 | Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )
|
Умные полимеры , полимеры , реагирующие на раздражители, или функциональные полимеры - это высокоэффективные полимеры, которые меняются в зависимости от окружающей среды, в которой они находятся. Такие материалы могут быть чувствительны к ряду факторов, таких как температура , влажность , pH , химические соединения, длина волны или интенсивность света или электрическое или магнитное поле и может реагировать по - разному, как изменяющий цвет или прозрачность, становясь проводящими или проницаемым для воды или изменения формы ( полимеры с памятью формы). Обычно небольших изменений окружающей среды достаточно, чтобы вызвать большие изменения свойств полимера. [1] [2] [3]
Приложения [ править ]
Умные полимеры используются как в узкоспециализированных приложениях, так и в повседневных товарах. Они используются для датчиков и исполнительных механизмов, таких как искусственные мышцы , для производства гидрогелей , биоразлагаемой упаковки и, в значительной степени, в биомедицинской инженерии . Одним из примеров является полимер, который претерпевает конформационные изменения в ответ на изменение pH, который можно использовать для доставки лекарств . [4] Другой - чувствительный к влажности полимер, используемый в самоадаптирующихся повязках на рану, которые автоматически регулируют баланс влажности внутри и вокруг раны. [5] [6]
Нелинейный отклик умных полимеров делает их такими уникальными и эффективными. Существенное изменение структуры и свойств может быть вызвано очень слабым раздражителем. Как только это изменение происходит, дальнейших изменений не происходит, что означает предсказуемую реакцию «все или ничего» с полной однородностью по всему полимеру. Смарт - полимеры могут изменить конформации , адгезионную или воды удержания свойства, из - за небольших изменений рН, ионной силы , температуры или других триггеров.
Еще один фактор эффективности «умных» полимеров заключается в природной природе полимеров в целом. Сила реакции каждой молекулы на изменения стимулов - это совокупность изменений отдельных мономерных единиц, которые сами по себе были бы слабыми. Однако эти слабые реакции, усугубленные в сотни или тысячи раз, создают значительную силу для запуска биологических процессов.
Фармацевтическая промышленность напрямую связана с развитием полимеров. В этой области полимеры играют значительную роль, и их достижения помогают целым группам населения во всем мире. Человеческое тело - это машина со сложной системой, работающая в ответ на химические сигналы. Полимеры играют роль технологии доставки лекарств, которая может контролировать высвобождение терапевтических агентов в периодических дозах. [7] Полимеры способны распознавать молекулы и управлять внутриклеточной доставкой. [7] « Умные» полимеры выходят на поле боя и используют преимущества молекулярного распознавания и, наконец, создают системы осведомленности и полимерные носители для облегчения доставки лекарств в систему организма.
Стимулы [ править ]
Некоторые полимерные системы реагируют на температуру, претерпевая фазовый переход с более низкой критической температурой раствора . Одним из наиболее изученных таких полимеров является поли (N-изопропилакриамид) с температурой перехода примерно 33 ° C. Несколько гомологичных N - алкил акриламидов также показывает поведение НКТРА, с температурой перехода в зависимости от длины гидрофобной боковой цепи. Выше температуры перехода эти полимеры становятся нерастворимыми в воде. Считается, что это поведение обусловлено энтропией .
Классификация и химия [ править ]
В настоящее время умные полимеры чаще всего используются в биомедицине для адресной доставки лекарств. С момента появления фармацевтических препаратов с замедленным высвобождением ученые столкнулись с проблемой поиска способов доставки лекарств в определенное место в организме без их предварительного разложения в очень кислой среде желудка. Предотвращение неблагоприятных последствий для здоровых костей и тканей также является важным соображением. Исследователи разработали способы использования интеллектуальных полимеров для контроля высвобождения лекарств до тех пор, пока система доставки не достигнет желаемой цели. Это высвобождение контролируется химическим или физиологическим триггером.
Линейные и матричные интеллектуальные полимеры существуют с различными свойствами в зависимости от реакционноспособных функциональных групп и боковых цепей. Эти группы могут реагировать на pH, температуру, ионную силу , электрические или магнитные поля и свет. Некоторые полимеры обратимо сшиты нековалентными связями, которые могут разрушаться и восстанавливаться в зависимости от внешних условий. Нанотехнологии сыграли фундаментальную роль в разработке определенных полимеров наночастиц, таких как дендримеры и фуллерены , которые применялись для доставки лекарств. Традиционная инкапсуляция лекарств выполнялась с использованиемполимеры молочной кислоты . Более поздние разработки показали формирование решетчатых матриц, которые удерживают интересующее лекарство интегрированным или заключенным между нитями полимера.
