Умный полимер

Умные полимеры , полимеры, реагирующие на стимулы , или функциональные полимеры — это высокоэффективные полимеры , которые изменяются в зависимости от окружающей среды, в которой они находятся.

Такие материалы могут быть чувствительны к ряду факторов, таких как температура , влажность , pH , химические соединения, длина волны или интенсивность света , электрическое или магнитное поле, и могут реагировать по-разному, например, изменять цвет или прозрачность, становиться проводящими. или проницаемы для воды или меняют форму ( полимеры с памятью формы ). Обычно небольших изменений в окружающей среде достаточно, чтобы вызвать значительные изменения свойств полимера. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Приложения

Умные полимеры появляются как в узкоспециализированных приложениях, так и в повседневных продуктах. Они используются для датчиков и исполнительных механизмов , таких как искусственные мышцы , производство гидрогелей , биоразлагаемой упаковки и, в значительной степени, в биомедицинской инженерии . Одним из примеров является полимер, который претерпевает конформационные изменения в ответ на изменение pH, и который можно использовать для доставки лекарств . ^{[ 4 ]} Другой — чувствительный к влажности полимер, используемый в самоадаптирующихся повязках на раны , которые автоматически регулируют баланс влаги внутри и вокруг раны. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Нелинейная реакция умных полимеров — вот что делает их такими уникальными и эффективными. Значительное изменение структуры и свойств может быть вызвано очень небольшим стимулом. Как только это изменение происходит, дальнейших изменений не происходит, а это означает, что происходит предсказуемый ответ «все или ничего» с полной однородностью по всему полимеру. Умные полимеры могут менять конформацию , адгезию или свойства удержания воды из-за небольших изменений pH, ионной силы , температуры, ультразвука или других факторов. Например, Кубота и др. разработали и загрузили реагирующие на ультразвук гидрогелевые микрошарики наночастицами кремнезема, которые высвобождались под ультразвуковой стимуляцией. ^{[ 7 ]}

Еще один фактор эффективности «умных» полимеров заключается во внутренней природе полимеров в целом. Сила реакции каждой молекулы на изменения стимулов складывается из изменений отдельных мономерных звеньев, которые сами по себе были бы слабыми. Однако эти слабые реакции, усугубляющиеся в сотни или тысячи раз, создают значительную силу для управления биологическими процессами.

Фармацевтическая промышленность напрямую связана с достижениями в области полимеров. В этой области полимеры играют значительную роль, и их достижения помогают всему населению во всем мире. Человеческое тело — это машина со сложной системой, работающая в ответ на химические сигналы. Полимеры играют роль технологии доставки лекарств, которая может контролировать высвобождение терапевтических агентов в периодических дозах. ^{[ 8 ]} Полимеры способны к молекулярному распознаванию и управлению внутриклеточной доставкой. ^{[ 8 ]} Умные полимеры выходят на поле, чтобы использовать преимущества молекулярного распознавания и, наконец, создать системы информирования и полимерные носители для облегчения доставки лекарств в систему организма.

Стимулы

Некоторые полимерные системы реагируют на температуру, претерпевая фазовый переход при более низкой критической температуре растворения . Одним из наиболее изученных таких полимеров является поли(N-изопропилакриламид) с температурой перехода около 33 °C. Некоторые гомологичные N- также алкилакриламиды демонстрируют поведение LCST, причем температура перехода зависит от длины гидрофобной боковой цепи. Выше температуры перехода эти полимеры становятся нерастворимыми в воде. Считается, что такое поведение обусловлено энтропией .

Классификация и химия

В настоящее время наиболее распространенным применением умных полимеров в биомедицине является целенаправленная доставка лекарств. С момента появления фармацевтических препаратов с замедленным высвобождением ученые столкнулись с проблемой поиска способов доставки лекарств в определенный участок тела без предварительного разложения их в высококислой среде желудка. Важным фактором также является предотвращение неблагоприятного воздействия на здоровые кости и ткани. Исследователи разработали способы использования умных полимеров для контроля высвобождения лекарств до тех пор, пока система доставки не достигнет желаемой цели. Это выделение контролируется либо химическим, либо физиологическим триггером.

