Что такое умные полимеры и почему их использование в медицине так важно?

Наука и жизньНаука

Умные полимеры в медицине

Кандидат химических наук Анна Ефимова, химический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова.

Искусственные мышечные волокна из электроактивного полимерного материала для робототехники. Волокна сжимаются и разжимаются под действием электрического тока. Фото: Токийский технологический институт

В последние десятилетия стремительно развивается научная область, связанная с разработкой нового поколения полимерных материалов, получивших название умных, или интеллектуальных. Их свойства можно изменять небольшим воздействием физических, химических, биологических и иных стимулов.

Но давайте вспомним, что же такое полимеры. Это вещества, состоящие из макромолекул, которые, в свою очередь, построены из многократно повторяющихся мономерных звеньев. У макромолекул высокая молекулярная масса, а их размеры превосходят размеры «обычных» молекул в тысячи раз. Среди наиболее длинных из них — природные молекулы ДНК, число звеньев в цепи которых может достигать 109—1010. Свойства полимеров обусловлены большой длиной, цепным строением и гибкостью составляющих их макромолекул.

На основе умных полимеров получают материалы, запрограммированные на определённый отклик на внешнее воздействие. Внешними стимулами, резко изменяющими свойства полимеров, могут быть температура, рН, влажность, электрические или магнитные поля, облучение и др. Чтобы вызвать существенные изменения свойств материала, обычно достаточно незначительных изменений в окружающей среде.

Примеры умных полимеров — стимул-чувствительные материалы для биомедицинской инженерии, электрохромные материалы* для изготовления жидкокристаллических дисплеев, краска для автомобилей, «залечивающая» царапины. К числу умных материалов относятся и связующие почв, основу которых составляют поликомплексы с участием гидрогелей (сетчатых полимеров) и полимеров линейного строения. На поверхности почвы такой комплекс формирует защитную плёнку, препятствующую развитию водной и ветровой эрозии. При этом частицы гидрогеля можно использовать в качестве резервуара для биоактивных веществ, стимулирующих рост растений. Разработаны чувствительные полимерные сенсоры, сигнализирующие о присутствии вредных веществ изменением цвета. Примеры таких сенсоров — полимерные плёнки из материала, чувствительного к нитритам, под действием которых он меняет цвет, или же — полимер с порами, повторяющими форму молекул бензапирена, благодаря чему бензапирен легко проникает в полимерную матрицу, что сопровождается изменением цвета.

Но наиболее широко умные полимеры применяются в медицине. Их используют в малоинвазивной хирургии, 3D-биопечати, для восстановления тканей, создания биосенсоров, систем для контролируемой доставки лекарств, волокнистых каркасов тканеинженерных конструкций. На основе интеллектуальных полимеров разрабатывают материалы для замены сердечного клапана и кровеносных сосудов, персонализированные биомедицинские продукты.

Конечно, полимерные материалы, находящиеся в контакте с биологическими жидкостями, должны быть биосовместимыми, то есть сохранять функциональные свойства в течение предусмотренного срока эксплуатации, не вызывая при этом существенных негативных (воспалительных и аллергических) реакций в организме. Также они не должны оказывать токсическое действие на организм, провоцировать развитие инфекции. В некоторых случаях полимер должен быть биодеградируемым, например, если речь идёт о шовных материалах для хирургии, лекарственных препаратах с контролируемым процессом высвобождения биоактивных веществ, имплантатах.

Высвобождение лекарства из полимерной матрицы под действием стимула. В числе стимулов могут быть температура окружающей среды, изменение рН, облучение светом, действие магнитного или электрического поля. Рисунки Анны Ефимовой

Одно из частых применений интеллектуальных полимеров в биомедицине — направленная доставка лекарств. Под воздействием того или иного стимула полимеры контролируемо высвобождают лекарство в определённом месте организма. В итоге препарат доставляется более точно и эффективно, а заодно предотвращается его нежелательное воздействие на здоровые ткани и клетки. Стимулом для выделения лекарственного препарата может быть отклонение от нормы температуры тела или рН внутренней среды организма, изменения которых, как правило, сопровождают патологические процессы.

pH-чувствительные полимеры содержат способные к ионизации (ионогенные) группы. Это кислотные (например, карбоксильные или сульфогруппы) или основные группы (аминогруппы). При изменении pH среды и, соответственно, степени ионизации групп полимера существенно изменяются его свойства: конформация (форма), размер и растворимость. рН-чувствительные гидрогели представляют собой трёхмерную сеть из полимерных цепей, химически или физически связанных друг с другом. Они не растворяются, а лишь набухают в водных средах. Это свойство гидрогелей может быть использовано для создания различных тест-систем и получения контейнеров для доставки биоактивных веществ, высвобождающих лекарства при определённых значениях водородного показателя. Гидрогели не только выполняют функцию матрицы, которая дозированно высвобождает лекарство при определённых условиях, но и служат защитной оболочкой.

