Умные полимеры , полимеры, реагирующие на раздражители , или функциональные полимеры — это высокопроизводительные полимеры , которые изменяются 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 могут реагировать различными способами, например, изменять цвет или прозрачность, становиться проводящими или проницаемыми для воды или менять форму ( полимеры с эффектом памяти формы ). Обычно, незначительных изменений в окружающей среде достаточно, чтобы вызвать большие изменения в свойствах полимера. [1] [2] [3]
Умные полимеры появляются как в узкоспециализированных приложениях, так и в повседневных продуктах. Они используются для датчиков и приводов, таких как искусственные мышцы , производство гидрогелей , биоразлагаемая упаковка и в значительной степени в биомедицинской инженерии . Одним из примеров является полимер, который претерпевает конформационные изменения в ответ на изменение pH, что может использоваться для доставки лекарств . [4] Другим примером является чувствительный к влажности полимер, используемый в самоадаптирующихся раневых повязках, которые автоматически регулируют баланс влаги внутри и вокруг раны. [5] [6]
Нелинейный отклик умных полимеров — вот что делает их такими уникальными и эффективными. Значительное изменение структуры и свойств может быть вызвано очень слабым стимулом. Как только это изменение происходит, дальнейших изменений не происходит, что означает предсказуемый ответ «все или ничего» с полной однородностью по всему полимеру. Умные полимеры могут изменять конформацию , адгезию или свойства удержания воды из-за небольших изменений pH, ионной силы , температуры, ультразвука или других триггеров. Например, Кубота и др. разработали и загрузили чувствительные к ультразвуку гидрогелевые микрошарики с наночастицами кремния, которые высвобождались при ультразвуковой стимуляции. [7]
Другим фактором эффективности умных полимеров является внутренняя природа полимеров в целом. Сила реакции каждой молекулы на изменения стимулов является совокупностью 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 управления биологическими процессами.
Фармацевтическая промышленность напрямую связана с достижениями полимеров. В этой области полимеры играют важную роль, и их достижения помогают целым популяциям по всему миру. Человеческое тело — это машина со сложной системой, которая работает в ответ на химические сигналы. Полимеры играют роль технологии доставки лекарств, которая может контролировать высвобождение терапевтических агентов в периодических дозах. [8] Полимеры способны к молекулярному распознаванию и направлению внутриклеточной доставки. [8] Умные полимеры выходят на поле, чтобы играть и использовать преимущества молекулярного распознавания и, наконец, создали системы осведомленности и полимерные носители для облегчения доставки лекарств в систему организма.
Несколько полимерных систем реагируют на температуру, подвергаясь фазовому переходу при более низкой критической температуре растворения . Одним из наиболее изученных таких полимеров является поли(N-изопропилакриламид) с температурой перехода приблизительно 33 °C. Несколько гомологичных N -алкилакриламидов также демонстрируют поведение НКТР, причем температура перехода зависит от длины гидрофобной боковой цепи. Выше температуры перехода эти полимеры становятся нерастворимыми в воде. Считается, что такое поведение обусловлено энтропией .
В настоящее время наиболее распространенным применением умных полимеров в биомедицине является целенаправленная доставка 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 сильнокислой среде желудка. Предотвращение неблагоприятного воздействия на здоровые кости и ткани также является важным соображением. Исследователи разработали способы использования умных полимеров для контроля высвобождения лекарств до тех пор, пока система доставки не достигнет желаемой цели. Это высвобождение контролируется либо химическим, либо физиологическим триггером.
Линейные и матричные интеллектуальные полимеры существуют с различными свойствами в зависимости от реактивных 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 разрываться и восстанавливаться в зависимости от внешних условий. Нанотехнологии сыграли основополагающую роль в разработке определенных полимеров наночастиц, таких как дендримеры и фуллерены , которые применялись для доставки лекарств. Традиционная инкапсуляция лекарств осуществлялась с использованием полимеров молочной кислоты . Более поздние разработки показали образование решетчатых матриц, которые удерживают интересующее лекарство, интегрированное или захваченное между полимерными цепями.
Умные полимерные матрицы высвобождают лекарства посредством химической или физиологической реакции изменения структуры, часто реакции гидролиза, приводящей к разрыву связей и высвобождению лекарства, поскольку матрица распадается на биоразлагаемые компоненты. Использование природных полимеров уступило место искусственно синтезированным полимерам, таким как полиангидриды , полиэфиры , полиакриловые кислоты , поли(метилметакрилаты ), поли(фталевый альдегид) и полиуретаны . Было обнаружено, что гидрофильные , аморфные , низкомолекулярные полимеры, содержащие гетероатомы (т. е. атомы, отличные от углерода), разлагаются быстрее всего. Ученые контролируют скорость доставки лекарств, изменяя эти свойства, тем самым регулируя скорость разложения.
