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

Философия библиотеки Философия библиотеки

Библиотека – в чем ее высшее назначение и сакральный смысл?

Знание – сила
Кто впервые стукнул по столу и крикнул «рыба!»: история появления легендарной игры домино Кто впервые стукнул по столу и крикнул «рыба!»: история появления легендарной игры домино

Когда и кем было придумано домино?

ТехИнсайдер
Шелковые врата Шелковые врата

Как японская художница Мари Нэромэ создает нечто новое из традиционного

Вокруг света
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
Почему Toyota Crown Signia считается лучшим универсальным автомобилем? Почему Toyota Crown Signia считается лучшим универсальным автомобилем?

Toyota выпустила «мастера на все руки», не имеющего конкретной специализации

4x4 Club
В поисках культурного кода В поисках культурного кода

Как у регионов страны сформировался ощутимый запрос на собственный стиль?

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Действие бездействия Действие бездействия

Почему «Три сестры» стали образцовой пьесой Нового времени

Weekend
Вы рыбов продаете? Красивое! Вы рыбов продаете? Красивое!

Несколько приятных мест для речного отдыха и этичной рыбалки

2Xplore
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
Что мы рассказываем о себе, говоря о других: 5 примеров Что мы рассказываем о себе, говоря о других: 5 примеров

То, что мы больше всего критикуем и хвалим в других людях, говорит о нас самих

Psychologies
Съестнoе, которого больше нет Съестнoе, которого больше нет

Буква «ъ» – хороший повод поговорить об утраченном, в том числе и в кулинарии

КАНТРИ Русская азбука
Скворцов. Плотников. Горошко Скворцов. Плотников. Горошко

Плотников, Скворцов и Горошко на реабилитации после шоковой психотерапии

Собака.ru
Вступил в силу новый порядок возврата переведенных мошенникам денег: какие есть риски Вступил в силу новый порядок возврата переведенных мошенникам денег: какие есть риски

Почему финансовые организации теперь должны проверять все переводы клиентов

Forbes
Трогать запрещается! Трогать запрещается!

Какие ядовитые растения могут омрачить летний отдых на природе?

Здоровье
Пять ошибок Пять ошибок

Как Брут из властителя Рима превратился в государственного преступника?

Дилетант
«Найти идею и правильно ее упаковать». Эксперты — о развитии туризма в России «Найти идею и правильно ее упаковать». Эксперты — о развитии туризма в России

Эксперты — о создании эффективного туристического продукта

СНОБ
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
В 18 лет обнаружили аллергию на оргазм! История бедолаги из США с синдромом посторгазмического недомогания В 18 лет обнаружили аллергию на оргазм! История бедолаги из США с синдромом посторгазмического недомогания

Почему один юный американец «активно избегал» секса или романтических отношений?

ТехИнсайдер
ТОП-3 растительных масел для готовки ТОП-3 растительных масел для готовки

Лучшие полезные растительные масла, которые сделают ваши блюда вкусными

ТехИнсайдер
Он такой классный: Лев Зулькарнаев — о том, как сыграть человека с аутизмом, слезах, стихах и любви Он такой классный: Лев Зулькарнаев — о том, как сыграть человека с аутизмом, слезах, стихах и любви

О ремесле, написании стихов, нелинейности времени, Боге и, конечно, любви

Правила жизни
Больше чем муза Ницше и ученица Фрейда: как Лу Саломе стала влиятельным философом Больше чем муза Ницше и ученица Фрейда: как Лу Саломе стала влиятельным философом

История писательницы, философа и психоаналитика Лу Саломе

Forbes
Щи Щи

Щи: универсальности этого супа можно лишь подивиться

КАНТРИ Русская азбука
Фильмы, которые совершили революцию в кино и вышли уже при нашей жизни Фильмы, которые совершили революцию в кино и вышли уже при нашей жизни

Фильмы, которые перевернули киноиндустрию

Maxim
Как United Airlines обслуживает клиентов с помощью ИИ и сколько она на этом выиграла, а не потеряла Как United Airlines обслуживает клиентов с помощью ИИ и сколько она на этом выиграла, а не потеряла

United Airlines использует ИИ, чтобы передавать клиентам важную информацию

Inc.
5 книг о людях с экстрасенсорными способностями 5 книг о людях с экстрасенсорными способностями

Книги, которые исследуют мир экстрасенсорных способностей

Maxim
Танцы на льду Танцы на льду

Пересекаем замерзший Байкал от поселка Усть-Баргузин до Северобайкальска

2Xplore
Проклятия, сглаз, завистливые матери и Карл Юнг: черная магия глазами психолога Проклятия, сглаз, завистливые матери и Карл Юнг: черная магия глазами психолога

Поэтому многие в сложных жизненных ситуациях предпочитают полагаться на магию?

Psychologies
«Я влюбляюсь в людей, которых даже не знаю»: 6 признаков того, что вы в парасоциальных отношениях «Я влюбляюсь в людей, которых даже не знаю»: 6 признаков того, что вы в парасоциальных отношениях

Как влюбленность в знаменитостей мешает построить настоящие отношения?

Psychologies
Смерть на параде Смерть на параде

История покушения на президента Египта Анвара Садата

Дилетант
Кошачий десант: почему кошки всегда приземляются на лапы? И всегда ли это правило срабатывает? Кошачий десант: почему кошки всегда приземляются на лапы? И всегда ли это правило срабатывает?

Как кошкам удается менять положение тела в воздухе без посторонней помощи?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении