hydrofilowa
adj.
/ˈhaɪdrəʊ.fɪlkk / zdolne do interakcji z wodą poprzez wiązanie wodorowe

definicja hydrofilowa

co oznacza substancja hydrofilowa lub hydrofilowa? Jeśli cząsteczka jest „kochająca wodę”, jest znana jako „hydrofil” (rzeczownik), który posiada „hydrofilową naturę”. W przeciwieństwie do tego, jeśli cząsteczka nie lubi wody, tj. odpycha wodę, jest znana jako „hydrofobowa”. Stopień lub stopień, w jakim cząsteczka lub powierzchnia przyciąga wodę, jest znany jako „hydrofilowość” tej cząsteczki. Kilka typowych przykładów substancji hydrofilowych to cukier, sól, skrobia i celuloza.

substancje hydrofilowe mają charakter polarny. Teoria „like dissolves like” reguluje fakt, że substancje hydrofilowe mają tendencję do łatwego rozpuszczania się w wodzie lub rozpuszczalnikach polarnych, podczas gdy substancje hydrofobowe są słabo rozpuszczalne w wodzie lub rozpuszczalnikach polarnych.

Wszyscy widzieliśmy przykład substancji hydrofilowych w naszym codziennym życiu. Każdy z nas widział, że czasami woda rozprowadza się równomiernie na powierzchni, podczas gdy w niektórych przypadkach tworzy małe kropelki. Dlaczego?

To dlatego, że niektóre powierzchnie są wodolubne lub hydrofilowe i dlatego woda rozprzestrzenia się, podczas gdy w przypadku słabo hydrofilowych substancji (lub substancji hydrofobowych) tworzy małe kropelki, ponieważ powierzchnie te odpychają wodę.

Chemia za Hydrofilowością

cząsteczki hydrofilowe lub grupy hydrofilowe są w zasadzie związkami polarnymi, które mają grupy jonowe. Polarny charakter tych hydrofilowych cząsteczek umożliwia im łatwe wchłanianie wody lub polarnego rozpuszczalnika i ostatecznie rozpuszczanie się w polarnych rozpuszczalnikach, takich jak woda. Będąc polarnym rozpuszczalnikiem protowym, woda jest zdolna do tworzenia wiązania wodorowego (- H-OH -). Cząsteczki hydrofilowe mają charakter polarny i łatwo tworzą wiązanie wodorowe z wodą, przez co rozpuszczają się w wodzie. W szczególności, te interakcje między cząsteczką hydrofilową a wodą są preferowane termodynamicznie. Ogólnie rzecz biorąc, substancje hydrofilowe mogą łatwo tworzyć wiązania wodorowe z polarnymi rozpuszczalnikami, takimi jak woda, alkohol.

chemicznie substancje hydrofilowe mają grupy jonowe (naładowane), które zawierają atomy tlenu lub azotu. Polaryzacja substancji zwykle określa jej hydrofilowość. Niektóre z typowych grup funkcjonalnych występujących w substancjach hydrofilowych / powierzchniach są ujęte w tabeli 1.

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

ogólnie rzecz biorąc, hydrofilowość dowolnej powierzchni różni się w zależności od grupy funkcjonalnej i zdolności wiązania wodorowego: niepolarna < polarne, bez wiązania wodorowego < polarne, wiązanie wodorowe < hydroksylowe, jonowe. Na hydrofilowość znacząco wpływa liczba miejsc oraz struktura i gęstość obszaru międzyfazowego.

pomiar hydrofilowości

pomiar kąta kontaktu jest głównym parametrem do ilościowego określenia hydrofilowości substancji, co dodatkowo wskazuje na zwilżalność. Substancje hydrofilowe mają dobrą zwilżalność. Zwilżalność to zdolność cieczy do pozostania w kontakcie z powierzchnią stałą. Stopień zwilżalności mierzy się za pomocą kąta zwilżenia. Kąt zwilżania (θ) to kąt między powierzchnią a krawędzią kropli. Powierzchnia hydrofilowa ma kąt zwilżenia (θ) <90°, podczas gdy powierzchnia hydrofobowa ma kąt zwilżenia (θ) >90°, pokazany na fig.1 (poniżej). Wyższy kąt zwilżania oznacza silniejszą interakcję ciecz-ciecz, a nie interakcję ciecz-powierzchnia, dzięki czemu materiał jest hydrofobowy.

