

Para uma rede ideal intumescida, uma relação simplificada é:

${\displaystyle G_{\textrm {intumescido}}=GQ^{-1/3}}$

Em um ensaio simples de extensão ou compressão uniaxial, a tensão verdadeira, ${\displaystyle \sigma _{t}}$, e a tensão de engenharia, ${\displaystyle \sigma _{e}}$, podem ser expressas, dentro desse modelo idealizado, por:

${\displaystyle \sigma _{t}=G_{\textrm {intumescido}}\left(\lambda ^{2}-\lambda ^{-1}\right)}$

${\displaystyle \sigma _{e}=G_{\textrm {intumescido}}\left(\lambda -\lambda ^{-2}\right)}$

em que ${\displaystyle \lambda =l_{\textrm {atual}}/l_{\textrm {original}}}$ é a razão de alongamento.

Viscoelasticidade

Nos hidrogéis, a elasticidade provém principalmente da matriz polimérica, enquanto a dissipação viscosa pode resultar da mobilidade das cadeias, da fase líquida e de outros componentes da rede. As propriedades viscoelásticas dependem da escala de tempo e da frequência do carregamento mecânico.

Modelos físicos da viscoelasticidade procuram representar as contribuições elásticas e viscosas. Em um material elástico ideal, a tensão é proporcional à deformação. Em um fluido viscoso newtoniano, a tensão é proporcional à taxa de deformação. O modelo de Maxwell representa uma resposta viscoelástica linear por uma mola hookeana e um amortecedor newtoniano em série. O modelo de Kelvin-Voigt usa os mesmos elementos em paralelo, e o material ideal correspondente é chamado de material de Kelvin-Voigt. O comportamento de fluência e relaxação de tensão dos hidrogéis pode ser representado por diferentes combinações desses elementos. Descrições empíricas por séries de Prony também são usadas para representar respostas viscoelásticas dependentes do tempo.

Para medir o comportamento viscoelástico de polímeros costuma-se realizar uma análise mecânica dinâmica. Em uma configuração típica, o hidrogel é submetido a uma deformação ou tensão oscilatória e mede-se a amplitude e a diferença de fase da resposta. Uma notação usada para o módulo de cisalhamento complexo é:

${\displaystyle G^{*}=G'+iG''}$

em que ${\displaystyle G'}$ é o módulo de armazenamento, associado à componente elástica, e ${\displaystyle G''}$ é o módulo de perda, associado à dissipação viscosa.

Poroelasticidade

A poroelasticidade descreve o acoplamento entre a deformação de uma matriz porosa e o movimento do fluido que ocupa seus poros. Quando um hidrogel é comprimido, surgem gradientes de pressão que impulsionam a água através da rede. A resistência a esse fluxo produz uma resposta mecânica dependente do tempo e da velocidade de carregamento. Em certos hidrogéis, compressões rápidas produzem uma rigidez aparente maior porque a água não consegue drenar da rede na mesma escala de tempo, enquanto em compressões lentas o líquido tem mais tempo para se redistribuir.

O tamanho e a conectividade dos poros e a permeabilidade hidráulica da rede alteram o tempo de relaxação poroelástica. A equação de Kozeny-Carman e relações derivadas podem ser usadas, sob hipóteses específicas, para relacionar permeabilidade, porosidade e dimensões características dos poros.

A poroelasticidade é descrita por equações acopladas de deformação da matriz e transporte de fluido. Ensaios de relaxação, compressão e indentação, combinados a modelos numéricos, podem separar sua contribuição de mecanismos viscoelásticos da própria rede.

Tenacidade e histerese

A tenacidade de um hidrogel mede a energia que o material pode absorver antes da ruptura e depende da composição, da arquitetura da rede, das interações entre cadeias, do teor de água e dos mecanismos de dissipação de energia. A densidade de reticulação não possui uma relação universal e monotônica com a tenacidade. O aumento de reticulações covalentes permanentes costuma elevar o módulo elástico, mas pode reduzir a extensibilidade e tornar a rede mais frágil. Reticulações físicas ou reversíveis podem aumentar simultaneamente rigidez e tenacidade quando funcionam como mecanismos de dissipação de energia. Cadeias longas e entrelaçamentos também podem aumentar a resistência à propagação de trincas sem exigir grande densidade de reticulações permanentes. A hidratação também altera fortemente a resposta mecânica. Água em excesso pode aumentar o intumescimento e reduzir a densidade efetiva de cadeias por unidade de área, embora o resultado dependa da arquitetura da rede.

