Hydrogel: het materiaal dat water vasthoudt als levend weefsel

Een hydrogel is een materiaal dat voor het grootste deel uit water bestaat, maar toch zijn vorm behoudt. Denk aan de gel in een babyluier die vocht opzuigt en vasthoudt, of aan een wiebelig bakje tafelgelatine: beide zijn voorbeelden van een netwerk dat water insluit zonder op te lossen. Een hydrogel werkt volgens hetzelfde principe, maar dan chemisch verfijnd voor specifieke doeleinden, van zachte contactlenzen tot wondpleisters.

Het bijzondere aan hydrogels is dat ze zich gedragen als iets tussen een vloeistof en een vaste stof in. Ze zijn zacht en buigzaam, net als menselijk weefsel, maar vallen niet uit elkaar zoals water dat zou doen. Daardoor zijn ze aantrekkelijk voor toepassingen waarbij een materiaal in direct contact komt met een lichaam: het voelt minder "vreemd" aan dan hard plastic of metaal. In dit artikel leggen we uit hoe hydrogels werken, wat onderzoekers ermee willen bereiken, en hoever de techniek daadwerkelijk is.

Wat is het precies?

Een hydrogel bestaat uit lange moleculaire ketens, polymeren genoemd, die met elkaar verbonden zijn tot een driedimensionaal net. Die verbindingen heten crosslinks: chemische bruggetjes die de ketens op vaste punten aan elkaar vastknopen, ongeveer zoals de knopen in een visnet. Doordat het net overal knopen heeft, houdt het zijn vorm, ook al zit er tussen de draden vooral water.

Dat water wordt vastgehouden dankzij groepen moleculen die "hydrofiel" zijn, oftewel waterminnend: ze trekken watermoleculen aan en houden ze vast. Sommige hydrogels bestaan voor meer dan negentig procent uit water, terwijl de rest, het polymeernetwerk, zorgt voor de stevigheid. Het resultaat is een materiaal dat zacht aanvoelt, enigszins elastisch is, en, afhankelijk van de gebruikte polymeren, door het lichaam wordt geaccepteerd zonder afweerreactie.

Er bestaan ook "slimme" of responsieve hydrogels. Die veranderen van vorm of eigenschap als reactie op een prikkel, zoals temperatuur, zuurgraad, licht of de aanwezigheid van een bepaalde stof zoals glucose. Zo'n gel kan bijvoorbeeld zwellen bij een hoge bloedsuikerspiegel en daardoor een medicijn vrijgeven. Voor de productie gebruiken onderzoekers technieken als 3D-printen, waarbij laag voor laag een gelstructuur wordt opgebouwd, of gieten in een mal gevolgd door uitharding met UV-licht.

Wat wil men ermee bereiken?

De kern van het hydrogel-onderzoek is het overbruggen van de kloof tussen synthetische materialen en levend weefsel. Klassieke implantaten en hulpmiddelen zijn vaak hard en droog, terwijl het lichaam zelf zacht en vochtig is. Die mismatch kan irritatie, afstoting of ongemak veroorzaken. Een hydrogel die qua stevigheid en vochtgehalte op weefsel lijkt, sluit daar beter op aan.

Daarnaast zien onderzoekers kansen voor gecontroleerde afgifte van medicijnen: een hydrogel kan een werkzame stof langzaam en op het juiste moment vrijgeven, in plaats van in één keer. Ook in de zachte robotica is de belofte groot, omdat bewegende onderdelen die op hydrogel zijn gebaseerd voorzichtiger en veiliger met mensen kunnen omgaan dan starre metalen mechanismen. En in de landbouw hoopt men met watervasthoudende gels irrigatiewater te besparen in droge gebieden. Gemeenschappelijke drijfveer is steeds: een materiaal dat zacht, vochtig en soms zelfs "intelligent" reageert op zijn omgeving, net als biologisch weefsel dat doet.

Voorbeelden uit de praktijk

De geschiedenis van de hydrogel begint met een opvallend verhaal. De Tsjechische chemicus Otto Wichterle ontwikkelde begin jaren zestig het eerste bruikbare hydrogel-materiaal, poly-HEMA, en daarmee de eerste zachte contactlens. Hij bouwde thuis, met onderdelen van een kinderbouwdoos en een klein motortje, een apparaat om lensjes te gieten door het materiaal rond te laten draaien (spin-casting). Zijn uitvinding werd later, in de jaren zeventig, in de Verenigde Staten op de markt gebracht door Bausch & Lomb onder de naam Soflens en vormt nog altijd de basis van veel hedendaagse contactlenzen.

In de wondzorg zijn hydrogel-verbanden sinds de jaren tachtig en negentig standaardpraktijk. Merken als Intrasite en Duoderm houden een wond vochtig, wat de genezing bevordert, in plaats van de wond te laten uitdrogen zoals klassiek gaas dat doet.

Op het gebied van zachte robotica publiceerde de onderzoeksgroep van Xuanhe Zhao aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) tussen ongeveer 2012 en 2017 invloedrijk werk over taaie, rekbare hydrogels die stevig aan rubber konden worden gehecht. Dat opende de deur naar experimentele zachte grijpers, huidsensoren en robotonderdelen die buigen als spierweefsel.

Een ander voorbeeld is onderzoek naar glucose-gevoelige "slimme insulinepleisters", met een array van piepkleine hydrogel-micronaaldjes die op de huid worden geplakt. Werk van onder meer de onderzoeksgroep van Zhen Gu, gepubliceerd rond 2015, liet zien dat zo'n pleister in theorie insuline kan afgeven zodra de bloedsuikerspiegel stijgt. Het idee is nog altijd voornamelijk in de onderzoeks- en trialfase en nog niet breed klinisch beschikbaar.

Tot slot lopen er in de landbouw proeven met superabsorberende polymeren, een vorm van hydrogel, die aan grond worden toegevoegd om water vast te houden. Dit wordt vooral getest en op beperkte schaal toegepast in droge en aride regio's, als middel om irrigatiewater efficiënter te gebruiken.

Hoe ver is de techniek?

De ontwikkelstatus van hydrogels loopt sterk uiteen per toepassing. Contactlenzen en wondverbanden zijn volledig volwassen, wereldwijd verkrijgbare producten; daar is niets experimenteels meer aan. Ook eenvoudige hydrogel-implantaten voor gecontroleerde afgifte van medicatie, zoals sommige hormoonimplantaten, zijn al langer op de markt.

Complexere, "slimme" varianten, zoals responsieve insulinepleisters, bevinden zich grotendeels nog in de onderzoeks- en testfase en zijn nog niet breed klinisch goedgekeurd. Zachte hydrogel-robots en hydrogel-actuatoren zijn overwegend labdemonstraties: veelbelovend, maar nog ver verwijderd van praktijkrijpe producten. Hetzelfde geldt voor 3D-geprinte weefselstructuren (bioprinting), waarbij vooral het aanleggen van bloedvaten in geprint weefsel (vascularisatie) een groot onopgelost probleem is.

De belangrijkste technische obstakels zijn vergelijkbaar over toepassingen heen. Hydrogels zijn mechanisch relatief zwak en kwetsbaar in vergelijking met kunststof of metaal, ze kunnen uitdrogen of op onvoorspelbare wijze afbreken, en het opschalen van een labrecept naar betrouwbare, grootschalige productie blijkt in de praktijk lastig. Ook is langdurige biocompatibiliteit, dus het uitblijven van een afweerreactie over jaren, niet voor elk hydrogel-materiaal aangetoond.

Wie werken eraan?

Hydrogel-onderzoek is verspreid over universiteiten, ziekenhuizen en bedrijven wereldwijd. In de Verenigde Staten is het Massachusetts Institute of Technology, met onder meer de groep van Xuanhe Zhao, een bekende naam op het gebied van zachte, rekbare hydrogels, evenals het Wyss Institute van Harvard University, dat zich richt op biogeïnspireerde materialen.

Ook in Nederland wordt aan hydrogels gewerkt. Aan de TU Eindhoven onderzoekt de groep van hoogleraar Patricia Dankers supramoleculaire hydrogels voor weefselregeneratie, gericht op regeneratieve geneeskunde. De Universiteit Twente heeft met haar TechMed Centre een zwaartepunt in biomedische technologie waarbinnen ook hydrogel-onderzoek plaatsvindt.

Op de commerciële markt zijn het vooral gevestigde medische-hulpmiddelenbedrijven die hydrogel-wondverbanden en aanverwante producten maken en op grote schaal leveren aan ziekenhuizen en apotheken. Daarnaast publiceren onderzoeksgroepen in landen als China, het Verenigd Koninkrijk en Zuid-Korea actief over nieuwe hydrogel-toepassingen in robotica en biomedische technologie.

Verder lezen

• Nature — internationaal wetenschappelijk tijdschrift met regelmatig materiaalonderzoek naar hydrogels.
• ACS Publications — vaktijdschriften van de American Chemical Society over polymeren en materiaalchemie.
• PubMed — doorzoekbare database van medisch-wetenschappelijke literatuur, waaronder studies naar hydrogel-toepassingen.
• TU Eindhoven — Nederlandse technische universiteit met onderzoek naar supramoleculaire hydrogels voor regeneratieve geneeskunde.
• Universiteit Twente — Nederlandse universiteit met het TechMed Centre, gericht op biomedische technologie.