Jeśli ciecz rozprzestrzenia się na powierzchni, zwilżając duży obszar powierzchni, to kąt zwilżenia jest mniejszy niż 90° i jest uważany za hydrofilowy lub lubiący wodę (ryc. 2). Podczas gdy, jeśli ciecz tworzy kroplę, kąt zwilżenia jest większy niż 90° i jest uważany za hydrofobowy lub odpychający wodę (Rysunek 2). Zwilżalność jest ważnym parametrem dla roślin i zwierząt. Liście kwiatu lotosu i liście ryżu wykazują powierzchnię nie zwilżającą, w której liście pozostają suche, a krople wody spływają z powierzchni liści, utrzymując je w czystości przez cały czas. Niektóre zwierzęta, takie jak Namib pustynne chrząszcze, udaje im się przetrwać w suchym regionie ze względu na ich zdolność do wchłaniania wilgoci ze środowiska poprzez struktury hydrofilowe na powierzchni ciała.

z powyższej dyskusji wiemy, że powierzchnie hydrofilowe mają tendencję do rozprzestrzeniania się wody na swojej powierzchni i nie pozwalają na tworzenie kropel wody. Ta funkcjonalność powierzchni hydrofilowych jest wykorzystywana do tworzenia powierzchni przeciwmgielnych w przemyśle samochodowym.

ze względu na charakter hydrofilowy substancja ma tendencję do wchłaniania wody poprzez działanie kapilarne. Stopień absorpcji wody substancji hydrofilowej zależy od porowatości substancji.

zastosowania substancji hydrofilowych

polimery i cząsteczki hydrofilowe są szeroko stosowane w dziedzinie fizyki, chemii, inżynierii, biomedyczne, dostarczanie leków, żywność, farmaceutyki, farby, tekstylia, papier, konstrukcje, kleje, powłoki, uzdatnianie wody, środki dyspergujące i zawieszające, stabilizatory, zagęszczacze, żele, flokulanty i koagulanty, formatory folii, środki utrzymujące wilgoć, spoiwa i smary, higiena osobista, produkty budowlane, detergenty, pole naftowe produkty i przetwarzanie minerałów itp.

polimery hydrofilowe wykazują dobrą przepuszczalność pary wodnej dzięki grupom jonowym. Odzież lub odzież, która musi być oddychająca, składa się z włókien hydrofilowych.

polimery hydrofilowe, takie jak celuloza, alginian i chitozan, są najszerzej stosowane w przemyśle spożywczym, w którym są stosowane jako środek zagęszczający, stabilizator i środek żelujący.

dodawanie substancji hydrofilowych, takich jak związki na bazie skrobi do domowych doniczek. Pomaga to zmniejszyć wymóg częstego podlewania i konsumpcji.

substancje hydrofilowe mają zdolność wchłaniania i zatrzymywania wody. Hydrożele są rodzajem polimerów hydrofilowych, które są szeroko stosowane w produktach sanitarnych, inżynierii biomedycznej, bioseparacji, rolnictwie, przetwórstwie żywności i odzyskiwaniu oleju, aby wymienić tylko kilka. Charakterystyczną właściwością tych hydrożeli jest wchłanianie wody i pęcznienie. Hydrożele hydrofilowe mają również miękki charakter wraz z biokompatybilnością. Hydrożele są kopolimerami lub homopolimerami, które są wytwarzane przez sieciowanie monomerów. Monomery te mają grupę jonizowalną lub grupę funkcyjną, która może być zjonizowana. Hydrożele mogą zawierać słabo zasadowe grupy, takie jak podstawione aminy, lub słabo kwaśne grupy, takie jak kwas karboksylowy, lub silną zasadową i kwaśną grupę, taką jak czwartorzędowe związki amoniowe i kwasy sulfonowe. Wszystkie te grupy jonowe sprawiają, że hydrożele są hydrofilowe. W zależności od ich zdolności do utrzymywania wody / pęcznienia, różne hydrożele są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, na przykład hydrofilowe, nieporowate, wolno pęczniejące polimery hydrożelowe są używane do produkcji soczewek kontaktowych i sztucznych mięśni, podczas gdy hydrofilowe, mikroporowate, szybko pęczniejące polimery hydrożelowe są używane do produkcji pieluch. Poliakrylanów i poliakrylanów sodu są superabsorbent hydrofilowe polimery hydrożelowe, które są używane w produkcji pieluch. Te superabsorbujące hydrożele mogą utrzymywać wodę odpowiadającą 100-krotności ich własnej wagi.

hydrożele hydrofilowe są podobne do macierzy zewnątrzkomórkowej i z tego powodu są szeroko badane pod kątem tworzenia sztucznych rusztowań tkankowych. Ze względu na biokompatybilność hydrożele hydrofilowe są szeroko stosowane w zastosowaniach biomedycznych. Żelatyna jest jednym z powszechnie stosowanych hydrofilowych hydrożeli. Żelatyna jest zwierzęcym produktem ubocznym i składa się z białka & peptydopodobny, kolagen. Żelatyna jest najczęściej stosowana do przygotowywania kapsułek.

hydrofilowy hydrożel pomaga również przyspieszyć proces gojenia się ran, dlatego są szeroko stosowane jako środek gojący rany.

hydrożele hydrofilowe są materiałami superabsorbującymi, które są również szeroko stosowane w systemach dostarczania leków, naprawie tkanek i kosmetykach. Hydrofilowe super porowate hydrożele są stosowane jako dezintegrant lub super dezintegrant w tabletce w celu uzyskania szybkiego uwalniania leku z tabletki.

hydrofilowość jest krytycznym kryterium absorpcji cząsteczki leku. Jest to dobrze ugruntowany fakt, że do wchłaniania leku w organizmie ludzkim lek powinien być w stanie rozpuszczonym. Leki hydrofilowe mają tendencję do łatwego rozpuszczania się i są rozpuszczane, umożliwiając w ten sposób wchłanianie leku. Tak więc leki hydrofilowe o odpowiedniej przepuszczalności mają większe prawdopodobieństwo łatwego wchłonięcia się w organizmie i wywierają swoje działanie terapeutyczne.

substancje hydrofilowe są powlekane na powierzchni wyrobów medycznych w celu zmniejszenia przyczepności bakterii na powierzchni wyrobu medycznego. Polimery hydrofilowe, takie jak poliwinylopirolidon (PVP), poliuretany, kwas poliakrylowy (PAA), tlenek polietylenu (PEO) i polisacharydy są szeroko stosowane jako powłoki przeciwporostowe na urządzeniach medycznych, takich jak cewniki, stenty. Jak tylko jakiekolwiek urządzenie medyczne zostanie umieszczone w organizmie, rozpoczyna się odkładanie warstwy białka. Z biegiem czasu warstwa ta staje się bardzo gruba i może powodować poważne skutki uboczne, a mianowicie., utrudnienia itp. Dlatego konieczne jest obejście tworzenia się warstwy białkowej na powierzchni urządzenia medycznego. Polimery hydrofilowe działają jako środek przeciwporostowy, a tym samym są odporne na gromadzenie się tej warstwy białka na powierzchni urządzenia medycznego. Dodatkowo te hydrofilowe polimery pomagają zmniejszyć współczynnik tarcia, umożliwiając tym samym łatwość zakroplenia wyrobu medycznego w organizmie.

z podobnego powodu, ale w innym zastosowaniu, polimery hydrofilowe lub powierzchnie są używane w częściach struktury morskiej, które są używane pod wodą. Ze względu na kompatybilność z wodą powierzchnie hydrofilowe zmniejszają tarcie pod wodą, ułatwiając w ten sposób ich łatwe poruszanie się pod wodą.

polimery hydrofilowe są stosowane jako środek przeciwporostowy na membranach filtracyjnych w filtracji odwróconej osmozy (RO). Polimery takie jak usieciowany Poli (glikol etylenowy) (PEG), eter dimetylowy glikolu trietylenowego (triglyme), celuloza na bazie itp.są stosowane w membranach filtracyjnych RO. Będąc hydrofilowy charakter, polimery te umożliwiają filtrację wody przez nich i jednocześnie oprzeć się rozwojowi warstwy bakteryjnej nad nimi.

leczenie kwasem fluorowym implantów dentystycznych prowadzi się w celu zwiększenia hydrofilowości implantów dentystycznych. Skutkuje to skróceniem czasu gojenia, łatwym założeniem implantu, a także mocnym zakotwieniem implantu.

istnieje grupa cząsteczek, które mają zarówno hydrofilową, jak i hydrofobową część w swojej strukturze, takie cząsteczki są znane jako cząsteczki Amfipatyczne. Najczęstszą kategorią takich cząsteczek są powszechnie znane jako środki powierzchniowo czynne. Jednakże udział lub wielkość części hydrofilowej i części hydrofobowej w cząsteczce środka powierzchniowo czynnego określają jej charakter jako „ugrupowania hydrofilowe” lub „ugrupowania hydrofobowe”. W zależności od ich natury, cząsteczki środka powierzchniowo czynnego są wykorzystywane w szerokiej gamie zastosowań. Skala znana jako „równowaga Hydrofilowo-lipofilowa” lub skala HLB jest używana jako wskazówki do zrozumienia podstawowej natury cząsteczek środka powierzchniowo czynnego i odpowiedniego ich wykorzystania. Tak więc skala HLB pomaga zrozumieć powinowactwo cząsteczki środka powierzchniowo czynnego do rozpuszczalnika. W przypadku, gdy cząsteczka środka powierzchniowo czynnego wykazuje większe powinowactwo do wody lub rozpuszczalnika polarnego, klasyfikuje się ją do „grup hydrofilowych”, podczas gdy jeśli cząsteczka środka powierzchniowo czynnego wykazuje większe powinowactwo do niepolarnych lub lipofilowych rozpuszczalników, klasyfikuje się ją jako hydrofobową lub lipofilową. Środki powierzchniowo czynne są bardzo ważne i krytyczne dla formułowania i stabilizacji emulsji. Skala HLB została wprowadzona przez Griffina i zwykle waha się od 0-20. Kategoryzację cząsteczek surfaktantu na podstawie skali HLB przedstawiono w tabeli 2.