Em um ensaio cíclico, a histerese mecânica aparece quando as curvas de carregamento e descarregamento não coincidem. A área entre essas curvas corresponde à energia mecânica dissipada durante o ciclo. Em hidrogéis, essa dissipação pode resultar de viscosidade, atrito interno, desemaranhamento ou ruptura de ligações e junções sacrificiais. Redes com interações reversíveis podem recuperar parte da estrutura depois do descarregamento, mas o tempo e o grau de recuperação dependem do mecanismo molecular.

Muitos hidrogéis de alta tenacidade usam ligações ou componentes sacrificiais que dissipam energia perto de uma trinca. Esse mecanismo aumenta a resistência à fratura, mas costuma produzir histerese e pode exigir tempo para a recuperação das junções. Redes altamente entrelaçadas e outras arquiteturas vêm sendo estudadas para combinar tenacidade elevada com baixa histerese.

Resposta a estímulos ambientais

A resposta à temperatura é uma forma comum de sensibilidade ambiental em hidrogéis. Polímeros termorresponsivos podem apresentar temperatura crítica inferior de solução ou LCST e temperatura crítica superior de solução ou UCST. Esses termos descrevem a miscibilidade entre polímero e solvente e não implicam, por si sós, uma transição macroscópica entre líquido e gel.

Em uma rede já reticulada com comportamento LCST, o aumento da temperatura acima da região crítica tende a enfraquecer a hidratação do polímero, expulsar água e provocar contração ou colapso da rede. Redes com comportamento UCST apresentam a tendência oposta e podem intumescer com o aquecimento acima da região crítica. Separadamente, algumas soluções de polímeros termorresponsivos sofrem uma verdadeira transição sol-gel. Sistemas desse tipo podem ser líquidos à temperatura ambiente e formar um hidrogel ao serem aquecidos até a temperatura fisiológica.

Essa resposta é explorada em sistemas injetáveis de administração de fármacos e em materiais que mudam de volume, permeabilidade ou propriedades mecânicas perto da temperatura fisiológica. Hidrogéis também podem responder a pH, glicose, sinais elétricos, luz, pressão, íons, antígenos e outros estímulos. Outras formulações respondem a campos magnéticos, radiação eletromagnética ou fatores biológicos, como enzimas. A sensibilidade a um estímulo externo pode permitir o controle da gelificação ou do perfil de liberação de um fármaco.

Aditivos

As propriedades mecânicas de um hidrogel podem ser ajustadas de diferentes maneiras, inclusive pela alteração de suas propriedades hidrofóbicas. Outra possibilidade é enxertar ou revestir o hidrogel sobre um suporte mais resistente ou rígido. Também podem ser produzidos compósitos de hidrogel superporoso, nos quais se acrescenta à matriz um aditivo expansível e reticulável. Nanopartículas e micropartículas também podem alterar fortemente a rigidez e a temperatura de gelificação de determinados hidrogéis biomédicos.

Técnicas de processamento

As propriedades mecânicas dos hidrogéis podem ser modificadas por concentração de reticulações e aditivos, e também por técnicas de processamento como eletrofiação, impressão 3D, impressão 4D, automontagem e fundição por congelamento. Uma técnica consiste em produzir hidrogéis multicamadas cuja composição da matriz, e por consequência suas propriedades mecânicas, muda no espaço. Isso pode ser feito polimerizando as matrizes camada a camada com radiação ultravioleta. O método já foi usado para fabricar hidrogéis que imitam a cartilagem articular com três zonas de propriedades mecânicas distintas.

Outra técnica aproveita a série de Hofmeister. A adição de soluções salinas pode provocar agregação e cristalização das cadeias poliméricas de um hidrogel e aumentar sua tenacidade. O método, chamado de relargagem, foi aplicado a hidrogéis de álcool polivinílico com solução de sulfato de sódio.

Algumas técnicas podem ser combinadas. O congelamento direcional, ou fundição por congelamento, aplica um gradiente de temperatura direcional ao hidrogel e pode produzir propriedades mecânicas anisotrópicas. A combinação de fundição por congelamento e relargagem foi usada em hidrogéis de álcool polivinílico para gerar morfologias hierárquicas e propriedades anisotrópicas. O congelamento direcional alinha e aproxima as cadeias poliméricas, produzindo estruturas anisotrópicas em forma de tubos com arranjo semelhante a favos. A relargagem cria uma rede de nanofibrilas na superfície dessas estruturas. Mesmo com teor de água acima de 70%, esses hidrogéis atingiram valores de tenacidade superiores aos de polímeros sem água como polidimetilsiloxano, Kevlar e borracha sintética, além de valores superiores aos de tendões e seda de aranha.

