hydrofiilinen
adj.
/ ˈhaɪdrəʊ.fɪlɪk/pystyy vuorovaikutukseen veden kanssa vetysidoksen kautta

hydrofiilinen määritelmä

Mitä hydrofiiliset tai hydrofiiliset aineet tarkoittavat? Jos molekyyli on ”vettä rakastava”, se tunnetaan ”hydrofiilisenä” (substantiivina), jolla on ”hydrofiilinen luonne”. Jos taas molekyyli ei pidä vedestä eli hylkii vettä, sitä kutsutaan ”hydrofobiseksi”. Se, missä määrin molekyyli tai pinta vetää vettä puoleensa, tunnetaan kyseisen molekyylin ”hydrofiilisuutena”. Harvoja yleisiä esimerkkejä hydrofiilisistä aineista ovat sokeri, suola, tärkkelys ja selluloosa.

hydrofiiliset aineet ovat luonteeltaan polaarisia. ”Like solves like” – teoria ohjaa sitä tosiasiaa, että hydrofiiliset aineet liukenevat helposti veteen tai polaarisiin liuottimiin, kun taas hydrofobiset aineet liukenevat huonosti veteen tai polaarisiin liuottimiin.

me kaikki olemme nähneet esimerkin hydrofiilisistä aineista jokapäiväisessä elämässämme. Jokainen meistä on nähnyt, että joskus vesi levittäytyy tasaisesti pinnalle, kun taas joissakin tapauksissa se muodostaa pieniä pisaroita. Miksi?

se johtuu siitä, että tietyt pinnat ovat vettä rakastavia tai hydrofiilisiä ja siten vesi leviää, kun taas huonosti hydrofiilisten (tai hydrofobisten) aineiden tapauksessa se muodostaa pieniä pisaroita näiden pintojen hylkiessä vettä.

hydrofiilisyyden takana oleva kemia

hydrofiiliset molekyylit tai hydrofiiliset osat ovat periaatteessa polaarisia yhdisteitä, joilla on ioniryhmiä. Näiden hydrofiilisten molekyylien polaarinen luonne mahdollistaa sen, että ne imevät helposti vettä tai polaarista liuotinta ja lopulta liukenevat polaarisiin liuottimiin kuten veteen. Koska vesi on polaarinen proottinen liuotin, se kykenee muodostamaan vetysidoksen (-H–OH-). Hydrofiiliset molekyylit ovat luonteeltaan polaarisia ja muodostavat helposti vetysidoksen veden kanssa, jolloin ne liukenevat veteen. Erityisesti nämä hydrofiilisen molekyylin ja veden väliset vuorovaikutukset ovat termodynaamisesti suotuisia. Yleensä hydrofiiliset aineet voivat helposti muodostaa vetysidoksia polaaristen liuottimien kuten veden, alkoholin kanssa.

kemiallisesti hydrofiilisillä aineilla on ionisia (varautuneita) ryhmiä, jotka sisältävät happi-tai typpiatomeja. Aineen polaarisuus määrittää yleensä sen hydrofiilisyyden. Taulukossa 1 on lueteltu eräitä hydrofiilisissä aineissa/pinnoissa esiintyviä yhteisiä funktionaalisia ryhmiä.

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

yleissääntönä minkä tahansa pinnan hydrofiilisyys vaihtelee funktionaalisen ryhmän ja vetysidontakyvyn mukaan: ei-polaarinen < polaarinen, ei vetysidosta < polaarinen, vetysidos < hydroksyylinen, ioninen. Hydrofiilisyyteen vaikuttavat merkittävästi paikkojen määrä sekä interfaasialueen rakenne ja tiheys.

hydrofiilisyyden mittaus

Kontaktikulman mittaus on tärkeä parametri aineen hydrofiilisyyden kvantifioimiseksi, mikä on myös osoitus kosteudesta. Hydrofiilisillä aineilla on hyvä kostuvuus. Kostuvuus on nesteen kyky pysyä kosketuksessa kiinteän pinnan kanssa. Märkyysaste mitataan kontaktikulman avulla. Kontaktikulma (θ) on pisaran pinnan ja reunan välinen kulma. Hydrofiilisella pinnalla on kontaktikulma (θ) <90°, kun taas hydrofobisella pinnalla on kontaktikulma (θ) >90°, kuten alla olevassa kuvassa 1 esitetään. Suurempi kontaktikulma ilmaisee voimakkaampaa neste-neste-vuorovaikutusta eikä neste-pinta-vuorovaikutusta, mikä tekee materiaalista hydrofobisen.

