Biomedicínské aplikace pro inteligentní polymery

Mimicking povzbuzování přírodních polymerů

Vědci studovali přírodní polymery nalezené v živých organizmech ( bílkoviny, sacharidy a nukleové kyseliny systémy, které plní svou strukturální a fyziologickou roli. Tyto informace se používají k vývoji podobných polymerních látek vytvořených člověkem se specifickými vlastnostmi a schopností reagovat na změny ve svém prostředí.

Tyto syntetické polymery jsou potenciálně velmi užitečné pro různé aplikace, včetně některých souvisejících s biotechnologií a biomedicínou.

Inteligentní polymery se stávají stále více převládajícími, jak se vědci dozvědí o chemii a spouštěčích, které indukují konformační změny polymerních struktur a navrhnou způsoby, jak je využít a ovládat. Nové polymerní materiály jsou chemicky formulovány tak, aby vnímaly specifické environmentální změny v biologických systémech a předvídatelným způsobem upravily , což je činí užitečným nástrojem pro dodávku léků nebo jiných mechanismů kontroly metabolismu.

Nelineární reakce

inteligentních polymerů je to, co je činí tak jedinečnými a efektivními. Významná změna ve struktuře a vlastnostech může být vyvolána velmi malým stimulem . Jakmile k této změně dojde, nedojde k žádné další změně, což znamená, že nastane předvídatelná reakce vše nebo nic, s úplnou uniformitou v celém polymeru. Inteligentní polymery mohou měnit vlastnosti konformace, adhezivity nebo zadržování vody kvůli nepatrným změnám pH, iontové síly, teploty nebo jiných spouštěčů.

Dalším faktorem efektivity inteligentních polymerů spočívá obecná povaha polymerů. Síla reakce každé molekuly na změnách podnětů je složením změn jednotlivých monomerních jednotek, které samy o sobě budou slabé.

Nicméně tyto slabé reakce, složené

stovky nebo tisíckrát

, vytvářejí značnou sílu pro řízení biologických procesů. Klasifikace a chemie V současné době je nejrozšířenějším používáním inteligentních polymerů v biomedicíně

specificky cílená dodávka léků

. Od příchodu léčivých přípravků s časovaným uvolňováním se vědci potýkají s problémem, jak nalézt způsoby, jak dodávat léky na určité místo v těle , aniž by je museli nejprve degradovat ve vysoce kyselém žaludeční prostředí. Prevence nežádoucích účinků na zdravou kostní tkáň a tkáň je také důležité. Výzkumníci navrhli způsoby, jak používat inteligentní polymery k řízení uvolňování léků, dokud nedojde k dosažení požadovaného cíle. Toto uvolnění je řízeno chemickým nebo fyziologickým spouštěčem. Inteligentní polymery s lineární a maticovou 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 zesíťovány nekovalentními vazbami, které se mohou zlomit a reformovat v závislosti na vnějších podmínkách. Nanotechnologie byla zásadní ve vývoji některých nanočásticových polymerů, jako jsou dendriméry a fullereny, které byly aplikovány pro dodávky léků.

Tradiční zapouzdření léků bylo provedeno pomocí polymerů kyseliny mléčné. Novější vývoj zaznamenal tvorbu matricových matric, které obsahují zajímavé léčivo integrované nebo zachycené mezi polymerními prameny. Inteligentní polymerní matrice uvolňují léky chemickou nebo fyziologickou změnou struktury, často hydrolýzou, která vede ke štěpení vazeb a uvolňování léku, jak se matrice rozpadá na biologicky odbouratelné složky. Použití přírodních polymerů dává přednost uměle syntetizovaným polymerům, jako jsou polyanhydridy, polyestery, polyakrylové kyseliny, poly (methylmethakryláty) a polyurethany. Bylo zjištěno, že hydrofilní, amorfní, nízkomolekulární polymery obsahující heteroatomy (tj. Jiné atomy než uhlík) nejrychleji degradují. Vědci řídí rychlost přenosu léku tím, že mění tyto vlastnosti a tím upravují rychlost degradace.

Kopolymery typu Graft-and-block

se skládají ze dvou různě rozmíchaných polymerů. Existuje již řada patentů pro různé kombinace polymerů s různými reaktivními skupinami. Produkt vykazuje vlastnosti obou složek, které přidávají novou dimenzi inteligentní polymerní struktuře a mohou být užitečné pro určité aplikace. Zesíťující hydrofobní a hydrofilní polymery vedou k vytvoření struktur podobných micelám, které mohou protektivně napomáhat přivádění léčiva vodným médiem, dokud podmínky v cílové poloze nepřimějí současně rozpad obou polymerů.

