hydrophil
adj.
/ˈhaɪdrəʊ.fɪlɪk/ Kann mit Wasser durch Wasserstoffbindung interagieren

Hydrophile Definition

Was bedeutet eine hydrophile oder hydrophile Substanz? Wenn ein Molekül „wasserliebend“ ist, wird es als „hydrophil“ (Substantiv) bezeichnet, das eine „hydrophile Natur“ besitzt. Im Gegensatz dazu, wenn ein Molekül Wasser nicht mag, d.h. Wasser abstößt, wird es als ‘hydrophob‘ bezeichnet. Der Grad oder das Ausmaß, in dem ein Molekül oder eine Oberfläche Wasser anzieht, wird als Hydrophilie dieses Moleküls bezeichnet. Einige häufige Beispiele für hydrophile Substanzen sind Zucker, Salz, Stärke und Cellulose.

Hydrophile Substanzen sind polar. Die ‚Like dissolves like‘ -Theorie regelt die Tatsache, dass hydrophile Substanzen dazu neigen, sich leicht in Wasser oder polaren Lösungsmitteln aufzulösen, während hydrophobe Substanzen in Wasser oder polaren Lösungsmitteln schlecht löslich sind.

Wir alle haben das Beispiel hydrophiler Substanzen in unserem täglichen Leben gesehen. Jeder von uns hat gesehen, dass sich Wasser manchmal gleichmäßig auf einer Oberfläche ausbreitet, während es in bestimmten Fällen kleine Tröpfchen bildet. Warum so?Dies liegt daran, dass bestimmte Oberflächen wasserliebend oder hydrophil sind und sich daher Wasser ausbreitet, während es bei schlecht hydrophilen Substanzen (oder hydrophoben Substanzen) winzige Tröpfchen bildet, da diese Oberflächen Wasser abstoßen.

Chemie hinter der Hydrophilie

Hydrophile Moleküle oder hydrophile Einheiten sind grundsätzlich polare Verbindungen, die ionische Gruppen aufweisen. Die polare Natur dieser hydrophilen Moleküle ermöglicht es ihnen, Wasser oder polares Lösungsmittel leicht zu absorbieren und schließlich in den polaren Lösungsmitteln wie Wasser gelöst zu werden. Als polares protisches Lösungsmittel ist Wasser in der Lage, eine Wasserstoffbindung (-H-OH-) zu bilden. Hydrophile Moleküle sind polar und bilden leicht eine Wasserstoffbindung mit Wasser, wodurch sie in Wasser gelöst werden. Insbesondere sind diese Wechselwirkungen zwischen dem hydrophilen Molekül und Wasser thermodynamisch begünstigt. Im Allgemeinen können hydrophile Substanzen leicht Wasserstoffbrückenbindungen mit polaren Lösungsmitteln wie Wasser, Alkohol bilden.

Chemisch haben hydrophile Substanzen ionische (geladene) Gruppen, die Sauerstoff- oder Stickstoffatome enthalten. Die Polarität einer Substanz definiert normalerweise ihre Hydrophilie. Einige der in hydrophilen Substanzen/Oberflächen häufig vorkommenden funktionellen Gruppen sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1.: Some of the common hydrophilic and hydrophobic functional groups

Als allgemeine regel, die hydrophilie von jeder oberfläche variiert wie pro die funktionelle gruppe und fähigkeit für wasserstoff bindung: unpolar < polar, keine Wasserstoffbindung < polar, Wasserstoffbindung < hydroxylisch, ionisch. Die Hydrophilie wird maßgeblich durch die Anzahl der Stellen und die Struktur und Dichte des Interphasenbereichs beeinflusst.

Messung der Hydrophilie

Die Kontaktwinkelmessung ist ein wichtiger Parameter zur Quantifizierung der Hydrophilie eines Stoffes, der ein weiterer Indikator für die Benetzbarkeit ist. Hydrophile Substanzen besitzen eine gute Benetzbarkeit. Benetzbarkeit ist die Fähigkeit der Flüssigkeit, mit der festen Oberfläche in Kontakt zu bleiben. Der Grad der Benetzbarkeit wird unter Verwendung eines Kontaktwinkels gemessen. Der Kontaktwinkel (θ) ist der Winkel zwischen der Oberfläche und dem Rand des Tropfens. Eine hydrophile Oberfläche hat einen Kontaktwinkel (θ) <90 °, während die hydrophobe Oberfläche einen Kontaktwinkel (θ) >90 ° aufweist, wie in Abbildung 1 (unten) gezeigt. Ein höherer Kontaktwinkel zeigt die stärkere Flüssig-Flüssig-Wechselwirkung als die Flüssig-Oberflächen-Wechselwirkung an, wodurch das Material hydrophob wird.