Существуют линейные и матричные «умные» полимеры с различными свойствами в зависимости от реакционноспособных функциональных групп и боковых цепей. Эти группы могут реагировать на pH, температуру, ионную силу , электрические или магнитные поля и свет. Некоторые полимеры обратимо сшиты нековалентными связями , которые могут разрываться и реформироваться в зависимости от внешних условий. Нанотехнологии сыграли фундаментальную роль в разработке некоторых полимеров наночастиц, таких как дендримеры и фуллерены , которые применяются для доставки лекарств. Традиционное капсулирование лекарств осуществляется с использованием полимеров молочной кислоты . Более поздние разработки привели к образованию решетчатых матриц, которые удерживают интересующее лекарство интегрированным или захваченным между полимерными нитями.

Умные полимерные матрицы высвобождают лекарства в результате химической или физиологической реакции, изменяющей структуру, часто реакции гидролиза, приводящей к разрыву связей и высвобождению лекарства, поскольку матрица распадается на биоразлагаемые компоненты. Использование природных полимеров уступило место искусственно синтезированным полимерам , таким как полиангидриды , полиэфиры , полиакриловые кислоты , полиметилметакрилаты , полифталевые альдегиды и полиуретаны . гидрофильные , аморфные , низкомолекулярные полимеры, содержащие гетероатомы Было обнаружено, что (т.е. атомы, отличные от углерода), разлагаются быстрее всего. Ученые контролируют скорость доставки лекарств, изменяя эти свойства, регулируя тем самым скорость деградации.

Привито-блок -сополимер представляет собой два разных полимера, привитых вместе. Уже существует ряд патентов на различные комбинации полимеров с разными реакционноспособными группами. Продукт демонстрирует свойства обоих отдельных компонентов, что добавляет новое измерение к интеллектуальной полимерной структуре и может быть полезно для определенных применений. Сшивка гидрофобных и гидрофильных полимеров приводит к образованию мицеллоподобных структур, которые могут защищать доставку лекарственного средства через водную среду до тех пор, пока условия в целевом месте не вызовут одновременное разрушение обоих полимеров.

Подход «прививка и блокировка» может быть полезен для решения проблем, возникающих при использовании обычного биоадгезивного полимера — полиакриловой кислоты (ПАА). 7,4 быстро набухает и разлагается ПАК прилипает к поверхности слизистых оболочек, но при pH , что приводит к быстрому высвобождению лекарств, захваченных в ее матриксе. Комбинация PAAc с другим полимером, который менее чувствителен к изменениям при нейтральном pH, может увеличить время пребывания и замедлить высвобождение препарата, тем самым улучшая биодоступность и эффективность.

Гидрогели представляют собой полимерные сетки, которые не растворяются в воде, но набухают или разрушаются в изменяющейся водной среде. Они полезны в биотехнологии для разделения фаз, поскольку их можно использовать повторно или перерабатывать . Исследуются новые способы контроля потока или улавливания и высвобождения целевых соединений в гидрогелях. Были разработаны узкоспециализированные гидрогели для доставки и высвобождения лекарств в определенные ткани. Гидрогели из PAAc особенно распространены из-за их биоадгезивных свойств и огромной впитывающей способности .

Иммобилизация ферментов в гидрогелях — достаточно устоявшийся процесс. Обратимо сшитые полимерные сети и гидрогели могут аналогичным образом применяться к биологической системе, где реакция и высвобождение лекарства инициируются самой молекулой-мишенью. Альтернативно, ответ может быть включен или выключен продуктом ферментативной реакции . Это часто делается путем включения в гидрогель фермента, рецептора или антитела , которые связываются с интересующей молекулой. После связывания происходит химическая реакция , которая запускает реакцию гидрогеля. Триггером может быть кислород, воспринимаемый с помощью ферментов оксидоредуктазы или реакции, чувствительной к pH. Примером последнего является комбинированное удержание глюкозооксидазы и инсулина в pH-чувствительном гидрогеле. В присутствии глюкозы образование глюконовой кислоты ферментом запускает высвобождение инсулина из гидрогеля.

