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

Непослушные (?) слова Непослушные (?) слова

В чём хитрость исключений, в чём особенность непослушных слов?

Наука и жизнь
В США врачи научились находить «идеальные» эмбрионы: почему их обвиняют в евгенике В США врачи научились находить «идеальные» эмбрионы: почему их обвиняют в евгенике

Технология Orchid позволяет обнаружить заболевания еще на стадии эмбриона

Psychologies
Птичий нюх Птичий нюх

С обонянием птицам не повезло — во всяком случае, так очень долго думали

Наука и жизнь
Зачем императору резец? Зачем императору резец?

История ученической гравюры императора Николая Павловича

Дилетант
Будет мальчик! Будет мальчик!

11 примет, которые предсказывают беременность и пол ребенка

Лиза
Вaренье из сосновых шишек Вaренье из сосновых шишек

Питаться шишками каждый день не будешь, но иногда – в самый раз!

КАНТРИ Русская азбука
«Академикам-медикам не нашлось места в зале общего собрания» «Академикам-медикам не нашлось места в зале общего собрания»

Исполнилось 80 лет со дня основания медицинской академии наук СССР

Наука
Дикие еноты решили головоломки с едой разными способами Дикие еноты решили головоломки с едой разными способами

Зоологи разместили ящики-головоломки с едой, и четверть енотов справились

N+1
В магазин за рекламными продуктами: что мешает развитию рынка ретейл-медиа в России В магазин за рекламными продуктами: что мешает развитию рынка ретейл-медиа в России

Почему рынок ретейл-медиа в России развивается так неравномерно?

Forbes
10 причин вашего несчастья 10 причин вашего несчастья

Почему вы можете чувствовать себя несчастными и что можно с этим сделать

Psychologies
И ты, Иван? И ты, Иван?

Почему гетман Иван Мазепа предал своего царя?

Дилетант
Небо в дерьмовых алмазах Небо в дерьмовых алмазах

Как Кристоф Бюхель издевается над художественными институциями

Weekend
5 причин появления перхоти 5 причин появления перхоти

Давайте признаем: перхоть раздражает и расстраивает. Почему она может появиться?

ТехИнсайдер
Цукаты Цукаты

Рассказываем, как, где и когда возникла идея засахаривать фрукты

КАНТРИ Русская азбука
Может ли молния ударить в машину и что будет, если это произойдет Может ли молния ударить в машину и что будет, если это произойдет

Безопасно ли находиться в машине во время грозы?

РБК
Лев, Единорог и библиотека Лев, Единорог и библиотека

Что это за эмблема и какое удивительное здание охраняют фигуры Льва и Единорога?

Знание – сила
Лето в городе Лето в городе

Как интересно провести время на отдыхе в городе

Здоровье
«Горжусь нашим кастингом» «Горжусь нашим кастингом»

Режиссер Анна Матисон об истории адвоката Плевако и историческом детективе

OK!
Почему слышен хруст при повороте руля и как это исправить Почему слышен хруст при повороте руля и как это исправить

Хруст при повороте руля — тревожный знак. Но где именно кроется неисправность?

РБК
Все побежали и я побежал Все побежали и я побежал

Почему марафоны и тренинги только уводят дальше от цели

VOICE
Балтика на волне Балтика на волне

Судоверфи Балтийской акватории помогут преодолеть дефицит грузового флота

Монокль
Люблю двоих Люблю двоих

Что делать, если нравятся сразу двое мужчин?

Лиза
«Мы вместе навсегда»: что такое фьючефейкинг — новый вид манипуляции «Мы вместе навсегда»: что такое фьючефейкинг — новый вид манипуляции

8 признаков того, что партнер фальсифицирует ваше общее будущее

Psychologies
Тельное из рыбы Тельное из рыбы

Вереница рыбных яств русской кухни продолжается, и тельное тоже в деле!

КАНТРИ Русская азбука
Троцкизм, как и было сказано Троцкизм, как и было сказано

Как с помощью «троцкизма» Сталин решил подорвать авторитет Троцкого

Дилетант
Ольга Сутулова: «Если ждать популярности и гонораров, они никогда не придут» Ольга Сутулова: «Если ждать популярности и гонораров, они никогда не придут»

Ольга Сутулова — о том, почему не хочет власти на площадке

VOICE
Тени прошлого: как исторические травмы семьи заставляет нас выбирать худшую жизнь Тени прошлого: как исторические травмы семьи заставляет нас выбирать худшую жизнь

Глава из книги «Один на один с жизнью»: как историческая память травмирует нас

Forbes
С особым Шармом: как сегодня меняется отдых на знаковом египетском курорте всех времен С особым Шармом: как сегодня меняется отдых на знаковом египетском курорте всех времен

Как и почему отпуск в Египте снова вырывается в топ и авангард

Правила жизни
Как стеклышко Как стеклышко

Заготовки летом. Как стерилизовать стеклянную тару в микроволновке?

Лиза
Мордвиновы Мордвиновы

Первый представитель рода Мордвиновых попал на Русь в статусе заложника

Дилетант
Открыть в приложении