Biomedical applications of hydrogels handbook

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii List of Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii Introduction to Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Hossein Omidian and Kinam Park Crosslinked Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Hydrogels Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Expansion of a Hydrogels Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Swelling Forces in Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Swelling Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Water in Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Hydrogels Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Hydrogels Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Hydrogels Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Part I Stimuli-Sensitive Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Stimuli-Responsive Hydrogels and Their Application to Functional Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Ryo Yoshida and Teruo Okano Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Stimuli-Responsive Gels as Functional Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Function of Mechanical Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Function of Information Transmission and Transformation . . . . . . . . . . 20 Function of Mass Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Cell-Sheet Engineering Using an Intelligent Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Cell-Sheet Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Intelligent Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Design of Network Structure for Functional Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Topological Gels, Double Network Structure Gels, Nanocomposite Gels . . . 29 Graft Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Microfabrication of Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Self-Oscillating Gels as Novel Biomimetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Design of Self-Oscillating Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Self-Oscillating Behaviors of the Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Self-Oscillation of the Miniature Bulk Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Control of Oscillation Period and Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 On–Off Regulation of Self-Beating Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Peristaltic Motion of Gels with Propagation of Chemical Wave . . . . . . . . 34 Design of Biomimetic Micro-/Nanoactuator Using Self-Oscillating Polymer and Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Self-Walking Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Microfabrication of the Gels by Lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Control of Chemical Wave Propagation in Self-Oscillating Gels Array . . . . 37 Self-Oscillating Polymer Chains as “Nanooscillator” . . . . . . . . . . . . . 38 Self-Flocculating/Dispersing Oscillation of Microgels . . . . . . . . . . . . . 38 Fabrication of Microgel Beads Monolayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Self-Oscillation Under Physiological Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . 41 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Feedback Control Systems Using Environmentally and Enzymatically Sensitive Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Irma Y. Sanchez and Nicholas A. Peppas Hydrogels as Basic Functional Elements of a Control System . . . . . . . . . . . . . 45 Hydrogels in Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Optical Transduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Mechanical Transduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Electric Transduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Limitation of Enzyme Secondary Substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Preservation of Enzyme Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Hydrogels as Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Magnetically Controlled Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Ultrasonically Controlled Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Electronically Controlled Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Photo-Controlled Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Thermally Controlled Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Chemically Controlled Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Protein-Responsive and Controlled Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Self-Regulated Hydrogel-Based Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 pH Feedback Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Temperature Feedback Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Protein Concentration Feedback Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Enzyme Cofactor Feedback System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Glucose Concentration Feedback Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Hydrogel-Based Feedforward and Cascade Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Biomolecule-Responsive Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Takashi Miyata Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Glucose-Responsive Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Glucose-Responsive Hydrogels Using Glucose Oxidase . . . . . . . . . . . . 66 Glucose-Responsive Hydrogels Using Phenylboronic Acid . . . . . . . . . . 67 Glucose-Responsive Hydrogels Using Lectin . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Protein-Responsive Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Enzyme-Responsive Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Antigen-Responsive Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Contents xi Other Biomolecule-Responsive Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Molecularly Imprinted Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Other Biomolecule-Responsive Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Stimuli-Responsive PEGylated Nanogels for Smart Nanomedicine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Motoi Oishi and Yukio Nagasaki Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Synthesis and Characterization of Stimuli-Responsive PEGylated Nanogels . . . . . 88 Tumor-Specific Smart 19F MRI Nanoprobes Based on pH-Responsive PEGylated Nanogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 pH-Responsive PEGylated Nanogels for Intracellular Drug Delivery Systems . . . . . 94 Smart Apoptosis Nanoprobe Based on the PEGylated Nanogels Containing GNPs for Monitoring the Cancer Response to Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Stimuli-Sensitive Microhydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Haruma Kawaguchi Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Stimuli-Sensitive Microgels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Preparation of Microhydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Stimuli Responsiveness of Microhydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Preparation of Inorganic Nanoparticles/Polymer Composite Microgels . . . . 112 Polymer Composite Microgel Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Metal Oxide Nanoparticles/Thermosensitive Polymer Composite Microgels . 114 Miscellaneous Nanoparticles/Thermosensitive Composite Microgels . . . . . 116 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Part II Hydrogels For Drug Delivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 In-Situ Gelling Stimuli-Sensitive PEG-Based Amphiphilic Copolymer Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Doo Sung Lee and Chaoliang He Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Thermogelling PEG–PNIPAM Block Copolymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Pluronic-Based In-Situ Forming Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Thermogelling PEG/PLGA Amphiphilic Block Copolymers . . . . . . . . . . . . . . 127 Thermogelling Star-Shaped and Graft PEG/PLGA Amphiphilic Copolymers . . . . . 131 Thermogelling PEG–PCL Amphiphilic Copolymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Thermogelling PEG-Based Amphiphilic Multiblock Copolymers . . . . . . . . . . . 134 pH- and Thermo-Sensitive PEG–Polyester Amphiphilic Copolymer Hydrogels . . . . 134 PEG-Based Amphiphilic Copolymers Modified by Anionic Weak Polyelectrolytes . . 135 PEG-Based Amphiphilic Copolymers Modified by Cationic Weak Polyelectrolytes . . 138 Quantum Dot/Polymer Composite Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Microbubble/Polymer Composite Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Drug Delivery System with Molecular Imaging Capability . . . . . . . . . . . . . . 191 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Part III Hydrogels for Tissue Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Hydrogels for Tissue Engineering Applications . . . . . . . . . . . . . . 