Двумя критериями эффективной работы этой технологии являются стабильность фермента и быстрая кинетика (быстрая реакция на триггер и восстановление после удаления триггера). было опробовано несколько стратегий В исследованиях диабета 1 типа , включающих использование аналогичных типов интеллектуальных полимеров, которые могут обнаруживать изменения уровня глюкозы в крови и запускать выработку или высвобождение инсулина. Аналогично, существует множество возможных применений подобных гидрогелей в качестве средств доставки лекарств при других состояниях и заболеваниях. ^{[ 9 ]}

Другие приложения

Умные полимеры предназначены не только для доставки лекарств. Их свойства делают их особенно подходящими для биосепарации . Время и затраты на очистку белков можно значительно сократить за счет использования «умных» полимеров, которые претерпевают быстрые обратимые изменения в ответ на изменение свойств среды. Конъюгированные системы уже много лет используются в физическом и аффинном разделении и иммуноанализах . Микроскопические изменения в структуре полимера проявляются в образовании осадка , который можно использовать для отделения захваченных белков из раствора.

Эти системы работают, когда белок или другая молекула, которую необходимо отделить от смеси, образует биоконъюгат с полимером и осаждается вместе с полимером, когда его окружение претерпевает изменения. Осадок удаляют из среды, отделяя таким образом нужный компонент конъюгата от остальной смеси. Удаление этого компонента из конъюгата зависит от восстановления полимера и возврата в исходное состояние, поэтому гидрогели очень полезны для таких процессов.

Другой подход к управлению биологическими реакциями с использованием «умных» полимеров заключается в получении рекомбинантных белков со встроенными сайтами связывания полимеров, близкими к сайтам связывания лигандов или клеток. Этот метод использовался для контроля активности связывания лигандов и клеток на основе различных триггеров, включая температуру и свет.

Умные полимеры играют важную роль в технологии самоадаптирующихся повязок на раны. В конструкции повязки представлены запатентованные сверхабсорбирующие синтетические полимеры, иммобилизованные в трехмерной волокнистой матрице, с дополнительной функцией гидратации, достигаемой за счет внедрения гидрогеля в сердцевину материала.

Принцип действия повязки основан на способности полимеров воспринимать и адаптироваться к изменению влажности и содержания жидкости во всех областях раны одновременно, а также автоматически и обратимо переключаться с абсорбции на гидратацию. Умное действие полимера обеспечивает активную синхронизированную реакцию перевязочного материала на изменения внутри и вокруг раны, чтобы постоянно поддерживать оптимальную влажную среду заживления. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Будущие приложения

Было высказано предположение, что можно разработать полимеры, которые со временем смогут обучаться и самокорректировать свое поведение. Хотя это может быть далекой возможностью, есть и другие, более осуществимые приложения, которые, похоже, появятся в ближайшем будущем. Одной из них является идея умных туалетов, которые анализируют мочу и помогают выявить проблемы со здоровьем. В области экологической биотехнологии интеллектуальные ирригационные также были предложены системы. Было бы невероятно полезно иметь систему, которая включается и выключается и контролирует удобрений концентрацию в зависимости от влажности почвы , pH и уровня питательных веществ . многие творческие подходы к системам адресной доставки лекарств, которые саморегулируются на основе своего уникального клеточного Также исследуются окружения.

Очевидны возможные проблемы, связанные с использованием умных полимеров в биомедицине . Наибольшее беспокойство вызывает возможность токсичности или несовместимости искусственных веществ в организме, включая продукты распада и побочные продукты . Однако умные полимеры имеют огромный потенциал в биотехнологиях и биомедицинских приложениях, если эти препятствия удастся преодолеть.

