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

Все, что нужно знать о защите нетрадиционных объектов интеллектуальной собственности. Часть 1 Все, что нужно знать о защите нетрадиционных объектов интеллектуальной собственности. Часть 1

О творческих достижениях, не вписывающихся в рамки объектов авторского права

Наука и техника
Я уже выхожу Я уже выхожу

Что такое послеотпускная депрессия и как её избежать?

VOICE
«Кузнец – это в первую очередь инженер» «Кузнец – это в первую очередь инженер»

Как ученые исследуют магнитное поле Земли? Влияют ли на нас магнитные бури?

Знание – сила
«Девственницы-самоубийцы» по-питерски: как три сестры стали жертвами культа «Девственницы-самоубийцы» по-питерски: как три сестры стали жертвами культа

Как понять, что ваш близкий стал членом культа

Psychologies
Историк культуры Андрей Зорин: «Нельзя недооценивать то, чего можно добиться силой» Историк культуры Андрей Зорин: «Нельзя недооценивать то, чего можно добиться силой»

С чем связан рост ожесточения и откуда у молодежи ностальгия по прошлому

Forbes
Киберспорт: что это такое и сколько зарабатывают киберспортсмены? Киберспорт: что это такое и сколько зарабатывают киберспортсмены?

У людей до сих пор нет четкого понимания, в чем суть киберспорта

CHIP
4 самые частые причины сохранить несчастный брак: действительно ли они того стоят? 4 самые частые причины сохранить несчастный брак: действительно ли они того стоят?

Причины жить с мужчиной, который больше не хочет быть с тобой

Psychologies
Интервью с Ильей Альтшулером — о «Пикнике “Афиши”» и доходах фестиваля Интервью с Ильей Альтшулером — о «Пикнике “Афиши”» и доходах фестиваля

Как сохранить ДНК «Пикника» в новых реалиях и чем этот фестиваль удивит

СНОБ
Молчание Вселенной или парадокс Ферми: как ученые ищут инопланетные цивилизации Молчание Вселенной или парадокс Ферми: как ученые ищут инопланетные цивилизации

Как ученые объясняют отсутствие внеземных цивилизаций?

Forbes
Более молодой возраст повысил риск ампутации при реваскуляризации нижних конечностей Более молодой возраст повысил риск ампутации при реваскуляризации нижних конечностей

У кого повышенный риск ампутации при реваскуляризации нижних конечностей?

N+1
Балтика на волне Балтика на волне

Судоверфи Балтийской акватории помогут преодолеть дефицит грузового флота

Монокль
Картошка фри и оплата наличкой: что поможет в развитии IT-бизнеса в Латинской Америке Картошка фри и оплата наличкой: что поможет в развитии IT-бизнеса в Латинской Америке

На что обратить внимание IT-компаниям при выходе на рынок в Латинской Америке

Forbes
Война номеров Война номеров

«Империя»: Брюно Дюмон о битве Зла с Добром

Weekend
Все умерли Все умерли

10 героев сериалов, которых прикончили их безжалостные авторы

Weekend
Предки млекопитающих оказались медленнорастущими долгожителями Предки млекопитающих оказались медленнорастущими долгожителями

Ученые выяснили, что мелкие млекопитающие живут меньше, чем их предки

N+1
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
Лошадиная королевская фамилия Лошадиная королевская фамилия

«Моя леди Джейн»: кони и люди в альтернативной истории Англии XVI века

Weekend
Что нам зной Что нам зной

Это только кажется, что летом организму комфортнее, чем зимой

Лиза
Ветвистоусые летописцы водоёмов Ветвистоусые летописцы водоёмов

Кандидат биологических наук Антон Жаров — о кладоцерной палеореконструкции

Наука и жизнь
Тоннель в складчину Тоннель в складчину

Можно ли привлечь угольщиков к софинансированию модернизации Восточного полигона

Монокль
Один на один с собой: почему топ-менеджерам не хватает общения и как это исправить Один на один с собой: почему топ-менеджерам не хватает общения и как это исправить

65% опрошенных беспокоят вопросы выстраивания стратегии и партнерской работы

Inc.
Олимпиада по запретам: как МОК не дает спортсменам рекламировать себя и зарабатывать Олимпиада по запретам: как МОК не дает спортсменам рекламировать себя и зарабатывать

Как работает коммерция на Играх, и что запрещается даже самым титулованным

Forbes
«Страсти революции: Эмоциональная стихия 1917 года» «Страсти революции: Эмоциональная стихия 1917 года»

Как демонстрация против Временного правительства обернулась беспорядками

N+1
Яблоки миллиардеров: как богатые наследники продолжают покорять мировой теннис Яблоки миллиардеров: как богатые наследники продолжают покорять мировой теннис

Богатые наследники, которые профессионально занимаются теннисом

Forbes
Предатели Предатели

В истории каждого народа есть не только свои герои, но и антигерои

Дилетант
Город под землей: как строилось Московское метро Город под землей: как строилось Московское метро

Московское метро началось с одной линии протяженностью всего девять километров

ТехИнсайдер
Есть ли у вас порнозависимость? Изучите чек-лист из 5 пунктов Есть ли у вас порнозависимость? Изучите чек-лист из 5 пунктов

Порнозависимость: почему она возникает и как её выявить?

Psychologies
Мукомолы не могут договориться с хлебопеками Мукомолы не могут договориться с хлебопеками

Подорожание пшеницы привело к росту стоимости муки в ряде регионов

Монокль
«Не хочу быть кассиром»: почему зумеры отказываются от учебы и работы и плохо ли это «Не хочу быть кассиром»: почему зумеры отказываются от учебы и работы и плохо ли это

NEET: как зумеры придумали этот тренд и к чему он может привести?

Forbes
Ротавирус или отравление Ротавирус или отравление

Как распознать ротавирус, чем он может быть опасен?

Лиза
Открыть в приложении