Нанокомпозитные гидрогели

Нанокомпозитные гидрогели ( НК-гели ) представляют собой наполненные наноматериалами гидратированные полимерные сетки, которые обладают более высокой эластичностью и прочностью по сравнению с гидрогелями, изготовленными традиционным способом . ряд природных и синтетических полимеров Для создания нанокомпозитной сетки используется . Контролируя взаимодействия между наночастицами и полимерными цепями, можно создать ряд физических, химических и биологических свойств. ^{[ 1 ]} Комбинация органической (полимер) и неорганической (глина) структуры придает этим гидрогелям улучшенные физические, химические, электрические, биологические свойства, а также свойства набухания/снятия набухания, которых невозможно достичь с помощью любого материала в отдельности. ^{[ 2 ]} Вдохновленные гибкими биологическими тканями, исследователи используют углеродные, полимерные, керамические и/или металлические наноматериалы, чтобы придать этим гидрогелям превосходные характеристики, такие как оптические свойства и чувствительность к стимулам, которые потенциально могут быть очень полезны в медицине (особенно в области доставки лекарств и инженерии стволовых клеток). и механические поля. ^{[ 2 ]}

Нанокомпозитные гидрогели не следует путать с наногелем , наночастицей, состоящей из гидрогеля.

Синтез

Синтез нанокомпозитных гидрогелей — процесс, требующий специального материала и метода. Эти полимеры должны состоять из равноотстоящих друг от друга пластинок глины диаметром 30 нм, которые могут набухать и отслаиваться в присутствии воды. Тромбоциты действуют как поперечные связи, модифицируя молекулярные функции, что позволяет гидрогелям иметь превосходную эластичность и прочность, очень напоминающую биологическую ткань. ^{[ 3 ]} Использование пластинок глины, которые не набухают и не отслаиваются в воде, использование органического сшивающего агента, такого как N,N-метиленбисакриламид (БИС), смешивание глины и БИС или приготовление нанокомпозитных гидрогелей методом, отличным от поперечной сшивки, будет неудачно. ^{[ 4 ]}

Несмотря на все спецификации, процесс синтеза нанокомпозитных гидрогелей прост, а благодаря гибкой природе материала этим гидрогелям можно легко придать различные формы, такие как огромные блоки, листы, тонкие пленки, стержни, полые трубки, сферы. , сильфоны и неровные листы. ^{[ 5 ]}

Характеристики

Механический

Нанокомпозитные гидрогели прочны и могут выдерживать растяжение, изгиб, завязывание, раздавливание и другие модификации.

Растяжимый

Были проведены испытания на растяжение нанокомпозитных гидрогелей для измерения напряжения и деформации, которые они испытывают при удлинении при комнатной температуре. Результаты показывают, что этот материал можно растягивать до 1000% от его первоначальной длины. ^{[ 6 ]}

Сжатие

Гистерезис используется для измерения свойств сжатия нанокомпозитных гидрогелей, что показывает, что этот материал может выдерживать сжатие около 90%. , изготовленными традиционным способом Эти данные показывают, что нанокомпозитные гидрогели обладают превосходной прочностью по сравнению с гидрогелями , которые разрушились бы при меньшем сжатии.

Отек и чувствительность к раздражителям

Набухание, снятие отека

Пористая сеть частиц глины позволяет нанокомпозитным гидрогелям набухать в присутствии воды. Набухание (и снятие набухания) отличает NC-гели от гидрогелей традиционного производства (OR-гелей), поскольку это свойство, которого нет у OR-гелей. Свойство набухания гелей NC позволяет им собирать окружающий водный раствор, а не растворяться им, что делает их хорошими кандидатами в качестве носителей для доставки лекарств. ^{[ 7 ]}

Чувствительность к стимулам

Замечено, что нанокомпозитные гидрогели чувствительны к температуре и меняют температуру при изменении окружающей среды. ^{[ 8 ]} Неорганические соли при поглощении приведут к изменению температуры гидрогелей в сторону более низкой температуры, тогда как катионные поверхностно-активные вещества сместят температуру в другую сторону. Температура этих гидрогелей составляет около 40 градусов по Цельсию, что делает их возможным кандидатом на использование в качестве биоматериала. ^{[ 9 ]} Чувствительность гидрогелей к стимулам позволяет создать реагирующую систему высвобождения, при которой гидрогели могут быть разработаны для доставки лекарственного средства в ответ на изменения состояния организма.

