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

Профессия: вивисектор Профессия: вивисектор

Замкнутый круг насилия: ревизия фильмографии мастера страшных парадоксов

Weekend
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
Скорпионы и лавры: говорящие детали Скорпионы и лавры: говорящие детали

10 портретов-ребусов эпохи Возрождения

Вокруг света
«Лето, лето, сказочное лето! От чудес кружится голова…» Стихи Тимофея Белозерова. Летние театры Российской империи «Лето, лето, сказочное лето! От чудес кружится голова…» Стихи Тимофея Белозерова. Летние театры Российской империи

Легендарные летние дачные театры Российской империи

Караван историй
Спектакль на костях: самые известные случаи фальсификации собственной смерти Спектакль на костях: самые известные случаи фальсификации собственной смерти

Истории героев, которые попытались инсценировать собственные смерти

ТехИнсайдер
Проблема поколения? Исследование: молодежь на работе страдает из-за одиночества и недооцененности Проблема поколения? Исследование: молодежь на работе страдает из-за одиночества и недооцененности

Почему молодые работники испытывают чувство одиночества на работе?

ТехИнсайдер
«Такую никто не возьмет»: как в традиционном обществе относятся к пережившим насилие «Такую никто не возьмет»: как в традиционном обществе относятся к пережившим насилие

Отрывок из романа, в котором героиня выступила против традиционного общества

Forbes
Что такое книготерапия и как сформировать домашнюю библиотеку — отвечает книжный консультант Что такое книготерапия и как сформировать домашнюю библиотеку — отвечает книжный консультант

О том, как формируются индивидуальные стратегии чтения

СНОБ
Балтимор слезам не верит Балтимор слезам не верит

«Женщина в озере»: сериальный дебют Натали Портман

Weekend
Маргарита Аброськина: «Мне на многое интересно пойти ради роли» Маргарита Аброськина: «Мне на многое интересно пойти ради роли»

Нам, балетным детям, казалось, что все остальные люди в мире — неудачники

Караван историй
Сколько энергии нужно женщине, чтобы выносить ребенка? Ученые дали простой и интересный ответ! Сколько энергии нужно женщине, чтобы выносить ребенка? Ученые дали простой и интересный ответ!

Рождение ребенка обходится женщине энергетически «очень дорого»

ТехИнсайдер
Вы больше не захотите выпивать перед и во время полета! Ученые раскрыли опасность употребления алкоголя в самолете Вы больше не захотите выпивать перед и во время полета! Ученые раскрыли опасность употребления алкоголя в самолете

Почему не стоит пить алкоголь на борту самолета?

ТехИнсайдер
Чем мне помогла терапия принятия и ответственности: личный опыт и немного теории Чем мне помогла терапия принятия и ответственности: личный опыт и немного теории

Как подружиться со своими эмоциями и перестать их подавлять?

Psychologies
Переработки за бесценок: что и в каких условиях шьют женщины в российских колониях Переработки за бесценок: что и в каких условиях шьют женщины в российских колониях

Сколько получают женщины в колониях? Помогут ли им новые навыки на свободе?

Forbes
«Нарушение временных границ»: как быть тем, кто опаздывает, и тем, кто ждет «Нарушение временных границ»: как быть тем, кто опаздывает, и тем, кто ждет

Какие внутренние причины могут скрываться за неспособностью прийти вовремя?

Psychologies
Из пентхауса за решетку: самые громкие суды над миллиардерами Из пентхауса за решетку: самые громкие суды над миллиардерами

13 громких судов над богатейшими людьми

Forbes
Самый дорогой роман Толстого и долги Достоевского: сколько зарабатывали писатели Самый дорогой роман Толстого и долги Достоевского: сколько зарабатывали писатели

Какие суммы зарабатывали писатели-классики литературным трудом

Forbes
Что делать, когда старые травмы напоминают о себе: 4 шага Что делать, когда старые травмы напоминают о себе: 4 шага

Почему травмы возвращаются? Как с ними справляться?

Psychologies
Спасти Станислава: как в России впервые вытащили кита из сетей и почему это произошло Спасти Станислава: как в России впервые вытащили кита из сетей и почему это произошло

Как проходила первая в России операция по спасению из сетей кита

Forbes
5 психологических советов, которые помогут пережить развод 5 психологических советов, которые помогут пережить развод

Как поддержать себя во время развода?

Psychologies
Тот самый «гормон счастья» Тот самый «гормон счастья»

За что отвечает серотонин и как повысить его уровень

Лиза
Как разрушить отношения: 6 нереалистичных ожиданий Как разрушить отношения: 6 нереалистичных ожиданий

Какими должны быть отношения? Как их не испортить?

Psychologies
Половой покой: как долго можно не заниматься сексом без вреда для здоровья — мнение врача Половой покой: как долго можно не заниматься сексом без вреда для здоровья — мнение врача

Как сказывается отсутствие интима на здоровье?

Psychologies
Ай, болит… Почему болит живот после еды: неожиданные причины Ай, болит… Почему болит живот после еды: неожиданные причины

Еда должна доставлять удовольствие. А если сразу после нее болит живот?

Лиза
Прощай, дерево: из чего в 21 веке будут делать гитары Прощай, дерево: из чего в 21 веке будут делать гитары

Почему гитарные мастера решили использовать ламинат высокого давления?

ТехИнсайдер
Страшные эпизоды из мультсериалов Страшные эпизоды из мультсериалов

Скажем этим мультфильмам спасибо за нашу поломанную психику

Maxim
На шаг ближе к беспилотному будущему: новые возможности обработки геоданных появились в России На шаг ближе к беспилотному будущему: новые возможности обработки геоданных появились в России

Зачем нам нужно развивать геоинформационные технологии?

ТехИнсайдер
«Язык как инстинкт» «Язык как инстинкт»

Как мы воспринимаем речь

N+1
Икс таинственный, великий Икс таинственный, великий

Как икс стал символом неизвестного?

Наука и жизнь
Доисторические жители Нидерландов занялись животноводством около 4200 года до нашей эры Доисторические жители Нидерландов занялись животноводством около 4200 года до нашей эры

Уже около 4200 года до нашей эры люди Нидерландов начали разводить рогатый скот

N+1
Открыть в приложении