Jos neste leviää pinnalle kostuttaen suuren pinta-alan, kontaktikulma on alle 90° ja sitä pidetään hydrofiilisenä eli vettä rakastavana (kuva 2). Jos neste muodostaa pisaran, kontaktikulma on yli 90° ja sitä pidetään hydrofobisena tai vettä hylkivänä (kuva 2). Kostuvuus on tärkeä parametri kasveille ja eläimille. Lootuskukan lehdissä ja Riisinlehdissä on kastelematon pinta, jolloin lehdet pysyvät kuivina ja vesipisarat kiertyvät lehtien pinnalta pitäen ne koko ajan puhtaina. Jotkin eläimet, kuten Namibin aavikkokuoriaiset, selviytyvät kuivilla alueilla, koska ne kykenevät imemään kosteutta ympäristöstä kehon pinnalla olevien hydrofiilisten rakenteiden kautta.

edellä esitetystä keskustelusta tiedetään nyt, että hydrofiiliset pinnat pyrkivät levittämään veden pinnalleen eivätkä salli vesipisaroiden muodostumista. Tätä hydrofiilisten pintojen toiminnallisuutta hyödynnetään autoteollisuudessa huurtumista estävien pintojen valmistuksessa.

hydrofiilisen luonteen vuoksi aineella on taipumus absorboida vettä kapillaarivaikutuksen kautta. Hydrofiilisen aineen imeytymisaste veteen riippuu aineen huokoisuudesta.

hydrofiilisten aineiden Sovellukset

hydrofiilisiä polymeerejä ja molekyylejä käytetään laajalti fysiikan, kemian, tekniikan, biolääketieteen alalla stabilointiaineet, gellantit, humektantit, humektantit, humektantit tuotteet ja mineraalien käsittely jne.

Hydrofiilisillä polymeereillä on hyvä vesihöyryn läpäisevyys ioniryhmien vuoksi. Hengittäväksi vaadittavat vaatteet eli vaatteet koostuvat hydrofiilisistä kuiduista.

hydrofiiliset polymeerit kuten selluloosa, Alginaatti ja kitosaani ovat laajimmin käytettyjä elintarviketeollisuudessa, jossa niitä käytetään sakeuttamisaineena, stabilointiaineena ja hyytelöimisaineena.

hydrofiilisten aineiden, kuten tärkkelyspohjaisten yhdisteiden, lisääminen kotikutoisiin kasviruukkuihin. Tämä auttaa vähentämään usein kastelua ja kulutusta.