Интеллектуальные полимерные матрицы высвобождают лекарственные средства в результате химической или физиологической реакции изменения структуры, часто реакции гидролиза, приводящей к разрыву связей и высвобождению лекарства, когда матрица распадается на биоразлагаемые компоненты. Использование природных полимеров уступило место искусственно синтезированным полимерам, таким как полиангидриды , полиэфиры , полиакриловые кислоты , поли (метилметакрилаты ) и полиуретаны . Гидрофильные , аморфное , с низким молекулярным весом полимеров , содержащих гетероатомы(т.е. атомы, отличные от углерода), как было обнаружено, разлагаются быстрее всего. Ученые контролируют скорость доставки лекарственного средства, изменяя эти свойства, тем самым регулируя скорость разложения.
Привитой и блок- сополимер - это два разных полимера, сшитых вместе. Уже существует ряд патентов на различные комбинации полимеров с разными реакционноспособными группами. Продукт демонстрирует свойства обоих отдельных компонентов, что придает новое измерение интеллектуальной полимерной структуре и может быть полезным для определенных приложений. Сшивание гидрофобных и гидрофильных полимеров приводит к образованию мицеллоподобных структур, которые могут защищать доставку лекарств через водную среду до тех пор, пока условия в целевом месте не вызовут одновременное разрушение обоих полимеров.
Подход с использованием трансплантата и блока может быть полезен для решения проблем, возникающих при использовании обычного биоадгезивного полимера, полиакриловой кислоты (PAAc). PAAc прилипает к поверхностям слизистой оболочки, но при pH 7,4 быстро набухает и разлагается , что приводит к быстрому высвобождению лекарственных средств, заключенных в его матриксе. Комбинация PAAc с другим полимером, который менее чувствителен к изменениям при нейтральном pH, может увеличить время пребывания и замедлить высвобождение лекарства, тем самым улучшая биодоступность и эффективность.
Гидрогели представляют собой полимерные сетки , которые не растворяются в воде, но набухают или разрушаются в изменяющейся водной среде. Они полезны в биотехнологии для разделения фаз, потому что их можно использовать повторно или повторно . Изучаются новые способы управления потоком или улавливанием и высвобождением целевых соединений в гидрогелях. Для доставки и высвобождения лекарств в определенные ткани были разработаны узкоспециализированные гидрогели. Гидрогели, изготовленные из PAAc, особенно распространены из-за их биоадгезионных свойств и огромной впитывающей способности .
Иммобилизация ферментов в гидрогелях - довольно хорошо отработанный процесс. Обратимо сшитые полимерные сети и гидрогели могут быть аналогичным образом применены к биологической системе, где реакция и высвобождение лекарства запускаются самой целевой молекулой. В качестве альтернативы ответ может быть включен или выключен продуктом ферментативной реакции. Это часто делается путем включения фермента, рецептора или антитела , которые связываются с интересующей молекулой, в гидрогель. После связывания происходит химическая реакция, которая запускает реакцию гидрогеля. Триггером может быть кислород, обнаруженный с помощью оксидоредуктазы.ферменты или реакция определения pH. Примером последнего является объединенное улавливание глюкозооксидазы и инсулина в рН-чувствительном гидрогеле. В присутствии глюкозы образование ферментом глюконовой кислоты вызывает высвобождение инсулина из гидрогеля.
Двумя критериями эффективной работы этой технологии являются стабильность ферментов и быстрая кинетика (быстрая реакция на триггер и восстановление после удаления триггера). В исследованиях диабета 1 типа было протестировано несколько стратегий , включающих использование аналогичных типов интеллектуальных полимеров, которые могут обнаруживать изменения уровня глюкозы в крови и запускать выработку или высвобождение инсулина. Точно так же существует множество возможных применений подобных гидрогелей в качестве агентов доставки лекарств при других состояниях и заболеваниях.
Другие приложения [ править ]
Умные полимеры предназначены не только для доставки лекарств. Благодаря своим свойствам они особенно подходят для биоразделения . Время и затраты, связанные с очисткой белков, можно значительно сократить за счет использования интеллектуальных полимеров, которые претерпевают быстрые обратимые изменения в ответ на изменение свойств среды. Конъюгированные системы уже много лет используются в физическом разделении и аффинном разделении, а также в иммуноанализах . Микроскопические изменения в структуре полимера проявляются в виде образования осадка , который может использоваться для облегчения отделения захваченных белков от раствора.
