hydrophile
adj.
/ˈhadrdrəə.fllkk / Capable d’interagir avec l’eau par liaison hydrogène

Définition hydrophile

Que signifie une substance hydrophile ou hydrophile? Si une molécule « aime l’eau », elle est appelée « hydrophile » (nom) qui possède une « nature hydrophile ». En revanche, si une molécule n’aime pas l’eau, c’est-à-dire repousse l’eau, elle est dite « hydrophobe ». Le degré ou la mesure dans laquelle une molécule ou une surface attire l’eau est appelé « hydrophilie » de cette molécule. Peu d’exemples courants de substances hydrophiles sont le sucre, le sel, l’amidon et la cellulose.

Les substances hydrophiles sont de nature polaire. La théorie du « Like dissout like » gouverne le fait que les substances hydrophiles ont tendance à se dissoudre facilement dans l’eau ou les solvants polaires tandis que les substances hydrophobes sont peu solubles dans l’eau ou les solvants polaires.

Nous avons tous vu l’exemple des substances hydrophiles dans notre vie quotidienne. Chacun de nous a vu que parfois l’eau s’étend uniformément sur une surface alors que dans certains cas elle forme de petites gouttelettes. Pourquoi alors?

C’est parce que certaines surfaces aiment l’eau ou sont hydrophiles et que l’eau se répand alors que dans le cas de substances peu hydrophiles (ou de substances hydrophobes), elle forme de minuscules gouttelettes car ces surfaces repoussent l’eau.

Chimie Derrière l’hydrophilie

Les molécules hydrophiles ou les fractions hydrophiles sont essentiellement des composés polaires qui ont des groupes ioniques. La nature polaire de ces molécules hydrophiles leur permet d’absorber facilement l’eau ou le solvant polaire et éventuellement de se dissoudre dans les solvants polaires comme l’eau. Étant un solvant protique polaire, l’eau est capable de former une liaison hydrogène (-H–OH-). Les molécules hydrophiles sont de nature polaire et forment facilement une liaison hydrogène avec l’eau, se dissolvant ainsi dans l’eau. Notamment, ces interactions entre la molécule hydrophile et l’eau sont favorisées thermodynamiquement. En général, les substances hydrophiles peuvent facilement former des liaisons hydrogène avec des solvants polaires tels que l’eau, l’alcool.

Chimiquement, les substances hydrophiles ont des groupes ioniques (chargés) contenant des atomes d’oxygène ou d’azote. La polarité d’une substance définit généralement son hydrophilie. Certains des groupes fonctionnels communs trouvés dans les substances / surfaces hydrophiles sont répertoriés dans le tableau 1.

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

En règle générale, l’hydrophilie de toute surface varie selon le groupe fonctionnel et la capacité de liaison à l’hydrogène: non polaire <polaire, sans liaison hydrogène <polaire, liaison hydrogène < hydroxylique, ionique. L’hydrophilie est significativement influencée par le nombre de sites et la structure et la densité de la zone d’interphase.

Mesure de l’hydrophilie

La mesure de l’angle de contact est un paramètre majeur pour quantifier l’hydrophilie d’une substance, ce qui indique en outre la mouillabilité. Les substances hydrophiles possèdent une bonne mouillabilité. La mouillabilité est la capacité du liquide à rester en contact avec la surface solide. Le degré de mouillabilité est mesuré à l’aide d’un angle de contact. L’angle de contact (θ) est l’angle entre la surface et le bord de la gouttelette. Une surface hydrophile a un angle de contact (θ) < 90° tandis que la surface hydrophobe présente un angle de contact (θ) > 90°, illustré à la figure 1 (ci-dessous). Un angle de contact plus élevé indique une interaction liquide-liquide plus forte que l’interaction liquide-surface, rendant ainsi le matériau hydrophobe.

Si le liquide s’étale sur une surface, mouillant une grande surface de la surface, l’angle de contact est inférieur à 90° et est considéré comme hydrophile ou aimant l’eau (Figure 2). Alors que, si un liquide forme une gouttelette, l’angle de contact est supérieur à 90 ° et est considéré comme hydrophobe ou hydrofuge (figure 2). La mouillabilité est un paramètre important pour les plantes et les animaux. Les feuilles de fleurs de lotus et les feuilles de riz présentent une surface non mouillante, dans laquelle les feuilles restent sèches et des gouttelettes d’eau se détachent de la surface des feuilles pour les garder propres tout le temps. Certains animaux comme les coléoptères du désert du Namib parviennent à survivre dans la région sèche en raison de leur capacité à absorber l’humidité de l’environnement via des structures hydrophiles à la surface de leur corps.

De la discussion ci-dessus, nous savons maintenant que les surfaces hydrophiles ont tendance à étaler l’eau sur leur surface et ne permettent pas la formation de gouttelettes d’eau. Cette fonctionnalité des surfaces hydrophiles est utilisée pour fabriquer des surfaces anti-buée dans l’industrie automobile.

