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

Валерия Ланская: «На первом месте — дети. На втором — отношения мужчины и женщины. И на третьем месте — карьера» Валерия Ланская: «На первом месте — дети. На втором — отношения мужчины и женщины. И на третьем месте — карьера»

Я тогда шла по улице и думала: «Ну все, теперь я другой человек»

Караван историй
Психолог Владимир Дашевский: «Не надо лечить человека от самого себя» Психолог Владимир Дашевский: «Не надо лечить человека от самого себя»

Врач-психотерапевт о том, что можно и нельзя говорить в кабинете у психолога

Maxim
Прирожденные экстремалы Прирожденные экстремалы

Кто живет в горячих источниках, вечной мерзлоте и Марианской впадине?

Вокруг света
«В России это самый неизвестный человек»: как отечественный ученый Владимир Хавкин спас мир от холеры и чумы «В России это самый неизвестный человек»: как отечественный ученый Владимир Хавкин спас мир от холеры и чумы

Как жил и работал создатель вакцин от холеры и чумы Владимир Хавкин

ТехИнсайдер
Россия выпала из топ-10 самых DDoS-атакуемых стран на фоне выборов по всему миру Россия выпала из топ-10 самых DDoS-атакуемых стран на фоне выборов по всему миру

Россия покинула список десяти самых DDoS-атакуемых стран мира

Forbes
Рaки донские Рaки донские

Самых вкусных раков ищите в казацких станицах под Ростовом-на-Дону

КАНТРИ Русская азбука
Кажется, пора бежать Кажется, пора бежать

Словарь абьюзера — разбираемся в тонкостях совсем не тонких понятий

P.I.C. Partner In Crime
Люди доплыли до островов Танимбар около 42 тысяч лет назад Люди доплыли до островов Танимбар около 42 тысяч лет назад

Ученые исследовали материалы, обнаруженные в раскопках на островах Танимбар

N+1
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
Страсть на мушке Страсть на мушке

Известная парочка гангстеров, орудовавшая в Америке в годы Великой депрессии

P.I.C. Partner In Crime
В расцвете чувств В расцвете чувств

Летний сезон богат на события и неожиданные повороты в судьбе.

Лиза
Как предотвратить измену в молодом, среднем и зрелом возрасте? Как предотвратить измену в молодом, среднем и зрелом возрасте?

Что толкает нас за пределы пары и можно ли избежать неверности?

Psychologies
«Ты альтушка или хиппи?» Путеводитель по новым (старым) субкультурам «Ты альтушка или хиппи?» Путеводитель по новым (старым) субкультурам

Чем живут и о чем мечтают представители современных субкультур

Правила жизни
Как отбросить сожаления: 8 простых способов Как отбросить сожаления: 8 простых способов

Стоит ли долго заниматься самобичеванием, если вы совершили ошибку?

Psychologies
Лифт в космос: бред или возможное будущее, которое нам устроят японцы? Лифт в космос: бред или возможное будущее, которое нам устроят японцы?

Можно ли построить лифт в космос? Зачем он нужен?

ТехИнсайдер
Сериалу «Санта-Барбара» 40 лет! Как эпохальная мыльная драма изменила постсоветское и мировое телевидение Сериалу «Санта-Барбара» 40 лет! Как эпохальная мыльная драма изменила постсоветское и мировое телевидение

Один из самых известных ситкомов «Санта-Барбара» празднует юбилей

Правила жизни
Равняйсь! Равняйсь!

Неправильный прикус у детей: как исправить

Лиза
Наша прекрасная Анастасия Заворотнюк Наша прекрасная Анастасия Заворотнюк

Карьера, обретение личного счастья и роковая болезнь Анастасии Заворотнюк

Лиза
Мир идей Ричарда Оуэна Мир идей Ричарда Оуэна

В вину ему ставят многое — кто же такой Ричард Оуэн и что он сделал в науке?

Знание – сила
Дин Итэн: «Жизни обычных людей во всем мире похожи друг на друга» Дин Итэн: «Жизни обычных людей во всем мире похожи друг на друга»

Премьера спектакля китайского режиссера Дин Итэна «Я не убивала своего мужа»

Монокль
Война номеров Война номеров

«Империя»: Брюно Дюмон о битве Зла с Добром

Weekend
Мягкого робота научили отбрасывать ноги Мягкого робота научили отбрасывать ноги

Новый тип соединения для роботов, который позволяет им отбрасывать конечности

N+1
Что делать, если не приходят СМС с кодом подтверждения: решить проблему сможет каждый Что делать, если не приходят СМС с кодом подтверждения: решить проблему сможет каждый

Почему не приходят сообщения с кодом подтверждения и как исправить эту ошибку

ТехИнсайдер
Почему женщины убивают Почему женщины убивают

«Одержимая»: хоррор-драма про ужасы дремучего патриархата

Weekend
«Я предложила маме жить с нами, если она бросит пить, или самой за себя отвечать»: история читательницы «Я предложила маме жить с нами, если она бросит пить, или самой за себя отвечать»: история читательницы

Как побороть стыд за родственников, злоупотребляющих алкоголем

Psychologies
«Рано или поздно цивилизация начинает сходить с ума и уничтожает себя. Как мы сейчас» «Рано или поздно цивилизация начинает сходить с ума и уничтожает себя. Как мы сейчас»

Что такое экзопланеты? Как они были открыты? Может ли на них существовать жизнь?

Наука
«Красная книга – это не просто книжка с картинками» «Красная книга – это не просто книжка с картинками»

Чем ценны суслики, почему важно их изучать и зачем надо их охранять

Наука
Почему «счастливые часов не наблюдают»? Так работает мозг Почему «счастливые часов не наблюдают»? Так работает мозг

Увеличение нашей активности влияет на то, как наш мозг отсчитывает время

ТехИнсайдер
9 способов использования эфирных масел на кухне 9 способов использования эфирных масел на кухне

Как поддерживать чистоту на кухне с помощью эфирных масел

VOICE
«Санни»: черная комедия с Рашидой Джонс о женщине, которая ищет пропавших мужа и сына «Санни»: черная комедия с Рашидой Джонс о женщине, которая ищет пропавших мужа и сына

«Санни»: проект, скрывающий за маской черной комедии драму и детектив

Forbes
Открыть в приложении