Caracterização

Os métodos usados para caracterizar um hidrogel dependem da propriedade e da aplicação que se pretende estudar. Medidas de intumescimento e teor de água avaliam a absorção de solvente, enquanto ensaios mecânicos e reológicos medem rigidez, comportamento viscoelástico e fluxo. Microscopia pode ser usada para estudar poros e morfologia, e métodos espectroscópicos fornecem informações sobre composição química, grupos funcionais e reticulação. Estudos de degradação, transporte e biocompatibilidade são acrescentados quando essas propriedades são pertinentes à aplicação.

Medição do limite de escoamento em hidrogéis

O limite de escoamento de um hidrogel pode ser estimado pelo teste de colapso, método usado na avaliação de materiais destinados à impressão 3D. Nesse teste, um filamento de hidrogel é impresso sobre blocos separados por vãos progressivamente maiores. A deformação do filamento sobre os vãos fornece um indicador de sua capacidade de manter a forma.

Ribeiro e colaboradores estabeleceram relações entre a geometria de colapso e propriedades reológicas do material para avaliar quantitativamente a fidelidade de forma de biotintas usadas em bioimpressão 3D. Em 2024, a abordagem foi generalizada para geometrias não simétricas e grandes deformações, permitindo relacionar o teste de flexão por colapso ao limite de escoamento em condições mais amplas.

Biomateriais

Os hidrogéis são redes tridimensionais altamente hidrofílicas capazes de absorver e reter grandes quantidades de água. A combinação de alto teor de água, propriedades mecânicas ajustáveis e possibilidade de biocompatibilidade permite seu uso como biomateriais em engenharia de tecidos, administração de fármacos, curativos e materiais semelhantes a tecidos moles. Hidrogéis naturais, como os de gelatina e quitosana, podem apresentar boa biodegradabilidade e biocompatibilidade. Materiais sintéticos permitem maior controle da composição e de determinadas propriedades mecânicas, mas sua biocompatibilidade depende da química, dos produtos de degradação e da aplicação.

Hidrogéis implantados ou injetados podem fornecer suporte mecânico, liberação localizada de fármacos ou células, recrutamento local de células, imunomodulação ou encapsulamento de nanopartículas para terapia fototérmica ou braquiterapia. Sistemas poliméricos de administração de fármacos podem ser projetados para apresentar biodegradabilidade, biocompatibilidade e perfis específicos de liberação. Materiais como colágeno, quitosana, celulose e poli(ácido lático-co-glicólico) foram estudados para administração de fármacos em órgãos e tecidos como olhos, nariz, rins, pulmões, intestinos, pele e cérebro.

Hidrogéis são estudados como veículos para administração de fármacos. Eles também podem imitar tecidos mucosos animais em testes de propriedades mucoadesivas. Outra linha de pesquisa usa hidrogéis como reservatórios para administração tópica de fármacos, em especial compostos iônicos liberados por iontoforese.

Uma barreira física biomimética à base de hidrogel foi desenvolvida experimentalmente para separar temporariamente células T de células tumorais em uma abordagem de imunoterapia contra o câncer. A barreira pode ser desfeita por uma transição gel-sol induzida por luz infravermelha próxima, restabelecendo o contato entre as células no modelo estudado.

Lentes de contato macias

Os hidrogéis de silicone são uma das principais classes de materiais usados em lentes de contato macias. A incorporação de componentes siloxânicos aumenta a permeabilidade ao oxigênio em comparação com muitos hidrogéis convencionais, uma característica útil porque a córnea é avascular e depende de difusão de oxigênio para manter sua fisiologia. Em um levantamento internacional de prescrições, lentes de hidrogel de silicone corresponderam a 73,7% das novas adaptações de lentes macias de uso diário em 2023 nos países analisados.

Agricultura

Hidrogéis são estudados na agricultura como reservatórios de água e como matrizes para liberação controlada de nutrientes e agroquímicos. Quando incorporados ao solo, hidrogéis superabsorventes podem modificar sua capacidade de retenção de água e disponibilizar parte dessa água às raízes. Outros sistemas são preparados para liberar fertilizantes, pesticidas ou microrganismos benéficos de maneira gradual. O desempenho depende do polímero, da estrutura da rede, do solo e das condições ambientais. A persistência de alguns materiais sintéticos, possíveis efeitos ecotoxicológicos e o custo são limitações à aplicação em grande escala.

Em um estudo com videiras cultivadas em vasos, três hidrogéis superabsorventes aumentaram a água disponível no solo e reduziram a queda do potencial hídrico do caule durante a restrição de irrigação. Maior capacidade máxima de absorção do hidrogel não implicou necessariamente melhor alteração da hidrologia do solo.