Wenn sich die Flüssigkeit auf einer Oberfläche ausbreitet und einen großen Bereich der Oberfläche benetzt, beträgt der Kontaktwinkel weniger als 90° und gilt als hydrophil oder wasserliebend (Abbildung 2). Wenn eine Flüssigkeit Tröpfchen bildet, beträgt der Kontaktwinkel mehr als 90 ° und wird als hydrophob oder wasserabweisend angesehen (Abbildung 2). Die Benetzbarkeit ist ein wichtiger Parameter für Pflanzen und Tiere. Lotusblütenblätter und Reisblätter weisen eine nicht benetzende Oberfläche auf, wobei die Blätter trocken bleiben und Wassertropfen von der Oberfläche der Blätter abrollen, wodurch sie die ganze Zeit sauber bleiben. Bestimmte Tiere wie Namib-Wüstenkäfer überleben in der Trockenregion aufgrund ihrer Fähigkeit, Feuchtigkeit aus der Umwelt über hydrophile Strukturen auf ihrer Körperoberfläche aufzunehmen.

Aus der obigen Diskussion wissen wir nun, dass die hydrophilen Oberflächen dazu neigen, das Wasser über ihre Oberfläche auszubreiten und die Bildung von Wassertröpfchen nicht zuzulassen. Diese Funktionalität der hydrophilen Oberflächen wird zur Herstellung von Antibeschlag-Oberflächen in der Automobilindustrie genutzt.

Aufgrund der hydrophilen Natur neigt eine Substanz dazu, Wasseraufnahmefähigkeit über Kapillarwirkung zu besitzen. Das Ausmaß der Wasseraufnahme einer hydrophilen Substanz hängt von der Porosität der Substanz ab.

Anwendungen von Hydrophilen Substanzen

Hydrophile polymere und moleküle sind weit verbreitet auf dem gebiet der physik, chemie, engineering, biomedizin, drug delivery, lebensmittel, pharma, farbe, textilien, papier , konstruktionen, Klebstoffe, Beschichtungen, Wasseraufbereitung, Dispergier- und Suspensionsmittel, Stabilisatoren, Verdickungsmittel, Geliermittel, Flockungs- und Koagulationsmittel, Filmbildner, Feuchthaltemittel, Bindemittel und Schmiermittel, Körperpflege, Bauprodukte, Reinigungsmittel, Ölfeld produkte und Mineralverarbeitung, etc.

Hydrophile Polymere weisen aufgrund ionischer Gruppen eine gute Wasserdampfdurchlässigkeit auf. Kleidung oder Bekleidung, die atmungsaktiv sein muss, besteht aus hydrophilen Fasern.Hydrophile Polymere wie Cellulose, Alginat und Chitosan werden in der Lebensmittelindustrie am häufigsten verwendet, wobei sie als Verdickungsmittel, Stabilisator und Geliermittel verwendet werden.

Zugabe von hydrophilen Substanzen wie stärkebasierten Verbindungen zu den selbst angebauten Pflanzentöpfen. Dies hilft, den Bedarf an häufigem Gießen und Verbrauch zu reduzieren.