Типы

Через углеродные наноматериалы

Нанокомпозитные гидрогели, армированные наноматериалами на основе углерода, механически прочны и электропроводны, что делает их пригодными для использования в биомедицине, тканевой инженерии, доставке лекарств, биосенсорстве и т. д. Свойство электропроводности этих гидрогелей позволяет им имитировать характеристики нервная, мышечная и сердечная ткани. Однако, несмотря на то, что эти нанокомпозитные гидрогели демонстрируют некоторые функции тканей человека в лабораторных условиях, необходимы дополнительные исследования, чтобы убедиться в их полезности в качестве заменителя тканей. ^{[ 10 ]}

Через полимерные наночастицы

Нанокомпозитные гидрогели с полимерными наночастицами предназначены для доставки лекарств и тканевой инженерии. Добавление полимерных наночастиц придает этим гидрогелям усиленную полимерную сеть, которая становится более жесткой и способна охватывать гидрофильные и гидрофобные лекарства наряду с генами и белками. Высокая способность поглощать напряжения делает их потенциальным кандидатом для инженерии хрящевой ткани. ^{[ 10 ]}

Через неорганические наночастицы

Большинство неорганических наночастиц, используемых для нанокомпозитных гидрогелей, уже присутствуют в организме и необходимы ему, поэтому не оказывают на него негативного воздействия. Некоторые из них, например кальций и кремний, помогают предотвратить потерю костной массы и развитие скелета. Другие, такие как наноглины, улучшают структурное образование и характеристики гидрогелей, приобретая свойства самовосстановления, огнестойкие структуры, эластичность, супергазобарьерную мембрану, маслоотталкивающие свойства и т. д. Уникальные свойства, получаемые за счет включения нанокомпозитных гидрогелей с неорганическими наночастицами. позволит исследователям работать над улучшением инженерии костной ткани. ^{[ 10 ]}

Через наночастицы металлов и металлооксидов

Электро- и теплопроводность, а также магнитные свойства металлов усиливают электропроводность и антибактериальные свойства нанокомпозитных гидрогелей при их включении. Свойство электропроводности необходимо для того, чтобы гидрогели начали формировать функциональные ткани и использоваться в качестве агентов визуализации, систем доставки лекарств, проводящих каркасов, переключаемой электроники, приводов и датчиков. ^{[ нужна ссылка ]}

Приложения

Исследователи искали материал, который мог бы имитировать свойства тканей, чтобы сделать процесс тканевой инженерии более эффективным и менее инвазивным для человеческого организма. Пористая взаимосвязанная сеть нанокомпозитных гидрогелей, созданная посредством поперечных связей, позволяет отходам и питательным веществам легко входить в структуру и выходить из нее, а их эластомерные свойства позволяют им приобретать желаемую анатомическую форму без необходимости предварительного формования. Пористая структура этого материала также облегчит процесс доставки лекарств , поскольку фармацевтические соединения, присутствующие в гидрогеле, могут легко выйти и абсорбироваться организмом. Кроме того, исследователи также изучают возможность использования нанокомпозитных гидрогелей с наночастицами серебра для антибактериальных применений и уничтожения микроорганизмов в медицинской и пищевой упаковке, а также в очистке воды. Гидрогели, наполненные наночастицами, имеют ряд биологических применений, в том числе: тканевую инженерию, химическое и биологическое зондирование, а также доставку лекарств и генов.

Тканевая инженерия

В качестве заменителей тканей нанокомпозитные гидрогели должны взаимодействовать с клетками и формировать функциональные ткани. Благодаря включенным наночастицам и наноматериалам эти гидрогели могут имитировать физические, химические, электрические и биологические свойства большинства нативных тканей. Каждый тип нанокомпозитных гидрогелей обладает своими уникальными свойствами, позволяющими имитировать определенные типы тканей животных.

