Сферогель — полимерный гель в форме сфер¶

Сферогель — это класс полимерных гелей, получаемых в форме сферических частиц (шариков) диаметром от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Сферогели относятся к группе гидрогелей, то есть полимерных сеток, способных поглощать и удерживать большие объёмы воды без растворения. Свое название материал получил благодаря характерной форме — при синтезе полимерная сеть формируется в виде сферы, что определяет его механические свойства и область применения.

¶Состав и строение

Сферогель представляет собой трёхмерную сшитую полимерную сеть, заполненную водой. В качестве полимерной основы чаще всего используются:

• Полиакриламид — наиболее распространённый полимер для сферогелей, особенно в сельскохозяйственных применениях;
• Полиакрилаты — в частности, натрий-полиакрилат, обладающий высокой гигроскопичностью;
• Крахмал и целлюлоза — природные полимеры, используемые для биоразлагаемых сферогелей;
• Поливиниловый спирт (ПВС) — для медицинских и лабораторных применений;
• Хитозан и альгинат натрия — для биомедицинских и пищевых сферогелей.

Сшивающие агенты (крест-линкеры), например N,N'-метиленбисакриламид, образуют поперечные связи между цепями полимера, придавая сети упругость. Степень сшивки определяет плотность сетки и, следовательно, способность геля набухать: чем меньше сшивающих связей, тем больше воды способен поглотить сферогель.

¶Способы получения

¶Синтез в объёме (масштабирование)

Наиболее распространённый метод получения сферогелей — полимеризация мономера в объёме с последующим измельчением. Раствор мономера (например, акриламида) с инициатором и сшивающим агентом подвергают радикальной полимеризации, в результате чего образуется монолитный гель. Затем его измельчают механически, а полученные частицы калибруют по размеру. Этот метод прост, но даёт частицы с широким распределением по размерам и неровной поверхностью.

¶Метод капельной экструзии

Раствор мономера или предполимера продавливают через иглу или капилляр в инертную среду (например, минеральное масло или раствор соли), где капли формируются под действием поверхностного натяжения. Капли полимеризуются и превращаются в сферогели. Размер частиц контролируется диаметром иглы и скоростью подачи. Метод позволяет получать сферы с узким распределением по размерам.

¶Метод ионной экструзии

Используется для сферогелей на основе ионогелей — например, альгината натрия. Раствор альгината выдавливают в раствор соли кальция (CaCl₂), где ионы кальция образуют поперечные связи между молекулами альгината, формируя сферические гранулы. Метод прост, не требует инициаторов и применяется в пищевой промышленности и биотехнологиях.

¶Метод эмульсии

Полимеризация проводится в водно-масляной или масляно-водной эмульсии. Капли водной фазы, содержащей мономер, диспергированы в масляной среде; после полимеризации получают сферогели. Размер частиц регулируют интенсивностью перемешивания.

¶Свойства

Сферогели обладают рядом характерных свойств:

• Высокая гигроскопичность — способность поглощать воду в сотни и тысячи раз относительно собственной массы (у натрий-полиакрилатных сферогелей — до 400–500 г воды на 1 г сухого вещества);
• Упругость и механическая прочность — сферическая форма обеспечивает равномерное распределение напряжений, поэтому сферогели устойчивы к сжатию;
• Пористость — открытая пористая структура обеспечивает диффузию растворённых веществ;
• Биосовместимость — многие сферогели (на основе альгината, хитозана, ПВС) не токсичны и используются в биомедицине;
• Биоразлагаемость — сферогели на природных полимерах разлагаются в почве микроорганизмами.

¶Применение

¶Сельское хозяйство

Основное применение сферогелей — как водоудерживающие добавки в почву. Сферогель впитывает воду во время полива или дождя и постепенно отдаёт её корням растений, снижая потребность в поливе. В России технология сферогелей для агрономии разрабатывалась в Институте нефтехимической химии им. А. В. Топчиева Казанского научного центра РАН и в ряде вузов. Сферогели применяют при выращивании растений в закрытом грунте, в ландшафтном дизайне и для восстановления растительности на нарушенных территориях.

¶Медицина и биотехнологии

Сферогели используют как носители лекарственных веществ: лекарство заключается в гель, который обеспечивает его контролируемое высвобождение в организме. Сферогели на основе альгината и хитозана применяют для клеточных культур, тканевой инженерии и как иммобилизованные носители ферментов.

¶Пищевая промышленность

Сферогели на основе альгината натрия («альгиновые жемчужины», «сферогели-жемчужины») используются в молекулярной гастрономии для создания сферических капсул с жидким или полужидким наполнителем. Технология известна как сферификация.

¶Прочее

Сферогели применяют в аналитической химии как сорбенты для извлечения тяжёлых металлов и органических загрязнителей из воды, в косметологии как увлажняющие компоненты, а также в образовательных наборах (гидрогели-шарики) для наглядного демонстрации свойств полимеров.

¶Экологические аспекты

Синтетические сферогели на основе полиакриламида и полиакрилатов не разлагаются в почве и могут накапливаться в ней. Вместе с тем ряд исследований показывает, что при правильном применении (внесение в почву в умеренных количествах) они не оказывают токсического действия на растения и почвенные микроорганизмы. Альтернативой выступают биоразлагаемые сферогели на основе крахмала, целлюлозы и хитозана.

¶Литература

• Губин А. Г., Хлопов Б. Г. Синтез сферогелей и их применение в сельском хозяйстве. — Казань: Изд-во Казанского университета, 2010.
• Губин А. Г. Сферогели: синтез, свойства, применение. — Казань, 2015.
• Справочник по полимерным гелям / под ред. А. Е. Чалых. — М.: Наука, 2004.