Hydrophile Substanzen haben die Fähigkeit, Wasser aufzunehmen und zu halten. Hydrogele sind eine Art hydrophile Polymere, die in den gesundheitlichen Produkten, in der biomedizinischen Technik, in der Bioseparation, in der Landwirtschaft, in der Lebensmittelverarbeitung und in der Ölwiederaufnahme weit verbreitet sind, einige zu erwähnen. Die charakteristische Eigenschaft dieser Hydrogele besteht darin, Wasser aufzunehmen und zu quellen. Hydrophile Hydrogele haben auch einen weichen Charakter zusammen mit Biokompatibilität. Hydrogele sind Co- oder Homopolymere, die durch Vernetzung von Monomeren hergestellt werden. Diese Monomere weisen eine ionisierbare Gruppe oder eine ionisierbare funktionelle Gruppe auf. Hydrogele können schwach basische Gruppen wie substituierte Amine oder schwach saure Gruppen wie Carbonsäure oder eine stark basische und saure Gruppe wie quartäre Ammoniumverbindungen und Sulfonsäuren enthalten. All diese ionischen Gruppen machen die Hydrogele hydrophil. Abhängig von ihrer Fähigkeit, Wasser / Quellung zu halten, werden verschiedene Hydrogele in verschiedenen Anwendungen verwendet, zum Beispiel werden hydrophile, nicht poröse, langsam quellende Hydrogelpolymere bei der Herstellung von Kontaktlinsen und künstlichen Muskeln verwendet, während hydrophile, mikroporöse, schnell quellende Hydrogelpolymere bei der Herstellung von Windeln verwendet werden. Polyacrylate und Natriumpolyacrylate sind die superabsorbierenden hydrophilen Hydrogelpolymere, die bei der Herstellung von Windeln verwendet werden. Diese superabsorbierenden Hydrogele können Wasser halten, das dem 100-fachen ihres Eigengewichts entspricht.

Hydrophile Hydrogele ähneln der extrazellulären Matrix und werden aus diesem Grund häufig zur Herstellung künstlicher Gewebsgerüste untersucht. Aufgrund der Biokompatibilität werden die hydrophilen Hydrogele häufig in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt. Gelatine ist eines der weit verbreiteten hydrophilen Hydrogele. Gelatine ist ein tierisches Nebenprodukt und besteht aus Protein & peptidähnlichem Kollagen. Gelatine wird am häufigsten zur Herstellung von Kapseln verwendet.

Das hydrophile Hydrogel hilft auch, den Wundheilungsprozess zu beschleunigen und wird daher häufig als Wundheilmittel verwendet.

Hydrophile Hydrogele sind superabsorbierende Materialien, die auch in Wirkstoffabgabesystemen, Gewebereparaturen und Kosmetika weit verbreitet sind. Hydrophile superporöse Hydrogele werden als Sprengmittel oder Supersprengmittel in einer Tablette verwendet, um eine schnelle Wirkstofffreisetzung aus der Tablette zu erreichen.

Hydrophilie ist ein kritisches Kriterium für die Absorption eines Wirkstoffmoleküls. Es ist eine gut etablierte Tatsache, dass für die Absorption eines Arzneimittels im menschlichen Körper das Arzneimittel in einem solubilisierten Zustand sein sollte. Hydrophile Arzneimittel neigen dazu, sich leicht aufzulösen und werden solubilisiert, wodurch die Arzneimittelabsorption ermöglicht wird. Somit haben hydrophile Arzneimittel mit geeigneter Permeabilität eine höhere Wahrscheinlichkeit, leicht vom Körper absorbiert zu werden und ihre therapeutischen Wirkungen auszuüben.

Hydrophile Substanzen werden auf die Oberfläche von Medizinprodukten beschichtet, um die bakterielle Adhäsion auf der Oberfläche des Medizinprodukts zu verringern. Hydrophile Polymere wie Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyurethane, Polyacrylsäure (PAA), Polyethylenoxid (PEO) und Polysaccharide werden häufig als Antifouling-Beschichtungen für medizinische Geräte wie Katheter und Stents verwendet. Sobald ein medizinisches Gerät in den Körper eingebracht wird, wird die Ablagerung der Proteinschicht eingeleitet. Im Laufe der Zeit wird diese Schicht sehr dick und kann zu schwerwiegenden Nebenwirkungen führen., behinderung, etc. Daher ist es notwendig, die Bildung der Proteinschicht auf der Oberfläche des medizinischen Geräts zu umgehen. Hydrophile Polymere wirken als Antifoulingmittel und widerstehen dadurch dem Aufbau dieser Proteinschicht über der Oberfläche des Medizinprodukts. Darüber hinaus tragen diese hydrophilen Polymere dazu bei, den Reibungskoeffizienten zu verringern, wodurch eine einfache Instillation des medizinischen Geräts in den Körper ermöglicht wird.

Aus einem ähnlichen Grund, aber in einer anderen Anwendung, werden hydrophile Polymere oder Oberflächen in Teilen der Meeresstruktur verwendet, die unter Wasser verwendet werden. Aufgrund der Kompatibilität mit Wasser sind hydrophile Oberflächen unter Wasser einer verringerten Reibung ausgesetzt, wodurch ihre leichte Bewegung unter Wasser unterstützt wird.

