inteligentní polymery

Inteligentní polymery

( překlad z https://en.wikipedia.org/wiki/Smart_polymer )

Inteligentní polymery nebo polymery citlivé na podněty jsou vysoce výkonné polymery, které se mění v závislosti na prostředí, ve kterém jsou. Tyto materiály mohou být citlivé na řadu faktorů, jako je teplota, vlhkost, pH, chemické sloučeniny, vlnová délka nebo intenzita světla. nebo elektrické nebo magnetické pole a může reagovat různými způsoby, jako je změna barvy nebo průhlednosti, stává se vodivou nebo propustnou pro vodu nebo mění tvar (polymery s tvarovou pamětí). Mírné změny v prostředí jsou obvykle dostatečné k vyvolání velkých změn vlastností polymeru [1] [2]. [3]

Aplikace

Inteligentní polymery se objevují ve vysoce specializovaných aplikacích a každodenních produktech. Používají se pro snímače a akční členy, jako jsou umělé svaly , výroba hydrogelů , biologicky rozložitelné obaly a do značné míry v biomedicínském inženýrství . Jedním příkladem je polymer, který podléhá konformační změně v odezvě na změnu pH, která může být použita při dodávání léčiva . ^[4] Dalším je polymer citlivý na vlhkost, který se používá v samo-adaptivních obvazech na rány, které automaticky regulují rovnováhu vlhkosti v ráně a kolem ní. ^[5] [6]

Nelineární odezva inteligentních polymerů je činí tak jedinečnými a efektivními. Významná změna struktury a vlastností může být vyvolána velmi malým podnětem. Jakmile k této změně dojde, nedojde k žádné další změně, což znamená, že nastane předvídatelná odpověď typu "vše nebo nic" s úplnou jednotností v celém polymeru. Inteligentní polymery mohou měnit konformaci , přilnavost nebo retenční vlastnosti vody v důsledku mírných změn pH, iontové síly , teploty nebo jiných spouští.

Dalším faktorem účinnosti inteligentních polymerů je obecně inherentní povaha polymerů. Síla reakce každé molekuly na změny stimulů je složením změn jednotlivých monomerních jednotek, které by samy o sobě byly slabé. Tyto slabé reakce, stovky nebo tisícekrát, však vytvářejí značnou sílu pro řízení biologických procesů.

Podněty

Několik polymerních systémů reaguje na teplotu, prochází nižší kritickou fází přechodu teploty . Jedním z lépe studovaných takových polymerů je poly (N-isopropylakryamid) s teplotou přechodu přibližně 33 ° C. Několik homologních N - alkylakrylamidů také vykazuje chování LCST s teplotou přechodu v závislosti na délce hydrofobního postranního řetězce. Nad jejich teplotou přechodu se tyto polymery stanou nerozpustné ve vodě. Toto chování je věřil být řízen entropií .

Klasifikace a chemie

V současné době je nejrozšířenějším použitím inteligentních polymerů v biomedicíně specificky cílené dodávání léčiv. Od příchodu léčiv s časovaným uvolňováním se vědci potýkají s problémem nalezení způsobů, jak dopravit léky na konkrétní místo v těle, aniž by je nejprve degradovali ve vysoce kyselém prostředí žaludku. Důležitým faktorem je také prevence nežádoucích účinků na zdravé kosti a tkáně. Výzkumní pracovníci vymysleli způsoby, jak používat inteligentní polymery ke kontrole uvolňování léčiv, dokud dodávací systém nedosáhne požadovaného cíle. Toto uvolňování je řízeno buď chemickým nebo fyziologickým spouštěčem.

Lineární a maticové inteligentní polymery existují s různými vlastnostmi v závislosti na reaktivních funkčních skupinách a postranních řetězcích. Tyto skupiny mohou reagovat na pH, teplotu, iontovou sílu , elektrické nebo magnetické pole a světlo. Některé polymery jsou reverzibilně zesítěny nekovalentními vazbami, které se mohou v závislosti na vnějších podmínkách zlomit a reformovat. Nanotechnologie byla zásadní při vývoji určitých nanočásticových polymerů, jako jsou dendrimery a fullereny , které byly aplikovány pro dodávání léčiv. Tradiční zapouzdření léků bylo provedeno za použitípolymery kyseliny mléčné . Nedávnější vývoj viděl vytvoření mříže-jako matrice, které drží drogu zájmu integrovaného nebo zachyceného mezi polymerovými vlákny.