Tabela 2: Skala HLB do charakterystyki środków powierzchniowo czynnych

niższa wartość HLB wskazuje na hydrofobowy lub hydrofobowy charakter środków powierzchniowo czynnych, podczas gdy wyższa wartość HLB wskazuje na hydrofilowy lub hydrofilowy charakter środków powierzchniowo czynnych. Monostearynian glikolu propylenowego, mono – i di-glicerydy, monoglicerydy laktylowane, monoglicerydy sukcynylowane są jednymi z niewielu środków powierzchniowo czynnych, które należą do kategorii hydrofobowych lub lipofilowych środków powierzchniowo czynnych, które mają HLB mniej niż 10 i mogą być stosowane do stabilizacji emulsji bez emulsji. Estry kwasu diacetylowego z monoglicerydem, polisorbatami, lecytyną są przykładami hydrofilowych środków powierzchniowo czynnych i mogą być stosowane do stabilizacji emulsji O / W. Co ciekawe, jeden z najczęściej stosowanych środków powierzchniowo czynnych, laurylosiarczan sodu ma wartość HLB 40. Te środki powierzchniowo czynne są szeroko stosowane w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym.

przykłady substancji hydrofilowych

niektóre z typowych przykładów substancji hydrofilowych są następujące:

• białko
• keratyna
• Wełna
• Bawełna
• Krzemionka
• Gips
• etery glikolu polietylenowego
• amid poliakrylowy
• Poliuretany z glikolem polietylenowym eter
• alkohol poliwinylowy (PVA)
• polisacharydy (np. celuloza) i jego pochodne (np. 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). Materiały hydrofilowe i hydrofobowe oraz ich zastosowania. Źródła energii, część a: odzysk, wykorzystanie i skutki dla środowiska, 40: 22, 2686-2725, doi: 10.1080/15567036.2018.1511642
• Erothu, H. and Kumar, A. C. (2016). Polimery Hydrofilowe. W biomedycznych zastosowaniach Materiałów Polimerowych i kompozytów (eds R. Francis i 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. (Eds). Elsevier, S. 189-220. doi.org/10.1016/B978-0-12-811468-1.00008-6.
• Law K. Y. (2014). Definicje hydrofilowości, hydrofobowości i Superhydrofobowości: pierwsze podstawy. The Journal of Physical Chemistry Letters, 5 (4), 686-688. https://doi.org/10.1021/jz402762h
• Ohshima, H., Yamashita, Y. and Sakamoto, K. (2016). Równowaga hydrofilowo-lipofilowa (HLB): Klasyczna indeksacja i Nowa indeksacja środka powierzchniowo czynnego. W Encyclopedia of Biocolloid and Biointerface Science 2V Set, H. Ohshima (Ed.). doi: 10.1002/9781119075691. ch45
• Piozzi, A., Francolini, I., Occhiaperti, L., Venditti, M., & Marconi, W. (2004). Aktywność przeciwdrobnoustrojowa poliuretanów pokrytych antybiotykami: nowe podejście do realizacji wyrobów medycznych zwolnionych z kolonizacji mikrobiologicznej. 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). Stabilność wymiarowa kompozytów naturalnych i hybrydowych.
• Tavana H., Lam C., Grundke K., Friedel P., Kwok D., Hair M., Neumann A. (2004). Pomiary kąta kontaktu z cieczami składającymi się z wielkogabarytowych cząsteczek. Journal of Colloid and Interface Science 279:493-502.
• Wirth J., Tahriri M., Khoshroo K., Rasoulianboroujeni M., Dentino A. R., Tayebi L. (2017). Modyfikacja powierzchni implantów zębowych. Tayebi L., Moharamzadeh K. (Eds). Biomateriały do inżynierii tkankowej jamy ustnej i zębów (w.) Woodhead Publishing, s. 85-96, doi.org/10.1016/B978-0-08-100961-1.00006-2.