Доставка лекарств

Появление нанокомпозитных гидрогелей позволяет обеспечить более специфичную и контролируемую по времени доставку лекарств разных размеров с повышенной безопасностью и специфичностью. В зависимости от способа внедрения лекарства в материал, например растворенного, заключенного в оболочку или прикрепленного, носитель лекарства будет называться по-разному: наночастицы, наносферы (когда лекарство равномерно диспергировано по полимерной сетке) или нанокапсулы (где лекарство равномерно распределено по полимерной сетке). препарат окружен полимерной оболочкой). ^{[ 7 ]} Эластомерная природа этого материала позволяет гидрогелям приобретать форму целевого участка, и, таким образом, гидрогели можно производить одинаково и использовать для всех пациентов. ^{[ 11 ]}

Гидрогели представляют собой средства контролируемой доставки лекарств, которые можно создать с желаемыми свойствами. ^{[ 12 ]} В частности, гидрогели могут быть разработаны для высвобождения лекарств или других агентов в ответ на физические характеристики окружающей среды, такие как температура и pH. ^{[ 12 ]} Чувствительность гидрогелей обусловлена их молекулярной структурой и полимерными сетками. ^{[ 12 ]}

Наночастицы гидрогеля имеют многообещающее будущее в области доставки лекарств. В идеале системы доставки лекарств должны «… максимизировать эффективность и безопасность терапевтического агента, доставляя соответствующее количество с подходящей скоростью и в наиболее подходящее место в организме». ^{[ 13 ]} Нанотехнологии, внедренные в гидрогели, потенциально могут удовлетворить все требования идеальной системы доставки лекарств. Гидрогели изучались с использованием различных нанокомпозитов, включая глину, золото, серебро, оксид железа, углеродные нанотрубки, гидроксиапатит и трикальцийфосфат. ^{[ 13 ]}

Наночастицы, во многом благодаря своим физическим свойствам, связанным с размером, очень полезны в качестве средств доставки лекарств. Они могут преодолевать физиологические барьеры и достигать конкретных целей. ^{[ 14 ]} Размер, поверхностный заряд и свойства наночастиц позволяют им проникать через биологические барьеры, чего не могут сделать большинство других носителей лекарств. ^{[ 14 ]} Если говорить еще точнее, наночастицы можно покрыть нацеливающими лигандами. ^{[ 14 ]} Способность наночастиц доставлять лекарства к конкретным целям предполагает возможность ограничения системных побочных эффектов и иммунных реакций. ^{[ 15 ]}

Способность наночастиц переносить и высвобождать лекарства также во многом зависит от характеристик, которые обусловлены небольшим размером и уникальным соотношением площади поверхности к объему наночастиц. Наночастицы обычно могут переносить лекарства двумя способами: лекарства могут быть либо связаны с внешней частью наночастиц, либо упакованы внутри полимерной матрицы наночастиц. ^{[ 14 ]} Наночастицы меньшего размера имеют более высокий коэффициент площади поверхности и, таким образом, могут связывать большое количество лекарства, в то время как наночастицы большего размера могут инкапсулировать большую часть лекарства внутри своего ядра. ^{[ 15 ]} Лучший метод загрузки лекарственного средства зависит от структуры связываемого лекарственного средства. Кроме того, загрузка лекарств может происходить по мере производства наночастиц или лекарства могут быть добавлены к уже существующим наночастицам. ^{[ 14 ]} Высвобождение лекарства во многом зависит от размера наночастицы, несущей его. Поскольку наночастицы могут быть связаны с поверхностью наночастиц, которая велика по сравнению с объемом частиц, лекарства могут высвобождаться быстро. Напротив, лекарства, содержащиеся в наночастицах, высвобождаются медленнее. ^{[ 14 ]}

Антибактериальные применения

Наночастицы серебра вставляются в трехмерные полимерные сетки нанокомпозитных гидрогелей для применения в антибактериальной активности и улучшении электропроводности. Присутствие ионов серебра либо останавливает дыхательный фермент от передачи электронов молекулам кислорода во время дыхания, либо предотвращает реакцию белков с тиоловыми группами (-SH) на мембране бактерий, что приводит к гибели бактерий и микроорганизмов без повреждения клеток млекопитающих. ^{[ 16 ]} Размер этих наночастиц серебра должен быть достаточно мал, чтобы пройти через клеточную мембрану, и поэтому необходимы дальнейшие исследования для производства их подходящих размеров.