Inteligentní polymerní matrice uvolňují léky chemickou nebo fyziologickou reakcí měnící strukturu, často hydrolytickou reakcí vedoucí ke štěpení vazeb a uvolňování léčiva, jak se matrice rozkládá na biologicky odbouratelné složky. Použití přírodních polymerů umožnilo uměle syntetizované polymery, jako jsou polyanhydridy , polyestery , polyakrylové kyseliny , poly (methylmethakryláty ) a polyurethany . Hydrofilní , amorfní , nízkomolekulární polymery obsahující heteroatomy(tj. atomy jiné než uhlík) byly rychleji degradovány. Vědci kontrolují rychlost podávání léčiva změnou těchto vlastností, čímž upravují rychlost degradace.

Roubovaný a blokový kopolymer je dva různé polymery naroubované dohromady. Řada patentů již existuje pro různé kombinace polymerů s různými reaktivními skupinami. Produkt vykazuje vlastnosti obou jednotlivých složek, což dodává inteligentní struktuře polymeru novou dimenzi a může být užitečné pro určité aplikace. Zesíťující hydrofobní a hydrofilní polymery mají za následek tvorbu struktur podobných micelám, které mohou účinně napomáhat dodávání léčiva přes vodné médium, dokud podmínky v cílovém místě nevedou k současnému rozpadu obou polymerů.

Přístup založený na štěpu a blocích může být užitečný pro řešení problémů, s nimiž se setkává použití běžného bioadhezivního polymeru, kyseliny polyakrylové (PAAc). PAAc ulpívá na slizničních površích, ale při pH 7,4 rychle nabobtnává a degraduje , což vede k rychlému uvolňování léčiv zachycených v matrici. Kombinace PAAc s jiným polymerem, který je méně citlivý na změny při neutrálním pH, může prodloužit dobu zdržení a zpomalit uvolňování léčiva, čímž se zlepší biologická dostupnost a účinnost.

Hydrogely jsou polymerní sítě, které se nerozpouští ve vodě, ale nabobtnají nebo se zhroutí v měnícím se vodním prostředí. Jsou použitelné v biotechnologii pro separaci fází, protože jsou opakovaně použitelné nebo recyklovatelné . Jsou zkoumány nové způsoby regulace průtoku nebo zachycení a uvolnění cílových sloučenin v hydrogelech. Pro dodávání a uvolňování léčiv do specifických tkání byly vyvinuty vysoce specializované hydrogely. Hydrogely vyrobené z PAAc jsou obzvláště běžné z důvodu jejich bioadhezivních vlastností a obrovské absorpční schopnosti .

Imobilizace enzymů v hydrogelech je poměrně dobře zavedený proces. Reverzibilně zesítěné polymerní sítě a hydrogely mohou být podobně aplikovány na biologický systém, kde je reakce a uvolňování léčiva spouštěna samotnou cílovou molekulou. Alternativně může být reakce zapnuta nebo vypnuta produktem enzymové reakce. To se často provádí inkorporací enzymu, receptoru nebo protilátky , která se váže na molekulu, která je středem zájmu, do hydrogelu. Po navázání dochází k chemické reakci, která vyvolává reakci hydrogelu. Spoušť může být kyslík, snímaný pomocí oxidoreduktázyenzymy, nebo reakce na pH. Příkladem posledně uvedeného je kombinované zachycení oxidázy glukózy a inzulínu v hydrogelu reagujícím na pH. V přítomnosti glukózy vyvolává tvorba kyseliny glukonové enzymem uvolňování inzulínu z hydrogelu.

Dvě kritéria, aby tato technologie fungovala efektivně, jsou stabilita enzymů a rychlá kinetika (rychlá reakce na spoušť a zotavení po odstranění spouště). Ve výzkumu diabetu typu 1 bylo testováno několik strategií , které zahrnují použití podobných typů inteligentních polymerů, které mohou detekovat změny hladin glukózy v krvi a spouštět produkci nebo uvolňování inzulínu. Podobně existuje mnoho možných aplikací podobných hydrogelů jako činidel pro dodávání léčiv pro jiné stavy a onemocnění.

Další aplikace

Inteligentní polymery nejsou pouze pro dodávání léčiv. Jejich vlastnosti je činí obzvláště vhodnými pro bioseparace . Čas a náklady spojené s purifikací proteinů mohou být významně sníženy použitím inteligentních polymerů, které podléhají rychlým reverzibilním změnám v reakci na změnu vlastností média. Konjugované systémy se již mnoho let používají ve fyzických a afinitních separacích a imunoanalýzách . Mikroskopické změny ve struktuře polymeru se projevují tvorbou sraženiny , která může být použita k podpoře separace zachycených proteinů z roztoku.