Изменение размера гидрогеля при изменении рН (кислотности) среды. Рисунки Анны Ефимовой

Например, создано саморегулирующееся лекарство для борьбы с сахарным диабетом. рН-чувствительный гидрогель, содержащий слабоосновные группы, насыщают инсулином, а затем инкапсулируют фермент глюкозооксидазу. Когда глюкоза, содержащаяся в крови, попадает в гидрогель, фермент окисляет её до глюконовой кислоты, которая вызывает ионизацию и, соответственно, набухание геля. Набухание геля сопровождается высвобождением инсулина. Чем больше глюкозы попадает в гидрогель, тем больше инсулина из него выделяется. То есть гидрогель в данном случае выступает в роли искусственной поджелудочной железы, выделяя инсулин в ответ на изменения концентрации глюкозы в крови.

Оболочки таблеток и капсул изготавливают из рН-чувствительных полимерных гелей на основе производных целлюлозы и метакриловой кислоты. Контролируемое высвобождение лекарства предотвращает негативное воздействие препарата, например, пищеварительного фермента или ацетилсалициловой кислоты на слизистую желудка, так как при низких значениях рН, характерных для среды желудка, эти полимеры нерастворимы. При попадании в кишечник — среду с более высокими значениями рН — полимерная оболочка начинает растворяться, высвобождая активное вещество. Так, от возможной инактивации в сильнокислой среде желудка полимерной оболочкой надёжно защищено лекарство для борьбы с панкреатитом, содержащее фермент поджелудочной железы амилазу.

Термочувствительные полимеры меняют свои свойства в ответ на изменения температуры. Одно из их уникальных свойств — наличие критической температуры растворения. Выше или ниже этой температуры высокомолекулярное соединение выпадает в осадок.

Такие полимеры, как и рН-чувствительные, применяются в системах доставки биоактивных соединений, в которых при изменении температуры среды запускается высвобождение лекарственного средства. Это может происходить при повышении температуры тела пациента или внешней температуры, как, например, в случае подкожных имплантатов, активируемых нагревом. Механизм высвобождения заключается в коллапсировании (резком уменьшении размера) гидрогеля при изменении температуры внешней среды, что сопровождается выходом инкапсулированного препарата.

Термочувствительные полимеры, используемые в качестве матрицы, можно разделить на две группы: полимеры с верхней критической температурой растворения (ВКТР) и с нижней критической температурой растворения (НКТР). Полимеры с ВКТР образуют гидрогели, которые резко уменьшаются в объёме при уменьшении температуры ниже критической. Это, например, поликапролактоны, сополимеры капролактона с гликолевой кислотой, три-блок-сополимеры полиэтиленгликоль-полипропиленгликоль-полиэтиленгликоль (плюроники). Полимеры с НКТР образуют гидрогели, степень набухания которых резко возрастает при уменьшении температуры, коллапс геля в этом случае наблюдается при увеличении температуры выше критической. К таким полимерам относятся N-замещённые полиакриламиды, среди них особый интерес представляет поли-N-изопропилакриламид, имеющий критическую температуру 32°С. На основе данного полимера создана система с контролируемым высвобождением жаропонижающего препарата. При температуре ниже критической гидрогель набухает, а при повышении — сжимается, высвобождая лекарство. Подобная система доставки может работать вплоть до полного исчерпания препарата.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Вездесущий клещ Вездесущий клещ

Нина Тикунова поделилась своим видением клещевой проблемы в России и в мире

Наука
Музыкальная память не слабеет даже в преклонном возрасте Музыкальная память не слабеет даже в преклонном возрасте

Музыку можно использовать для подкрепления памяти у людей в старшем возрасте

ТехИнсайдер
Живые ископаемые Живые ископаемые

Членистоногие не зря послужили источником вдохновения для фантастов

Наука и жизнь
По следам золотодобытчиков По следам золотодобытчиков

Как добывается золото в наши дни?