Hydrophile Polymere werden als Antifoulingmittel auf den Filtrationsmembranen bei der Umkehrosmose (RO) -Filtration verwendet. Polymere wie vernetztes Poly (Ethylenglykol) (PEG), Triethylenglykoldimethylether (Triglyme), Cellulosebasis usw. werden in RO-Filtrationsmembranen verwendet. Da diese Polymere von Natur aus hydrophil sind, ermöglichen sie die Filtration von Wasser durch sie und widerstehen gleichzeitig der Entwicklung einer Bakterienschicht über ihnen.

Eine Fluoridsäurebehandlung von Zahnimplantaten wird durchgeführt, um die Hydrophilie der Zahnimplantate zu erhöhen. Dies führt zu einer verkürzten Heilungszeit, der einfachen Etablierung des Implantats und auch zu einer festen Verankerung des Implantats.

Es gibt eine Gruppe von Molekülen, die sowohl einen hydrophilen als auch einen hydrophoben Teil in ihrer Struktur haben, solche Moleküle sind als amphipathische Moleküle bekannt. Die häufigste Kategorie solcher Moleküle ist allgemein als Tenside bekannt. Der Beitrag oder die Größe des hydrophilen Teils und des hydrophoben Teils in einem Tensidmolekül bestimmen jedoch seine Natur als ‚hydrophile Teile‘ oder ‚Hydrophobe Teile‘. Tensidmoleküle werden je nach Art in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Eine Skala, die als Hydrophil-lipophile Balance oder HLB-Skala bekannt ist, wird als Leitfaden verwendet, um die grundlegende Natur von Tensidmolekülen zu verstehen und entsprechend zu verwenden. Somit hilft die HLB-Skala, die Affinität des Tensidmoleküls zu einem Lösungsmittel zu verstehen. Falls das Tensidmolekül eine höhere Affinität zum Wasser oder polaren Lösungsmittel aufweist, wird es unter ‚Hydrophile Einheiten‘ kategorisiert, während, wenn ein Tensidmolekül eine höhere Affinität zu unpolaren oder lipophilen Lösungsmitteln aufweist, es als hydrophob oder lipophil eingestuft wird. Tenside sind sehr wichtig und kritisch für die Formulierung und Stabilisierung von Emulsionen. Die HLB-Skala wurde von Griffin eingeführt und reicht normalerweise von 0-20. Die Kategorisierung der Tensidmoleküle anhand der HLB-Skala ist in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2: HLB-Skala zur Charakterisierung von Tensiden

Ein niedrigerer HLB-Wert weist auf die wasserabweisende oder hydrophobe Natur der Tenside hin, während ein höherer HLB-Wert auf die wasserliebende oder hydrophile Natur der Tenside hinweist. Propylenglykolmonostearat, Mono- und Diglyceride, lactylierte Monoglyceride, succinylierte Monoglyceride sind einige der wenigen Tenside, die unter die Kategorie der hydrophoben oder lipophilen Tenside fallen, die HLB kleiner als 10 aufweisen und zur Stabilisierung von W / O-Emulsionen verwendet werden können. Diacetylweinsäureester von Monoglyceriden, Polysorbaten, Lecithin sind einige der Beispiele für die hydrophilen Tenside und können zur Stabilisierung von O / W-Emulsionen verwendet werden. Interessanterweise hat Natriumlaurylsulfat, eines der am häufigsten verwendeten Tenside, einen HLB-Wert von 40. Diese Tenside sind in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie weit verbreitet.

Beispiele für hydrophile Substanzen

Einige der gebräuchlichen Beispiele für hydrophile Substanzen sind wie folgt:

• Protein
• Keratin
• Wolle
• Baumwolle
• Kieselsäure
• Gips
• Polyethylenglykolether
• Polyacrylamid
• Polyurethane mit Polyethylenglykolether
• Polyvinylalkohol (PVA)
• Polysaccharide (z.B. Cellulose) und deren Derivate (z.B. hydroxypropylmethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, and sodium carboxy methyl cellulose)
• Gelatin, agar, agarose, algin
• Alcohols
• Cyclodextrins
• poly-N-vinylpyrrolidone (PVP)
• Guar gum, xanthan gum
• Starch
• Pectin
• Dextran
• Carrageenan
• Inulin
• Chitosan
• Albumin

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