Гели — однородные коллоидные вещества, не имеющие видимой микроскопической структуры, содержащие большое количество воды или иной жидкости и обладающие, несмотря на это, свойствами твёрдых тел.
В зависимости от связываемой гелем жидкости он получает соответствующее название: гидрогель, если он содержит воду, алкогогель — в случае насыщения спиртом, и т. п.
ОБРАЗОВАНИЕ ГЕЛЕЙ
Обычно гели получаются из коллоидного раствора (золя).
Коллоиды различаются по своему отношению к жидкости, в которой взвешены их частицы. Некоторые из них имеют сродство к ней и называются лиофильными (в случае гидрозолей — гидрофильными, от греческого ὕδωρ — «вода, жидкость» и φῐλέω — «любить, иметь склонность», то есть связывающими воду), те же, которые таким сродством не обладают, называются лиофобными (или соответственно гидрофобными, от греческого ὕδωρ и φόβος — «страх, боязнь», неспособными растворяться в воде или смачиваться ею).
Под влиянием различных воздействий золи легко переходят в твёрдое состояние:
У лиофобных коллоидов при этом наступает коагуляция: коллоидные частицы агрегируются в более крупные образования, дисперсность их уменьшается, что завершается осаждением коллоида и отделением его от жидкости в виде коллоидного осадка — коагулята.
У лиофильных коллоидов коллоидный раствор может превращаться в однородный плотный гель без разделения фаз, жидкость при этом будет связана коллоидными частицами. Гель может возникать и противоположным путём — не желатинизацией раствора коллоидных частиц, а вследствие набухания геля — в результате поглощения воды или другой жидкости твёрдым безводным коллоидом.
Гель как лекарственная форма представляет собой прозрачную почти бесцветную массу. Приготовляются гели из глицерина, трагаканта, желатина, агар-агара, крахмала и т. п.
Иное название гелей — безжирные мази, применяются они при жирной коже или в тех случаях, когда кожа не переносит жиров.
Достоинствами гелей являются их быстрая впитываемость в кожу, то, что они быстро высыхают и легко смываются, очищая кожу.
Примерами коллоидных веществ, образующих гели, могут служить агар-агар, желатин, кремниевая кислота. Желатин застывает в плотный гель уже при содержании его в жидкости в количестве 2–3%, агар-агар — даже при в десять раз более низких концентрациях.
СТРУКТУРА ГЕЛЕЙ
Гели обладают только ультрамикроскопической структурой, по Зигмонди они, подобно золям, состоят из отдельных коллоидных частиц, которым Негели дал название мицелл.
Cвойства твёрдых тел которыми обладают гели (способность сохранять форму, эластичность и т. п.) обусловлены сцеплением отдельных мицелл, образующих как бы тончайший каркас, пронизывающий основную массу жидкости во всех направлениях.
ДИФФУЗИЯ В ГЕЛЯХ
Такая структура гелей позволяет объяснить многие их свойства, и прежде всего — скорость диффузии растворённых в геле веществ, которая быстро уменьшается при увеличении вязкости геля, делаясь ничтожно малой при приближении его состоянию твёрдого вещества. Коллоиды в гелях не диффундируют.
Раствор соли в геле обладает значительной скоростью диффузии — например, хлорид натрия диффундирует в слабоконцентрированном желатиновом или агаровом геле почти с такой же скоростью, как в чистой воде, что объясняется только большим количеством воды, удерживаемой мицеллами коллоида.
Таким образом, гель чем-то напоминает губку пропитанную водой, сочетая механическую прочность с наличием массы свободной жидкости.
ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В ГЕЛЯХ
С диффузией в гелях тесно связаны и химические реакции в них протекающие.
Гели составляют лишь кажущееся исключение из правила «Вещества не реагируют, не будучи растворёнными» («Сorpora non agunt, nisi soluta»), так как благодаря подвижности в гелях молекул кристаллоидов и ионов, химические реакции в гелях могут протекать так же, как в растворах.
Сочетание свойств твёрдого тела и жидкости определяет биологическое значение гелей для живых организмов. Для жизнедеятельности клетки необходимы разнообразные сложные структуры которые могуть быть построены только с помощью гелей, так как должны сочетать механическую прочность с возможностью протекания в них биохимических реакций.
НАБУХАНИЕ ГЕЛЕЙ
На способности гелей связывать жидкости основано важное явление набухания (набуханием называется поглощение гелем жидкости, при этом объём его увеличивается, а плотность уменьшается).