Привитой и блочный сополимер — это два разных полимера, привитых вместе. Уже существует ряд патентов на различные комбинации полимеров с различными реактивными группами. Продукт проявляет свойства обоих отдельных компонентов, что добавляет новое измерение к интеллектуальной полимерной структуре и может быть полезным для определенных применений. 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 «прививка и блокировка» может быть полезен для решения проблем, возникающих при использовании распространенного биоадгезивного полимера, полиакриловой кислоты (PAA). PAA прилипает к слизистым поверхностям, но будет набухать и быстро разрушаться при pH 7,4, что приведет к быстрому высвобождению лекарств, заключенных в его матрице. Сочетание 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 сети, которые не растворяются в воде, но набухают или разрушаются в изменяющихся водных средах. Они полезны в биотехнологии для разделения фаз, поскольку их можно использовать повторно или перерабатывать . Изучаются новые способы управления потоком или улавливания и высвобождения целевых соединений в гидрогелях. Разработаны высокоспециализированные гидрогели для доставки и высвобождения лекарств в определенные ткани. Гидрогели, изготовленные из PAAc, особенно распространены из-за их биоадгезивных свойств и огромной впитывающей способности .
Иммобилизация ферментов в гидрогелях — это довольно хорошо отработанный процесс. Обратимо сшитые полимерные сети и гидрогели могут быть аналогичным образом применены к биологической системе, где реакция и высвобождение препарата запускаются самой целевой молекулой. В качестве альтернативы реакция может быть включена или выключена 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 из гидрогеля. Триггером может быть кислород, определяемый с помощью ферментов оксидоредуктазы или реакции, чувствительной к pH. Примером последнего является комбинированное задержание глюкозооксидазы и инсулина в гидрогеле, чувствительном к pH. В присутствии глюкозы образование глюконовой кислоты ферментом запускает высвобождение инсулина из гидрогеля.
Два критерия для эффективной работы этой технологии — стабильность фермента и быстрая кинетика (быстрая реакция на триггер и восстановление после удаления триггера). Несколько стратегий были протестированы в исследовании диабета 1 типа , включая использование аналогичных типов умных полимеров, которые могут определять изменения уровня глюкозы в крови и запускать выработку или высвобождение инсулина. Аналогично, существует множество возможных применений аналогичных гидрогелей в качестве агентов доставки лекарств при других состояниях и заболеваниях. [9]
Умные полимеры предназначены не только для доставки лекарств. Их свойства делают их особенно подходящими для биоразделения. Время и затраты, необходимые для очистки белков, могут быть значительно сокращены за счет использования умных полимеров, которые претерпевают быстрые обратимые изменения в ответ на изменение свойств среды. Сопряженные системы уже много лет используются в физическом и аффинном разделении и иммуноанализе . Микроскопические изменения в структуре полимера проявляются в виде образования осадка , который может быть использован 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 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 восстановления полимера и возврата в исходное состояние, поэтому гидрогели очень полезны для таких процессов.
Другой подход к контролю биологических реакций с использованием умных полимеров заключается в подготовке рекомбинантных белков со встроенными сайтами связывания полимера, расположенными близко к сайтам связывания лиганда или клеток. Эта техника использовалась для контроля активности связывания лиганда и клеток на основе различных триггеров, включая температуру и свет.
Умные полимеры играют важную роль в технологии самоадаптирующихся раневых повязок. Конструкция повязки представляет собой фирменные суперабсорбирующие синтетические умные полимеры, иммобилизованные в трехмерной волокнистой матрице с дополнительной гидратационной функциональностью, достигаемой путем внедрения гидрогеля в ядро материала.
Действие повязки основано на способности полимеров чувствовать и адаптироваться к изменяющейся влажности и содержанию жидкости во всех областях раны одновременно и автоматически и обратимо переключаться с абсорбции на гидратацию. Действие интеллектуального 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]
Было высказано предположение, что могут быть разработаны полимеры, которые могут обучаться и самокорректировать поведение с течением времени. Хотя это может быть отдаленной возможностью, есть и другие более осуществимые приложения, которые, по-видимому, появятся в ближайшем будущем. Одной из них является идея умных туалетов, которые анализируют мочу и помогают выявлять проблемы со здоровьем. В экологической биотехнологии также были предложены умные системы орошения . Было бы невероятно полезно иметь систему, которая включается и выключается, а также контролирует концентрацию удобрений на основе влажности почвы , pH и уровня питательных веществ. Многие креативные подходы к системам целевой доставки лекарств, которые саморегулируются на основе их уникального клеточного окружения, также находятся в стадии изучения.
Существуют очевидные возможные проблемы, связанные с использованием умных полимеров в биомедицине . Наиболее тревожной является возможность токсичности или несовместимости искусственных веществ в организме, включая продукты распада и побочные продукты . Однако умные полимеры имеют огромный потенциал в биотехнологических и биомедицинских приложениях, если эти препятствия будут преодолены.