2Xplore
Как правильно говорить по телефону Как правильно говорить по телефону

Цитаты из старинных инструкций для владельцев телефона

Наука и жизнь
Секты, пластическая хирургия и жизнь с двойником: главные книжные новинки этого лета Секты, пластическая хирургия и жизнь с двойником: главные книжные новинки этого лета

Актуальные книжные новинки о телесности, сектах и «почетных арийцах»

Forbes
Дом у моря Дом у моря

Белоснежная вилла для летнего отдыха, со всех сторон открытая к морю

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Из колеи ARM в созвездие «Эльбруса»* Из колеи ARM в созвездие «Эльбруса»*

Каковы перспективы экосистемы вокруг процессора «Эльбрус»

Монокль
На чём растут «сумки» и «денежки»? На чём растут «сумки» и «денежки»?

Чем примечательны пастушья сумка и ярутка?

Наука и жизнь
Гурьевская каша Гурьевская каша

Одна каша занимает особое место в гастрономической летописи страны

КАНТРИ Русская азбука
Что делают пилоты, если самолет попадает в зону турбулентности: неожиданный ответ Что делают пилоты, если самолет попадает в зону турбулентности: неожиданный ответ

Может ли тряска привести к авиакатастрофе?

ТехИнсайдер
Самцы белощекой казарки посидели на гнездах в отсутствие самок Самцы белощекой казарки посидели на гнездах в отсутствие самок

Некоторые самцы казарки садились на гнезда, когда самки временно покидали их

N+1
Дмитрий Кюлленен Дмитрий Кюлленен

Дмитрий Кюлленен — ресторатор, который создает неопанк-вайбы

Собака.ru
Мой друг барабашка Мой друг барабашка

Как забрать домового с собой при переезде

Лиза
Все не так с Кевином Все не так с Кевином

«Ночной замес»: образцовый хоррор о подростках и маньяке в ТЦ

Weekend
Недетские вопросы: чему равняется масса облака, и почему оно не падает на Землю? Недетские вопросы: чему равняется масса облака, и почему оно не падает на Землю?

Если облака такие тяжелые, почему они не падают на Землю?

ТехИнсайдер
Поехали на машине? Поехали на машине?

«Для меня путешествия на машине — это свобода»

Новый очаг
«Брянский сад» заложит яблоки на хранение «Брянский сад» заложит яблоки на хранение

«Брянский сад» запустил первую очередь современного хранилища на 5 тыс. т

Агроинвестор
«Маркетплейс — это не просто программа для компьютера и торговая точка» «Маркетплейс — это не просто программа для компьютера и торговая точка»

Как и зачем регулировать электронные торговые площадки?

Монокль
«Король Лир» и еще три новых фильма из Якутии, победивших на фестивалях «Король Лир» и еще три новых фильма из Якутии, победивших на фестивалях

Зачем смотреть «Короля Лира» и другие якутские фестивальные хиты?

СНОБ
Фитнес-сладости: правда ли, что с ними можно похудеть? Фитнес-сладости: правда ли, что с ними можно похудеть?

Так ли ПП-сладости хороши для здоровья, как нам их рекламируют?

Psychologies
Дональд освобожденный Дональд освобожденный

Покушение на Дональда Трампа было обречено повлиять на американскую историю

Монокль
3 причины, почему вы переживаете из-за бывшей вашего мужчины 3 причины, почему вы переживаете из-за бывшей вашего мужчины

Почему наличие бывшей у партнера заставляет нас чувствовать себя неуверенно?

Psychologies
Сделка со временем: как заработать на будущих доходах других людей Сделка со временем: как заработать на будущих доходах других людей

Можно ли «купить» будущее?

Forbes
Роботы учатся у слонов технике мягкого и точного захвата Роботы учатся у слонов технике мягкого и точного захвата

Почему слоновий опыт очень важен для роботов с мягкими захватами

ТехИнсайдер
Зачем в Москве построили круглые дома и как в них живется Зачем в Москве построили круглые дома и как в них живется

В СССР придумали дома-бублики: как они устроены?

ТехИнсайдер
Самые неприхотливые и выносливые кроссоверы дешевле ₽1,5 млн Самые неприхотливые и выносливые кроссоверы дешевле ₽1,5 млн

Предложения кроссоверов на вторичном рынке дешевле 1,5 млн руб.

РБК
Дайте два. Как провести лето, чтобы отдохнуть Дайте два. Как провести лето, чтобы отдохнуть

После отдыха летом нужен еще один отдых... Как это исправить?

Новый очаг
Первые дивиденды и растущие операционные затраты: что нужно знать об отчете «Яндекса» Первые дивиденды и растущие операционные затраты: что нужно знать об отчете «Яндекса»

Что нужно знать инвестору о «Яндексе» и его финансовых результатах?

Forbes
Загадочные и грозные посланцы облаков Загадочные и грозные посланцы облаков

Издавна ученые пытались докопаться до сути этого стихийного явления — молнии

Наука и техника
Открыть в приложении