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

Ледовая жизнь Арктики Ледовая жизнь Арктики

Мало кто знает, какая разнообразная жизнь скрывается во льдах Арктики

Наука и жизнь
Голова в облаках Голова в облаках

Как отключиться от мыслей о делах?

VOICE
Фекалии станут лекарством Фекалии станут лекарством

Российским клиникам разрешат новый вид терапии — пересадку кишечной микробиоты

Монокль
Delta IV: конец истории Delta IV: конец истории

Последний пуск ракеты-носителя семейства Delta IV

Наука и Техника
В трёх действиях В трёх действиях

Почему Московские процессы 1936–1938 годов сравнивались с игрой кошки с мышью?

Дилетант
Северо-восторг Северо-восторг

Открываем в России невероятные места (и учимся выговаривать их названия)

VOICE
«Железный купол»: логика работы и техническое воплощение «Железный купол»: логика работы и техническое воплощение

О принципах работы и основах устройства эффективного противоракетного комплекса

Наука
Революционный порядок и безопасность Революционный порядок и безопасность

Полномочия органов ОГПУ неуклонно расширялись...

Дилетант
«Во всем дойти до самой сути…» «Во всем дойти до самой сути…»

Разговор с Вадимом Дудой о настоящем и будущем библиотек

Знание – сила
Помпеи — сундук с сокровищами, который никогда не перестанет удивлять Помпеи — сундук с сокровищами, который никогда не перестанет удивлять

В Инсуле 10 был обнаружен триклиний, украшенный невероятной красоты фресками

Наука
Мукомолы не могут договориться с хлебопеками Мукомолы не могут договориться с хлебопеками

Подорожание пшеницы привело к росту стоимости муки в ряде регионов

Монокль
Аннигиляция в вопросах и ответах Аннигиляция в вопросах и ответах

Что такое аннигиляция?

Наука и жизнь
Ротавирус или отравление Ротавирус или отравление

Как распознать ротавирус, чем он может быть опасен?

Лиза
Владимир Лифшиц Владимир Лифшиц

Биография Владимира Лифшица дает ответ на мучительные вопросы современности

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

Горжусь, я единственная актриса — кандидат наук

Коллекция. Караван историй
Камерный завод Камерный завод

Репортаж с производства комплексов видеофиксации

Цифровой океан
Бoрщ Бoрщ

Наваристый, ароматный, любимый суп, который готовили еще в XIV веке

КАНТРИ Русская азбука
Съестнoе, которого больше нет Съестнoе, которого больше нет

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

КАНТРИ Русская азбука
На языке природы На языке природы

Говорящие камни проекта SPLACES.STUDIO

Цифровой океан
Летние опыты Летние опыты

Спортивная активность летом: не будем пренебрегать мерами предосторожности

Лиза
Как страшный сон Как страшный сон

Технология WebAuthn приходит на смену паролям

Цифровой океан
Подводные лодки с воздухонезависимыми силовыми установками в российском и советском флоте Подводные лодки с воздухонезависимыми силовыми установками в российском и советском флоте

Этапы разработок электрохимических генераторов для ПЛ в СССР и России

Наука и Техника
Обмен любезностями Обмен любезностями

Противостояние Сталина и Троцкого в их в выступлениях и публицистических работах

Дилетант
Операция «Утка» Операция «Утка»

В 30-х годах Сталин решил, что выслать Троцкого за пределы СССР недостаточно...

Дилетант
Блокчейн при галстуке Блокчейн при галстуке

Цифровые финансовые активы в оценках бизнесменов-практиков

Цифровой океан
Достоевский на улице Сезам Достоевский на улице Сезам

«Эрик»: Бенедикт Камбербэтч в Нью-Йорке 1980-х

Weekend
Нога в туннеле Нога в туннеле

Судмедэксперт Клас Бушманн приоткрывает тайны своей мрачной профессии

P.I.C. Partner In Crime
«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
Философия библиотеки Философия библиотеки

Библиотека – в чем ее высшее назначение и сакральный смысл?

Знание – сила
Поговорим начистоту Поговорим начистоту

Ритуал очищения кожи летом должен быть особым

Лиза
Открыть в приложении