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

Юлия Галкина: «В кино самое главное — компания» Юлия Галкина: «В кино самое главное — компания»

Горжусь, я единственная актриса — кандидат наук

Коллекция. Караван историй
На солнечной стороне На солнечной стороне

Летний бакет-лист, чтобы не обгореть и не по(фото)стареть

Собака.ru
Вселенная Майнкрафта Вселенная Майнкрафта

В кубическом мире строят, копают и выживают более 130 миллионов игроков

Вокруг света
Голова в облаках Голова в облаках

Как отключиться от мыслей о делах?

VOICE
Эта приправа снизит давление и улучшит пищеварение! Узнайте о полезных свойствах кардамона Эта приправа снизит давление и улучшит пищеварение! Узнайте о полезных свойствах кардамона

Что стоит знать о лечебных свойствах кардамона?

ТехИнсайдер
Россия и Африка на пути к сотрудничеству Россия и Африка на пути к сотрудничеству

Зачем нам надо изучать Африку как можно лучше и глубже?

Знание – сила
Искусственный интеллект изменил прогнозирование погоды! И вот чего ждать в будущем от ИИ Искусственный интеллект изменил прогнозирование погоды! И вот чего ждать в будущем от ИИ

Почему искусственный интеллект точнее и быстрее прогнозирует погоду?

ТехИнсайдер
Не держит ручник: причины, и что делать, если не работает ручной тормоз Не держит ручник: причины, и что делать, если не работает ручной тормоз

Все о ручнике: почему не работает и как отрегулировать своими руками

РБК
Почему женщины убивают Почему женщины убивают

«Одержимая»: хоррор-драма про ужасы дремучего патриархата

Weekend
Дональд освобожденный Дональд освобожденный

Покушение на Дональда Трампа было обречено повлиять на американскую историю

Монокль
Как укрепить психическое здоровье? Просто отказаться от соцсетей на 2 недели Как укрепить психическое здоровье? Просто отказаться от соцсетей на 2 недели

Как двухнедельный детокс от социальный сетей скажется на ментальном состоянии

ТехИнсайдер
Расчеловечивание — это звучит гордо Расчеловечивание — это звучит гордо

Как Евгений Юфит перевел русский кинематограф безжалостности на новый уровень

Weekend
3 способа осадить критикана: советы читательницы комментирует психолог 3 способа осадить критикана: советы читательницы комментирует психолог

Как бороться с обидной и непрошенной критикой?

Psychologies
Новичок спасает «Спартак», фанаты освистывают «Краснодар»: итоги тура РПЛ Новичок спасает «Спартак», фанаты освистывают «Краснодар»: итоги тура РПЛ

Итоги второго тура чемпионата России по футболу

Forbes
Точно по протоколу Точно по протоколу

Восстанавливаем хронологию всемирно известных криминальных происшествий

P.I.C. Partner In Crime
Летотерапия Летотерапия

Простые летние тренинги, которые помогут достичь гармонии с собой

Лиза
Шалит в отпуске: хирург назвал главные способы защитить сердце в жаркую погоду Шалит в отпуске: хирург назвал главные способы защитить сердце в жаркую погоду

Что может случиться с сердцем в отпуске и как избежать рисков

ТехИнсайдер
«Маленькие белые рабовладельцы»: как табак влиял на войны, общество и моду «Маленькие белые рабовладельцы»: как табак влиял на войны, общество и моду

Как табак, вызывающий проблемы со здоровьем, стал спутником человека?

Forbes
Первая мировая война: от первого лица — дневниковые записи и письма с фронта Первая мировая война: от первого лица — дневниковые записи и письма с фронта

Что чувствовали и думали самые разные люди, участвовавшие в Первой Мировой

Знание – сила
Проблема поколения? Исследование: молодежь на работе страдает из-за одиночества и недооцененности Проблема поколения? Исследование: молодежь на работе страдает из-за одиночества и недооцененности

Почему молодые работники испытывают чувство одиночества на работе?

ТехИнсайдер
Свобода от нарцисса: как защититься от вторжений после расставания Свобода от нарцисса: как защититься от вторжений после расставания

Как защититься от вторжений бывшего в вашу жизнь?

Psychologies
Юбилеи круглые и не очень Юбилеи круглые и не очень

Кубик, змейка, шар, сварка в космосе и другие июльские события разных лет

Знание – сила
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
Фанни Фаталь Фанни Фаталь

«Когда кто-то на вас по-настоящему смотрит, вы забываете о камере»

Караван историй
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
Мучительно неточная Мучительно неточная

«Объясни мне, любовь»: Маргарете фон Тротта об Ингеборг Бахман

Weekend
Восемь мифов о правильной еде Восемь мифов о правильной еде

Давно опровергнутые, но устоявшиеся представления о правильной еде

Здоровье
ЦБ повысил ставку до 18%: что будет дальше ЦБ повысил ставку до 18%: что будет дальше

Банк России впервые за 7 месяцев повысил ключевую ставку на существенные 2 п.п

Forbes
Туда и обратно Туда и обратно

Как в классических детективах переплетаются персонажи и личности авторов

P.I.C. Partner In Crime
«Да пребудет со мной сила!»: практика самоподдержки «Да пребудет со мной сила!»: практика самоподдержки

Как развить навык самоподдержки?

Psychologies
Открыть в приложении