Обеспокоенность

Некоторые опасения, связанные с гидрогелями, наполненными наночастицами, связаны с вероятностью разрыва или неполного высвобождения лекарств. ^{[ 13 ]} Хотя предполагается, что гидрогели, наполненные наночастицами, являются весьма перспективными методами доставки лекарств, белков, пептидов, олигосахаридов, вакцин и нуклеиновых кислот, необходимы дополнительные исследования в отношении нанотоксикологии и безопасности, прежде чем можно будет продолжить клиническое применение. ^{[ 14 ]} Кроме того, во избежание накопления крайне желательны биоразлагаемые гели и наночастицы. ^{[ 14 ]}

См. также

Ссылки

^ Кэрроу, Джеймс К.; Гахарвар, Ахилеш К. (ноябрь 2014 г.). «Биоинспирированные полимерные нанокомпозиты для регенеративной медицины» . Макромолекулярная химия и физика . 216 (3): 248–264. дои : 10.1002/macp.201400427 .
^ Jump up to: ^а ^б Сун, Фанфанг; Ли, Сяоцюн; Ван, Цюнь; Ляо, Лицюн; Чжан, Чао (август 2015 г.). «Нанокомпозитные гидрогели и их применение в доставке лекарств и тканевой инженерии» . Журнал биомедицинских нанотехнологий . 11 (1): 40–52. дои : 10.1166/jbn.2015.1962 . ПМИД 26301299 . Проверено 22 октября 2016 г. .
^ Харагути, К.; Такехиса, Т. (2002). «Интернет-библиотека Уайли» . Продвинутые материалы . 14 (16): 1120. doi : 10.1002/1521-4095(20020816)14:16<1120::aid-adma1120>3.0.co;2-9 .
^ Харагути, Кадзутоши (22 мая 2008 г.). «Нанокомпозитные гидрогели» (PDF) .
^ Харагути, Казутоши (1 сентября 2007 г.). «Нанокомпозитные гели: новые функциональные мягкие материалы». Макромолекулярные симпозиумы . 256 (1): 120–130. дои : 10.1002/masy.200751014 . ISSN 1521-3900 .
^ Харагути, Кадзутоши (1 июня 2007 г.). «Нанокомпозитные гидрогели». Современное мнение в области твердого тела и материаловедения . 11 (3–4): 47–54. Бибкод : 2007COSSM..11...47H . дои : 10.1016/j.cossms.2008.05.001 .
^ Jump up to: ^а ^б Хамиди, Мехрдад; Азади, Амир; Рафии, Педрам (14 декабря 2008 г.). «Наночастицы гидрогеля в доставке лекарств». Обзоры расширенной доставки лекарств . 2008 Сборник редакции. 60 (15): 1638–1649. дои : 10.1016/j.addr.2008.08.002 . ПМИД 18840488 .
^ Харагути, Кадзутоши; Ли, Хуан-цзюнь; Сун, Лиюань (2007). Ху, Ям Чун (ред.). «Уникальные оптические и физические свойства мягких, прозрачных, чувствительных к раздражениям нанокомпозитных гелей» . Жидкие кристаллы XI . 6654 : 66540О. Бибкод : 2007SPIE.6654E..0OH . дои : 10.1117/12.734714 . S2CID 102389571 .
^ Ся, Менгге; Ву, Вэйцзе; Лю, Фэнвэй; Теато, Патрик; Чжу, Мэйфан (01 августа 2015 г.). «Поведение набухания термочувствительных нанокомпозитных гидрогелей, состоящих из олиго(этиленгликолевых) метакрилатов и глины». Европейский журнал полимеров . 69 : 472–482. doi : 10.1016/j.eurpolymj.2015.03.072 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Гахарвар, Ахилеш К.; Пеппас, Николас А.; Хадемхосейни, Али (01 марта 2014 г.). «Нанокомпозитные гидрогели для биомедицинского применения» . Биотехнология и биоинженерия . 111 (3): 441–453. дои : 10.1002/бит.25160 . ISSN 0006-3592 . ПМЦ 3924876 . ПМИД 24264728 .
^ Шмидт, Гудрун; Ву, Чиа-Юнг; Кантер, Джейми М.; Дамму, Сандхья А.; Гахарвар, Ахилеш К. (2011). «Высокорастяжимые, прочные и эластомерные нанокомпозитные гидрогели из наночастиц полиэтиленгликоля и гидроксиапатита» . Биомакромолекулы . 12 (5): 1641–1650. дои : 10.1021/bm200027z . ПМИД 21413708 . Проверено 9 ноября 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Пеппас, Н.; Хилт, Дж. З.; Хадемхоссейни, А. Гидрогели в биологии и медицине: от молекулярных принципов к бионанотехнологии. Продвинутые материалы . [Онлайн] 2006 , 18, 1345–1360. (по состоянию на 4 октября 2015 г.).
^ Jump up to: ^а ^б ^с Чирилло, Г.; Хампель, С.; Спиццирри, У. Гибридные гидрогели углеродных нанотрубок в доставке лекарств: перспективный обзор. Biomed Research International, Хидави. [Онлайн] 2014 г. http://www.hindawi.com/journals/bmri/2014/825017/ (по состоянию на 4 октября 2015 г.).
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Гонсалвес, К.; Перьера, П.; Гама, М. Самособирающиеся наночастицы гидрогеля для доставки лекарств. Материалы . [Онлайн] 2010 , 3, 1420-1460. http://www.mdpi.com/journal/materials (по состоянию на 4 октября 2015 г.).
^ Jump up to: ^а ^б 1) Наяк С.; Лион, Л. Мягкая нанотехнология с мягкими наночастицами. Нанотехнологии. [Онлайн] 2005 , 44.47. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.200501321/pdf (по состоянию на 9 октября 2015 г.).
^ Чандра Бабу, А.; Прабхакар, Миннесота; Суреш Бабу, А.; Малликарджуна, Б.; Субха, MCS; Чододжи Рао, К. (2013). «Разработка и характеристика нанокомпозитных гидрогелей полу-IPN серебра для антибактериальных применений» . Международный журнал химии углеводов . 2013 : 1–8. дои : 10.1155/2013/243695 .