Tyto systémy fungují, když protein nebo jiná molekula, která má být oddělena od směsi, tvoří biokonjugát s polymerem a sráží se s polymerem, když jeho prostředí podléhá změně. Sraženina se odstraní z média, čímž se oddělí požadovaná složka konjugátu od zbytku směsi. Odstranění této složky z konjugátu závisí na regeneraci polymeru a návratu do původního stavu, takže hydrogely jsou pro tyto způsoby velmi užitečné.

Dalším přístupem k regulaci biologických reakcí za použití inteligentních polymerů je příprava rekombinantních proteinů se zabudovanými vazebnými místy pro polymery v blízkosti míst vázajících ligand nebo buňky. Tato technika byla použita pro kontrolu vazebné aktivity ligandu a buněk, na základě různých spouští, včetně teploty a světla.

Inteligentní polymery hrají podstatnou roli v technologii samo-adaptivních krytí ran. Design obvazu představuje patentované vysoce absorpční syntetické inteligentní polymery imobilizované ve 3-rozměrné vláknité matrici s přidanou hydratační funkcí dosaženou vložením hydrogelu do jádra materiálu.

Způsob působení obvazu závisí na schopnosti polymerů snímat a přizpůsobovat se měnící se vlhkosti a obsahu tekutin ve všech oblastech rány současně a automaticky a reverzibilně přecházet z absorpce na hydrataci. Činnost inteligentního polymeru zajišťuje aktivní synchronizovanou odezvu obvazového materiálu na změny rány a kolem rány, aby se vždy podpořilo optimální prostředí vlhkého hojení. ^[5] [6]

Budoucí aplikace

Bylo navrženo, že by mohly být vyvinuty polymery, které by se mohly v průběhu času učit a korigovat chování. I když by to mohlo být daleko vzdálené možnosti, existují i další proveditelné aplikace, které se zdají být v blízké budoucnosti. Jedním z nich je myšlenka inteligentních toalet, které analyzují moč a pomáhají identifikovat zdravotní problémy. V oblasti environmentální biotechnologie byly také navrženy inteligentní zavlažovací systémy. Bylo by neuvěřitelně užitečné mít systém, který se zapíná a vypíná, a kontroluje koncentrace hnojiv na základě vlhkosti půdy , pH a obsahu živin . Mnoho kreativních přístupů k cíleným systémům dodávání léčiv, které se samy regulují na základě své jedinečné buněčné struktury prostředí.

Existují zřejmé možné problémy spojené s použitím inteligentních polymerů v biomedicíně . Nejhorší je možnost toxicity nebo neslučitelnosti umělých látek v těle, včetně produktů degradace a vedlejších produktů . Inteligentní polymery však mají obrovský potenciál v biotechnologii a biomedicínských aplikacích, pokud lze tyto překážky překonat.

Viz také

Odkazy

Shahinpoor a H.-J. Schneider, Eds. Inteligentní materiály ; Královská chemická společnost, Cambridge UK, 2007. http://pubs.rsc.org/en/Content/eBook/978-0-85404-335-4
^ Schwartz, Ed. Inteligentní materiály , CRC tisk Boca Raton 2008, https://www.crcpress.com/Smart-Materials/Schwartz/p/book/9781420043723
^Inteligentní materiály, editory: Mohsen, Shahinpoor, Hans-Jörg Schneider Královská společnost chemie Cambridge 2007 https://pubs.rsc.org/cs/content/ebook/978-0-85404-335-4
^Galaev, Igor; Mattiasson, Bo, eds. (2010). Inteligentní polymery: Aplikace v biotechnologii a biomedicíně . CRC Stiskněte. ISBN 1439858160. Citováno 2013-03-20 .
^ Skočit na:^a ^bWolcott, R .; Fischenich, V. (2014). "Konečná standardizace první linie obvazů na jeden typ" . Dnešní klinika rány . 8 (3).
^ Skočit na:^a ^b‹Viz Tfd› US patent US9050211 B2 , ‹Viz Tfd› Oleg Siniaguine & Elena Kachiguina, "Vlastní adaptivní a případně i jinak přizpůsobitelný obvaz na rány", zveřejněn 2015-06-09