En raison de sa nature hydrophile, une substance a tendance à posséder une capacité d’absorption d’eau par capillarité. L’étendue de l’absorption d’eau d’une substance hydrophile dépend de la porosité de la substance.

Applications de substances hydrophiles

Les polymères et molécules hydrophiles sont largement utilisés dans le domaine de la physique, de la chimie, de l’ingénierie, du biomédical, de l’administration de médicaments, de l’alimentation , produits pharmaceutiques, peintures, textiles, papiers, constructions, adhésifs, revêtements, traitement de l’eau, agents dispersants et de suspension, stabilisants, épaississants, gélifiants, floculants et coagulants, filmogènes, humectants, liants et lubrifiants, soins personnels, produits de construction, détergents, champs pétrolifères produits, et traitement des minéraux, etc.

Les polymères hydrophiles présentent une bonne perméabilité à la vapeur d’eau due aux groupes ioniques. Les vêtements ou les vêtements qui doivent être respirants sont constitués de fibres hydrophiles.

Les polymères hydrophiles tels que la cellulose, l’alginate et le chitosane sont les plus largement utilisés dans l’industrie alimentaire où ils sont utilisés comme agent épaississant, stabilisant et gélifiant.

Ajout de substances hydrophiles comme des composés à base d’amidon aux pots de plantes cultivés à la maison. Cela contribue à réduire les besoins d’arrosage et de consommation fréquents.

Les substances hydrophiles ont la capacité d’absorber et de retenir l’eau. Les hydrogels sont un type de polymères hydrophiles largement utilisés dans les produits sanitaires, le génie biomédical, la bioséparation, l’agriculture, la transformation des aliments et la récupération du pétrole, pour n’en citer que quelques-uns. La propriété caractéristique de ces hydrogels est d’absorber l’eau et la houle. Les hydrogels hydrophiles ont également un caractère doux avec une biocompatibilité. Les hydrogels sont des copolymères ou des homopolymères préparés par réticulation de monomères. Ces monomères ont un groupe ionisable ou un groupe fonctionnel ionisable. Les hydrogels peuvent contenir des groupes faiblement basiques comme les amines substituées, ou des groupes faiblement acides comme l’acide carboxylique, ou un groupe basique et acide fort comme les composés d’ammonium quaternaire et les acides sulfoniques. Tous ces groupes ioniques rendent les hydrogels hydrophiles. Selon leur capacité à retenir l’eau / gonflement, différents hydrogels sont utilisés dans différentes applications, par exemple, des polymères hydrogels hydrophiles, non poreux, à gonflement lent sont utilisés dans la fabrication de lentilles de contact et de muscles artificiels, tandis que des polymères hydrogels hydrophiles, microporeux, à gonflement rapide sont utilisés dans la fabrication de couches. Les polyacrylates et les polyacrylates de sodium sont les polymères hydrogels hydrophiles superabsorbants utilisés dans la fabrication de couches. Ces hydrogels superabsorbants peuvent contenir de l’eau équivalente à 100 fois leur propre poids.

Les hydrogels hydrophiles sont similaires à la matrice extracellulaire et pour cette raison, ils sont largement explorés pour la fabrication d’échafaudages de tissus artificiels. En raison de leur biocompatibilité, les hydrogels hydrophiles sont largement utilisés dans les applications biomédicales. La gélatine est l’un des hydrogels hydrophiles largement utilisés. La gélatine est un sous-produit animal et est composée de collagène de type peptidique de protéine &. La gélatine est le plus couramment utilisée pour préparer des capsules.

L’hydrogel hydrophile aide également à accélérer le processus de cicatrisation des plaies et est donc largement utilisé comme agent cicatrisant.

Les hydrogels hydrophiles sont des matériaux superabsorbants qui sont également largement utilisés dans les systèmes d’administration de médicaments, la réparation des tissus et les cosmétiques. Les hydrogels super poreux hydrophiles sont utilisés comme désintégrant ou super désintégrant dans un comprimé pour obtenir une libération rapide du médicament à partir du comprimé.

L’hydrophilie est un critère critique pour l’absorption d’une molécule médicamenteuse. C’est un fait bien établi que pour l’absorption d’un médicament dans le corps humain, le médicament doit être à l’état solubilisé. Les médicaments hydrophiles ont tendance à se dissoudre facilement et sont solubilisés, ce qui permet l’absorption des médicaments. Ainsi, les médicaments hydrophiles ayant une perméabilité appropriée ont une probabilité plus élevée d’être facilement absorbés dans le corps et exercent leurs effets thérapeutiques.

Des substances hydrophiles sont enduites sur la surface des dispositifs médicaux pour réduire l’adhérence bactérienne à la surface du dispositif médical. Les polymères hydrophiles tels que la polyvinylpyrrolidone (PVP), les polyuréthanes, l’acide polyacrylique (PAA), l’oxyde de polyéthylène (PEO) et les polysaccharides sont largement utilisés comme revêtements antisalissure sur les dispositifs médicaux tels que les cathéters, les stents. Dès qu’un dispositif médical est placé dans le corps, le dépôt de la couche protéique est initié. Sur une période de temps, cette couche devient très épaisse et peut entraîner des effets secondaires graves, à savoir., obstruction, etc. Il est donc nécessaire de contourner la formation de la couche protéique à la surface du dispositif médical. Les polymères hydrophiles agissent comme un agent antisalissure et résistent ainsi à l’accumulation de cette couche protéique à la surface du dispositif médical. De plus, ces polymères hydrophiles aident à réduire le coefficient de frottement permettant ainsi une instillation aisée du dispositif médical dans le corps.

Pour une raison similaire, mais dans une application différente, des polymères ou des surfaces hydrophiles sont utilisés dans des parties de la structure marine utilisées sous l’eau. En raison de la compatibilité avec l’eau, les surfaces hydrophiles font face à une friction réduite sous l’eau, facilitant ainsi leur mouvement sous l’eau.

Des polymères hydrophiles sont utilisés comme agent antisalissure sur les membranes de filtration en filtration par osmose inverse (RO). Des polymères tels que le poly (éthylène glycol) réticulé (PEG), l’éther diméthylique de triéthylène glycol (triglyme), à base de cellulose, etc. sont utilisés dans les membranes de filtration RO. De nature hydrophile, ces polymères permettent la filtration de l’eau à travers eux et résistent simultanément au développement d’une couche bactérienne sur eux.

Un traitement à l’acide fluoruré sur les implants dentaires est effectué pour augmenter l’hydrophilie des implants dentaires. Il en résulte un temps de cicatrisation réduit, la mise en place facile de l’implant et également un ancrage ferme de l’implant.

Il existe un groupe de molécules qui ont à la fois une partie hydrophile et une partie hydrophobe dans leur structure, de telles molécules sont connues sous le nom de molécules amphipathiques. La catégorie la plus courante de ces molécules est communément appelée tensioactifs. Cependant, la contribution ou la taille de la partie hydrophile et de la partie hydrophobe dans une molécule de tensioactif détermine sa nature en tant que « parties hydrophiles » ou « parties hydrophobes ». Selon leur nature, les molécules de tensioactifs sont utilisées dans une grande variété d’applications. Une échelle appelée « Balance hydrophile-lipophile » ou échelle HLB est utilisée comme guide pour comprendre la nature fondamentale des molécules de tensioactifs et les utiliser en conséquence. Ainsi, l’échelle HLB permet de comprendre l’affinité de la molécule de tensioactif envers un solvant. Dans le cas où la molécule de tensioactif présente une affinité plus élevée envers l’eau ou le solvant polaire, elle est classée dans la catégorie des « parties hydrophiles », tandis que si une molécule de tensioactif présente une affinité plus élevée envers les solvants non polaires ou lipophiles, elle est classée comme hydrophobe ou lipophile. Les tensioactifs sont très importants et critiques pour la formulation et la stabilisation des émulsions. L’échelle HLB a été introduite par Griffin et varie généralement de 0 à 20. La catégorisation des molécules de tensioactifs basée sur l’échelle HLB est inscrite dans le tableau 2.

Tableau 2: Échelle HLB pour la caractérisation des tensioactifs

Une valeur HLB inférieure indique la nature hydrophobe ou hydrophobe des tensioactifs tandis qu’une valeur HLB plus élevée indique la nature hydrophile ou hydrophile des tensioactifs. Le monostéarate de propylène glycol, les mono- et di-glycérides, les monoglycérides lactylés, les monoglycérides succinylés sont quelques-uns des rares tensioactifs qui entrent dans la catégorie des tensioactifs hydrophobes ou lipophiles, qui ont un HLB inférieur à 10 et peuvent être utilisés pour la stabilisation des émulsions E/H. Les esters d’acide diacétyl tartrique de monoglycéride, les polysorbates, la lécithine sont quelques exemples des tensioactifs hydrophiles et peuvent être utilisés pour la stabilisation des émulsions H/E. Fait intéressant, l’un des tensioactifs les plus couramment utilisés, le laurylsulfate de sodium a une valeur HLB de 40. Ces tensioactifs sont largement utilisés dans l’industrie alimentaire et pharmaceutique.

Exemples de Substances hydrophiles

Certains des exemples courants de substances hydrophiles sont les suivants:

• Protéine
• Kératine
• Laine
• Coton
• Silice
• Gypse
• Éthers de polyéthylène glycol
• Amide polyacrylique
• Polyuréthanes à l’éther de polyéthylène glycol
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• Alcool polyvinylique (PVA)
• polysaccharides (p.ex. cellulose) et ses dérivés (p.ex. 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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