[1] Кэрроу, Джеймс К.; Гахарвар, Ахилеш К. (ноябрь 2014 г.). «Биоинспирированные полимерные нанокомпозиты для регенеративной медицины» . Макромолекулярная химия и физика . 216 (3): 248–264. дои : 10.1002/macp.201400427 .

[AppsDrugDeliver-2] Jump up to: ^а ^б Сун, Фанфанг; Ли, Сяоцюн; Ван, Цюнь; Ляо, Лицюн; Чжан, Чао (август 2015 г.). «Нанокомпозитные гидрогели и их применение в доставке лекарств и тканевой инженерии» . Журнал биомедицинских нанотехнологий . 11 (1): 40–52. дои : 10.1166/jbn.2015.1962 . ПМИД 26301299 . Проверено 22 октября 2016 г. .

[3] Харагути, К.; Такехиса, Т. (2002). «Интернет-библиотека Уайли» . Продвинутые материалы . 14 (16): 1120. doi : 10.1002/1521-4095(20020816)14:16<1120::aid-adma1120>3.0.co;2-9 .

[4] Харагути, Кадзутоши (22 мая 2008 г.). «Нанокомпозитные гидрогели» (PDF) .

[5] Харагути, Казутоши (1 сентября 2007 г.). «Нанокомпозитные гели: новые функциональные мягкие материалы». Макромолекулярные симпозиумы . 256 (1): 120–130. дои : 10.1002/masy.200751014 . ISSN 1521-3900 .

[6] Харагути, Кадзутоши (1 июня 2007 г.). «Нанокомпозитные гидрогели». Современное мнение в области твердого тела и материаловедения . 11 (3–4): 47–54. Бибкод : 2007COSSM..11...47H . дои : 10.1016/j.cossms.2008.05.001 .