Přístup štěp a blok by mohl být užitečný pro řešení problémů, které se vyskytly při použití běžného bioadhezivního polymeru, kyseliny polyakrylové (PAAc). PAAc adheruje na slizniční povrchy, ale nabobtná a rychle se rozkládá při pH 7,4, což vede k rychlému uvolnění léčiv zachycených v matrici. Kombinace PAAc s jiným polymerem, který je méně citlivý na změny při neutrálním pH, může zvýšit dobu zdržení a zpomalit uvolňování léčiva, a tím zlepšit biologickou dostupnost a účinnost. Hydrogely

jsou sítě polymerů, které se nerozpouštějí ve vodě, ale v měnícím se vodním prostředí se zvětšují nebo snižují

. Jsou použitelné v biotechnologii pro separaci fází, protože jsou opakovaně použitelné nebo recyklovatelné. Byly zkoumány nové způsoby řízení toku, či zachycení a uvolňování cílových sloučenin v hydrogelu. Byly vyvinuty vysoce specializované hydrogely pro dodávání a uvolňování léčiv do specifických tkání. Hydrogely vyrobené z PAAc jsou obzvláště běžné kvůli jejich bioadhezivním vlastnostem a obrovské absorpci. Imobilizace enzymů v hydrogelu je poměrně dobře zavedeným procesem. Reverzibilně zesítěné polymerní sítě a hydrogely mohou být podobně aplikovány na biologický systém, kde reakce a uvolňování léčiva je spouštěno samotnou cílovou molekulou. Alternativně může být odezva zapnuta nebo vypnuta produktem enzymatické reakce. To se často provádí začleněním enzymu, receptoru nebo protilátky, která se váže na požadovanou molekulu, do hydrogelu. Jakmile se naváže, dojde k chemické reakci, která vyvolá reakci hydrogelu. Spouštěcím mechanismem může být kyslík, snímaný pomocí enzymů oxidoreduktázy nebo odezvou na pH. Příkladem je kombinace zachycení glukózooxidázy a inzulinu v hydrogelu reagujícím na pH. V přítomnosti glukózy vytváří kyselina glukonová enzymem uvolnění inzulínu z hydrogelu.

Dvě kritéria pro účinnou práci této technologie jsou

stabilita enzymu

a

rychlá kinetika (rychlá reakce na spoušť a zotavení po odstranění spouště). V rámci výzkumu diabetu typu 1 bylo testováno několik strategií zahrnujících použití podobných typů inteligentních polymerů, které mohou detekovat změny hladin glukózy v krvi a vyvolat produkci nebo uvolňování inzulínu. Stejně tak existuje mnoho možných aplikací podobných hydrogelů jako činidel dodávajících léky pro jiné stavy a nemoci. Inteligentní polymery nejsou určeny pouze k dodání léků. Jejich vlastnosti je zvláště vhodné pro bioseparace .

Čas a náklady spojené s čištěním proteinů mohou být významně sníženy použitím inteligentních polymerů, které procházejí rychlými reverzibilními změnami v reakci na změnu vlastností média. Konjugované systémy se používají již řadu let ve fyzikálních a afinitních separacích a imunotestech. Mikroskopické změny v polymerní struktuře se projevují jako tvorba sraženin, které mohou být použity k podpoře oddělení zachycených proteinů od roztoku. Tyto systémy fungují, když protein nebo jiná molekula, která má být oddělena od směsi, tvoří biokonjugát s polymerem a vysráží s polymerem, když jeho prostředí prochází změnou. Sraženina se odstraní z média, čímž se oddělí požadovaná složka konjugátu od zbytku směsi. Odstranění této složky z konjugátu závisí na obnovení polymeru a návratu do jeho původního stavu, takže hydrogely jsou pro takové procesy velmi užitečné. Dalším přístupem k řízení biologických reakcí za použití inteligentních polymerů je připravit rekombinantní proteiny se zabudovanými vazebnými místy polymeru v blízkosti vazebných míst ligandu nebo buněk. Tato technika byla použita pro kontrolu ligandové a buněčné vazebné aktivity, založené na různých spouštěch včetně teploty a světla.

Budoucí aplikace

Bylo navrženo, že mohou být vyvinuty polymery, které se mohou časem

učit a samočinně napravit chování

.Přestože by to mohlo být daleko vzdálená možnost, existují i ​​další proveditelné aplikace, které se zdá být v blízké budoucnosti. Jednou z nich je myšlenka inteligentních toalet, které analyzují moč a pomáhají identifikovat zdravotní problémy. V biotechnologii životního prostředí byly také navrženy inteligentní zavlažovací systémy. Bylo by neuvěřitelně užitečné mít systém, který se zapíná a vypíná a kontroluje koncentrace hnojiv na základě půdní vlhkosti, pH a výživných hodnot. Mnoho kreativních přístupů k cíleným systémům doručování léků, které se samy regulují na základě jejich jedinečného celulárního prostředí, jsou také předmětem šetření.

Existují zřejmé možné problémy spojené s používáním inteligentních polymerů v biomedicíně. Nejzávažnější je možnost toxicity nebo neslučitelnosti umělých látek v těle, včetně produktů degradace a vedlejších produktů. Inteligentní polymery však mají obrovský potenciál v biotechnologických a biomedicínských aplikacích, pokud tyto překážky mohou být překonány. Zdroje

Yuk SH et al. Polymer reagující na pH / teplotu složený z poly ((N, N-dimethylamino) ethyl methakrylát-co-ethylakrylamidu). Macromolecules 30 (22) 1997: 6856-6859.

_{Patil NV. Inteligentní polymery jsou v biotechnologické budoucnosti. Bioprocess International 4 (8) 2006: 42-46.}

Stayton PS, Ding Z, Hoffman AS. Konjugáty inteligentního polymeru a streptavidinu. Metody Mol. Biol. 283 2004: 37-44.

Varshosaz J. Inzulínové systémy pro kontrolu diabetu. Nedávné patenty týkající se endokrinního, metabolického a imunitního léčebného objevu. 1 2007: 25-40.