Hydrofiilisillä aineilla on kyky imeä ja pidättää vettä. Hydrogeelit ovat hydrofiilisiä polymeerejä, joita käytetään laajalti saniteettituotteissa, biolääketieteessä, biotekniikassa, maataloudessa, elintarvikkeiden jalostuksessa ja öljyn talteenotossa muutamia mainitaksemme. Näiden hydrogeelien ominaispiirre on imeä vettä ja turvota. Hydrofiilisillä hydrogeeleillä on myös pehmeä luonne bioyhteensopivuuden ohella. Hydrogeelit ovat kopolymeerejä tai homopolymeerejä, joita valmistetaan monomeerien ristisitomisella. Näillä monomeereilla on ionisoituva ryhmä tai funktionaalinen ryhmä, joka voidaan ionisoida. Hydrogeelit voivat sisältää heikosti emäksisiä ryhmiä, kuten substituoituja amiineja, tai heikosti happamia ryhmiä, kuten karboksyylihappoa, tai voimakkaan emäksisen ja happaman ryhmän, kuten Kvaternaariset ammoniumyhdisteet ja sulfonihapot. Kaikki nämä ioniryhmät tekevät hydrofiilisistä hydrogeeleistä hydrofiilisiä. Riippuen niiden kyvystä pitää vettä/turvotusta, erilaisia hydrogeelejä käytetään eri sovelluksissa, esimerkiksi hydrofiilisiä, ei-huokoisia, hitaasti paisuvia hydrogeelipolymeerejä käytetään valmistettaessa piilolinssejä ja keinotekoisia lihaksia, kun taas vaippojen valmistuksessa käytetään hydrofiilisiä, mikrohuokoisia, nopeasti paisuvia hydrogeelipolymeerejä. Polyakrylaatit ja natriumpolyakrylaatit ovat superabsorbentteja hydrofiilisiä hydrogeelipolymeerejä, joita käytetään vaippojen valmistuksessa. Nämä superabsorbentit hydrogeelit voivat pitää vettä, joka vastaa 100 kertaa niiden omaa painoa.

hydrofiiliset hydrogeelit muistuttavat solunulkoista matriisia ja tästä syystä niitä tutkitaan laajalti keinokudostelineiden valmistusta varten. Bioyhteensopivuuden vuoksi hydrofiilisiä hydrogeelejä käytetään laajalti biolääketieteellisissä sovelluksissa. Gelatiini on yksi laajalti käytetyistä hydrofiilisistä hydrogeeleistä. Gelatiini on eläinten sivutuote ja koostuu proteiinista & peptidimäisestä kollageenista. Gelatiinia käytetään yleisimmin kapselien valmistukseen.

hydrofiilinen hydrogeeli auttaa myös nopeuttamaan haavan paranemisprosessia ja siksi niitä käytetään laajalti haavan paranemiseen.

hydrofiiliset hydrogeelit ovat superabsorbentteja materiaaleja, joita käytetään laajalti myös lääkeaineiden annostelujärjestelmissä, kudosten korjaamisessa ja kosmetiikassa. Hydrofiilisiä superhuokoisia hydrogeelejä käytetään tabletissa disintegranttina tai superhajoamisaineena, jolla saavutetaan nopea lääkkeen vapautuminen tabletista.

hydrofiilisyys on kriittinen kriteeri lääkeainemolekyylin imeytymiselle. On vakiintunut tosiasia, että lääkkeen imeytymiseen ihmiskehossa lääkkeen pitäisi olla liukoisessa tilassa. Hydrofiiliset lääkkeet liukenevat helposti ja liukenevat, jolloin lääke imeytyy. Siten hydrofiilisillä lääkkeillä, joilla on sopiva läpäisevyys, on suurempi todennäköisyys imeytyä elimistöön helposti ja niillä on terapeuttisia vaikutuksia.

hydrofiiliset aineet pinnoitetaan lääkinnällisten laitteiden pinnalle vähentämään bakteerien tarttumista lääkinnällisen laitteen pinnalla. Hydrofiilisiä polymeerejä, kuten polyvinyylipyrrolidonia (PVP), polyuretaaneja, polyakryylihappoa (PAA), polyeteenioksidia (PEO) ja polysakkarideja käytetään laajalti kiinnittymisenestopinnoitteina lääketieteellisissä laitteissa, kuten katetreissa, stenteissä. Heti kun jokin lääketieteellinen laite on sijoitettu kehoon, proteiinikerroksen laskeutuminen aloitetaan. Ajan kuluessa tämä kerros tulee hyvin paksu ja voi aiheuttaa vakavia sivuvaikutuksia., estäminen jne. Siksi on tarpeen kiertää proteiinikerroksen muodostumista lääketieteellisen laitteen pinnalla. Hydrofiiliset polymeerit toimivat kiinnittymisenestoaineena ja siten vastustavat tämän proteiinikerroksen kerääntymistä lääkinnällisen laitteen pinnalle. Lisäksi nämä hydrofiiliset polymeerit auttavat vähentämään kitkakerrointa, mikä mahdollistaa lääketieteellisen laitteen helpon istuttamisen kehoon.