[Hamidi_1638–1649-7] Jump up to: ^а ^б Хамиди, Мехрдад; Азади, Амир; Рафии, Педрам (14 декабря 2008 г.). «Наночастицы гидрогеля в доставке лекарств». Обзоры расширенной доставки лекарств . 2008 Сборник редакции. 60 (15): 1638–1649. дои : 10.1016/j.addr.2008.08.002 . ПМИД 18840488 .

[8] Харагути, Кадзутоши; Ли, Хуан-цзюнь; Сун, Лиюань (2007). Ху, Ям Чун (ред.). «Уникальные оптические и физические свойства мягких, прозрачных, чувствительных к раздражениям нанокомпозитных гелей» . Жидкие кристаллы XI . 6654 : 66540О. Бибкод : 2007SPIE.6654E..0OH . дои : 10.1117/12.734714 . S2CID 102389571 .

[9] Ся, Менгге; Ву, Вэйцзе; Лю, Фэнвэй; Теато, Патрик; Чжу, Мэйфан (01 августа 2015 г.). «Поведение набухания термочувствительных нанокомпозитных гидрогелей, состоящих из олиго(этиленгликолевых) метакрилатов и глины». Европейский журнал полимеров . 69 : 472–482. doi : 10.1016/j.eurpolymj.2015.03.072 .

[:0-10] Jump up to: ^а ^б ^с Гахарвар, Ахилеш К.; Пеппас, Николас А.; Хадемхосейни, Али (01 марта 2014 г.). «Нанокомпозитные гидрогели для биомедицинского применения» . Биотехнология и биоинженерия . 111 (3): 441–453. дои : 10.1002/бит.25160 . ISSN 0006-3592 . ПМЦ 3924876 . ПМИД 24264728 .

[11] Шмидт, Гудрун; Ву, Чиа-Юнг; Кантер, Джейми М.; Дамму, Сандхья А.; Гахарвар, Ахилеш К. (2011). «Высокорастяжимые, прочные и эластомерные нанокомпозитные гидрогели из наночастиц полиэтиленгликоля и гидроксиапатита» . Биомакромолекулы . 12 (5): 1641–1650. дои : 10.1021/bm200027z . ПМИД 21413708 . Проверено 9 ноября 2015 г.

[:1-12] Jump up to: ^а ^б ^с Пеппас, Н.; Хилт, Дж. З.; Хадемхоссейни, А. Гидрогели в биологии и медицине: от молекулярных принципов к бионанотехнологии. Продвинутые материалы . [Онлайн] 2006 , 18, 1345–1360. (по состоянию на 4 октября 2015 г.).

[:2-13] Jump up to: ^а ^б ^с Чирилло, Г.; Хампель, С.; Спиццирри, У. Гибридные гидрогели углеродных нанотрубок в доставке лекарств: перспективный обзор. Biomed Research International, Хидави. [Онлайн] 2014 г. http://www.hindawi.com/journals/bmri/2014/825017/ (по состоянию на 4 октября 2015 г.).

[:3-14] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Гонсалвес, К.; Перьера, П.; Гама, М. Самособирающиеся наночастицы гидрогеля для доставки лекарств. Материалы . [Онлайн] 2010 , 3, 1420-1460. http://www.mdpi.com/journal/materials (по состоянию на 4 октября 2015 г.).

[:4-15] Jump up to: ^а ^б 1) Наяк С.; Лион, Л. Мягкая нанотехнология с мягкими наночастицами. Нанотехнологии. [Онлайн] 2005 , 44.47. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.200501321/pdf (по состоянию на 9 октября 2015 г.).

[16] Чандра Бабу, А.; Прабхакар, Миннесота; Суреш Бабу, А.; Малликарджуна, Б.; Субха, MCS; Чододжи Рао, К. (2013). «Разработка и характеристика нанокомпозитных гидрогелей полу-IPN серебра для антибактериальных применений» . Международный журнал химии углеводов . 2013 : 1–8. дои : 10.1155/2013/243695 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]