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

Крылатая дюжина Крылатая дюжина

У бабочек найдется чем удивить нас, кроме их знаменитой красоты!

Вокруг света
Один на острове Один на острове

25 вещей, которые непременно нужно сделать на Сахалине

2Xplore
Думать – правильно Думать – правильно

Психотерапевт, гуру ТВ и один из топов Сбера о себе и правилах, по которым живет

Psychologies
Нейросети DeepMind научились решать задачи на уровне серебряных медалистов Международной математической олимпиады Нейросети DeepMind научились решать задачи на уровне серебряных медалистов Международной математической олимпиады

Нейросети справились с четырьмя из шести задач IMO 2024 года

N+1
Титановое сердце на дисковых насосах Титановое сердце на дисковых насосах

Потребность в пересадке сердца в России составляет тысячи операций в год

Наука
Летняя любовь: правила счастливого романа Летняя любовь: правила счастливого романа

Считается, что будущего у курортных романов нет, но перспективы в них не главное

Новый очаг
На чём растут «сумки» и «денежки»? На чём растут «сумки» и «денежки»?

Чем примечательны пастушья сумка и ярутка?

Наука и жизнь
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
Альцгеймер в сахаре Альцгеймер в сахаре

Как ученые связывают болезнь Альцгеймера и сахарный диабет?

Наука
Достоевский на улице Сезам Достоевский на улице Сезам

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

Weekend
Вездесущий клещ Вездесущий клещ

Нина Тикунова поделилась своим видением клещевой проблемы в России и в мире

Наука
Ученые нашли нейроны, которые формируют связь детеныша и матери Ученые нашли нейроны, которые формируют связь детеныша и матери

В мозге мышат идентифицировали нейроны, формирующие сильную связь с матерью

ТехИнсайдер
«Сначала действуйте, потом думайте» и еще 5 способов улучшить сексуальное общение «Сначала действуйте, потом думайте» и еще 5 способов улучшить сексуальное общение

Есть некоторые общие принципы, по которым строится разговор о близости в паре

Psychologies
Остров спокойствия Остров спокойствия

Serenissima 1 — плод сотрудничества турецкой верфи и итальянского дизайн-бюро

Y Magazine
«Самое главное — не идти на компромисс с собственной совестью» «Самое главное — не идти на компромисс с собственной совестью»

Как устроен рынок производства полуфабрикатов и готовой еды

Монокль
Сам себе Капица Сам себе Капица

Ясная, четкая, позиция П. Л. Капицы заставляла власть пойти на уступки

Знание – сила
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
Вся надежда на русскую пчелу Вся надежда на русскую пчелу

Роспотребнадзор запретил ввоз пчел из Узбекистана, Казахстана и Киргизии

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

О принципах работы и основах устройства эффективного противоракетного комплекса

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

Как бороться с обидной и непрошенной критикой?

Psychologies
Стоит ли смотреть распиаренный «Собиратель душ» с Николасом Кейджем? Честная рецензия MAXIM Стоит ли смотреть распиаренный «Собиратель душ» с Николасом Кейджем? Честная рецензия MAXIM

Что не так с фильмом «Собиратель душ» с Николасом Кейджем?

Maxim
Устаревшая версия Устаревшая версия

Отрывки из автобиографии легендарного Терминатора — Арнольда Шварценеггера

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Мясо по-фрaнузки Мясо по-фрaнузки

Хотите озадачить гостя из Парижа – приготовьте ему свинину под сырной корочкой

КАНТРИ Русская азбука
Руины поэзии Руины поэзии

Петр Белый: гражданственный формализм

Weekend
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
«Севморпуть — это пока не бизнес. Это государственная задача» «Севморпуть — это пока не бизнес. Это государственная задача»

Сергей Чемко о буднях арктической морской логистики

Монокль
Марк Эйдельштейн: «Предпочитаю не загадывать на будущее» Марк Эйдельштейн: «Предпочитаю не загадывать на будущее»

Актер (и краш) Марк Эйдельштейн привез из Канн творческую свободу

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

Разговор с Вадимом Дудой о настоящем и будущем библиотек

Знание – сила
«Я сыта по горло неудачными отношениями»: 9 причин, почему женщины возвращаются к бывшим «Я сыта по горло неудачными отношениями»: 9 причин, почему женщины возвращаются к бывшим

Почему женщины не могут отпустить прошлые отношения?

Psychologies
Же-де-пом и крокет: старые виды спорта, которых больше нет на Олимпийских играх Же-де-пом и крокет: старые виды спорта, которых больше нет на Олимпийских играх

О видах спорта, в которых участники Олимпийских игр больше не состязаются

ТехИнсайдер
Открыть в приложении