Способность к набуханию у гелей неодинакова, в этом отношении их можно разделить на ограниченно и неограниченно набухающие. Неограниченно набухающие гели связывают всю жидкость до тех пор, пока концентрация коллоида их не уменьшится настолько, что они превратятся в золи. Ограниченно набухающие гели перестают связывать воду после достижения определенного максимума набухания.
Часто характер набухания одного и того же геля зависит от условий — например, ограниченно набухающие желатин и агар-агар при повышении температуры способны к неограниченному набуханию.
Давление набухания было известно и находило себе применение уже в древности: в каменоломнях для раскалывания скал в щели вбивались клинья из сухого дерева, разрывавшие камень при размачивании.
При набухании геля развивается значительное давление, особенно при поглощении первых порций воды (давление быстро падает по мере приближении к максимуму набухания). Например, при набухании крахмала в начале процесса давление набухания достигает 2500 атмосфер.
На процесс набухания большое влияние оказывает состав связываемой гелем жидкости. Добавление кислот и щелочей, изменяющих реакцию раствора, влияет на процесс набухания особенно сильно. Значительное влияние оказывают также ионы солей, особенно анионы (по степени влияния на набухание и другие коллоидные реакции отрицательно заряженные ионы расположены в ряды Гофмейстера, выражающие силу их действия). Большие концентрации солей обычно подавляют набухание, а неэлектролиты на связывание воды гелями влияют мало.
Набухание коллоидов тканей определяет осмотическое давление, связывание и распределение воды в них.
Особенно много воды поглощает соединительная ткань, при этом её составляющие связывают воду неодинаково: слабая щелочная реакция среды значительно усиливает поглощение воды основным веществом, а кислая — набухание волокон коллагена. Таким образом, даже небольшое изменение pH среды приводит к перераспределению жидкости между компонентами соединительной ткани.
ЭЛАСТИЧЕСКИЕ И НЕЭЛАСТИЧЕСКИЕ ГЕЛИ
Рассмотренные выше в качестве примеров гели набухают при поглощении воды и уменьшаются в объёме при её потере, оставаясь при этом однородными. Существует гели, которые при поглощении/потере жидкости ведут себя иначе, типичным представителем этой группы является силикагель.
При потере воды силикагель сжимается до некоторого предела, после которого, при дальнейшей потере воды, объём его уменьшаться перестаёт, за счёт образования между коллоидными частицами пустот (насыщеный водой стекловидный силикагель при высушивании становится непрозрачным). При повторном поглощении жидкости она сначала заполняет образовавшиеся в силикагеле пустоты, не увеличивая его объёма.
В соответствии с принципиально различным механизмом поглощения жидкости гели разделяются на эластические и неэластические.
Понятие набухание применимо только к эластическим гелям связывание ими жидкости специфично и характерно для химических взаимодействий, родственное растворению. Например, целлоидин набухает в этиловом спирте и этиловом эфире, каучук — в бензоле, но ни тот, ни другой не набухают в воде; желатин поглощает воду, но не спирт.
В гистологии при фиксации живых тканей основной задачей является превращение набухающих коллоидов в неэластические, не изменяющие форму и объём в действующих на них растворах.
В полости же ненабухающего неэластического геля под действием капилярных сил проникают любые смачивающие гель жидкости. Эластический гель может быть превращён в неэластический как посредством изменения коллоидного вещества, так и при использовании жидкости, которую данный гель не связывает.
ОБРАТИМОЕ РАЗЖИЖЕНИЕ И ЖЕЛАТИНИРОВАНИЕ ГЕЛЕЙ
При неограниченном набухании гель превращается в золь, дисперсный раствор коллоидных частиц.
Разжижаться и вновь отвердевать гель может и без поглощения им новых объёмов жидкости, а происходить, например, под температуры: многие гели разжижаются при повышении температуры и снова желатинируются при охлаждении. Также эти изменения могут быть вызваны изменениями в химическом составе геля, при течении в нём активных реакций или изменении концентрации солей.
Временное разжижение и снижение вязкости гелей при механическом воздействии (тиксотропия, от греческих слов τύχης — «прикосновение» и τροπή — «изменение, поворот») выражено в плазме клеток, например, оно происходит при делении клеток (образование кариокинетические фигур), при амебоидном движении (уплотнение наружного слоя протоплазмы и разжижение эндоплазмы) и др.