Эти системы работают, когда белок или другая молекула, которая должна быть отделена от смеси, образует биоконъюгат с полимером и осаждается вместе с полимером, когда его окружение претерпевает изменения. Осадок удаляется из среды, тем самым отделяя желаемый компонент конъюгата от остальной смеси. Удаление этого компонента из конъюгата зависит от извлечения полимера и возврата в его исходное состояние, поэтому гидрогели очень полезны для таких процессов.
Другой подход к контролю биологических реакций с использованием интеллектуальных полимеров заключается в получении рекомбинантных белков со встроенными сайтами связывания полимера, близкими к сайтам связывания лиганда или клетки. Этот метод использовался для контроля активности связывания лигандов и клеток на основе множества триггеров, включая температуру и свет.
Умные полимеры играют важную роль в технологии самоадаптирующихся перевязочных материалов. В конструкции повязки используются запатентованные супервпитывающие синтетические интеллектуальные полимеры, иммобилизованные в трехмерной волокнистой матрице, с дополнительной функцией гидратации, достигаемой за счет встраивания гидрогеля в сердцевину материала.
Принцип действия повязки основан на способности полимеров воспринимать и приспосабливаться к изменяющейся влажности и содержанию жидкости во всех областях раны одновременно, а также автоматически и обратимо переключаться с абсорбции на гидратацию. Интеллектуальное действие полимера обеспечивает активную синхронизированную реакцию перевязочного материала на изменения в ране и вокруг нее, чтобы поддерживать оптимальную влажную среду заживления в любое время. [5] [6]
Будущие приложения [ править ]
Было высказано предположение, что могут быть разработаны полимеры, которые со временем могут обучаться и самокорректировать поведение. Хотя это может быть очень далекой возможностью, в ближайшем будущем появятся и другие, более осуществимые приложения. Одна из них - идея умных туалетов, которые анализируют мочу и помогают выявлять проблемы со здоровьем. В экологической биотехнологии также были предложены интеллектуальные системы орошения . Было бы невероятно полезно иметь систему, которая включается и выключается и контролирует концентрацию удобрений в зависимости от влажности почвы , pH и уровней питательных веществ . Многие творческие подходы к системам адресной доставки лекарств, которые саморегулируются на основе уникальных клеточных окрестности, также находятся под следствием.
Существуют очевидные возможные проблемы, связанные с использованием умных полимеров в биомедицине . Больше всего беспокоит возможность токсичности или несовместимости искусственных веществ в организме, включая продукты разложения и побочные продукты . Однако умные полимеры обладают огромным потенциалом в биотехнологии и биомедицине, если эти препятствия можно будет преодолеть.
См. Также [ править ]
- Умные материалы
- Программируемая материя
- Датчики
- Приводы
- Искусственные мышцы
Ссылки [ править ]
- ^ М.Шахинпур и Х.-Дж. Schneider, Eds. Интеллектуальные материалы ; Королевское химическое общество, Кембридж, Великобритания, 2007 г. http://pubs.rsc.org/en/Content/eBook/978-0-85404-335-4
- ↑ M. Schwartz, Ed. Умные материалы , CRC Press Boca Raton 2008, https://www.crcpress.com/Smart-Materials/Schwartz/p/book/9781420043723
- ^ Интеллектуальные материалы, редакторы: Мохсен, Шахинпур, Ханс-Йорг Шнайдер Королевское химическое общество Кембриджа 2007 https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-0-85404-335-4
- ^ Галаев, Игорь; Маттиассон, Бо, ред. (2010). Смарт-полимеры: применение в биотехнологии и биомедицине . CRC Press. ISBN 978-1439858165. Проверено 20 марта 2013 .
- ^ a b Wolcott, R .; Фишенич В. (2014). «Абсолютная стандартизация повязок первого ряда на один тип» . Сегодняшняя клиника ран . 8 (3).
- ^ a b Патент США US9050211 B2 , Олег Синягин и Елена Качигина, «Самоадаптирующаяся и, возможно, адаптируемая иным образом повязка на рану», опубликовано 09.06.2015.
- ^ a b Лихти, WB, Kryscio, DR, Slaughter, BV, & Peppas, NA (2012). Полимеры для систем доставки лекарств. Авторские рукописи HHS. Список журналов. ЧВК.