203 Rong Jin and Pieter J. Dijkstra Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Hydrogels Designs for Tissue Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Crosslinking Methods to Form Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Chemical Crosslinking by Radical Polymerization . . . . . . . . . . . . . . . 206 Crosslinking Functional Groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Crosslinking by Enzymatic Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 Crosslinking by Stereocomplexation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Hydrogels by Thermo-Gelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Crosslinking by Self Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Crosslinking by Inclusion Complexation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Combining Physical and Chemical Crosslinking . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Naturally Derived Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Protein-Based Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Polysaccharides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Synthetic Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Hydrogels Based on PEG–PLA and PEG–PGA Copolymers . . . . . . . . . 217 Fumaric Acid-Based Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Hybrid Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Tissue Engineering Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 Bone Graft Substitutes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 Cartilage Regeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Composite Hydrogels for Scaffold Design, Tissue Engineering, and Prostheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 V. Guarino, A. Gloria, R. De Santis, and L. Ambrosio Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Basic Concepts and Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 Scaffolds for Tissue Regeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Hydrogels for Cartilage Tissue Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . 247 Pierre Weiss, Ahmed Fatimi, Jerome Guicheux, and Claire Vinatier Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 Characterization of Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Theory of Viscoelastic Behavior . . . . . . . . . .Cartilage Morphology, Properties and Diseases . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Composition of Articular Cartilage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Chondrocyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Histological Organization of Articular Cartilage . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Extracellular Matrix (ECM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Pathology of Articular Cartilage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Cartilage Repair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Cartilage Regeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Tissue Engineering (TE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Hydrogels Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 In Situ Crosslinkable Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Polymer Associations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Physical and Mechanical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Gelatin-Based Hydrogels for Controlled Cell Assembly . . . . . . . . . . 269 Xiaohong Wang, Yongnian Yan, and Renji Zhang Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Gelatin-Based Hydrogels for the Controlled Hepatocyte Assembly . . . . . . . . . . 274 Establishing a Multicellular Model by 3D Cell Assembly for Metabolic Syndrome . . 278 Cryopreservation of 3D Constructs Based on Controlled Cell Assembly . . . . . . . 280 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 Double Network Hydrogels as Tough, Durable Tissue Substitutes . . . . 285 Takayuki Murosaki and Jian Ping Gong Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 Robust Gels with High Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 DN Gels from Synthetic Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 Necking Phenomenon of DN Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 Local Damage Zone Model for the Toughening Mechanism of DN Gels . . . 290 Robust Gels from Bacterial Cellulose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Sliding Friction of Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 Frictional Behavior of Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 Dependence on Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 Sample Area Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Substrate Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Extremely Low Friction Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 Template Effect on Gels Surface Structure and Its Friction . . . . . . . . . . 295 Robust Hydrogels with Low Friction as Candidates for Artificial Cartilage . . . . . . 296 Wear Properties of Robust DN Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Biocompatibility of Robust DN Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Evaluation of Robust Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 Hydrogels Contact Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 Jiri Michalek, Radka Hobzova, Martin Pradny, and Miroslava Duskova Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 Contact Lens Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 Materials Used for Hydrogels Contact Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 HEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Other Glycol Methacrylates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Dihydroxy Methacrylates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Methacrylic Acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Acrylamides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 1-Vinyl-2-Pyrrolidone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 FDA Contact Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 Selected Types of Hydrogels Contact Lens Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Silicone Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Current Trends in Silicone-Hydrogels Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Part IV Hydrogels With Unique Properties . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Electroconductive Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 Ann M. Wilson, Gusphyl Justin, and Anthony Guiseppi-Elie Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 Inherently Conductive Electroactive Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 Electroconductive Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 Synthesis of Electroconductive Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Self-assembled Nanogel Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 Nobuyuki Morimoto and Kazunari Akiyoshi Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 Self-Assembled Polysaccharide Nanogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 Stimuli-Responsive Self-Assembled Nanogels . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 Thermoresponsive Nanogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 Dual Stimuli (Heat-Redox)-Responsive Nanogels . . . . . . . . . . . . . . . 343 Photoresponsive Nanogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 Biomedical Applications of Polysaccharide Nanogels . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 Design and Function of Nanogel-Based Hydrogels Materials . . . . . . . . . . . . . 346 Hybrid Gels Crosslinked by Polymerizable Nanogels . . . . . . . . . . . . . 346 Rapid Shrinking Hydrogels Using Nanogel Crosslinker . . . . . . . . . . . . 347 Biodegradable Nanogel-Crosslinked Hydrogels and Application in Regenerative Medicine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348Engineered High Swelling Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 Hossein Omidian and Kinam Park Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 Engineered Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 Purity of HSHs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 Hydrogels Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 Hydrogels Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 Engineered HSH Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 Superabsorbent Hydrogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 Grigoriy Mun, Ibragim Suleimenov, Kinam Park, and Hossein Omidian Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 Hydrogels Swelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 Mechanism of Hydrogels Swelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 The Effect of Neutralization and Acidity on the Swelling Capacity of Polycarbonic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 Donnan’s Equilibrium and Potential in a Hydrogels Solution System . . . . . . . . . 380 Effect of Concentration Redistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 Kinetics of Hydrogels Swelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 Name Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 Subject Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .