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

Герасим и топор, или Преступление без наказания Герасим и топор, или Преступление без наказания

Вероятно, это самое знаменитое описание преступления в мировой литературе

Дилетант
На педали жали: краткий таймлайн велосипедной формы На педали жали: краткий таймлайн велосипедной формы

Как с годами менялась одежда велосипедистов и велосипедисток

Правила жизни
Nudge. Архитектура выбора Nudge. Архитектура выбора

Как улучшить наши решения о здоровье, благосостоянии и счастье

kiozk originals
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
Приехали: почему космические спутники — новая головная боль для кибербеза Приехали: почему космические спутники — новая головная боль для кибербеза

С точки зрения кибербезопасности космические технологии вовсе не так надежны

Forbes
Как вернуться в ресурсное состояние после неудач: 3 простых шага Как вернуться в ресурсное состояние после неудач: 3 простых шага

Что означает удача на самом деле? И как вернуть ее после серии провалов?

Psychologies
Ваши цветы в этом очень нуждаются: 4 способа, как аккуратно стряхнуть пыль с комнатных растений Ваши цветы в этом очень нуждаются: 4 способа, как аккуратно стряхнуть пыль с комнатных растений

Как правильно вытирать пыль с комнатных растений

ТехИнсайдер
Гурьевская каша Гурьевская каша

Одна каша занимает особое место в гастрономической летописи страны

КАНТРИ Русская азбука
«Как жемчуг падает на нефритовую тарелку»: интересные факты о телебашне Шанхая «Как жемчуг падает на нефритовую тарелку»: интересные факты о телебашне Шанхая

Как создавалась телебашня Шанхая

ТехИнсайдер
«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
Почему кошки мяукают на нас: интересная особенность эволюции Почему кошки мяукают на нас: интересная особенность эволюции

Как кошки общаются с людьми?

ТехИнсайдер
Призывы к убийствам в эфире радио: 30 лет геноциду в Руанде Призывы к убийствам в эфире радио: 30 лет геноциду в Руанде

Как африканская страна пережила 100 страшных кровопролитных дней геноцида

ТехИнсайдер
9 признаков, указывающих на неверность супруга 9 признаков, указывающих на неверность супруга

Скрывая свою неверность, люди, как правило, ведут себя примерно одинаково

Psychologies
В поисках культурного кода В поисках культурного кода

Как у регионов страны сформировался ощутимый запрос на собственный стиль?

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Мхи могут сделать Марс пригодным для сельскохозяйственных культур Мхи могут сделать Марс пригодным для сельскохозяйственных культур

Земные мхи не только выживут на Марсе, но смогут изменить марсианские почвы

ТехИнсайдер
Болезнь Минамата: самое крупное в истории отравление ртутью Болезнь Минамата: самое крупное в истории отравление ртутью

Болезнь Минамата: как употребление загрязненных морепродуктов влияет на здоровье

ТехИнсайдер
Правила хранения джина, виски и водки Правила хранения джина, виски и водки

Почему водка иногда теряет свой вкус и откуда в виски появляются ноты резины?

СНОБ
«Возникла паника»: подорожают ли в России хлеб и мука «Возникла паника»: подорожают ли в России хлеб и мука

Дорожает ли мука, чем чреват рост ее экспорта и чего ждать от цен на хлеб

Forbes
Созданная указом Екатерины Великой Созданная указом Екатерины Великой

Ее привычно называют «Публичка». Сколь многое готовилось именно здесь!

Знание – сила
Этот мужчина ворвался в магазин и украл только 6 кексов! История вежливого вора из Канады Этот мужчина ворвался в магазин и украл только 6 кексов! История вежливого вора из Канады

Вор вымыл пол, прежде чем украсть шесть шоколадных кексов с шампанским

ТехИнсайдер
Еда и напитки в самолете: что заказать, а от чего воздержаться Еда и напитки в самолете: что заказать, а от чего воздержаться

Стоит ли пить и есть в самолете: советы экспертов

РБК
Вот это поворот Вот это поворот

Ищем (и находим) новую профессию в любом возрасте

VOICE
Миклош Хорти, всесильный местоблюститель Миклош Хорти, всесильный местоблюститель

Миклош Хорти: адмирал без флота, регент без короля

Дилетант
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
Фанатские теории по «Назад в будущее», которые все меняют Фанатские теории по «Назад в будущее», которые все меняют

Док хотел покончить с собой, Марти мертв и куда пропали ховерборды?

Maxim
Генная терапия: встречайте лекарства будущего Генная терапия: встречайте лекарства будущего

Насколько мы близки к победе над «плохой генетикой»?

Монокль
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
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
«Без технóты нет работы у пилотов». Обслуживание авиатехники «Без технóты нет работы у пилотов». Обслуживание авиатехники

Из каких этапов состоит техобслуживание летательных аппаратов

Наука и техника
Светлана Волкова: Надо прочитать пару погонных метров исторической литературы, чтобы создать одну страничку Светлана Волкова: Надо прочитать пару погонных метров исторической литературы, чтобы создать одну страничку

Светлана Волкова о том, почему интересно описывать жизнь в предчувствии урагана

СНОБ
Открыть в приложении