samasta syystä, mutta eri käyttötarkoituksessa käytetään veden alla käytettäviä merellisen rakenteen osia hydrofiilisiä polymeerejä tai pintoja. Koska yhteensopivuus veden kanssa, hydrofiiliset pinnat kohtaavat vähentää kitkaa veden alla, mikä auttaa niiden helppo liikkua veden alla.

hydrofiilisiä polymeerejä käytetään suodatuskalvojen kiinnittymisenestoaineena käänteisosmoosisuodatuksessa (ro). Ro-suodatuskalvoissa käytetään polymeerejä, kuten ristisidottua poly (etyleeniglykoli) (PEG), Trietyleeniglykolidimetyylieetteriä (triglyme), Selluloosapohjaista jne. Koska nämä polymeerit ovat luonteeltaan hydrofiilisiä, ne mahdollistavat veden suodatuksen niiden läpi ja vastustavat samanaikaisesti bakteerikerroksen kehittymistä niiden päälle.

fluorihappokäsittely hammasimplanteille suoritetaan hammasimplantin hydrofiilisyyden lisäämiseksi. Tämä johtaa lyhentyneeseen paranemisaikaan, implantin helppoon asentamiseen ja myös implantin kiinteään ankkurointiin.

on ryhmä molekyylejä, joiden rakenteessa on sekä hydrofiilinen että hydrofobinen osa, tällaisia molekyylejä kutsutaan Amfipaattisiksi molekyyleiksi. Yleisin tällaisten molekyylien luokka tunnetaan yleisesti pinta-aktiivisina aineina. Pinta-aktiivisen molekyylin hydrofiilisen osan ja hydrofobisen osan osuus tai koko kuitenkin määrittävät sen luonteen ”Hydrofiilisinä osina” tai ”Hydrofobisina osina”. Pinta-aktiivisia molekyylejä käytetään niiden luonteesta riippuen monenlaisissa sovelluksissa. Asteikkoa, joka tunnetaan nimellä ”Hydrofiilis-lipofiilinen tasapaino” tai HLB-asteikko, käytetään ohjeena pinta-aktiivisten molekyylien perusluonteen ymmärtämiseksi ja niiden käyttämiseksi sen mukaisesti. Näin HLB-asteikko auttaa ymmärtämään pinta-aktiivisen molekyylin affiniteettia liuotinta kohtaan. Jos pinta-aktiivisella molekyylillä on suurempi affiniteetti veteen tai polaariseen liuottimeen, se luokitellaan ”Hydrofiilisiin osiin”, kun taas jos pinta-aktiivisella molekyylillä on suurempi affiniteetti ei-polaarisiin tai lipofiilisiin liuottimiin, se luokitellaan hydrofobiseksi tai lipofiiliseksi. Pinta-aktiiviset aineet ovat erittäin tärkeitä ja kriittisiä emulsioiden muotoilussa ja stabiloinnissa. Griffinin käyttöön ottama HLB-asteikko vaihtelee yleensä välillä 0-20. Pinta-aktiivisten molekyylien luokittelu HLB-asteikon perusteella on esitetty taulukossa 2.

Taulukko 2: HLB-asteikko pinta-aktiivisten aineiden luonnehdintaa varten

alempi HLB-arvo kertoo pinta-aktiivisten aineiden vettä hylkivästä tai hydrofobisesta luonteesta, kun taas korkeampi HLB-arvo kertoo pinta-aktiivisten aineiden vettä rakastavasta tai hydrofiilisestä luonteesta. Propyleeniglykolimonostearaatti, mono-ja di-glyseridit, laktyloidut monoglyseridit, sukkinyloidut monoglyseridit ovat muutamia harvoja pinta-aktiivisia aineita, jotka kuuluvat hydrofobisten tai lipofiilisten pinta-aktiivisten aineiden luokkaan, joiden HLB on alle 10 ja joita voidaan käyttää W/O-emulsioiden stabilointiin. Monoglyseridin diasetyyliviinihapon esterit, polysorbaatit, lesitiini ovat esimerkkejä hydrofiilisistä pinta-aktiivisista aineista ja niitä voidaan käyttää O/W-emulsioiden stabilointiin. Mielenkiintoista on, että yksi yleisimmin käytetyistä pinta-aktiivisista aineista, natriumlauryylisulfaatti, HLB-arvo on 40. Näitä pinta-aktiivisia aineita käytetään laajalti elintarvike-ja lääketeollisuudessa.

esimerkkejä Hydrofiilisistä aineista

joitakin yleisiä esimerkkejä hydrofiilisistä aineista ovat:

• proteiini

keratiini

• Villa

Puuvilla

• piidioksidi
• kipsi
• Polyetyleeniglykolieetterit
• polyakryyliamidi
• polyuretaanit polyetyleeniglykolieetterin kanssa
• polyvinyylialkoholi (PVA)
• polysakkaridit (esim. selluloosa) ja sen johdannaiset (esim. 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

• Ahmad D., van den Boogaert I., Miller J., Presswell R., Jouhara H. (2018). Hydrofiiliset ja hydrofobiset materiaalit ja niiden sovellukset. Energy Sources, Part A:Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 40: 22, 2686-2725, DOI: 10.1080/15567036.2018.1511642
• Erothu, H. and Kumar, A. C. (2016). Hydrofiiliset Polymeerit. Polymeerimateriaalien ja komposiittien Biolääketieteellisissä sovelluksissa (eds R. Francis ja D. Sakthi Kumar). doi: 10.1002/9783527690916.ch7
• Ismail A. F., Khulbe K. C., Matsuura T. (2019). Ro Membrane Fouling, In: Reverse Osmosis, Ismail A. F., Khulbe K. C., Matsuura T. (toim). Elsevier, s. 189-220. doi.org/10.1016/B978-0-12-811468-1.00008-6.
• laki K. Y. (2014). Hydrofiilisyyden, hydrofobisuuden ja Superhydrofobisuuden määritelmät: perusasiat kuntoon. The Journal of Physical Chemistry Letters, 5(4), 686-688. https://doi.org/10.1021/jz402762h
• Ohshima, H., Yamashita, Y. ja Sakamoto, K. (2016). Hydrofiilis–lipofiilinen tasapaino (HLB): pinta-aktiivisen aineen Klassinen indeksointi ja uusi indeksointi. Teoksessa Encyclopedia of Biocolloid and Biointerface Science 2V Set, H. Ohshima (toim.). doi: 10.1002 / 9781119075691. ch45
• Piozzi, A., Francolini, I., Occhiaperti, L., Venditti, M., & Marconi, W. (2004). Antimikrobinen toiminta polyuretaanien päällystetty antibiooteilla: uusi lähestymistapa toteuttamiseen lääkinnällisten laitteiden vapautettu mikrobien kolonisaatio. International journal of pharmaceutics, 280(1-2), 173-183. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2004.05.017
• Taib M. N., & Julkapli N. M. (2019). Luonnonkuitupohjaisten ja hybridikomposiittien mittavakaus.
• Tavana H., Lam C., Grundke K., Friedel P., Kwok D., Hair M., Neumann A. (2004). Kontaktikulman mittaukset pulleista molekyyleistä koostuvilla nesteillä. Journal of Colloid and Interface Science 279:493-502.
• Wirth J., Tahriri M., Khoshroo K., Rasoulianboroujeni M., Dentino A. R., Tayebi L. (2017). Pinta muutos hammasimplantit. Tayebi L., Moharamzadeh K. (Toim.) Biomateriaalit suun ja hampaiden Kudostekniikan (In.) Woodhead Publishing, s. 85-96, doi.org/10.1016/B978-0-08-100961-1.00006-2.