См. также

Ссылки

^ М.Шахинпур и Х.-Дж. Шнайдер, ред. Интеллектуальные материалы ; Королевское химическое общество, Кембридж, Великобритания, 2007 г.
^ М. Шварц, Ред. Умные материалы , CRC Press, Бока-Ратон, 2008 г.
^ Интеллектуальные материалы, редакторы: Мохсен, Шахинпур, Ханс-Йорг Шнайдер, Королевское химическое общество, Кембридж, 2007 г.
^ Галаев Игорь; Маттиассон, Бо, ред. (2010). Умные полимеры: применение в биотехнологии и биомедицине . ЦРК Пресс. ISBN 978-1439858165 . Проверено 20 марта 2013 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Уолкотт, Р.; Фишенич, В. (2014). «Полная стандартизация раневых повязок первого ряда до одного типа» . Сегодняшняя раневая клиника . 8 (3).
^ Перейти обратно: ^а ^б Патент США US9050211 B2 , Олег Синягин и Елена Качигина, «Самоадаптирующаяся и, при необходимости, адаптируемая повязка для ран», опубликована 9 июня 2015 г.
^ Кубота, Такеши; Курашина, Юта; Чжао, Цзяньи; Андо, Кейта; Оноэ, Хироаки (01 мая 2021 г.). «Доставка лекарств по требованию, запускаемая ультразвуком, с использованием гидрогелевых микрошариков с усилителем высвобождения» . Материалы и дизайн . 203 : 109580. doi : 10.1016/j.matdes.2021.109580 . ISSN 0264-1275 . S2CID 233958432 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Лихти, В.Б., Крисцио, Д.Р., Слотер, Б.В., и Пеппас, Н.А. (2012). Полимеры для систем доставки лекарств. Рукописи автора HHS. Список журналов. ЧВК.
^ Бордбар-Хиабани А., Гасик М. «Умные гидрогели для современных систем доставки лекарств» . Международный журнал молекулярных наук . 23 (7): 3665. doi : 10.3390/ijms23073665 .

[1] М.Шахинпур и Х.-Дж. Шнайдер, ред. Интеллектуальные материалы ; Королевское химическое общество, Кембридж, Великобритания, 2007 г.

[2] М. Шварц, Ред. Умные материалы , CRC Press, Бока-Ратон, 2008 г.

[3] Интеллектуальные материалы, редакторы: Мохсен, Шахинпур, Ханс-Йорг Шнайдер, Королевское химическое общество, Кембридж, 2007 г.

[4] Галаев Игорь; Маттиассон, Бо, ред. (2010). Умные полимеры: применение в биотехнологии и биомедицине . ЦРК Пресс. ISBN 978-1439858165 . Проверено 20 марта 2013 г.

[TWC-5] Перейти обратно: ^а ^б Уолкотт, Р.; Фишенич, В. (2014). «Полная стандартизация раневых повязок первого ряда до одного типа» . Сегодняшняя раневая клиника . 8 (3).

[Patent-6] Перейти обратно: ^а ^б Патент США US9050211 B2 , Олег Синягин и Елена Качигина, «Самоадаптирующаяся и, при необходимости, адаптируемая повязка для ран», опубликована 9 июня 2015 г.

[7] Кубота, Такеши; Курашина, Юта; Чжао, Цзяньи; Андо, Кейта; Оноэ, Хироаки (01 мая 2021 г.). «Доставка лекарств по требованию, запускаемая ультразвуком, с использованием гидрогелевых микрошариков с усилителем высвобождения» . Материалы и дизайн . 203 : 109580. doi : 10.1016/j.matdes.2021.109580 . ISSN 0264-1275 . S2CID 233958432 .

[Liechty-8] Перейти обратно: ^а ^б Лихти, В.Б., Крисцио, Д.Р., Слотер, Б.В., и Пеппас, Н.А. (2012). Полимеры для систем доставки лекарств. Рукописи автора HHS. Список журналов. ЧВК.

[9] Бордбар-Хиабани А., Гасик М. «Умные гидрогели для современных систем доставки лекарств» . Международный журнал молекулярных наук . 23 (7): 3665. doi : 10.3390/ijms23073665 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]