Pesquisa

• Repelência a incrustações e superfícies anti-incrustantes.
• Revestimentos para eletrodos de reações de evolução de gases, destinados a facilitar o desprendimento de bolhas.
• Implantes mamários.
• Lentes de contato, incluindo hidrogéis de silicone, poliacrilamida e polymacon.
• Sustentabilidade hídrica. Hidrogéis vêm sendo estudados para purificação de água movida a energia solar, desinfecção de água e captação de água atmosférica.
• Fraldas descartáveis, nas quais polímeros superabsorventes retêm urina, e absorventes higiênicos.
• Curativos para queimaduras e outras feridas de cicatrização difícil. Géis para feridas podem ajudar a manter um ambiente úmido.
• Eletrodos médicos para EEG e ECG, usando hidrogéis condutores de polímeros reticulados, sais e outros componentes.
• Encapsulamento de pontos quânticos.
• Hidrogéis sensíveis ao ambiente, também chamados de "géis inteligentes". Podem reagir a alterações de pH, temperatura ou concentração de metabólitos e alterar a liberação de sua carga em resposta a essas mudanças.
• Fibras de hidrogel.
• Adesivos.
• Grânulos para retenção de umidade no solo em regiões áridas.
• Superaerofobicidade, ou repelência a bolhas de ar, que pode melhorar o desempenho e a estabilidade de eletrodos usados na eletrólise da água.
• Cultivo de células. Poços revestidos com hidrogel podem ser empregados em cultura celular.
• Biossensores. Hidrogéis responsivos a moléculas específicas, como glicose ou antígenos, podem ser usados como biossensores e em sistemas de administração de fármacos.
• Transporte de células. Hidrogéis injetáveis podem transportar fármacos ou células para regeneração tecidual e bioimpressão 3D. Hidrogéis com química reversível permitem a fluidização durante a injeção ou impressão e a posterior autorregeneração da estrutura original.
• Investigação das funções biomecânicas celulares em combinação com microscopia por holotomografia.
• Absorção e desbridamento de tecidos necróticos e fibróticos.
• Suportes para engenharia de tecidos. Hidrogéis usados como suportes podem conter células humanas destinadas ao reparo de tecidos e reproduzir aspectos do microambiente tridimensional celular. Entre os materiais usados estão agarose, metilcelulose, hialuronano, polipeptídeos semelhantes à elastina e outros polímeros de origem natural.
• Sistemas de liberação prolongada de fármacos. Força iônica, pH e temperatura podem funcionar como gatilhos para controlar a liberação.
  • Sistemas de liberação de fármacos estimulados por luz. A luz, como estímulo exógeno, permite controle temporal e pode possibilitar a ativação e desativação da liberação de moléculas em compósitos de hidrogel e polimerossomos.
• O intumescimento de hidrogéis carregados eletricamente pode ser usado para estudar interações entre polímeros carregados e espécies como íons multivalentes, peptídeos e proteínas. A resposta resulta de variações das forças osmóticas de intumescimento causadas pela troca de contraíons na matriz do gel. Uma aplicação é o estudo da ligação de fármacos peptídicos a biopolímeros, em que a variação do intumescimento pode ser medida para investigar essas interações.
• Aplicações em janelas. Uma configuração formada por uma camada de hidrogel combinada com vidro apresentou maior transmissão de luz visível, maior bloqueio de infravermelho próximo e maior emissividade térmica no infravermelho médio do que o vidro convencional. Hidrogéis termocrômicos também são estudados em janelas inteligentes que alteram sua transmissão de radiação solar em resposta à temperatura.
• Geração termoelétrica. Um hidrogel termogalvânico pode realizar resfriamento evaporativo e, ao mesmo tempo, converter parte do calor residual em eletricidade.
• Explosivos em gel aquoso.
• Liberação controlada de agroquímicos, como pesticidas e fertilizantes.
• Materiais amortecedores à base de talina. Um hidrogel produzido com uma forma recombinante da proteína talina absorveu impactos de projéteis a 1,5 km/s e reteve os projéteis no material.
• Tarefas computacionais. Em experimentos com um hidrogel polimérico eletroativo acoplado a um ambiente de jogo simulado, os autores observaram comportamento interpretado como memória emergente decorrente da dinâmica física do material.
• Efeito Leidenfrost elástico. Esferas de hidrogel lançadas sobre superfícies suficientemente quentes podem saltar repetidamente por minutos. O movimento é sustentado pelo acoplamento entre a deformação elástica da esfera e oscilações rápidas da camada de vapor entre o hidrogel e a superfície.